La tecnica della vibrocompattazione per il miglioramento dei terreni di fondazione

Nel presente articolo, dopo un accenno introduttivo relativo al miglioramento dei terreni ed alle relative prescrizioni normative nonché alla definizione di parametro caratteristico, si evidenziano alcune peculiarità relative all’uso delle colonne in ghiaia per migliorare i terreni di fondazione.

In particolare, si discutono i temi relativi alla realizzabilità, alla stima della capacità portante ed alla stima dei cedimenti delle colonne in ghiaia. Si riportano infine alcuni cenni sull’impiego delle colonne in ghiaia per mitigare il rischio di liquefazione.

 

Il miglioramento dei terreni e le NTC 2018

Nella realizzazione di manufatti su suoli cedevoli, la scelta della tipologia fondazionale più idonea dipende da molteplici fattori quali le caratteristiche geologico – geotecniche del sottosuolo, la presenza di acque sotterranee, l’entità dei carichi in gioco, la logistica dell’area di cantiere e, non ultimo, da aspetti di natura economica e legati alle tempistiche realizzative. Sulla base di questi aspetti, al Progettista si prospetta un ampio ventaglio di possibilità tra le quali valutare l’apparato fondazionale più idoneo al singolo caso: fondazioni dirette, fondazioni su pali, fondazioni miste o fondazioni realizzate su terreni migliorati.

Quest’ultima possibilità, ovvero il miglioramento dei terreni, consiste essenzialmente nella modifica delle caratteristiche dei terreni di appoggio delle fondazioni e può essere realizzato con molteplici tecnologie: addensamento, realizzazione di colonne in ghiaia, in sabbia incapsulate o in jet grouting, inserimento di inclusioni rigide nel sottosuolo, esecuzione di iniezioni, deep mixing o congelamento dei terreni. Un’ulteriore modalità per migliorare le caratteristiche di un terreno, senza ricorrere all’esecuzione di opere nel sottosuolo ma operando direttamente da piano campagna, è quella della precarica.

Il miglioramento dei terreni viene trattato dalla Normativa vigente NTC 2018 in maniera specifica al paragrafo 6.9.

Essenzialmente, rispetto alle opere geotecniche tradizionali, per il miglioramento dei terreni la Norma prescrive che siano previste apposite indagini atte ad accertare l’efficacia degli interventi:

“… il progetto deve indicare le modalità di accertamento dei risultati, specificando le misure e le indagini sperimentali più opportune in relazione alla tipologia ed agli obiettivi dell’intervento di miglioramento e/o rinforzo ...”.

A tal proposito si sottolinea l’importanza e la convenienza di realizzare dei campi prova, prima di procedere con l’esecuzione dell’opera, volti alla valutazione presso il sito d’intervento sia dei parametri operativi di formazione degli interventi di miglioramento sia dei risultati effettivamente conseguibili con gli stessi. 

Si evidenzia inoltre che la Normativa vigente prescrive di accertare l’efficacia degli interventi di miglioramento con opportuni sistemi di monitoraggio:

“… Il monitoraggio ha lo scopo di valutare l’efficacia degli interventi e di verificare la rispondenza dei risultati ottenuti con le ipotesi progettuali. Ha inoltre lo scopo di controllare il comportamento nel tempo del complesso opera-terreno trattato. Il monitoraggio deve essere previsto nei casi in cui gli interventi di miglioramento e di rinforzo possano condizionare la sicurezza e la funzionalità dell’opera in progetto o di opere circostanti ...”.

La definizione di tipologia, numero e posizione sia delle prove di controllo sull’efficacia degli interventi sia del sistema di monitoraggio andranno valutati in via preliminare durante la fase progettuale.

 

Importanza delle indagini geognostiche e parametri caratteristici

Dato che gli interventi di consolidamento modificano i terreni presenti in sito migliorandone le caratteristiche, per poter dimensionare in maniera adeguata un qualsiasi intervento di miglioramento è fondamentale disporre di un’indagine geologico – geotecnica debitamente approfondita, con la quale sia possibile definire la litologia ed i parametri geotecnici dei materiali presenti in sito oltre alla condizione delle acque sotterranee eventualmente presenti.

A tal proposito risulta fondamentale l’apporto che il Geologo può fornire nelle fasi progettuali, evidenziando eventuali peculiarità e criticità dei terreni che potrebbero compromettere tanto la realizzabilità quanto il buon funzionamento degli interventi.

