Conoscere il sottosuolo è il primo passo di ogni piccolo o grande progetto. Tra le indagini geotecniche in sito, le prove penetrometriche sono tra le più diffuse perché uniscono rapidità, costi contenuti e una buona continuità di informazione lungo la verticale. Ma non sono tutte uguali. In questa breve guida mettiamo a confronto tre metodi che utilizziamo ogni giorno: la prova penetrometrica statica con piezocono (CPTU), la prova penetrometrica dinamica (DPH - DPSH) e la prova con cono sismico (SCPTU).
Per ciascuna spieghiamo le modalità di esecuzione, i dati ottenibili, l’efficacia e i limiti in modo da facilitare la scelta del tipo di indagine più adeguata allo specifico progetto.
In sintesi
- La CPTU è la prova di riferimento quando serve una caratterizzazione stratigrafica e geotecnica dettagliata di terreni fini e sabbiosi, con misura della pressione interstiziale.
- La DPH/DPSH è la soluzione più rapida ed economica per avere un'indicazione di massima della consistenza dei terreni e della profondità del substrato o dei livelli più resistenti.
- La SCPTU aggiunge alla CPTU la misura della velocità delle onde di taglio (Vs), indispensabile per la classificazione sismica del sito e per le analisi dinamiche.
La prova penetrometrica statica con piezocono (CPTU)
Come funziona
Una punta conica di 10 cm² di sezione, con apertura di 60°, viene infissa nel terreno a velocità costante (circa 2 cm/s) tramite una batteria di aste spinta da un sistema idraulico, in contrasto con il peso del mezzo o con ancoraggi al suolo. La prova è eseguita secondo la norma UNI EN ISO 22476-1. Durante l'avanzamento, sensori elettrici all'interno della punta registrano con continuità, ogni 1-2 cm:
- qc, la resistenza alla punta;
- fs, l'attrito laterale lungo il manicotto;
- u2, la pressione interstiziale generata alle spalle del cono.
Il rapporto tra attrito e resistenza di punta (Rf) e la pressione interstiziale permettono di riconoscere con grande finezza il tipo di terreno attraversato, anche per strati di pochi centimetri.
Che cosa ci dice
Dai dati si ricavano la stratigrafia e la classificazione del comportamento del terreno (per esempio con gli abachi di Robertson), e con correlazioni consolidate i principali parametri geotecnici: resistenza non drenata (cu) nei terreni coesivi, angolo di resistenza al taglio e densità relativa nelle sabbie, grado di sovraconsolidazione, moduli di deformazione. Fermando la punta a una data quota si esegue una prova di dissipazione, che consente di misurare la pressione dell'acqua in equilibrio (quindi il livello di falda) e di stimare il coefficiente di consolidazione orizzontale.
Esempio di risultati
Il grafico di una CPTU si presenta come un profilo continuo con la profondità. A titolo indicativo, in un deposito alluvionale tipico della pianura padana:
| Profondità | Terreno riconosciuto | qc (MPa) | Rf (%) | Pressione u2 |
|---|---|---|---|---|
| 0 – 3 m | Argilla limosa | 0,8 – 1,5 | 3 – 4 | Elevata, sovrapressione positiva |
| 3 – 8 m | Sabbia sciolta-media | 6 – 15 | 0,5 – 1 | Vicina all'idrostatica |
| 8 – 12 m | Alternanze limo-argillose | 1,5 – 3 | 2 – 3 | Variabile |
| Oltre 12 m | Sabbia addensata | 15 – 25 | < 1 | Idrostatica |
I valori riportati sono puramente illustrativi e variano da sito a sito.
Le prove di dissipazione
La CPTU può essere interrotta a quote scelte per eseguire una prova di dissipazione: si ferma l'avanzamento, si blocca la batteria di aste e si registra nel tempo l'andamento della pressione interstiziale u2, che dopo l'infissione si dissipa fino a tornare al valore di equilibrio (u0).
