Indagini geognostiche – Perforazione e sondaggi

Perforazioni e sondaggi

I sondaggi permettono di identificare le litologie presenti nel sottosuolo per effettuare correlazioni e ricostruire dal punto di vista lito-stratigrafico i terreni attraversati, effettuare prove in sito (prove penetrometriche SPT, CPT, NSTP) e campionare le varie litologie per prove di laboratorio (determinazione dei parametri geotecnici). Sono utili inoltre per la ricerca idrica (captazione di falde acquifere profonde, verifiche periodiche dei livelli di oscillazione, posa in opera di piezometri, portate e prove di assorbimento, ricerche per studi specialistici, ecc.), l’estrazione petrolifera, per il monitoraggio di frane (posa in opera di inclinometri) e la determinazione dell RQD che misura in percentuale la presenza di fratture presenti in litologie rocciose estratte. Le tipologie dei sistemi di indagine sono:

• perforazione a percussione (DRILL-P)
• perforazione a rotazione (DRILL-R)
  • perforazione a distruzione di nucleo (DRILL-RDC)
  • perforazione mediante trivelle (DRILL-RT)
  • perforazione con benna mordente (DRIL-RB)

Sistemi DRILL-P 

E’ utilizzato per litologie di terreni di tipo incoerente oppure in depositi alluvionali o rocce dure e non consente il prelievo indisturbato di campioni.

Caratteristiche del sistema di DRILL-P

Il sistema di perforazione consiste di:

• scalpello (terreni di media consistenza) oppure sonda a valvola (ghiaia, sabbia e limo)
• batteria di aste (sistema canadese) oppure un cavo (sistema pensilvano)
• bilancieri a corda regolabile
• argani di frizione
• tubo a camicia
• sistema idraulico a pressione per il recupero di frammenti e polveri
• motore

Funzionamento

Il sistema garantisce una serie regolare di colpi, associando una lieve rotazione di circa 10°-20° alle aste, così da sottoporre ogni volta una nuova porzione di terreno o di roccia alla percussione.
Frammenti e polveri generati dalla percussione sono estratti dal foro mediante un sistema di estrazione.
Questo tipo di perforazione avviene a secco, mantenendo nel foro solo una quantità controllata di acqua per il raffreddamento e con circolazione idrica (acqua e fango)

Sistemi DRILL-R

Sono sistemi che si adattano bene alle diverse litologie e si utilizzano quindi per tutti i lavori di esplorazione del sottosuolo.

Caratteristiche del sistema DRILL-R

Il sistema di perforazione consiste di:

• corona (attrezzo tagliente metallico)
• carotiere (si tratta di un tubo a camicia)
• aste cave
• tubo a camicia
• “tavola rotary” (sistema pesante) oppure macchina perforatrice (sistema leggero)
• motore

Funzionamento

Le tecniche dipendono dal tipo di dettaglio richiesto o dalla profondità richiesta. Le più utilizzate sono:

• perforazione a distruzione di nucleo  (DRILL – RDC)
• perforazione mediante trivelle (DRILL – RT)
• perforazione con benna mordente (DRILL – RB)

Perforazione DRILL-RDC

Con questo sistema si eseguono sondaggi ad alta velocità, con una determinazione molto approssimata delle litologie di terreni attraversati e recuperati in superficie.  Questo sistema viene utilizzato normalmente per la ricerca di falde idriche, nella realizzazione delle opere di sottofondazione e di consolidamento, nella ricerca petrolifera, ecc.

Caratteristiche del sistema DRILL-RDC

Il sistema di perforazione consiste di:

• scalpello (utensile appuntito) 
• carotiere (si tratta di un tubo a camicia)
• aste cave
• “tavola rotary” (sistema pesante) oppure macchina perforatrice (sistema leggero)
• sistema idraulico a pressione per il recupero del materiale frantumato (fluido utilizzato: aria, fango o acqua)
• motore

Funzionamento

Lo scalpello frantuma la roccia  che viene asportata in superficie dal sistema idraulico. Il recupero del materiale avviene in due modi a circolazione diretta e a circolazione inversa

Circolazione diretta

Il fluido viene introdotto all’interno delle aste con una pompa idraulica e fuoriesce all’estremità inferiore della sonda, attraverso un sistema di fori presenti nell’attrezzo che viene utilizzato per la perforazione. Il fluido risale poi assieme al materiale frantumato attraverso l’intercapedine formata dalle pareti del tubo camicia e la batterie di aste.

Circolazione inversa

In questo sistema il fluido viene immesso nell’intercapedine formata delle pareti del foro con le aste e viene poi recuperato dall’interno delle stesse aste di perforazione. Questa tecnica, che permette di effettuare pozzi ad elevato diametro, viene utilizzata principalmente per la ricerca idrica in tutti quei casi che richiedono  la realizzazione del foro in assenza del tubo camicia.

Perforazione DRILL-RT

I sistemi a perforazione DRILL-RT sono di tre tipi:

• a secchio
• a disco
• elicoidale

Questi sistemi vengono impiegati per sondaggi medi o poco profondi in litologie di terreni teneri.

Sistemi a secchio

La forma dell’utensile varia in base alle caratteristiche litologiche del terreno. Di solito la base ha una forma cilindrica dotata inferiormente di scalpelli o lame.

Sistemi a disco

Il sistema comprende un utensile piatto a forma di disco.

Sistemi elicoidali

Il sistema comprende uno strumento elicoidale collegato ad una batteria di aste che penetra nel terreno come una vite.

