Prove geotecniche e SPT con punta conica: la sovrastima delle resistenze e i rischi progettuali

L’articolo analizza in modo critico l’impiego della punta conica chiusa nella prova SPT, pratica diffusa ma non conforme allo standard normato. Attraverso un confronto tra dati sperimentali, letteratura internazionale e l’approccio teorico Rational SPT, vengono messi in evidenza gli effetti di sovrastima della resistenza alla penetrazione e dei parametri geotecnici derivati. Il contributo chiarisce le differenze meccaniche tra campionatore aperto e punta conica, fornendo indicazioni utili per una corretta interpretazione dei risultati e per evitare sottodimensionamenti nelle opere geotecniche.

Inquadramento normativo della prova SPT

La prova SPT (Standard Penetration Test) è una delle indagini maggiormente utilizzate nel mondo per la caratterizzazione geotecnica dei terreni; l’unica versione normata di tale prova è quella effettuata con il campionatore apribile tipo Raymond in grado di raccogliere un campione rimaneggiato da sottoporre a prove di laboratorio.

Nonostante tale limitazione, nella pratica corrente si osserva frequentemente la sostituzione del campionatore con una punta conica chiusa ad angolo al vertice (cone apex) di 60°, soprattutto, ma non solo, nel caso di terreni a componente ghiaiosa. Questa pratica è esplicitamente vietata dalle norme o ammessa come discostamento dallo standard solo in determinati casi e a condizione di adeguate giustificazioni.

L’uso della punta conica, giustificato spesso per evitare danneggiamenti al campionatore nelle ghiaie o nelle rocce tenere, porta quasi inevitabilmente ad una maggiore resistenza alla penetrazione con conseguente nota sovrastima del parametro N_SPT e, come prevedibile, dei parametri correlati; l’effetto è un sovradimensionamento delle resistenze e pericolosi esiti progettuali.

L’argomento è scarsamente analizzato nella bibliografia internazionale del settore, motivo per il quale, con il presente articolo, si vuole fare finalmente chiarezza su tale questione, in forma organica e razionale.

Per tutto quanto non illustrato nel presente articolo si faccia riferimento ai precedenti lavori dell’autore [Froldi, A, B, 2023; Froldi, C, 1, 2, 3, 4, 5, 2024; Froldi, 2025].  

NOTA
La maggior parte delle definizioni riportate al seguito sono in coerenza con le precedenti illustrate negli articoli dell’autore sulla prova SPT [Froldi, A, B, 2023; Froldi, C, 1, 2, 3, 4, 5, 2024] alle quali si rimanda per la corretta comprensione. In particolare si farà riferimento alle grandezze geotecniche (di resistenza) e geometriche che caratterizzano l’infissione del campionatore e della punta conica.
Per completezza si riportano le seguenti definizioni:
- Unitary Equivalent Static Force – FSE = R_S (Static Resistance) [N] (forza equivalente statica unitaria x colpo)
- Unitary insertion – d_SPT [m] = l_SPT/N_SPT con noto significato dei termini (affondamento unitario, per colpo).

La prova SPT standard con campionatore aperto

La prova SPT è condotta con un campionatore a punta aperta [ISSMFE, 1989, § 2.2] di caratteristiche materiche e geometriche ben definite [ISSMFE, 1989, § 3.2 Sampler].

Deviazioni dallo standard e limiti ammessi dalle norme

Caratteristiche differenti dell’utensile di avanzamento sono indicate come deviazioni dal test di riferimento con punta aperta [ISSMFE, 1989, § 6,ii,b] e, come conseguenza logica, non consentite a rigore di norma.

L’EC 7-3 [UNI ENV 1997-3, § 5.1] nelle sue prescrizioni (P) sulla prova SPT cita:

(1) P Il presente metodo consente di determinare la resistenza dei terreni alla base di un sondaggio con la penetrazione dinamica di una campionatrice a carotiere diviso e di ottenere dei campioni disturbati per scopi identificativi.