Che cosa ci dicono. La curva u2-tempo consente di:
- determinare la pressione dell'acqua in equilibrio (u0) e quindi il livello di falda, verificando se la distribuzione delle pressioni è idrostatica o se ci sono falde sospese o in pressione;
- stimare il coefficiente di consolidazione orizzontale (ch) a partire dal tempo di dissipazione del 50% della sovrappressione (t50);
- ottenere, per via indiretta, una stima della permeabilità orizzontale del terreno;
- confermare la natura drenata o non drenata dello strato attraversato.
Esempio di risultati. I tempi di dissipazione variano di ordini di grandezza in funzione del terreno:
| Quota | Terreno | Tempo di dissipazione | Risultato |
|---|---|---|---|
| 4,5 m | Sabbia | Meno di 1 minuto | u0 ≈ 30 kPa, falda a circa 1,5 m dal piano campagna |
| 9 m | Limo | t50 ≈ 2 minuti | ch ≈ 6×10⁻² cm²/s |
| 14 m | Argilla | t50 ≈ 30 minuti | ch ≈ 4×10⁻³ cm²/s |
I valori sono puramente illustrativi.
Vantaggi. Danno una misura diretta e puntuale della pressione dell'acqua in sito, senza installare un piezometro, e forniscono dati di consolidazione e permeabilità utili per il calcolo dei cedimenti nel tempo e per i problemi di drenaggio.
Limiti. Nelle argille la dissipazione completa può richiedere diverse ore, quindi si limita il numero di quote o ci si ferma al t50, e la stima di ch dipende dalla rigidezza assunta per il terreno e da una corretta saturazione del filtro. I risultati sono indicativi e vanno confrontati con le prove di laboratorio sui campioni.
Vantaggi
- Continuità e risoluzione: nessuno strato, anche sottile, sfugge alla misura.
- Ripetibilità: la prova è automatizzata e poco dipendente dall'operatore.
- Misura della pressione interstiziale: distingue sabbie, limi e argille con maggiore affidabilità e consente di individuare la falda.
- Parametri geotecnici affidabili grazie a un'ampia letteratura di correlazioni.
- Rapidità: molti metri di indagine per giornata, senza produzione di materiale da smaltire.
Limiti
- Non si preleva campione: il riconoscimento è indiretto, quindi è utile affiancarla a qualche sondaggio con campionamento.
- Si ferma in presenza di ghiaie grossolane, ciottoli, livelli cementati o molto addensati.
- Richiede mezzi più pesanti e accessi adeguati.
- Il costo è più alto rispetto alla DPSH.
- La qualità del dato dipende dalla corretta saturazione del filtro e dalla taratura periodica della punta.
La prova penetrometrica dinamica DPH/DPSH
Come funziona
Una punta conica collegata a una batteria di aste viene infissa nel terreno dai colpi di un maglio da 63,5 kg (73,0 Kg nel caso della DPSH) che cade da 75 cm di altezza (norma UNI EN ISO 22476-2). Si registra il numero di colpi necessario per avanzare di un tratto prefissato, in Italia generalmente 20 cm (N20). Maggiore è il numero di colpi, più resistente è il terreno.
Che cosa ci dice
Il risultato è un diagramma dei colpi in funzione della profondità. Consente di individuare i livelli più o meno consistenti, la profondità del substrato o dello strato portante e la variabilità del terreno su un'area. Tramite un coefficiente di correlazione energetico si può stimare il valore equivalente di NSPT e, da questo, parametri geotecnici di prima approssimazione.
Esempio di risultati
A titolo indicativo, un profilo DPSH su un terreno di fondazione può mostrare:
| Profondità | N20 (colpi) | Interpretazione indicativa |
|---|---|---|
| 0 – 2 m | 2 – 5 | Terreno superficiale scarsamente consistente o riporto |
| 2 – 6 m | 6 – 12 | Terreno a consistenza media |
| 6 – 9 m | 15 – 25 | Livello più compatto |
| Oltre 9 m | > 40 | Rifiuto strumentale: substrato o livello molto addensato |
Vantaggi
- Costi contenuti e tempi molto rapidi, anche per campagne con molte verticali.
- Attrezzatura leggera e mezzi compatti, che raggiungono anche cantieri con spazi ridotti.
