Le prove penetrometriche, statiche e dinamiche, trovano largo impiego nell’ambito della geologia applicata e sono spesso preferite ad un carotaggio per via degli ingombri, della rapidità di esecuzione e per la possibilità di ottenere dati essenziali dal punto di vista geotecnico con continuità. La continua sfida tecnica, rappresentata dall’ambiente sottomarino, ha fatto si che anche nell’ambito offshore questa tipologia di indagine abbia avuto un notevole sviluppo.
di Alessio Saccon (geologo esperto in indagini offshore)
Le CPT (cone penetration test), consistono nell’infissione di una punta metallica nel terreno con lo scopo di ricavarne le proprietà meccaniche al variare della profondità.
Esistono svariate tipologie di prove penetrometriche, ma possiamo operare una prima distinzione tra indagini statiche e dinamiche.
Le prime sono caratterizzate dall’infissione più o meno continua del cono nel terreno, mentre le dinamiche sono prove dove la punta viene infissa mediante battitura.
Per quanto riguarda le prove statiche, probabilmente le più comuni, è necessario fare un’ ulteriore distinzione tra prove con punta meccanica e prove con punta elettrica.
Comunemente le prove a punta meccanica vengono eseguite mediante l’impiego di una punta particolare denominata Begemann, che ha la proprietà di estendesi in fasi successive durante la penetrazione e permette di ricavare in maniera discreta, vale a dire per intervalli di profondità di 20 cm, i valori di resistenza di punta e di attrito offerto dal terreno durante la penetrazione.
Figura 1: schema del funzionamento di una punta Begemann tratto da “Prove Penetrometriche Statiche CPT – CPTU”; Crestana S.r. l. 2019
A differenza di quelle a punta meccanica, le prove con punta elettrica, dette CPTU, permettono di registrare anche la pressione esercitata dall’azione del cono in avanzamento, sull’acqua racchiusa nelle porosità del terreno. Per via della capacità di registrare anche la pressione dei pori è anche detto piezocono.
Sebbene vi siano numerose varianti di piezoconi, ciò che accomuna questi tipi di strumenti è la presenza di sensori in grado di registrare la resistenza di punta (qc), la frizione esercitata dal suolo durante l’avanzamento (fs) e, per l’appunto, la pressione interstiziale (u) appena menzionata. Normalmente il sensore di u è posto oltre la punta (pressione interstiziale di spalla u2), ma esistono coni nei quali il sensore è installato sulla punta stessa (pressione interstiziale di faccia uf).
Il sensore in grado di registrare la variazione di u, normalmente è protetto da un O-ring di gomma oppure da una piastra porosa di materiale metallico o plastico.
Figura 2: esempio di piezocono sezionato longitudinalmente per illustrare la posizione dei sensori (tratto dal sito e dellwww.geod.pl)
Le prove penetrometriche trovano largo impiego nell’ambito della geologia applicata e sono spesso preferite ad un carotaggio per via degli ingombri, della rapidità di esecuzione e per la possibilità di ottenere dati essenziali dal punto di vista geotecnico con continuità.
La continua sfida tecnica, rappresentata dall’ambiente sottomarino, ha fatto si che anche nell’ambito offshore questa tipologia di indagine abbia avuto un notevole sviluppo finalizzato ad individuare soluzioni sempre più efficienti sia in termini di operatività, sia in termini di qualità del dato raccolto.
Un aspetto che ricopre particolare interesse nell’ambiente offshore, normalmente trascurato in altri ambienti, è l’influenza della colonna d’acqua sul valore assoluto dei dati acquisiti. Infatti il dato di una CPTU condotta sul fondale necessita di essere tarato in modo da escludere il contributo della pressione idrostatica.
E’ quindi importante monitorare eventuali variazioni delle letture “zero” devi vari sensori in aria libera, ad esempio la coperta della nave, e sul fondale. Normalmente si tiene traccia di questi valori, detti offset, prima dell’ammaraggio, sul fondale prima del test, sul fondale dopo l’esecuzione del test e infine quando l’unità è di nuovo a bordo. Qualora si notino discrepanze tra le letture dei sensori in situazioni analoghe, cioè fondale – fondale e coperta – coperta, è buona norma sostituite il piezocono onde evitare di registrare in futuro dati sfalsati nell’esecuzione del test.
Qualora gli offset si mantengano entro un intervallo di tolleranza predefinito, il test sarà considerato attendibile e l’unico accorgimento sarà quello di resettare le letture dei sensori in modo da eliminare il contributo della colonna d’acqua.
Legato a ciò, vi è anche un aspetto meccanico, dato che gli stessi coni devono essere fabbricati, testati e certificati per poter operare all’interno di un intervallo di pressioni compatibili con quello che è il battente nell’area di progetto. Se così non fosse l’intera indagine darebbe un risultato non attendibile e la strumentazione potrebbe venire danneggiata.
I piezoconi a disposizione durante il progetto devono essere accompagnati da un certificato non scaduto ed è buona norma verificare la qualità della calibrazione prima dell’inizio del progetto con un kit di campagna portatile dedicato. Talvolta questi test sono talvolta chiamati PCPT, piezocone penetration test, ma sono comunque del tutto analoghi alle comuni CPTU .
