Riflessioni sulle prestazioni e sul calcolo dei pali di fondazione

Nell’articolo sono riportate alcune considerazioni e riflessioni dell'ing. Claudio Asioli della Trevi SpA, in merito a come la sequenza costruttiva dei pali di fondazione può modificare le caratteristiche del terreno circostante e quindi influenzare il loro comportamento e le loro prestazioni, in merito alle normative ed ai fattori di sicurezza che devono essere utilizzati nei calcoli ed infine in merito ai controlli richiesti per il loro collaudo.
 

Ma Perché un articolo sui pali di fondazione?

Quando Andrea Dari mi ha chiamato chiedendomi di scrivere un articolo per il Dossier di Ingenio dedicato alle Opere di fondazioni speciali, in cui fare il punto sulle novità tecnologiche, di modellazione per il calcolo e di tipo normativo relative ai pali, il primo impulso è stato quello di ringraziarlo per la considerazione, di dirgli che sui pali di nuovo c’era poco da dire e di suggerirgli di trovare un argomento più accattivante per i lettori.

Questo nonostante che le “quasi” recenti Norme Tecniche delle Costruzioni del 2018 ed il proliferare di software per calcolare i pali soggetti a tutti i possibili tipi di carico, che tengono conto di tutte le correlazioni possibili ed immaginabili, e spesso adottano sofisticati modelli costitutivi del terreno, effettivamente potrebbero indurre a pensare che di novità ce ne possono essere.

Se poi aggiungiamo la tendenza degli ultimi anni, un po’ da tutte le parti del mondo, di non chiamare più i pali, pali, ma con nomi più accattivanti tipo “inclusioni rigide” oppure “Colonne a modulo controllato” o ancora “Colonne a rigidezza controllata” anziché semplicemente pali in calcestruzzo non armato per ridurre i cedimenti, il gioco è fatto: dire che per i pali non c’è nulla di nuovo potrebbe sembrare un’affermazione troppo rigida.

Probabilmente più che di novità si tratta di cambiamenti, in fondo le Normative da sempre seguono e prendono spunto dall’evoluzione della ricerca scientifica, le Software house e di conseguenza i programmi di calcolo si adeguano, forse in alcuni casi un po’ troppo velocemente, alle nuove prescrizioni e raccomandazioni ed infine l’industria delle costruzioni, rappresentata in questo caso dalle Imprese speciali di fondazione, si adegua alle richieste del mercato: sempre più marketing e sempre meno soldi.

A seguito di questi ultimi ragionamenti mi sono convinto che se anche non ci dovessero essere novità rilevanti sui pali, sui micropali e sulle strutture contro terra, come recita il sottotitolo del Dossier, qualcuna delle considerazioni e riflessioni fatte in quasi 35 anni spesi in ambito geotecnico, anche se banale, può valer la pena di raccontarla.

 

La Verità... e che non esiste una verità

Prima di iniziare ritengo sia opportuno fare una precisazione.

Quando si parla di pali di fondazione, ma più in generale quando si parla di un qualsiasi argomento di geotecnica, si può affermare, senza timore di essere smentiti, che la verità non esiste.

Anche di fronte all’evidenza più clamorosa od ai risultati più inconfutabili di un test in cantiere, è sempre possibile trovare spiegazioni diverse, tutte plausibili, a volte anche decisamente contrastanti tra loro. 

Probabilmente sarebbe più corretto dire che esistono tante verità ed ognuno ha la propria, anche se col passare degli anni mi convinco sempre più che la verità che conta è solo una: quella di chi firma il progetto assumendosene la responsabilità.

Tutto questo per dire che ciò che scriverò è semplicemente la mia opinione. 

Essendo prevalentemente basata su riscontri ricevuti dai cantieri credo sia giusta, ma sono assolutamente consapevole che qualcuno potrebbe non essere d’accordo e qualora mi presenti argomenti validi e validati sono pronto a cambiarla.