- Efficace nei terreni granulari e ghiaiosi dove la prova statica incontra rifiuto.
- Ottima per individuare la profondità del substrato o dello strato resistente.
- Utile come indagine integrativa per verificare l'omogeneità di un'area tra le verticali più approfondite.
Limiti
- Nessuna classificazione diretta del terreno: non misura pressioni interstiziali né attrito laterale.
- Parametri indiretti e meno affidabili: le correlazioni dipendono dall'energia di infissione e dalle condizioni di prova.
- Attrito lungo le aste che aumenta con la profondità e può falsare i risultati, se non si adottano accorgimenti (rotazione delle aste, fanghi).
- Minore risoluzione rispetto alla CPTU: gli strati sottili non sono distinguibili.
- Maggiore dipendenza dall'attrezzatura e dall'operatore.
La prova con cono sismico (SCPTU)
Come funziona
La SCPTU è una CPTU eseguita con una punta dotata di uno o più geofoni. Durante la prova, a intervalli regolari (di norma ogni metro) si interrompe l'avanzamento e si genera in superficie un'onda di taglio colpendo orizzontalmente, da entrambi i lati, una trave appoggiata al terreno e tenuta in contrasto dal peso del mezzo. I geofoni registrano l'arrivo dell'onda alle varie quote, e dai tempi di propagazione si calcola la velocità delle onde di taglio (Vs) di ciascun intervallo.
In una sola verticale si ottengono quindi tutti i dati della CPTU insieme al profilo di Vs.
Che cosa ci dice
La velocità Vs è legata alla rigidezza del terreno a piccole deformazioni: dal profilo si ricava il modulo di taglio iniziale G0 e, soprattutto, la Vs,eq necessaria per attribuire la categoria di sottosuolo secondo le Norme Tecniche per le Costruzioni (NTC 2018). I dati di Vs sono inoltre impiegati nelle analisi di risposta sismica locale e nelle verifiche di suscettibilità alla liquefazione.
Esempio di risultati
Un profilo Vs tipico di un sito di pianura può essere:
| Profondità | Terreno | Vs (m/s) |
|---|---|---|
| 0 – 3 m | Argilla limosa | 120 – 180 |
| 3 – 8 m | Sabbia | 200 – 280 |
| 8 – 12 m | Limo-argilla | 180 – 240 |
| Oltre 12 m | Sabbia addensata/ghiaia | 300 – 450 |
I valori sono indicativi e servono solo a illustrare l'ordine di grandezza.
Vantaggi
- Misura diretta di Vs nello stesso foro della CPTU, senza ulteriori verticali di indagine.
- Dati di rigidezza a piccole deformazioni, fondamentali per le analisi dinamiche e sismiche.
- Possibilità di correlare in modo diretto le velocità sismiche con la stratigrafia ottenuta dalla stessa prova.
- Più economica e compatta rispetto a una prova down-hole in foro di sondaggio.
Limiti
- Tempi di esecuzione più lunghi della CPTU, per le pause a ogni quota di misura.
- Costo superiore rispetto alla CPTU e alla DPSH.
- Come la CPTU, si ferma in presenza di ghiaie grossolane o livelli cementati: se il rifiuto avviene prima del substrato, la Vs,eq va stimata con ulteriori indagini o per estrapolazione.
- Il segnale può essere disturbato da rumore ambientale o da un cattivo accoppiamento della trave con il terreno.
Confronto in sintesi
| Caratteristica | CPTU | DPSH | SCPTU |
|---|---|---|---|
| Tipo di prova | Statica, a velocità costante | Dinamica, a percussione | Statica con misura sismica |
| Misure | qc, fs, u2 | Numero di colpi N20 | qc, fs, u2 e Vs |
| Classificazione del terreno | Sì, dettagliata | No, solo indicativa | Sì, dettagliata |
| Risoluzione verticale | Molto alta | Bassa | Molto alta, anche per Vs |
| Pressione interstiziale e falda | Sì | No | Sì |
| Velocità onde di taglio (Vs) | No | No | Sì |
| Categoria sismica del sottosuolo (NTC 2018) | No | No | Sì |
| Terreni ghiaiosi | Limitata | Più adatta | Limitata |
| Rapidità e costo | Medi | Molto rapida ed economica | Più lunga e costosa |
| Affidabilità dei parametri geotecnici | Alta | Bassa-media | Alta |
| Prove di dissipazione | Sì | No | Sì |
Quale prova scegliere
Non esiste una prova migliore in assoluto: la scelta dipende dal tipo di opera, dal terreno e dalle informazioni che servono.
