I piezometri sono gli strumenti in grado di fornire indicazioni sul livello di falda e/o sull’entità delle pressioni generate dall’acqua interstiziale ad una certa profondità. Essi vengono installati in perforazioni di sondaggio realizzati a carotaggio continuo o a distruzione.
Una prima distinzione concerne la presenza di connessioni dirette con la superficie:

• nei piezometri a circuito aperto, i tubi piezometrici sia per terreni permeabili che impermeabili raggiungono il piano campagna e sono soggetti alla pressione atmosferica
• nei piezometri a circuito chiuso, i piezometri sono inseriti nel terreno escludendo qualsiasi contatto con la pressione atmosferica

Alla prima categoria, quella dei piezometri a circuito aperto, appartengono i piezometri classici che si classificano in funzione del volume d’acqua misurato, che è strettamente dipendente dalla permeabilità:

• piezometri a tubo aperto, inseriti terreni permeabili, sono costituiti da tubi ciechi alla base che presentano un tratto finestrato di lunghezza variabile da cui filtra l’acqua di falda
• cella Casagrande, inserita in un tratto di foro isolato superiormente ed inferiormente grazie a tappi di bentonite, è ideale per terreni a bassa permeabilità in quanto la variazione di pressione viene registrata in una cella filtrante cava di piccole dimensioni che va a sostituire il comune tratto finestrato

La misura viene effettuata mediante:

• freatimetro
• trasduttore di pressione

Ai piezometri a circuito chiuso corrispondono i piezometri più complessi che, indipendentemente dal principio di funzionamento del trasduttore, si basano sulla proporzionalità diretta tra pressione interstiziale e deflessione del diaframma sul quale agisce la spinta dell’acqua che alloggia all’interno della camera idraulica dello strumento. La lettura può essere effettuata secondo un meccanismo:

• pneumatico (piezometri pneumatici)
• elettrico (piezometri elettrici). In questo caso, la deformazione della membrana viene trasformata in un segnale elettrico secondo due sistemi:
  • estensimetrico
  • a corda vibrante

Lo spostamento verticale, o cedimento, assume un interesse rilevante per valutare lo stato di consolidamento del terreno, sia nel caso di rilevati, sia di interventi di precarico, sia di interventi antropici che possono modificare la fruibilità delle strutture adiacenti o degli impianti in costruzione.

Gli strumenti disponibili a tal fine sono molteplici e si distinguono principalmente in base alla natura superficiale o profonda degli spostamenti che vanno a misurare, alla quantità di punti investigati ed infine al tipo di acquisizione che può essere automatica o manuale.

La misura in profondità, si suddivide tra strumenti a funzionamento:

• idraulico
• meccanico

Gli assestimetri idraulici hanno la caratteristica di poter automatizzare il procedimento di acquisizione delle letture (escluso il profilometro manuale) e si distinguono secondo due principali tipologie:

• assestimetro elettrico differenziale (o profilometro automatico) che si basa sulla misura della variazione di pressione di una colonna di liquido in funzione della sua altezza.
• livellometro che si fonda sul principio dei vasi comunicanti.

La misura in profondità mediante assestimetri meccanici, si suddivide secondo la quantità di punti di misura effettuati con il medesimo strumento:

• assestimetri a punto singolo (a piastra o ad ancoraggio)
• assestimetri multipunto

La variabilità degli strumenti indicati per la misura di spostamenti, è dettata non solo dall’entità degli stessi che può variare di diversi ordini di grandezza (dal micron al metro), ma anche dalla diversità nel processo di acquisizione del dato e, dunque, nel meccanismo stesso dello strumento.

Una prima categoria che può essere individuata riguarda il settore di appartenenza geotecnico, legato esclusivamente allo studio del terreno e delle rocce, o strutturale, relativo alle opere antropiche spesso in relazione all’interazione con il terreno.

In campo prettamente geotecnico sono disponibili strumenti classificati in base all’estensione della superficie monitorata; il monitoraggio può essere quindi:

• diffuso, quando i punti di misura sono numerosi in relazione alla superficie esaminata
• localizzato, se i punti di misura sono contenuti in termini spaziali

Il Progetto S.P.I.E. trova largo impiego nel settore di monitoraggio diffuso, purtroppo però è ancora in fase di sviluppo.

Diversamente, i dispositivi per misure locali possono investigare il terreno in superficie o in profondità.