Perforazione DRILL-RB

Lo strumento, in questo sistema di perforazione che viene utilizzato principalmente in litologie di terreni teneri per la realizzazione di opere particolari, è costituito da due cucchiai concavi uniti da una cerniera. Assume varie forme da sferica (paratie) a rettangolare (sferica)

Carotieri

Sono gli elementi più importanti della batteria di perforazione (DB). Hanno il compito di non solo di raccogliere la “carota”, impedendo che venga distrutta, per questo essa viene alloggiata al loro interno. Sono muniti di un estrattore posto all’interno della corona che oltre che a permettere di strappare il campione dal fondo, ne impedisce la sua caduta durante il recupero della DB. All’estremità inferiore del carotiere è avvitata la corona, con il compito di ricavare una carota cilindrica che entrerà poi nel carotiere; essa sarà poi espulsa tramite la pompa del fango. L’abrasione è ottenuta con diamanti industriali annegati od incastonati nell’acciaio o con tasselli in lega dura (carburo di tungsteno, vidia). Può essere inserita una fustella (tubo cilindrico a parete molto sottile) per alloggiare la carota che viene fatta scivolare fuori una volta in superficie. 

Carotieri CC

Possiamo distinguere due tipi di carotieri:

• semplice (SCC)
• doppio (DCC)

Carotieri semplici SCC

Sono utensili di perforazione cilindrici che nella parte inferiore mondano una corona dentata sormontata da un dispositivo estrattore. E’ indicato in formazioni dure o coesive. 

Carotieri doppi DSC

Vengono utilizzati, di solito per formazioni sciolte, per ottenere un campione con un basso grado di disturbo per analisi particolari. Hanno un sistema a doppio cilindro, uno interno fisso ed uno esterno ruotante, solidale con la batteria di aste e montante nella parte inferiore una corona.

Tecniche di perforazione

La perforazione del terreno è una metodologia di studio diretta, ed impiegata per vari scopi, tra i quali:

• studi geotecnici per le costruzioni
• ricerche minerarie
• ricerche idriche e prelievi d’acqua
• iniezioni di consolidamento
• utilizzi vari per fori di drenaggio, ventilazione, posa cavi, condotte, ecc…

Percussione a secco

E’ il metodo più antico e consiste nel perforare il terreno con una sonda pesante e lasciata cadere da qualche metro di altezza, tramite una fune d’acciaio ed un argano. L’attrezzo frantuma il terreno che viene poi recuperato in superficie. In terreni incoerenti (sabbia –ghiaia) si perfora in scarpa, tramite una tubazione di rivestimento; in quelli coesivi e/o compatti si può perforare fuori scarpa, ossia senza rivestimento. E’ necessario mantenere il fondo foro con acqua (o acqua e fango leggero), per recuperare più facilmente i cuttings. La profondità massima è intorno a 120-150 m. Ha il vantaggio di non inquinare l’acquifero perché non usa acqua o fango e la possibilità di poter utilizzare grandi diametri (0.7 –1 m). E’ il metodo migliore per la perforazione di pozzi per l’acqua potabile.

Perforazione a circolazione diretta

E’ il metodo più in uso, sia per formazioni dure che sciolte e per profondità anche notevoli (centinaia di metri).
L’avanzamento è assicurato dalla rotazione. Il fango è aspirato da un vascone ed iniettato in profondità attraverso la punta e le aste. Il movimento ascensionale riporta in superficie i cuttings ad una velocità in genere inferiore a 15 m/min.
I diametri ottenibili sono inferiori a 40-60 cm, la ricostruzione della litologica è più difficile, così come la formazione del dreno artificiale e frantumazione del terreno e dal peso delle aste.
Il sostentamento del foro ed il raffreddamento dello scalpello è ottenuto dal fango
di circolazione.

Perforazione con tubi di rivestimento

E’ una variante al sistema precedente utilizzata anche insieme e nei casi di terreno superficiale sciolto. L’avanzamento avviene tramite i tubi di rivestimento, anche a secco, muniti di una scarpa tagliente. In questo modo è tutta la colonna che avanza e raggiunta una certa profondità (in genere pochi metri) si prosegue calando le aste all’interno e secondo il metodo classico.

PROVE PENETROMETRICHE C.P.T. 

Vengono utilizzate nelle litologie di terreni coesivi.

Tecniche di misurazione

Con un martinetto idraulico viene affondata nel terreno un’asta a punta conica inserita in un manicotto. La punta ha dimensioni standardizzate: un area A=10 cm² ed un angolo di 60° di conicità (racc. ISSMFE 1988)

Il sistema  registra, di solito ogni 100-200 mm la resistenza alla punta (R_p) e la resistenza laterale (R_L). Sono state stabilite sperimentalmente delle correlazioni (metodo di Begemann 1963 e metodo di Schertmann – 1978, metodo di Robertson – 1990) del rapporto R_p/R_L per la determinazione delle litologie dei terreni.

Anche una stima dei parametri geotecnici può essere effettuata attraverso questo metodo ma solo per sabbie normal-consolidate (NCS) ossia litologie sabbiose non cementate, semplicemente misurando RP e la tensione verticale efficace σ’_h ed applicando il metodo di Durgunoglu-Mitchell:

φ = 14,4 + 4,80 · ln Rp – 4,50 · ln σ’_h

questo metodo è attendibile per φ > 32° e  φ ≤ 45°

Questo metodo può essere utilizzato anche per le sabbie sovraconsolidate (SCS) ma necessita di un aumento di φ di 1-2°.

*** PAGINA IN COSTRUZIONE***

FONTI

TESTI

Ingegneria geotecnica e geologia applicata – Faustino Cetraro  – EPC Libri 2007

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