 

Il comportamento e le prestazioni di un palo di fondazione

Parlando di pali di fondazione per prima cosa bisogna definire cosa è un palo e chiarire il perché si realizza una palificata di fondazione.

Che cosa è un palo di fondazione

Generalmente un palo di fondazione è un elemento strutturale in calcestruzzo o in acciaio, che viene installato all’interno del terreno con la funzione di resistere a delle forze esterne che non sono compatibili con una fondazione superficiale.

Venendo al comportamento di un palo, ovvero al modo di resistere alle forze applicate, nel caso di azioni assiali, ad esempio, il singolo palo supporta e resiste a tali sollecitazioni per mezzo dell’attrito laterale che si sviluppa lungo il suo fusto e per mezzo della reazione del terreno che agisce sulla sua base.

Nel caso di azioni laterali, oltre alla resistenza “strutturale” della sezione del palo, che dipende dal materiale utilizzato, è ancora la resistenza del terreno laterale che ne determina la sua capacità di resistere ai carichi applicati, ed infine, anche per i gruppi di pali i meccanismi sono più o meno i medesimi, anche se interessano volumi maggiori di terreno.

Se volessimo provare a definire da cosa dipende la resistenza dei pali, e quindi le prestazioni, sicuramente dovremmo mettere al primo posto le caratteristiche del terreno, o più in generale le condizioni geotecniche del sito. Sfortunatamente su questo punto non possiamo fare nulla. Infatti, a meno di non cambiare sito, il terreno lo troviamo li, non possiamo modificare la stratigrafia, non possiamo decidere il comportamento e la resistenza del terreno, non possiamo variare la posizione della falda, ecc.

Quello su cui invece possiamo intervenire è la scelta della tipologia di palo da utilizzare. In particolare per quanto riguarda la resistenza del singolo palo nei confronti dei carichi assiali, che nella maggior parte dei casi è l’aspetto principale del progetto, la tecnologia costruttiva adottata, la tipologia e la forma degli utensili di scavo utilizzati ed i controlli prescritti sono altrettanto importanti e determinanti per influenzare le performance che andremo ad ottenere.

 

In che modo le caratteristiche esecutive influenzano le prestazioni di un palo

Certamente durante il suo processo esecutivo qualunque tipologia di palo modifica lo stato tensionale del terreno circostante influenzando quindi la risposta o meglio la reazione del terreno che si trova alla base e lungo il fusto del palo e, conseguentemente, influenzandone le prestazioni.

Per le quattro tipologie di palo più comuni, mostrate nella figura 1: pali trivellati, pali ad elica continua (CFA), pali a spiazzamento ed infine pali battuti, nel seguito proveremo ad analizzare quali sono le caratteristiche esecutive, peculiari di ogni tecnologia, che in qualche modo possono incidere sulle prestazioni del palo, ovverossia sulla sua portata laterale e portata di base. Senza entrare troppo nei dettagli tecnici, per individuare tali caratteristiche, bisogna comunque ripercorrere le fasi esecutive tipiche delle diverse tipologie di palo.

 

Fasi costruttive dei Pali trivellati, Pali ad elica continua (CFA), Pali a spiazzamento e Pali battuti

Figura 1 – Fasi costruttive dei Pali trivellati, Pali ad elica continua (CFA), Pali a spiazzamento e Pali battuti (dall’alto a sinistra in senso orario).

Pali Trivellati

Per i pali trivellati, che per diametri (fino a 3 m) e profondità raggiungibili (fino ed oltre 100 m) sono quelli più utilizzati per le fondazioni di opere di una certa rilevanza, come ad esempio viadotti ed alti edifici, a differenza delle altre tre tecnologie esaminate, c’è innanzi tutto da osservare che l’utensile di scavo, trivella o bucket che sia, ha delle dimensioni molto più piccole della lunghezza del palo.