- Edifici, infrastrutture e fondazioni su terreni fini e sabbiosi: la CPTU offre il miglior rapporto tra qualità del dato e costo.
- Siti in zona sismica, dove serve la categoria di sottosuolo o l'analisi della risposta sismica locale: la SCPTU consente di ottenere nella stessa verticale geotecnica e sismica.
- Primo screening, aree estese o terreni ghiaiosi, ricerca del substrato: la DPH/DPSH è la scelta più rapida ed economica.
- Progetti complessi: la soluzione ideale è spesso una campagna integrata, che combina poche verticali SCPTU o CPTU di riferimento, più numerose prove DPSH per estendere l'informazione sull'area, e almeno un sondaggio a carotaggio con campionamento per la taratura e l'esame diretto del terreno.
Interpretazione dei dati: metodi e riferimenti
I dati grezzi delle prove diventano parametri geotecnici solo attraverso metodi di interpretazione consolidati. La tabella indica, per i principali risultati, il metodo più diffuso e dove approfondirlo (i riferimenti completi sono nella bibliografia).
| Risultato | Prova | Metodo di interpretazione | Esempio di riferimento |
|---|---|---|---|
| Classificazione del terreno | CPTU, SCPTU | Carte di classificazione del comportamento del terreno (SBT) e indice Ic, con resistenza di punta corretta qt = qc + u2(1 − a) | Robertson (1990, 2009, 2016); Lunne et al. (1997) |
| Resistenza non drenata cu | CPTU, SCPTU | cu = (qt − σv0) / Nkt, con Nkt in genere tra 10 e 20, calibrato su prove di laboratorio | Lunne et al. (1997); Robertson e Cabal (2015) |
| Densità relativa e angolo di attrito (sabbie) | CPTU, SCPTU | Correlazioni empiriche con qc e con la tensione verticale efficace | Robertson e Campanella (1983); Kulhawy e Mayne (1990); Jamiolkowski et al. (2003) |
| Grado di sovraconsolidazione (OCR) | CPTU | Correlazioni con qt e con la pressione interstiziale | Kulhawy e Mayne (1990); Robertson (2009) |
| Coefficiente di consolidazione ch e permeabilità | Dissipazione | Analisi della curva u2-tempo con il tempo t50 (soluzione di Teh e Houlsby) | Teh e Houlsby (1991); Robertson e Cabal (2015) |
| Livello di falda | Dissipazione | Pressione di equilibrio u0 = γw · (z − zw) | Lunne et al. (1997) |
| Suscettibilità alla liquefazione | CPTU, SCPTU | Metodo semplificato basato sul rapporto di resistenza ciclica e su qc normalizzato | Robertson e Wride (1998) |
| NSPT equivalente e parametri di massima | DPSH | Conversione dei colpi con coefficiente energetico e correlazioni con NSPT | UNI EN ISO 22476-2; Cestari (1990); AGI (1977) |
| Vs, G0 e categoria di sottosuolo | SCPTU | Vs dai tempi di arrivo (metodo dell'intervallo); G0 = ρ · Vs²; Vs,eq = H / Σ(hi / Vs,i) | Robertson et al. (1986); ASTM D7400; NTC 2018, par. 3.2.2 |
Riferimenti normativi
Norme e leggi
D.M. 17 gennaio 2018 – Aggiornamento delle «Norme tecniche per le costruzioni» (NTC 2018), in particolare il cap. 6 (progettazione geotecnica) e il par. 3.2.2 (categorie di sottosuolo).
Circolare 21 gennaio 2019, n. 7 C.S.LL.PP. – Istruzioni per l'applicazione delle NTC 2018.
