Che cosa sono le prove penetrometriche

Fra le indagini geognostiche, le prove penetrometriche sono delle indagini non distruttive molto usate per stimare le proprietà meccaniche dei terreni.

Le prove penetrometriche si suddividono in due categorie:

  1. Prove penetrometriche dinamiche;
  2. Prove penetrometriche statiche.

Prove penetrometriche dinamiche

Le prove penetrometriche dinamiche consistono nell’infiggere nel terreno una punta conica (per tratti consecutivi δ) misurando il numero di colpi (N) necessari all’infissione.

Le prove penetrometriche dinamiche sono molto diffuse ed utilizzate data la loro semplicità esecutiva, economicità e rapidità di esecuzione.
La loro elaborazione, interpretazione e visualizzazione grafica consente di “catalogare e parametrizzare” il suolo attraversato con un’immagine in continuo, che permette anche di avere un raffronto sulle consistenze dei vari livelli attraversati e una correlazione diretta con sondaggi geognostici per la caratterizzazione stratigrafica.

Inoltre le prove penetrometriche dinamiche permettono di riconoscere abbastanza precisamente lo spessore delle coltri sul substrato, la quota di eventuali falde e superfici di rottura sui pendii, e la consistenza in generale del terreno.
L’uso dei dati, ricavati da correlazioni indirette e facendo riferimento a vari autori, dovrà comunque essere trattato con le opportune cautele e, possibilmente, dopo esperienze geologiche acquisite in zona.

Gli elementi caratteristici di un penetrometro dinamico sono questi:

  • peso massa battente M
  • altezza libera caduta H
  • punta conica: diametro base cono D, area base A (angolo di apertura α)
  • avanzamento (penetrazione) δ
  • presenza o meno del rivestimento esterno (fanghi bentonitici).

La classificazione ISSMFE (1988) dei diversi tipi di penetrometri dinamici (vedi tabella sotto riportata) suddivisione i penetrometri in quattro classi (in base al peso M della massa battente):
– tipo LEGGERO (DPL)
– tipo MEDIO (DPM)
– tipo PESANTE (DPH)
– tipo SUPERPESANTE (DPSH)

Tipo Sigla di riferimento Peso della massa M (Kg) Profondità max indagine
Leggero DPL (Light) M≤10 8
Medio DPM (Medium) 10<M<40 20-25
Pesante DPH (Heavy) 40≤M<60 25
Super-pesante DPSH M>60 25
pemetrometriche
Penetrometrica medio
penetrometriche
Penetrometro super-pesante

prova penetrometrica

Le prove penetrometriche statiche

Le prove penetrometriche statiche C.P.T. (Cone Penetration Test) sono delle indagini molto diffuse perché, ad un costo modesto, permettono di stimare molti parametri geotecnici dei terreni sia a grana grossa (tranne le ghiaie) che a grana fine.

La prova è autoperforante, cioè non richiede l’esecuzione di un foro di sondaggio, è consiste nell’infissione a pressione nel terreno, a partire dal piano campagna ed alla velocità costante di 20 mm/s (con una tolleranza di 5 mm/s) di una punta conica avente un diametro di 35.7 mm e angolo di apertura di 60°, collegata al dispositivo di spinta mediante una batteria di tubi.

Il contrasto necessario ad infiggere la punta e la batteria di aste nel terreno è ottenuto col peso dell’autocarro, eventualmente zavorrato, su cui è installata l’attrezzatura, oppure mediante eliche di ancoraggio “avvitate” nel terreno, oppure ancora mediante “tirafondi” applicati a pavimentazioni.

Attualmente esistono due tipi di prove penetrometriche statiche, con caratteristiche geometriche e procedure di prova normate a livello internazionale (ISSMFE, 1989):

  1. prova penetrometrica statica con manicotto d’attrico;
  2. prova penetrometrica statica con penetrometro elettrico.

Nei penetrometri meccanici con manicotto d’attrito (punta Begemann) la punta conica è solidale con una batteria di aste coassiali ed una tubazione di rivestimento. La parte finale, ovvero quella prossima alla punta, della tubazione di rivestimento è mobile e costituisce il manicotto d’attrito.

  1. Inizialmente, esercitando una forza sulle aste interne collegate alla punta, si fa avanzare a velocità costante di 2 cm/s la sola punta per una lunghezza di 40 mm;
  2. Al termine della corsa di 40 mm, viene agganciato il manicotto di attrito e si continua a far avanzare la punta a velocità costante per altri 40 mm (che nella penetrazione si trascina il manicotto);
  3. In una terza fase la spinta viene applicata alle aste esterne che, a punta ferma, raggiungono prima il manicotto e poi la punta per poi avanzare assieme.

L’operazione viene ripetuta ogni 20 centimetri di avanzamento. La pressione esercitata sulla punta – attraverso le aste – viene trasmessa a dei manometri, o a delle celle di carico, elettroniche poste alla sommità delle stesse aste. Con questi strumenti si legge:

  1. Lettura alla punta;
  2. Lettura alla punta e manicotto;
  3. Lettura totale (avanzamento della punta e di tutta la batteria di aste).

Da queste letture si ottengono i seguenti parametri:

  1. Resistenza unitaria alla punta qc (Kg/cm2 o in KPa);
  2. Resistenza unitaria di attrito laterale fs (Kg/cm2 o in KPa);
  3. Rapporto Begemann, dato dal rapporto dei primi due parametri, che fornisce una stima della granulometria del deposito attraversato.

La prova penetrometrica statica con penetrometro elettrico consiste nell’infissione nel terreno, a velocità costante, di una punta conica con dimensioni standard attraverso una batteria di aste cave. Attraverso le aste viene fatto passare un cavo di segnale.
La punta digitale ha una serie di sensori che misurano la deviazione dalla verticale (tilt) oltre alla resistenza alla punta (qc) e all’attrito laterale (fs).

Con il penetrometro elettrico si può anche misurare la pressione neutra u2, cioè la pressione esercitata dall’acqua nei pori.

Le tensioni meccaniche vengono trasformate in tensioni elettriche che, attraverso un cavo di segnale, vengono trasferite ad un sistema di acquisizione su pc. Un trasduttore di profondità, che si muove di pari passo con il sistema di spinta, fornisce la profondità e la velocità di avanzamento della punta in tempo reale. Con questo sistema si controlla anche la corretta esecuzione della prova.

Le prove con penetrometro elettrico si possono considerare delle vere e proprie prove continue dato che i valori vengono registrati per ogni centimetro di avanzamento della punta.

La possibilità di misurare la pressione interstiziale ha agevolato l’interpretazione di queste prove nei terreni saturi posti sotto la falda.
Infatti nei terreni sabbiosi e permeabili la rottura avviene in condizioni drenate, senza sensibili variazioni della pressione interstiziale, quindi la misura rilevata dallo strumento coincide con la pressione in situ; nei terreni a grana fine e poco permeabili si generano sovrapressioni interstiziali (Δu), perciò viene misurata la pressione u2=u0+Δu.

Approfondimenti

Per approfondire l’argomento trattato in questo post si consigliano i seguenti testi:

Ciao, mi chiamo Antonio Nirta e sono un geologo. Mi sono laureato all’Università di Pisa e dal 2017 svolgo la libera professione.

Attraverso i post presenti in questo blog cercherò di trasmettere la mia passione per le Scienze Geologiche e di fornire informazioni che riguardano il bellissimo settore della Geologia.

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