Questo aspetto, che può sembrar banale, è quello che in realtà influisce maggiormente sulla resistenza del palo. Innanzi tutto perché richiede l’utilizzo di qualcosa, in genere fango bentonitico o polimerico, che mantenga stabile le pareti dello scavo, in secondo luogo perché nel suo salire e scendere nello scavo, striscia, tocca ed alesa continuamente le pareti ed infine perché il foro rimane “aperto” per parecchio tempo: da qualche ora a qualche giorno a seconda della lunghezza e del diametro del palo.

Se poi aggiungiamo il tempo necessario per il dissabbiamento, ossia l’operazione di pulizia del fango prima di poter eseguire il getto; l’inserimento della gabbia di armatura che anch’essa richiede tempo e comporta sfregamenti lungo le pareti di scavo, con conseguente possibile caduta di terreno sul fondo del palo ed infine il getto del calcestruzzo con l’ausilio di un tubo getto che viene calato all’interno dello scavo e fa risalire il calcestruzzo dal fondo sino alla superficie, quello che si ottiene, anche con una perfetta esecuzione di tutte le operazioni, è un generale rilassamento e detensionamento sia del terreno lungo il fusto del palo, sia di quello posto al di sotto della base. Rilassamento e detensionamento che sarà decisamente più rilevante per un terreno incoerente (sabbia a ghiaia) rispetto ad un terreno coesivo (limo ed argilla) che in qualche modo tende ad autosostenersi.

Inoltre, per quanto riguarda la resistenza di base, bisogna considerare anche che sul fondo dello scavo si potrebbe avere un deposito di terreno misto a fango dovuto a molteplici fattori quali la possibile non perfetta pulizia della base del palo, la flocculazione del fango bentonitico, la caduta del terreno durante la posa della gabbia e il non perfetto innesco del getto di calcestruzzo.

 

Pali ad Elica Continua (CFA)

Per i pali ad elica continua con le attrezzature attualmente disponibili si possono raggiungere diametri fino a 1200÷1400 mm e profondità di 33÷35 m

Come indicato dal nome del palo, l’utensile è costituito da un’elica continua, saldata attorno ad un’asta centrale, che ha lo stesso diametro e la stessa lunghezza del palo da realizzare. L’elica viene inserita nel terreno a rotazione, utilizzando una leggera spinta solo nel caso di terreni particolarmente resistenti, fino al raggiungimento della profondità di progetto. La stabilità del foro è fisicamente garantita dalla presenza dell’elica e del terreno posto all’interno delle sue spire, senza la necessità di utilizzare un fango bentonico.

Successivamente l’elica viene estratta senza rotazione e il foro viene simultaneamente riempito dal calcestruzzo che viene pompato con una leggera pressione (2-3 bar) attraverso l’asta centrale. Quando l’elica è completamente estratta la gabbia di armatura viene inserita all’interno del calcestruzzo ancora fluido.

A differenza dei pali trivellati il foro non è mai aperto ed il terreno, quale che sia la sua natura, sia lungo il fusto che alla base del palo rimane più o meno nelle sue condizioni iniziali in quanto il disturbo a cui è sottoposto è molto limitato. 

Di fatto il volume di terreno del palo viene tolto e sostituito immediatamente dal calcestruzzo, che essendo pompato ad una leggera pressione previene qualsiasi tipo di rilassamento del terreno circostante.

 

Pali a Spiazzamento

Per i pali a spiazzamento le fasi esecutive sono, di fatto, le stesse dei pali CFA: inserimento dell’utensile di scavo, questa volta per spinta e rotazione, getto del calcestruzzo durante l’estrazione dell’asta ed infine posa dell’armatura.

La differenza sostanziale è costituita dall’utensile che è posizionato alla base di un’asta lunga come il palo ma con diametro leggermente inferiore a quello del palo.

L’utensile vero e proprio è costituito da tre parti con diversa funzionalità: la parte inferiore elicata che serve a disgregare il terreno in fase di perforazione, la parte centrale che serve a spostare e compattare lateralmente il terreno e la parte superiore che serve a ricompattare il terreno in risalita.