UNI EN 1997-2 – Eurocodice 7: Progettazione geotecnica – Parte 2: Indagini e prove nel sottosuolo.
UNI EN ISO 22476-1 – Indagini e prove geotecniche – Prove geotecniche in sito – Parte 1: Prova con cono elettrico e piezocono.
UNI EN ISO 22476-2 – Indagini e prove geotecniche – Prove geotecniche in sito – Parte 2: Prova penetrometrica dinamica.
UNI EN ISO 22475-1 – Indagini e prove geotecniche – Metodi di campionamento e misurazioni delle acque sotterranee – Parte 1: Principi tecnici per l'esecuzione.
ASTM D5778 – Standard Test Method for Electronic Friction Cone and Piezocone Penetration Testing of Soils.
ASTM D7400 – Standard Test Methods for Downhole Seismic Testing.
ISSMGE (1999) – International Reference Test Procedure for the Cone Penetration Test (CPT) and the Cone Penetration Test with pore pressure (CPTU), Report of the ISSMGE Technical Committee TC16.
AGI (1977) – Raccomandazioni sulla programmazione ed esecuzione delle indagini geotecniche, Associazione Geotecnica Italiana.
Verificare sempre l'edizione e gli aggiornamenti vigenti al momento dell'incarico.
Bibliografia
Cestari F. (1990) – Prove geotecniche in sito. Geo-Graph, Segrate (MI).
Jamiolkowski M., Lo Presti D.C.F., Manassero M. (2003) – Evaluation of relative density and shear strength of sands from CPT and DMT. In: Soil Behavior and Soft Ground Construction, ASCE Geotechnical Special Publication 119, pp. 201-238.
Kulhawy F.H., Mayne P.W. (1990) – Manual on Estimating Soil Properties for Foundation Design. EPRI Report EL-6800, Electric Power Research Institute, Palo Alto.
Lunne T., Robertson P.K., Powell J.J.M. (1997) – Cone Penetration Testing in Geotechnical Practice. Blackie Academic & Professional, London.
Mayne P.W. (2007) – Cone Penetration Testing. NCHRP Synthesis 368, Transportation Research Board, Washington D.C.
Robertson P.K. (1990) – Soil classification using the cone penetration test. Canadian Geotechnical Journal, 27(1), 151-158.
Robertson P.K. (2009) – Interpretation of cone penetration tests – a unified approach. Canadian Geotechnical Journal, 46(11), 1337-1355.
Robertson P.K. (2016) – Cone penetration test (CPT)-based soil behaviour type (SBT) classification system – an update. Canadian Geotechnical Journal, 53(12), 1910-1927.
Robertson P.K., Cabal K.L. (2015) – Guide to Cone Penetration Testing for Geotechnical Engineering, 6th Edition. Gregg Drilling & Testing, Signal Hill (CA).
Robertson P.K., Campanella R.G. (1983) – Interpretation of cone penetration tests. Part I: Sand. Canadian Geotechnical Journal, 20(4), 718-733.
Robertson P.K., Campanella R.G., Gillespie D., Rice A. (1986) – Seismic CPT to measure in situ shear wave velocity. Journal of Geotechnical Engineering, ASCE, 112(8), 791-803.
Robertson P.K., Wride C.E. (1998) – Evaluating cyclic liquefaction potential using the cone penetration test. Canadian Geotechnical Journal, 35(3), 442-459.
Sanglerat G. (1972) – The Penetrometer and Soil Exploration. Elsevier, Amsterdam.
Teh C.I., Houlsby G.T. (1991) – An analytical study of the cone penetration test in clay. Géotechnique, 41(1), 17-34.
I riferimenti sono indicati per approfondimento: prima di una citazione formale verificare i dati editoriali.
