Soil nailing e consolidamento dei terreni con elementi di rinforzo

Il Soil Nailing (SN, o “cloutage du sol”) è una tecnica di geoingegneria con la quale si consolida il terreno per mezzo dell’introduzione di elementi di rinforzo: l'articolo introduce l'argomento dal punto di vista sperimentale e teorico e ne traccia i principali criteri progettuali.


Il Soil Nailing si basa sull'azione resistenze a trazione che le barre di rinforzo applicano al terreno

Il Soil Nailing (SN, o “cloutage du sol”) è una tecnica con la quale si consolida il terreno per mezzo dell’introduzione di elementi di rinforzo (autoperforanti, battuti o perforati e cementati) in genere costituiti da barre metalliche.

La parola “soil” designa il campo di applicazione della tecnica, utilizzabile quindi nei terreni, per distinguerla dall’analoga tecnica denominata Rock Bolting (RB), applicata al rinforzo di “rock mass”.

Le differenze tra le due tecniche non appaiono concettuali ma solo fisico-meccaniche, a causa delle differenti caratteristiche fisico-meccaniche tra terreni e rocce.

Analogamente, le differenze dei sistemi di SN e RB dalle tecniche di ancoraggio dipendono preventemente dalle tecniche operative di applicazione e funzionamento del sistema, non già da una differenza concettuale profonda, trattandosi sempre di rinforzo di terreni o rocce,

Il SN è applicato nelle opere di ingegneria civile da circa cinquant’anni (in Francia per esempio dal 1972), prevalentemente per la stabilizzazione di fronti di scavo a cielo aperto e in sotterraneo.

Esso si basa sull’azione resistente a trazione che le barre di rinforzo applicano al terreno consolidato, pertanto in grado di aumentarne le carattristiche di resistenza e deformabilità e contribuendo quindi a aumentare i corrispondenti livelli di sicurezza nei confronti degli stati limite di esercizio e di collasso.

In qualche caso si considera il SN come l’estensione del metodo New Austrian Tunnelling Method per la stabilizzazione degli scavi o dei pendii naturali; in tal caso si considera SN un intervento in cui gli elementi di rinforzo, eslusivamente passivi, ovvero non pretensionati, sono strettamente spaziati e caratterizzati, per lo più, dall’assenza di tratti liberi non cementati lungo il loro sviluppo.

Per la comprensione della modalià di installazione e di funzionamento di ancoraggi e sistemi di SN e RB, si rammenta che in funzione dello stato di pretensione impressa all’elemento di rinforzo, i sistemi si possono distinguere in:

  • Attivi = la pretensione iniziale è diversa da 0 e in genere piuttosto consistente
  • Passivi = la pretensione iniziale è uguale a 0 e lo stato di coazione sulla superficie di rottura si instaura solo a seguito dello spostamento relativo tra le due facce della stessa, in funzione della sua dilatanza.

Nel caso della stabilizzazione dei fronti di scavo, in uno dei principali riferimenti normativi in uso (FHWA, 2015), viene llustrato un tipico esempio di chiodatura passiva di un fronte di scavo (figura sottostante) con le sue parti costitutive.

 

Soil nailing e consolidamento dei terreni con elementi di rinforzo

IMMAGINE 1: Illustrazione di un tipico esempio di Soil Nailing (FHWA, 2015)

 

In generale i terreni nei quali si può applicare la tecnica SN sono (Gasser & Gudehus, 1980):

  • terreni granulari con debole coesione (per esempio per risalita capillare);
  • argille compatte;
  • rocce tenere.

Le modalità operative di realizzazioni di un sistema SN per il sostegno di un fronte di scavo sono le seguenti:

  • a) scavo di un primo fronte (chiodatura + scavo progressivi);
  • b) installazione dei chiodi (chiodatura);
  • c) costruzione o installazione del sistema di facing (rivestimento della superficie di scavo con spritz beton, detto anche shotcrete, gunite o betoncino proiettato).

 

fasi di realizzazione di una parete chiodata SN

IMMAGINE 2: fasi di realizzazione di una parete chiodata SN (Froldi, 2022) 

 

I casi studio a grandezza naturale

Numerosi sono in bibliografia i casi studio a reale grandezza su pareti chiodate con la tecnica del SN. Si riportano per sintesi alcuni di questi e relativi risultati di carattere generale.

Gassler & Gudehus (1980) riportano di varie sperimentazioni (n° 8 test) in campo (terreni sabbiosi con φ = 35° e coesione = 3 kN/mq) dalle quali si possono ricavare le seguenti osservazioni generali, specificatamente per il caso di una parete di altezza H = 6 m chiodata con barre di acciaio di lunghezza di circa 8 m, rivestita con shotcrete spessore 10-15 cm:

  1. gli spostamenti orizzontali sono in sommità allo scavo dell’ordine di 15 mm, ovvero dello 0,3%; le rotazioni del fonte sono dell’ordine del 0,2%-0,3% di H;
  2. la riduzione misurata della spinta attiva sul fronte (dietro lo shotcrete) indica un valore di circa 30-40% di quella attiva attesa secondo la teoria di Rankine;
  3. i meccanismi di rottura osservati sono con superficie piana singola (singolo cuneo) e composta (doppio cuneo).

 

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