(7) P Qualsiasi scostamento dai requisiti indicati di seguito deve essere giustificato e, in particolare, deve essere commentata la sua influenza sui risultati della prova.

Precisa inoltre circa i seguenti discostamenti:

(8) Esistono esperienze di scostamento rispetto ai punti seguenti:

- utilizzo di un cono di 60° solido al posto del campionatore normalizzato quando si è in presenza di materiali ghiaiosi.

Tale discostamento e relativi divieti sono ben noti da oltre trentacinque anni [Cestari, 1990].

Uso della punta conica chiusa nella pratica delle indagini geotecniche

Effetti meccanici della punta conica sull’avanzamento

Qualitativamente e preliminarmente parlando, l’infissione di un utensile a punta conica chiusa in luogo di un campionatore aperto, induce i seguenti (intuitivi) effetti che ne aumentano la resistenza all’avanzamento con conseguente incremento del risultato della prova in termini di numero di colpi per avanzamento standard (N_cone > N_SPT):

• Creazione di una cavità da parte della punta (cosa che non succede se non in minima parte con il campionatore) con relativo lavoro di espansione laterale (espansione di cavità cilindrica, effetto che chiameremo cavity enlargement);
• Aumento della pressione laterale per l’effetto di cui al precedente punto, con relativo aumento della resistenza laterale al mantello (effetto che chiameremo lateral pressure).

Per quanto argomentato e per le evidenze dopo riportate la prassi di eseguire la prova con la punta conica chiusa induce potenziali, anche gravi, sovrastime:

• del valore grezzo N_SPT qualora il risultato ottenuto è considerato identico a quello ottenibile dalla prova standard;
• dei parametri classificativi e geotecnici derivati, come definiti dalla norma e quando non sono apportate opportune correzioni [UNI ENV 1997-3, § 1.4.3.1; UNI EN 1997-2, § 4.6.3.(5)].

Circa tali correzioni, non note nelle norme di settore, sono frequentemente citate nella prassi, talora senza evidenti riferimenti normativi certi; esse portano sempre a ridurre il valore di N_cone per ottenere il corrispondente valore di N_SPT [Meyerhof (1956) raccomanda di ridurre N_cone per 0.5; Shultze e Knausenberger (1957) propongono un valore riduttivo pari a 0.8; Mohan (1970) determina un valore riduttivo di 0.75].

Confronto geometrico tra campionatore standard e punta conica

Con riferimento alla successiva figura di confronto della geometria degli utensili di avanzamento, è opportuno evidenziare che l’effetto cavity enlargement è di significativa importanza e induce un lavoro di allargamento della sezione (ΔA) nel campo delle deformazioni plastiche molto differente nei due diversi utensili; nel caso specifico della prova SPT con campionatore standard, detto allargamento sezionale ΔA vale, dalla sezione di attacco sul terreno alla sezione piena di inizio mantello:

Nel caso della punta conica esso vale:

Si osserva che ΔA_cone è quasi tre volte il valore di DV_SPT, il che porta alle evidenti conseguenze in termini di resistenza aggiuntiva.

Evidenze sperimentali sul rapporto N_cone/NSPT

Come anticipato, diversi autori hanno messo in attenzione il fatto che l’uso della punta conica produce un generale incremento nella resistenza alla punta, visibile nei valori di N_cone rispetto ai corrispondenti N_SPT, nel caso sia delle ghiaie, sia delle sabbie mediamente addensate.

Palmer & Stuart [1957], riportano che un precedente studio di Meyehof (1956) su sabbie canadesi, effettuato con utensili della stessa misura, ha evidenziato valori di N_cone circa doppi di N_SPT; diversamente il loro studio, porta ai seguenti risultati:

• sabbie dense, Fawley Þ rapporto N_cone/N_SPT = 0.98
• sabbie mediamente dense, Fawley Þ rapporto N_cone/N_SPT = 1.12
• sabbie dense, Fawley Area boreholes 89-100 Þ rapporto N_cone/N_SPT = 1.06
• sabbie mediamente dense, Fawley Area boreholes 83-85 Þ rapporto N_cone/N_SPT = 1.14
• ghiaie fluviali, Silvertown, London Þ rapporto N_cone/N_SPT = 1.12.