Le profondità raggiungibili sono le stesse dei pali ad elica, 33÷35 m, mentre i diametri massimi sono decisamente inferiori: 600 mm per terreni con caratteristiche di resistenza medie, 800 mm solo in caso di terreni estremamente sciolti o soffici.

In funzione del tipo di terreno prevalente da attraversare, coesivo od incoerente, si possono adottare utensili costipatori di forma e dimensioni diverse.

Dal punto di vista progettuale la peculiarità di maggior rilievo è il fatto che, a parte un limitatissimo volume, il terreno non viene estratto ma viene spostato lateralmente.

Ne consegue che, nel caso di terreni incoerenti, dove le pressioni interstiziali si dissipano facilmente, si ha un addensamento ed un miglioramento delle caratteristiche meccaniche del terreno lungo il fusto del palo, mentre per i terreni coesivi, di fatto impermeabili, lo spostamento laterale del terreno dà luogo ad un incremento delle pressioni interstiziali ed a un rimaneggiamento del terreno che determinano una iniziale riduzione delle caratteristiche meccaniche e, solo dopo un certo tempo, ad un successivo recupero della resistenza.

Anche la base del palo, nonostante la presenza dell’elica, e sempre per terreni incoerenti, viene in qualche modo compattata e, analogamente al CFA, sottoposta ad una leggera pressione del calcestruzzo pompato.

In questo caso il terreno viene sicuramente disturbato dall’utensile ma, a differenza dei pali trivellati dove si ha un rilassamento che riduce le caratteristiche meccaniche del terreno nell’intorno del palo, il disturbo è “positivo” nel senso che va a migliorare le caratteristiche meccaniche dl terreno.

Dal punto di vista dell’applicabilità, il ridottissimo volume di terreno estratto, unito all’assenza di vibrazioni, fa sì che l’utilizzo del palo a spiazzamento risulti particolarmente interessante per i siti inquinati dove il trasporto a discarica del terreno di risulta è, in genere, molto oneroso.

 

Pali Battuti

Infine i pali battuti, con i quali è possibile raggiungere profondità massime di 30÷35 m nel caso di battitura in testa come indicato nella figura 1, e profondità di 60÷70 m qualora i pali siano battuti dal fondo con un mandrino. In entrambi i casi i diametri utilizzati sono nel range 350÷600 mm.

La sequenza costruttiva prevede l’infissione di un tubo recuperabile, lungo come il palo, chiuso al fondo con una piastra d’acciaio a perdere. L’infissione avviene mediante battitura in testa con un martello idraulico o un martello diesel. Una volta raggiunta la quota di progetto si inserisce la gabbia e poi si getta il calcestruzzo dalla sommità. Infine il tubo viene estratto per mezzo di un vibratore che consente di ottenere una miglior qualità del calcestruzzo.

Il terreno, viene totalmente spiazzato e compattato lungo il fusto e non si ha alcuna estrazione di terreno.

Anche il terreno sotto la base sarà sicuramente compattato dall’effetto della battitura.

Dal punto di vista progettuale valgono, ancor più enfatizzate, le medesime considerazioni fatte per i pali a spiazzamento.

 

Quali sono le Prestazioni Attese

Dopo aver analizzato quali sono gli effetti, positivi e negativi, che l’esecuzione di un palo determina sul terreno, se consideriamo un palo, di ugual diametro e lunghezza, realizzato con le 4 diverse tecnologie esaminate, quali possono essere, a livello qualitativo, le prestazioni che ci possiamo aspettare?

Andando in senso crescente, le performances più basse dovrebbero essere quelle dei pali trivellati che detensionano il terreno, mentre le più alte quelle dei pali battuti che addensano il terreno sia lungo il suo fusto che al di sotto della sua base.

In estrema sintesi, collegando il detensionamento e/o l’addensamento del terreno circostante il palo al volume di terreno estratto durante la sua esecuzione, l’andamento qualitativo delle performance dovrebbe essere quello mostrato nella figura 2.