Confronto tra prova SPT e prova DSH/DPSH
La prova SPT (Standard Penetration Test) si esegue all'interno di un foro di sondaggio. La DSH/DPSH si esegue invece dalla superficie, senza foro. Entrambe sono prove dinamiche a percussione che impiegano un maglio da 63,5 kg (75,0 Kg per la DPSH) con altezza di caduta di circa 75 cm e restituiscono un numero di colpi, per questo i risultati sono confrontabili e si passa dall'una all'altra con un coefficiente di correlazione energetico.
| Aspetto | SPT | DPSH |
|---|---|---|
| Esecuzione | Nel foro di sondaggio, a quote prefissate (in genere ogni 1,5 m) | Dalla superficie, senza foro, in modo continuo |
| Misura | NSPT: colpi per gli ultimi 30 cm, dopo 15 cm di assestamento | N20: colpi per ogni 20 cm di avanzamento |
| Strumento | Campionatore a pareti spesse | Punta conica a perdere |
| Campione | Sì, disturbato, per il riconoscimento del terreno | No |
| Profilo | Puntuale, con lacune tra una prova e l'altra | Continuo lungo tutta la verticale |
| Tempi e costi | Più alti, perché richiede il sondaggio | Molto più bassi, con attrezzatura leggera |
| Attrito sulle aste | Limitato, perché il foro è rivestito o stabilizzato | Cresce con la profondità e può falsare il dato |
Dove è migliore la SPT
- Permette di vedere e classificare il terreno sul campione prelevato.
- Il suo NSPT è il dato di partenza di molte correlazioni geotecniche, comprese diverse verifiche alla liquefazione.
- È meno influenzata dall'attrito lungo le aste, perché lavora in foro.
Dove è migliore la DSH/DPSH
- Copre molte verticali in poco tempo e a costi molto inferiori.
- Mostra tutte le variazioni di consistenza lungo la verticale, anche negli strati sottili che tra due SPT possono sfuggire.
- Individua rapidamente la profondità del substrato o dello strato portante.
Come usarle insieme
La scelta migliore è combinarle: alcuni sondaggi con SPT e campionamento tarano e identificano il terreno, mentre le DPSH estendono l'informazione all'intera area. Il coefficiente per passare da N20 a NSPT dipende dall'energia effettiva dell'attrezzatura e dall'attrito sulle aste: va valutato caso per caso e non applicato in modo automatico.
Le nostre attrezzature: penetrometro Pagani TG 73-200
Per eseguire le prove descritte in questa guida, CGG dispone di un penetrometro statico/dinamico Pagani TG 73-200, prodotto da Pagani Geotechnical Equipment (Calendasco, Piacenza). È una macchina cingolata da 200 kN di spinta, pensata per eseguire con un unico mezzo sia le prove statiche (CPT, CPTU e SCPTU) sia le prove dinamiche continue (DPSH, DPH, DPM), a seconda della configurazione.
Caratteristiche principali
| Caratteristica | Valore |
|---|---|
| Spinta massima | 200 kN |
| Forza di estrazione | 250 kN |
| Velocità di infissione (prove statiche) | 2 cm/s |
| Configurazioni | Statica oppure statica/dinamica |
| Efficienza energetica (prove dinamiche) | circa 78% |
| Peso senza accessori | 2.700 kg (statica) o 2.900 kg (statica/dinamica) |
| Carro | Cingolato idraulico, tre stabilizzatori, mast inclinabile |
| Ancoraggio | Sistema a coclee telescopiche |
| Motore | Diesel a 4 cilindri, raffreddato a liquido |
| Operatori | Gestibile da una sola persona |
Vantaggi
- Spinta elevata: consente di infiggere la punta anche in terreni molto addensati o resistenti, raggiungendo profondità maggiori prima del rifiuto.
- Un solo mezzo, più prove: la versione statica/dinamica esegue CPTU, SCPTU e DPSH con la stessa attrezzatura, riducendo spostamenti e tempi di cantiere.
- Accesso ai terreni difficili: cingoli idraulici, tre stabilizzatori e mast inclinabile permettono di lavorare anche su pendii e fondi irregolari, con verticalità garantita.
- Ancoraggio rapido: le coclee telescopiche riducono i tempi di posizionamento e gli sforzi sul telaio.
- Flessibilità operativa: è possibile infiggere insieme aste e tubi di rivestimento e, se serve, prelevare campioni per interpretare meglio le misure.