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Indagini sismiche su terreni di fondazione: le prove penetrometriche a cono

Nei terreni di fondazioni e per la progettazione di strutture in zona sismica, sono sempre più richieste le indagini geognostiche. Vediamo di cosa si tratta.

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indagini terreno fondazioni

Con le NTC 2018 e relativa circolare applicativa, il legislatore ha sottolineato l’importanza della conoscenza accurata del sottosuolo mediante indagini e prove in sito. La conoscenza del sottosuolo mediante indagini nei terreni con un accurata pianificazione a monte, fa sì che i progettisti possano realizzare costruzioni che interagiscono alla meglio con il terreno.

Pertanto è compito del progettista strutturale e geotecnico individuare il modello geotecnico che meglio rappresenti il sottosuolo. Specialmente quando si realizzano opere a rete dove lo sviluppo in pianta è molto ampio, si pensi alle gallerie ed autostrade. La conoscenza delle caratteristiche meccaniche dei terreni diviene fondamentale per la corretta realizzazione dell’opera in zona sismica.

Indagini sismiche su terreni di fondazione: il cono penetrometrico

Ma esiste una prova su terreni di fondazione con indagine sismica? Ebbene sì. La prova SCPT, prova con il cono penetrometrico sismico. La prova utilizza una apparecchiatura simile a quella della prova CPT con la variante di infiggere la punta attraverso una massa battente di 72 kg con una volata di 75 cm.

La prova con il cono penetrometrico sismico (SCPT) è una prova penetrometrica statica che consente di determinare anche il profilo della velocità di propagazione delle onde di taglio VS nel sottosuolo.

Il metodo di indagine consiste nella determinazione dei tempi di percorrenza fra una sorgente d’onda, posta in superficie, e una serie di ricevitori chiamati “geofoni” installati nel penetrometro, considerando nota la distanza fra la sorgente e i ricevitori. In questo senso la prova costituisce un’indagine tipo down hole.

Infatti si adotta la punta conica della prova CPT, con area di base di 10 cmq e angolo di apertura di 60° come previsto dalle norme ASTM. I ricevitori sono installati all’interno di un manicotto situato al di sopra della punta conica.

Indagini sismiche su terreni di fondazione: come funzionano?

Il penetrometro viene infisso alla velocità standard di 2,0 cm/s. Gli impulsi vengono prodotti dando colpi con una massa battente su un elemento posto in superficie come ad esempio una piastra metallica o spezzone di trave metallica, con le estremità equidistanti dalla verticale della prova SCPT e situate ad un distanza dalla verticale di circa 3 m.  L’elemento trave o piastra è lievemente infisso nel terreno e mantenuto in loco con un sovraccarico uniforme. La sorgente deve generare onde di taglio S di ampiezza elevata, ed onde P nulle o di entità trascurabile.

Il ricevitore, disposto nel manicotto in direzione orizzontale, è orientato parallelamente alla direzione della sorgente posta in superficie, in modo da rilevare il tempo di arrivo della componente orizzontale dell’onda generata. Se il penetrometro è dotato di un unico ricevitore, si deve necessariamente individuare l’istante di primo arrivo dell’onda generata, per poi desumerne il tempo di viaggio.

Si possono generare più impulsi in verso opposto, per meglio riconoscere l’istante di arrivo delle onde, avvalendosi della polarità delle onde S generate. I tempi di percorrenza delle onde, rilevati alle varie profondità, consentono la definizione delle dromocrone, e quindi dei tratti a velocità costante.

Penetrometro: con ricevitore singolo o doppio?

Decisamente preferibile è il ricorso al penetrometro con doppio ricevitore. Il tal caso, potendo disporre di due ricevitori ad interasse fisso (generalmente 1 m), si misura facilmente, ed in maniera affidabile, il tempo di viaggio tra i due sensori, determinando così la VS per lo strato di terreno compreso tra i ricevitori stessi.

Nella documentazione della prova, oltre ai consueti profili della resistenza alla punta, della resistenza laterale locale, e del rapporto fra la resistenza laterale locale e quella alla punta, si devono riportare ovviamente i risultati delle VS.

Nel caso di penetrometro con ricevitore singolo, i tempi di arrivo delle onde S misurati sono preliminarmente corretti (per tenere conto del reale percorso inclinato, maggiore del percorso verticale) e poi rappresentati in un diagramma profondità-tempi, sul quale vengono individuati i tratti a pendenza costante. Le pendenze rappresentano, negli intervalli di profondità in cui si possono considerare costanti, le velocità di propagazione delle onde di taglio S.

Nel caso di penetrometro con doppio ricevitore, si riporta il profilo della VS con la profondità nella forma di istogramma con intervallo di ampiezza pari alla distanza fra i due geofoni installati nel penetrometro sismico (tipicamente 1 m). In ogni caso, la velocità di propagazione delle onde di taglio VS può essere messa in relazione con il modulo di elasticità tangenziale e la densità del terreno ρ attraverso la relazione:

G = ρ VS

L’ampiezza della deformazione deviatorica prodotta nella prova SCPT è molto ridotta, e tipicamente inferiore a 10-4%. Il modulo ricavato con l’equazione sopra riportata rappresenta pertanto la rigidezza del terreno a bassi livelli di deformazione e deve identificarsi con il valore massimo del modulo di elasticità tangenziale G0.

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