Andamento qualitativo delle prestazioni di un pal Figura 2 – Andamento qualitativo delle prestazioni di un palo


Ne consegue che, qualunque siano le formule, le correlazioni o i software che decidiamo di adottare, i risultati dovrebbero essere congruenti con quanto sopra esposto.

A rigor del vero c’è da dire che le correlazioni più utilizzate e note in letteratura, tutt’altro che recenti in quanto risalenti allo scorso secolo ed in genere ricavate per via sperimentale (quindi implicitamente dipendenti del metodo di esecuzione dei pali), tengono conto di questi concetti.

Anche i software “dedicati” alla geotecnica sono in genere affidabili, forse a volte un po’ dispersivi, nel senso che propongono un’ampia possibilità di scelta dei vari parametri, quasi fossimo davanti ad uno scaffale del supermercato, ed a volte illusori in quanto utilizzano formulazioni o modelli costitutivi complicati e sofisticati che fanno pensare ad una maggior precisione, ma in realtà non sono affatto sinonimo di una maggior affidabilità del risultato ottenuto.

Bisogna infatti considerare che i dati di partenza che abbiamo a disposizione, le indagini geognostiche, sono spesso incompleti e non ottimali, a volte ottenuti da prove abbastanza rudimentali e quindi i parametri geotecnici che utilizziamo sono tutt’altro che certi.

Solo per chiarire meglio il concetto, quando ad esempio usiamo i risultati ottenuti dalle prove SPT (Standard Penetration Test) per ricavare l’angolo di attrito interno o la coesione non drenata di un terreno, dobbiamo essere consapevoli che stiamo basando tutte le nostre analisi su un test in cui, di fatto, si conta il numero di colpi necessario per infiggere, con una sorta di mazza, un’asta nel terreno.

Volendo passare ad un livello semi-quantitativo, ma sempre basandoci sulle considerazioni precedentemente illustrate, la differenza di prestazioni tra le varie tecnologie sarà molto più accentuata per i terreni a grana grossa (incoerenti) proprio in virtù del fatto che la tecnologia esecutiva influenza e varia l’addensamento del terreno circostante, mentre sarà molto modesta, quasi più formale che sostanziale, per i terreni a grana fine (coesivi) in cui il terreno non riesce ad addensarsi ma viene spostato, conservando di fatto le sue caratteristiche iniziali.

A titolo puramente esemplificativo, per le quattro tipologie di palo analizzate e per due stratigrafie ideali, la figura 3 mostra l’andamento della resistenza nei confronti dei carichi assiali ottenuta applicando gli usuali, e molto semplici, criteri di calcolo.

 

Andamento quantitativo delle prestazioni di un palo di fondazione

Figura 3 – Andamento quantitativo delle prestazioni di un palo

 

Come si può notare per i terreni incoerenti ad ogni passaggio di tecnologia si ha un 50 % di incremento della resistenza di progetto mentre per terreni coesivi la variazione e decisamente modesta, sicuramente inferiore al grado di precisione che si ha nella scelta dei parametri geotecnici.

...CONTINUA.

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All'interno alcune considerazioni sulla Normativa e sui controlli in opera.


Un Saluto

Dedico questo articolo ad un amico, Giuseppe Mengoni, con cui ho condiviso tantissimi anni di lavoro in Trevi, che a fine marzo, mentre era a pedalare con il suo gruppo di cicloamatori, colto da un malore improvviso ci ha prematuramente lasciato.
Da sempre Giuseppe ha seguito le gare, le offerte e le trattative commerciali per il mercato italiano e negli ultimi 15 anni ne è stato il direttore. Chiunque in Italia abbia avuto a che fare con Trevi per lavori di fondazioni speciali, sicuramente l’ha conosciuto ed ha potuto apprezzare la sua competenza, la sua disponibilità, la sua correttezza e la sua umiltà nell’approcciarsi al lavoro.
Ciao Giuseppe.