Tra le varie soluzioni presenti sul mercato, le strumentazioni che trovano più applicazioni sono quelle che permettono di eseguire i test adagiando il penetrometro sul fondale marino (seabed CPT) e quelle che prevedono la possibilità di alternare manovre di carotaggio e CPT all’interno dello stesso foro (downhole CPT).
Le seabed CPT sono dei test dove lo strumento, salvaguardato da un intelaiatura, viene calato dalla coperta della nave tramite una gru o un verricello. Di norma, a seconda del modello, la batteria d’aste viene montata all’inizio delle attività da tecnici specializzati oppure si trova avvolta all’interno di un tamburo e viene estrusa all’inizio del test raddrizzandosi.
Genericamente queste unità permettono di installare piezoconi di vario diametro, i più comuni sono coni con punte da 5cm2 e 10cm2. La scelta del cono deve essere fatta con estrema prudenza a seconda della stratigrafia che si presume di incontrare. Infatti un cono con diametro minore può riuscire a penetrare più in profondità, ma è meccanicamente più fragile e può spezzarsi all’altezza della filettatura che lo collega alle aste. Un cono di dimensioni maggiori, seppur potenzialmente limitato nella penetrazione dal suo diametro è in grado di fornire valori di fs più precisi e dettagliati per via della sezione più ampia e quindi di una maggiore superficie frizionale.
Al cavo che sostiene il peso della struttura immersa, si aggiunge anche un cavo ombelicale, vincolato a un verricello dedicato, che permette di fornire corrente al sistema di infissione del sistema cono-aste e, al contempo, garantisce la comunicazione con i sensori del cono e l’unita di controllo e raccolta dati a bordo.
Figura 3: Roson –ST, seabed CPT sviluppata dall’olandere Van Den Berg ® tratto dal sito https://www.apvandenberg.com/nearshore-offshore-cone-penetration-testing/roson-st
L’unità di controllo è uno strumento indispensabile l’operatore della CPT, dato che è solitamente collegata a uno schermo e permette di monitorare tutte le fasi dell’operazione, di conoscere quando l’unità è sul fondale e di verificare dal vivo l’andamento del test. I vari modelli di seabed CPT possono raggiungere diverse profondità di penetrazione a seconda della configurazione e della stratigrafia locale. Permettono anche una rapida ripetizione del test, visto che è sufficiente sollevare di qualche metro l’unità per poi riadagiarla sul fondale dopo un piccolo spostamento.
Questo sistema è molto rapido ed efficiente, ma ha lo svantaggio di essere limitato dall’irregolarità del fondale marino, perché i test eseguiti con un inclinazione di partenza superiore ai 5° comportano un alto rischio di piegare la batteria d’aste e/o di perdere il cono. Inoltre non è sempre possibile raggiungere la spinta e la profondità richiesta nel capitolato, poiché l’unico contrasto offerto è il peso stesso dell’unità sommersa. Nel caso di uno stato che offra molta resistenza alla penetrazione sormontato da uno strato meno resistente la batteria d’aste tenderà a descrivere un arco per poi spezzarsi in corrispondenza di punti di debolezza strutturale..
Infine se ci si trova a bordo di una nave di piccole dimensioni con condizioni meteo non ottimali, rollio e beccheggio possono mettere a rischio l’integrità dell’unità e la sicurezza dei tecnici coinvolti.
I sistemi per il downhole CPT consistono in uno strumento cilindrico con alla base il piezocono, che viene calato all’interno di la batteria di tubi di rivestimento (drill string)i fino a raggiungere la profondità raggiunta dal carotaggio e va quindi ad una speciale” corona” (drill bit)
Come per le seabed CPT, anche in questo caso abbiamo un verricello con il cavo che supporta il peso dello strumento e un verricello con un cavo ombelicale che trasmette corrente e dati. Differentemente dal sistema precedete però la spinta che muove l’asta è fornita dal’fluido di circolazione presente all’interno della drill string. In buona sostanza si tratta di acqua marina miscelata con polimeri biodegradabili, che viene pressurizzata. La pressione va quindi a scaricarsi sull’unico elemento mobile non vincolato: cioè l’asta che avanza di 2 cm al secondo.
Figura 4 : Schema tecnico del sistema downhole CPT sviluppata dalla statunitense Fugro ® tratto da “The Changi East Reclamation Project in Singapore” ; Myint Win Bo, Victor Choa et al in Ground Improvement Case Histories, 2015
I sistemi di downhole CPT sono forse più macchinosi e non possono essere ripetuti alla stessa profondità, a meno che non si voglia iniziare un nuovo carotaggio. Tuttavia sono meno suscettibili alle condizioni metereologiche, perché la testina di rotazione sulla sommità dei drill pipes è in grado di oscillare compensando le oscillazioni della nave stessa. Oltre a ciò non c’è virtualmente limite alla profondità alla quale eseguire il test, poiché lo strumento opera a partire dalla profondità del sondaggio sostenuto dal contrasto fornito dalla drill string, e dalla struttura che immorsa poggiante sul fondale, che immorsa la colonna di tubi (seabed frame).
