Penetrarea staticã pe con (Cone Penetration Test - CPT) este în prezent o investigaţie geotehnicã in situ utilizatã din ce în ce mai des pentru construcţiile civile, industriale, de drumuri şi poduri, datoritã costului sãu redus în raport cu investigaţia geotehnicã clasicã, timpului redus de execuţie (1h÷11⁄2h pentru aproximativ 30m), precum şi volumului mare de informaţii pe care îl oferã.
 Mai jos redã sintetic avantajele şi limitãrile metodei, în viziunea unor autori consacraţi în acest domeniu – P.W. Mayne et al. 2001.

Avantajele şi limitãrile testului CPT

Avantaje

• Oferã informaţii continue

• Duratã redusã de execuţie (productivitate mare)

• Rezultate neinfluenţate de operator

• Bazã teoreticã de interpretare foarte solidã

• Se recomandã mai ales în roci moi, în stare de consistenţã redusã

Dezavantaje/limitãri

• Cost ridicat al aparaturii

• Implicã operatori de înaltã calificare

• Proces complicat de calibrare electronicã a aparaturii

• Nu sunt prelevate probe

• Necesitã o aparaturã specialã pentru roci granulare grosiere (pietrişuri, bolovãnişuri)

Prin înregistrãrile continue ale parametrilor şi adâncimii, CPT-ul permite identificarea şi separarea celor mai subţiri strate cu o precizie chiar mai bunã decât în cazul forajelor geotehnice clasice. 

În prezent este disponibilã o largã varietate de aparaturi, având greutãţi de apãsare asigurate de autovehicule comune sau camioane de mare tonaj ce sunt utilizate în special pentru testãri MCPT în roci cu granulozitate grosierã şi duritate crescutã. Pentru testarea rocilor cu densitate crescutã sau slab cimentate, sunt utilizate aparaturi speciale.

Cele mai simple celule de penetrare redau presiunile înregistrate doar pe vârful conului (qc), mãsurarea rezistenţei pe manta (fs) impunând instalarea unei celule suplimentare. Peste aceastã dotare minimalã se pot adãuga pietre poroase şi senzori de presiune a apei rezultând dispozitivul CPTu, geofoni (SCPTu) sau electrozi (RCPTu). Penetrometrele electronice pot avea pânã la 5 canale separate de înregistrare a parametrilor, care oferã în timp minim o mare cantitate de date in situ, digitale. Procesele de interpretare permit o strictã separare a stratelor, încadrarea lor în categorii granulometrice precum şi calcularea unor proprietãţi geomecanice necesare în proiectarea sistemelor de fundaţii şi /sau managementul terenurilor. 

PARAMETRI MÃSURAŢI, CORECŢII


Rezistenţã pe con (qc)


Reprezintã un efort a cãrui valoare este în strânsã legãturã cu capacitatea portantã a terenului, ea reprezentând raportul dintre forţa axialã înregistratã şi aria suprafeţei laterale a conului.

qc = Fc/Ac

În nisipuri, de exemplu, qc depinde de unghiul efectiv de frecare interioarã (φ’), densitatea relativã/starea de îndesare (Dr) precum şi efortul litostatic efectiv orizontal (σ’ho). În cazul rocilor argiloase, qc este controlatã de rezistenţa la forfecare nedrenatã (su) şi efortul efectiv de preconsolidare (σ’p)1.

În general, în cazul încercãrilor CPTu executate în roci coezive, valoarea mãsuratã qc trebuie corectatã, ţinându-se cont de presiunea apei din pori exercitatã pe vârful conului. Astfel, conform Lunne, et.al., 1997, rezistenţa pe con corectatã se obţine cu formula:

qt=qc +(1+an)u2

în care an este raportul net al ariilor dispozitivului, determinat în urma procesului de calibrare a conului în laborator, iar u2 este valoarea presiunii apei din pori mãsuratã pe umerii conului.
Raportul net al ariilor an este definit ca raportul ariilor inegale situate la extremitãţile dispozitivului CPTu, este o constantã a aparaturii şi se obţine prin compresiune uniformã a conului în celula triaxialã, sau este furnizatã de producãtor. În practicã sunt preferate dispozitivele având an ≥0,80pentru cã asigurã o corecţie

minimalã. Cu toate acestea majoritatea conurilor de 10cm2 au 0,75 ≤ a n ≤ 0,82 , iar conurilede15cm2 au 0,65≤an ≤0,80.(P.W.Mayne,et.al.,2001)
În literaturã (Lunne, et. Al., 1986, Campanell Robertson, 1988) se specificã faptul cã, în condiţiile unor calibrãri corecte, între valorile mãsurate (qc) şi cele corectate (qt) diferenţele pot fi de 20%÷70%.

În nisipuri, valorile corectate sunt în generalqt ≥5MPa, iar în argile şi prafuri qt ≤ 2MPa . Excepţie fac rocile argiloase supraconsolidate (aparţinând în general categoriei “rocã de bazã”), în care se pot înregistra valori q t ≥ 5MPa (Sabatini et. al., 1989).

Rezistenţã pe manta fs


Este efortul tangenţial determinat ca raportul dintre forţa exercitatã pe suprafaţa lateralã a cilindrului şi suprafaţa acestuia.


fs= Fs/As

Ca şi în cazul rezistenţei pe vârf, rezistenţa pe manta se corecteazã în raport cu valorile presiunilor apei din pori mãsurate:

ft =fs −bnu2

în care bn este tot o constantã a aparaturii ce se obţine prin compresiune uniformã a conului în celula triaxialã şi se numeşte raportul net al ariilor de pe manta.