La definizione di parametro geotecnico caratteristico

In merito alla definizione di parametro geotecnico caratteristico, si riporta quanto prescritto dalla Normativa vigente NTC 2018 al paragrafo 6.2.2:

“… per valore caratteristico di un parametro geotecnico deve intendersi una stima ragionata e cautelativa del valore del parametro per ogni stato limite considerato. I valori caratteristici delle proprietà fisiche e meccaniche da attribuire ai terreni devono essere dedotti dall’interpretazione dei risultati di specifiche prove di laboratorio su campioni rappresentativi di terreno e di prove e misure in sito ...”

Come prima indicato, nella definizione fornita dalla Normativa vigente non viene citato alcun riferimento specifico ad approcci di tipo statistico, comunque impiegabili nel caso in cui si disponga di un numero sufficiente di indagini. A seconda della finalità dell’intervento di miglioramento (incremento della capacità portante o della stabilità, riduzione dei cedimenti, mitigazione del rischio di liquefazione, effetto di drenaggio) i parametri geotecnici caratteristici andranno definiti sulla base di indagini specifiche che consentano di individuare i parametri geotecnici d’interesse e di definirli con la dovuta cautela. 

A seconda dell’estensione dell’area e dell’importanza dell’intervento, può essere opportuno suddividere la campagna geognostica in più fasi sfruttando le conoscenze acquisite nella prima parte della compagna per ottimizzare le prove da condurre nelle fasi successive in termini di numero, tipologia, posizione e profondità delle indagini.

In particolare l’indagine geognostica dev’essere mirata, oltre che ad una conoscenza generale degli aspetti geologico – geotecnici per la definizione del modello geotecnico di sito, anche all’individuazione dell’eventuale presenza di uno strato rigido di base e di criticità più o meno locali come ad esempio lenti di materiale particolarmente scadente o eccessivamente compatto che possono precludere la realizzabilità o diminuire l’efficienza degli interventi di miglioramento.

In tale ottica l’impiego delle prove di tipo geofisico, se correttamente eseguite ed interpretate, può essere un valido ausilio per indirizzare la scelta e il posizionamento delle prove tradizionali nonché per completare la definizione del modello geotecnico richiesto dalla Normativa.

 

Aspetti operativi relativi alla vibrocompattazione

Le colonne in ghiaia vengono generalmente realizzate impiegando la tecnica “Bottom feed” che consiste nell’infissione del vibro fino alla quota di base della colonna, eseguita senza asportazione di terreno, e nella successiva fuoriuscita del materiale granulare sotto pressione d’aria dalla punta del vibro. La risalita del vibro non avviene in continuo ma viene eseguita per fasi successive; infatti, una volta sollevato il vibro di una certa quantità, viene rilasciato il materiale granulare nel terreno, compattandolo con un movimento verticale del vibro stesso. Queste operazioni vengono ripetute fino a raggiungere la quota della teste delle colonne in ghiaia.

Si evidenzia che il materiale impiegato per la formazione delle colonne dovrà presentare idonee caratteristiche meccaniche di resistenza per evitarne la frantumazione durante la loro formazione nonché adeguate caratteristiche chimiche necessarie per resistere agli attacchi di sostanze aggressive eventualmente presenti nel terreno e/o nelle acque sotterranee.

Da un punto di vista operativo, dato che le colonne in ghiaia vengono realizzate senza asportazione di materiale né iniezioni di miscele, non si hanno da gestire in cantiere materiali di risulta, fanghi di refluo né bentonite.

Risulta comunque di particolare importanza, anche ai fini della sicurezza, assicurare che lo strato di terreno più superficiale presenti delle caratteristiche meccaniche sufficienti a sostenere i carichi, statici e dinamici, dovuti al peso ed al passaggio dei mezzi d’opera nonché dei cumuli di materiali che vengono impiegati per la formazione delle colonne. Se così non fosse, una possibile soluzione è quella di procedere con la bonifica dello strato più superficiale impiegando eventualmente rinforzi con geotessuti per garantire la stabilità del piano di lavoro.

 

Realizzabilità delle colonne in ghiaia

Il primo punto da affrontare nella scelta della tecnologia di miglioramento dei terreni è la valutazione della realizzabilità o meno degli interventi stessi. Nel caso particolare delle colonne in ghiaia, queste possono essere realizzate se il terreno è sufficientemente tenero da poter essere attraversato dal vibro ed abbastanza consistente da poter sorreggere la colonna sia durante la sua realizzazione sia in esercizio. Dovrà inoltre essere posta particolare attenzione all’assenza di trovanti, lenti di conglomerato o strati particolarmente consistenti che possono impedire l’infissione del vibro. 

Da ciò deriva l’opportunità, prima di procedere con la realizzazione degli interventi, di eseguire campi prova volti sia alla calibrazione dei parametri operativi di formazione delle colonne che alla stima in sito dell’efficacia degli interventi di miglioramento.