Sebbene i risultati non siano eclatanti in termini di rapporto N_cone/N_SPT ossia non è >> 1, essi concludono ribadendo la cautelatività dell’approccio progettuale con la prova standard (N_SPT).

Lacroix & Horn [1973] propongono che il valore N_cone, possa essere correlato al valore N_SPT attraverso una formula che considera diversi parametri; il fattore correttivo che ne consegue è così espresso:

N_SPT = 0.44÷0.64 N_cone

Thorburn [1986], evidenzia, attraverso due diagrammi riportati anche nelle norme ISSMAFE, tale incremento; esso è evidenziato nei diagrammi riarrangiati dallo scrivente [Froldi 3, 2024] sotto forma di R (rapporto N_SPT /N_cone) che conducono a:

N_SPT = 0.4÷0.6 N_cone

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Sommario tematico

• Normativa e prova SPT standard
• Uso della punta conica e limiti applicativi
• Effetti meccanici sull’avanzamento
• Differenze geometriche tra utensili
• Evidenze sperimentali Ncone/NSPT
• Confronto con la letteratura tecnica
• Riferimento al Texas Cone Penetrometer
• Interpretazione con Rational SPT
• Analisi statistica dei risultati
• Implicazioni progettuali per le fondazioni

FAQ tecniche su SPT con punta conica: effetti su NSPT e progettazione geotecnica

Che cos’è la prova SPT e come viene normata?
La Standard Penetration Test è una prova dinamica in foro normata per l’esecuzione con campionatore apribile tipo Raymond. Consente di determinare la resistenza alla penetrazione e di prelevare campioni rimaneggiati a fini identificativi, secondo quanto previsto dagli Eurocodici e dalle raccomandazioni ISSMFE.

Che cosa si intende per SPT con punta conica chiusa?
Si tratta di una variante non standard della prova SPT in cui il campionatore viene sostituito da una punta conica solida a 60°. Questa configurazione è talvolta utilizzata in terreni ghiaiosi o molto resistenti per evitare danneggiamenti all’utensile standard.

In quali contesti viene utilizzata la punta conica e con quali limiti?
L’uso della punta conica è ammesso solo come discostamento motivato dallo standard. Le norme richiedono che tali scostamenti siano giustificati e che venga valutata l’influenza sui risultati della prova, poiché la risposta meccanica del terreno risulta differente.

Quali effetti produce la punta conica sui valori di NSPT?
La punta conica induce un aumento della resistenza alla penetrazione per effetto dell’espansione di cavità e dell’incremento delle pressioni laterali. I valori Ncone risultano sistematicamente superiori a NSPT, con rapporti medi documentati compresi indicativamente tra 1,2 e 2,0 a seconda del terreno.

Come influisce la sovrastima di NSPT sui parametri geotecnici?
L’aumento artificiale di NSPT comporta la sovrastima dei parametri derivati tramite correlazioni empiriche, come resistenze di progetto e capacità portanti. Ciò può portare a valutazioni non conservative e a potenziali sottodimensionamenti delle opere.

Esistono correlazioni affidabili tra Ncone e NSPT?
La letteratura propone diversi fattori correttivi, con valori di NSPT pari a circa 0,3–0,8 Ncone. L’articolo mostra come tali intervalli trovino conferma sia nei dati sperimentali sia nell’interpretazione teorica Rational SPT.

Quali indicazioni operative per il progettista geotecnico
Il progettista deve distinguere chiaramente tra prova SPT standard e prova con punta conica, evitando l’uso diretto di Ncone nelle correlazioni normative. In assenza di correzioni affidabili, è necessario adottare criteri cautelativi e motivare esplicitamente le scelte progettuali.