Frecvent, rezistenţa pe manta este exprimatã în raport cu rezistenţa pe con corectatã (Lunne, et.al., 1997) printr-un raport de fricţiune, a cãrui valoare este corelatã cu granulozitatea rocii:

FR = fs/qt 100(%) 

Valorile mari sunt asociate rocilor argiloase (având coeziune crescutã şi frecare redusã), în timp ce valorile reduse sunt proprii rocilor nisipoase sau argilelor uscate.

Astfel, valori ale FR<1÷1,5% sunt specifice nisipurilor “curate” şi argilelor senzitive, iar valori în intervalul 3÷4%<FR<10% sunt specifice argilelor şi prafurilor.

Presiunea apei din pori u

Este presiunea dezvoltatã de apã între granulele rocii pe parcursul penetrãrii şi este mãsuratã prin intermediul pietrelor poroase de cãtre traductori specifici care pot fi amplasaţi în diferite poziţii.
Poziţia standard a pietrelor poroase este pe umerii conului (u2) pentru cã permite aplicarea corecţiei rezistenţei pe vârf.

În aceastã poziţie, în roci nisipoase, presiunea mãsuratã este asemãnãtoare cu cea hidrostaticã (u2 ≈uo), în timp ce în argile, indiferent de stare lor de consistenţã,

aceasta este mult mai mare (u2 > uo ).

În poziţia medianã a pietrelor poroase, presiunea apei din pori (u1) este întotdeauna pozitivã, în timp ce în poziţia u2 presiunea poate lua valori pozitive în roci nefisurate sau negative pânã la -100kPa, în roci argiloase fisurate sau nisipuri îndesate.
Cea mai rarã poziţie a pietrelor poroase este u3. 

Utilizând valorile efortului litostatic vertical total (σvo) şi ale presiunii hidrostatice
(uo) se calculeazã parametrul Bq al presiunii apei din pori astfel:

Bq = u2−uo/qt −σvo

Acesta este folosit pentru normalizarea valorilor CPTu în scopul clasificãrii rocilor traversate şi estimãrii rezistenţei la forfecare nedrenate (su), aşa cum se va arãta.

Consideraţii practice


Deoarece în timpul execuţiei penetrãrilor, semnalele electrice se pot modifica din cauze multiple (intruziuni de aer, apã, umiditate, presiuni barometrice, temperaturi ale terenului, sau datorate fricţiunii, întreruperi ale alimentãrii cu energie, sau interferenţe electromagnetice), înainte şi dupã fiecare penetrare, este imperios necesarã executarea citirilor de “zero”, utile în scopul calibrãrii fiecãrui canal de senzori. Aceste seturi de valori de bazã se obţin în condiţiile în care atât conul cât şi traductorii nu sunt sub sarcinã.
Fiecare instalaţie de penetrare (având un numãr unic de identificare), trebuie sã aibã propriile diagrame de calibrare ale celulelor de forţã (din vârf şi manta), ale senzorilor de presiune a apei din pori, înclinometrului etc., precum şi valoarea raportului net al ariilor an.

Execuţia penetrãrii propriu-zise începe doar dupã ce toate canalele de înregistrare redau valori stabile, în limitele înscrise de producãtori ca valori “iniţiale”.
Cu cel puţin o zi înainte de execuţia testului, pietrele poroase ale filtrelor trebuie curãţate şi saturate, preferabil cu glicerinã. Nesaturarea completã a pietrelor poroase, precum şi a întregului circuit de mãsurare a presiunii din pori poate conduce la erori însemnate ale magnitudinii presiunii u.

Frecvente erori apar în timpul manevrelor de înfiletare a tubulaturii. Astfel se pot întâlni situaţiile:

• cu citiri multiple în timpul pauzelor de penetrare, atunci când instalaţia este în 
repaus, ca urmarea a decompresiei tijelor; 


• dublãri ale citirilor pe un interval de adâncime, din cauza activãrii senzorilor de 
mãsurare a adâncimii în perioada de retragere a penetrometrului; aceste erori sunt uşor detectabile datoritã valorilor extrem de reduse ale rezistenţelor (pe vârf şi pe manta), obţinute ca urmare a pierderii contactului cu roca.


Trebuie subliniatã importanţa verificãrii rezultatelor CPT obţinute prin execuţia unui foraj clasic cu prelevare de probe, amplasat la micã distanţã de acesta. Acest lucru permite compararea “semnãturii electronice” a aparaturii CPT cu succesiunea litologicã a stratelor şi identificarea nivelelor reper, care ulterior pot fi folosite în interpretarea tuturor sondajelor, precum şi identificarea cu precizie a nivelelor de consistenţã scãzutã cu grosimi mai mici de 36÷72cm (cum ar fi planele de alunecare). Pe parcursul procesului de penetrare, conul de 60o genereazã în teren o zonã pasivã de forfecare care înainteazã odatã cu aparatura. Senzorii instalaţiei redau (capteazã) rezistenţa la penetrare a terenului pe o razã de 6÷8 diametre ale conului deasupra şi sub nivelul vârfului acestuia (fig.3.8.), astfel încât valorile rezistenţei pe vârf (qc) reprezintã o mediere a caracteristicilor din volumul de rocã influenţat. 
Din aceste considerente se admite cã, pentru un echipament standard de penetrare (Ac=10cm2), grosimea minimã de identificare a nivelelor diferenţiate litologic şi geomecanic este de 36÷72cm (J., D.,Rogers, 2006).