Le prove CPT e CPTu: stato dell’arte, generalità, normativa e interpretazione

Le prove penetrometriche sono indagini veloci, economiche ed efficienti

Le prove penetrometriche statiche e dinamiche in continuo eseguite lungo una verticale d’indagine, rappresentano sicuramente uno dei metodi geognostici più efficienti in termini di velocità di esecuzione, economicità ed efficienza; esse sono praticate in forme via via più raffiate da oltre 100 anni.

Dette prove sono diffusamente richiamate dalle NTC 2018, al cap. 6 - "Progettazione geotecnica, per la determinazione delle caratteristiche di resistenza caratteristica delle fondazioni".
In particolare, le prove penetrometriche statiche, per la loro specifica velocità di esecuzione continua in grado di sottoporre il terreno in sito a sollecitazioni quasi-statiche (con ratei di avanzamento variabili, standard di 20 mm/s, ma comunque in genere sufficientemente “lenti”), rappresentano l’indagine di elezione laddove la successione stratigrafica locale le rende applicabili (dove vi sono caratteristiche di resistenza non eccessivamente elevate, assenza di trovanti lapidei e/o blocchi, assenza di granulometrie grossolane eccessivamente dense, ecc.).

Le prove statiche, sviluppate dagli anni ’50, e successivamente implementate con le misure delle pressioni neutre dagli anni ’70, sono in grado di misurare una resistenza di avanzamento alla punta e laterale per attrito, e si dividono sostanzialmente in (si citano le principali tecnologie):

CPT o CPTm = Cone Penetration Test con punta meccanica e/o manicotto di attrito (tipo Begemann); in questi penetrometri le misure sono effettuate con mezzi meccanici (trasduttori e sensori);
CPTe = Cone Penetration Test elettrico con punta e manicotto elettrici; in questi penetrometri le misure sono effettuate con mezzi elettrici (trasduttori e sensori);
CPTu = Cone Penetration Test con misura delle pressioni interstiziali (u); in questi penetrometri le misure sono effettuate con mezzi elettrici (trasduttori e sensori) e si rileva anche la pressione neutra nei pori del terreno (u); tutte le misure sono a distanza l’una dall’altra di circa 25 mm.

Le prime due categorie sono concettualmente simili e differenti dalla terza categoria che permette la rilevazione della pressione neutra interstiziale “u”.

La maggior parte delle strumentazioni presenti in Italia appartengono alla prima e alla terza categoria.
Le norme americane codificano le prove penetrometriche statiche con le norme ASTM D-3441 (mechanical systems) e ASTM D 5778 (electric and electronic systems).

Le norme europee disciplinano le apparecchiature e le modalità delle prove CPT con:

1. ISO 22476-12:2009: Geotechnical investigation and testing — Field testing — Part 12: Mechanical cone penetration test (CPTM);
2. ISO 22476-1:2022: Geotechnical investigation and testing — Field testing — Part 1: Electrical cone and piezocone penetration test.

Le norme riguardano i requisiti delle apparecchiature, l'esecuzione e il reporting delle prove di penetrazione meccaniche ed elettriche come parte dell'indagine geotecnica e dei test secondo EN 1997-1 e EN 1997-2.
All'interno del test delle CPT elettriche sono considerate due sottocategorie del test:

• test elettrico di penetrazione del cono (CPT), che include la misurazione della resistenza del cono e dell'attrito del manicotto;
• test piezocono (CPTU), che è un test di penetrazione del cono con la misurazione aggiuntiva della pressione interstiziale.

La prova CPTu è quindi in sintesi una prova CPT con la misurazione della pressione interstiziale in uno o più punti sulla superficie del penetrometro.
Nella categoria delle CPT meccaniche, la maggior parte operano con punta meccanica tipo olandese “Begemann” (Dutch Friction Sleeve Cone, 1953), in cui la misura dell’attrito laterale all’avanzamento avviene con un manicotto scorrevole laterale del tipo rappresentato nella figura successiva, che ne rappresenta le procedure esecutive dello scorrimento per la misura dell’attrito laterale; le misure sono fatte ogni 20 cm.

I penetrometri proposti in commercio collocano l'elemento poroso di misura delle pressioni neutre o alla metà del cono (tipo 1, misura designata come u1) o dietro la sua base (in alto, tipo 2, misura designata come u2), come illustrato nella figura successiva; quest’ultima posizione rappresenta lo standard e rende possibile alcune correzioni necessarie nelle elaborazioni di norma.

Le prove CPT e CPTu: interpretazione stratigrafica assistita grazie ad un software
Nel presente articolo sono state illustrate le tecniche di suddivisione stratigrafica con il programma GeoStratEx: Il programma messo a punto e le tecniche di suddivisioni stratigrafiche illustrate, convergenti verso valori di ottimizzazione paragonabili, si confermano comunque un ottimo ausilio per il “decision maker” impegnato nella complessa determinazione della stratigrafia ottimale.
LEGGI L'APPROFONDIMENTO

In genere le misure delle pressioni sono tali che u1> u2: per le apparecchiature di tipo 1, le pressioni interstiziali misurate sono sempre positive, mentre, per quelle di tipo 2, le pressioni misurate dipendono dal drenaggio nel terreno e sono positive in argille da tenere a compatte, ma sono nulle o negative nelle argille fessurate sovra-consolidate (OCR > 1) e nelle sabbie dilatanti dense.

Il penetrometro standard è caratterizzato da una punta conica ad angolo apicale di 60°, un diametro del corpo principale di 35,7 mm (area della sezione retta = 10 cm²), e un manicotto di attrito di superficie pari a 150 cm².

Le misurazioni comuni a tutti i penetrometri statici (con manicotto) sono:
qc = resistenza alla punta (cone resistance)
fs = resistenza laterale (sleeve friction).

In genere le prove CPT dotate di misura di attrito laterale permettono di desumere sia la stratigrafia sia (con correlazioni) le principali caratteristiche di resistenza e deformabilità dei terreni attraversati.
Le prove di tipo con piezocono (CPTu) rappresentano un’evoluzione significativa nelle prove statiche in quanto permettono un notevole miglioramento nella definizione delle proprietà appena definite.

Il presente articolo vuole illustrare le principali metodologie ed elaborazioni per il riconoscimento stratigrafico (e delle variazioni litologiche) automatizzato con le prove statiche, basato su metodi che utilizzano prevalentemente funzioni analitiche non complesse in modo da superare, nel calcolo automatico, il limite proprio delle classificazioni basate su abachi e nomogrammi basati su una o più caratteristiche rilevate; nello sviluppo sintetico dell’articolo si fa riferimento all’uso di un software analitico-grafico messo a punto dall’autore per gli scopi appena citati.

Per sintesi si considerano per acquisiti numerosi parametri e concetti e si rimanda alla bibliografia specialistica sotto riportata per gli approfondimenti del caso.
In genere tutti i metodi di riconoscimento stratigrafico tendono a funzionare correttamente quando sono utilizzati:

1. negli stessi contesti geologici in cui sono stati messi a punto o in quelli simili
2. in terreni francamente granuari (sabbie) o francamente coesivi (argille), ovvero in depositi omogenei saturi.

Al di fuori di queste condizioni (per esempio in terreni misti o intermedi) potrebbe essere necessario l’ausilio di carotaggi o di campionamenti localizzati per la taratura del metodo con un riconoscimento litologico diretto del terreno.
In generale le prove CPTu conducono a risultati stratigrafici più affidabili rispetto a quelle CPTm.