Nell’ambito di misure superficiali, la distinzione degli strumenti avviene in base all’ordine di grandezza della distanza compresa tra i due punti scelti come capisaldi; in particolare, partendo dalle distanze più piccole, si avranno:

• calibri
• fessurumetri monoassiali (a barra o a filo), biassiali (a piastra), triassiali (deformometri triassiali)
• estensimetri (a nastro o a filo)

Invece, per le misure di profondità si individuano:

• estensimetri da foro monobase o multibase
• estensimetri da terrapieno
• inclinometri
• estensimetri incrementali o inclino-assestimetri

Esistono, inoltre, strumenti innovativi ancor più tecnologici, taluni basati sulla tecnologia MEMS come la colonna inclinometrica SAA (ShapeAccelArray), ed altri in grado di effettuare molteplici sistemi di monitoraggio integrati.

In campo strutturale gli strumenti vengono applicati agli elementi strutturali in modo da valutarne la deformazione in condizioni di collaudo o esercizio. In questo caso si riconoscono:

• fessurimetri e deformometri
• estensimetri
• pendoli

Lo spostamento dei terreni e delle strutture portate in termini di inclinazioni e rotazioni, è particolarmente utile nell’ambito di fenomeni complessi quali possono essere i fenomeni franosi, i cedimenti differenziali, la liquefazione della sabbie, in quanto si possono ottenere informazioni relative al comportamento del terreno e dell’opera che (eventualmente) insiste su di esso.

La famiglia di strumenti che appartiene a questa categoria si suddivide in funzione della profondità della misura; si avranno così:

• misure superficiali e, in particolar modo, strutturali
• misure profonde

Tra le misure superficiali si collocano i clinometri che misurano, in maniera manuale o automatica, movimenti rotativi rispetto alla verticale, sia nel caso di strutture, sia di particolari situazioni geologiche. Essi si suddividono in:

• tilmetri o clinometri removibili
• clinometri fissi

Per quel che concerne le misure in profondità si utilizzano:

• inclinometro
• spiralometro che consiste in una sonda, detta spiralometrica, che misura la torsione che possono subire i tubi inclinometrici in fase di installazione.

Il controllo delle pressioni che si generano tra due interfacce dello stesso materiale o di materiali differenti, viene effettuato mediante opportuni strumenti, detti celle di pressione, costituiti da un piatto cavo, circolare o rettangolare, contenente olio disaerato, collegato mediante un tubicino idraulico con un trasduttore di pressione che può essere di tipo elettrico o a corda vibrante.

Esistono, inoltre, strumenti analoghi in grado di misurare le forze applicate sulla superficie di misura e prendono il nome di celle di carico e si suddividono in base al funzionamento:

• elettrico
• idraulico

Tra i molteplici utilizzi si annoverano il monitoraggio del carico esercitato su tiranti, bulloni e chiodi, sulla testa di pali sia in fase di esercizio che in prove di carico, alla base di piedritti di gallerie, sia nell’intercapedine tra centina e terreno.

La conoscenza della temperatura di ambienti o elementi a contatto con gli strumenti utilizzati nell’ambito del monitoraggio è strettamente legata, se non indispensabile, alle correzioni che devono essere effettuate su misure che sono particolarmente sensibili a questo parametro, specialmente negli strumenti che percepiscono la misura mediante parti metalliche, oppure nell’ambito di processi sottoposti a escursioni termiche notevoli o comunque ripetute nel tempo (variazione del livello di falda).

I sensori che misurano la temperatura, sia manuali che automatici, sono molteplici, in funzione della loro destinazione d’uso. In ambito geotecnico sono diffusi:

• termistori, così chiamati i resistori sensibili alla temperatura, che si basano sulla variazione di resistenza elettrica del materiale di cui sono costituiti in funzione della temperatura
• RTD (Resistence Temperature Device) il cui principio di funzionamento è legato alla variazione di temperatura di due metalli diversi
• Termometri VW (Vibrating Wire) o sensori a corda vibrante, costituiti da un filo metallico teso ai due estremi, la cui frequenza di oscillazione, generata dalla presenza di un elettromagnete, è proporzionale alla tensione del filo stesso

Il principio di funzionamento dei sensori che rilevano l’umidità relativa è basato sulla variazione di alcune grandezze elettriche che sono, generalmente la resistenza e la capacità, dando luogo, rispettivamente, ai sensori di umidità:

• resistivi
• capacitivi

I trasduttori resistivi sono costituiti da elettrodi metallici posti a distanza nota, infissi nel terreno ad una profondità determinata. L’intensità del segnale elettrico trasmesso definisce il contenuto d’acqua presente nel terreno.

I trasduttori capacitivi, invece, sfruttano la correlazione tra contenuto d’acqua e permettività dielettrica relativa del terreno che risulta particolarmente sensibile all’umidità.
Essi sono suddivisi in due categorie, in funzione del principio di funzionamento:

• TDR (Time Domain Reflectometry) basati sulla riflettometria nel dominio del tempo
• FDR (Frequency Domain Reflectometry) basati sulla riflettometria nel dominio della frequenza

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