Per quanto riguarda le colonne in ghiaia, queste vengono usualmente impiegate per il miglioramento di terreni a granulometria prevalente argillosa, limosa o sabbiosa. Come già anticipato, affinché sia possibile procedere con la realizzazione delle colonne, i terreni presenti in sito devono essere in grado di sostenere la colonna relitta sia nel corso della realizzazione delle colonne che in esercizio; indicativamente tale condizione risulta verificata quando il valore di coesione non drenata è Cu > 15 kPa.

Sotto tale limite è necessario ricorrere a tecnologie differenti, quali ad esempio colonne in sabbia o ghiaia incapsulate con geosintetici. L’impiego delle colonne in ghiaia è inoltre idoneo per quei materiali con scarse capacità di addensamento se soggetti a vibrazione ovvero, in linea generale, quando la frazione fine della granulometria del terreno presente in sito supera il 10 – 15 %.

Un importante contributo sulla realizzabilità delle colonne in ghiaia è stato fornito da Degen (Degen, 1997) che impiegando la classificazione USCS ha evidenziando le tipologie di terreno per le quali le colonne in ghiaia risultano non realizzabili o difficilmente realizzabili.

 

Capacità portante delle colonne in ghiaia

A seconda delle condizioni stratigrafiche del sito d’intervento, che può presentare o meno stati rigidi ad una profondità raggiungibile dalle colonne in ghiaia, le colonne stesse possono essere valutate considerando la presenza di uno strato rigido di base oppure come sospese.

Nel caso di terreni omogenei, i potenziali meccanismi di collasso della singola colonna sono riassunti nell’immagine seguente (Fig. 1):

La tecnica della vibrocompattazione per il miglioramento dei terreni

Figura 1 – Meccanismi di collasso di singole colonne in ghiaia in terreno omogeneo (Design and construction of stone column Vol. 1 – FHWA).


La prima modalità di collasso (bulging failure) è dovuta all’espansione che la colonna, costituita da materiale granulare e soggetta ad un carico verticale, tende ad avere nel terreno naturale che la confina lateralmente.

Per tale modalità di collasso, la capacità portante viene valutata con una formulazione del tipo:

qlim= σ3  ∙ Kpc

Dove:

qlim = capacità portante della colonna

σ3 = tensione laterale di confinamento

Kpc = coefficiente di spinta passiva del materiale costituente la colonna

La tensione laterale di confinamento σ3 dipende essenzialmente dalle caratteristiche del terreno e può essere ricavata direttamente in sito eseguendo delle prove pressiometriche oppure con apposite formulazioni teoriche legate all’espansione della cavità cilindrica. Si osserva inoltre che data l’espansione laterale della colonna, nella valutazione della pressione passiva Kpc è opportuno impiegare i valori di angolo d’attrito residuo.

La seconda modalità di collasso (shear failure) è dovuta alla possibile formazione di una superficie di scorrimento e risulta particolarmente critica nel caso in cui i terreni più superficiali presentino caratteristiche meccaniche particolarmente scadenti. Tale aspetto, oltre a poter inficiare il comportamente in opera delle colonne, può risultare assai critico anche per quanto riguarda la cantierabilità dell’intervento.

La terza modalità di collasso (punching failure) risulta particolarmente critica nel caso di colonne di limitata lunghezza e che non raggiungono uno strato di base portante, ovvero nel caso delle colonne sospese.

In presenza di terreni stratificati, andrà verificato che i meccanismi di collasso prima indicati non si verifichino in nessuno strato; in particolare bisognerà prestare particolare attenzione a strati di spessore più o meno ridotto dalle caratteristiche meccaniche scadenti che potrebbero essere presenti tanto in superficie quanto in profondità come illustrato nell’immagine seguente (Fig. 2):

Meccanismi di collasso di singole colonne in ghiaia in terreno stratificato

Figura 2 – Meccanismi di collasso di singole colonne in ghiaia in terreno stratificato (Design and construction of stone column Vol. 1 – FHWA).

 

Infine si evidenzia che nella valutazione della capacità portante delle colonne in gruppo, i potenziali meccanismi di collasso prima citati vengono adattati alla presenza di più colonne. È consuetudine, per la conduzione di tali verifiche, impiegare dei parametri del terreno modificati al fine di tener debitamente in conto degli interventi di miglioramento.

... CONTINUA.

All'interno dell'articolo integrale:

  • Stima dei cedimenti del terreno a seguito del miglioramento
  • Mitigazione del rischio di liquefazione

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