Tecniche di miglioramento dei terreni e modellazione numerica

Sommario
La continua richiesta di sfruttamento del suolo e la necessità di costruire su terreni ad elevata compressibilità e bassa resistenza al taglio hanno indotto l’industria dell’Ingegneria Civile allo sviluppo e all’affinamento di numerose tecniche di miglioramento dei terreni (ground o soil improvement nella letteratura internazionale). Considerando il ruolo ormai consolidato della modellazione numerica nell’Ingegneria Geotecnica, e per facilitarne l’applicazione nel caso di interventi di ground improvement, ciascuna tecnica di miglioramento è accompagnata da una descrizione degli approcci suggeriti da specialisti del settore per una progettazione efficace che combini la necessità di ottenere risultati affidabili pur mantenendo l’onere del calcolo entro limiti accettabili.

Introduzione
I principi attraverso i quali si manifesta il miglioramento delle condizioni del terreno sono l’aumento della densità del terreno naturale attraverso applicazione preventiva di carichi statici o dinamici, e la realizzazione di inclusioni rigide con apporto di materiale di elevata rigidezza (o legante) che induce la cementazione del materiale naturale. A seconda delle aree geografiche sono state sviluppate conoscenze e tecniche locali, funzione del particolare tipo di terreno oggetto di studio e della disponibilità commerciale. Questa trattazione non ha pertanto la pretesa di essere esaustiva nel panorama generale delle tecniche di miglioramento, ma di coprire le principali anche dal punto di vista storico, oltre che di diffusione, completando il quadro con cenni di approccio di calcolo suggerito per ciascuna tecnica.

I terreni compressibili (generalmente terreni a grana fine, normalconsolidati o debolmente sovraconsolidati, spesso con elevato contenuto organico) presentano difficoltà intrinseche nel comportamento meccanico.

Tali complicazioni derivano:

1) dalla viscosità dello scheletro solido, che ne rende il comportamento dipendente dal tempo e, conseguentemente, dalla velocità di applicazione del carico, fenomeno che viene comunemente indicato come creep;

2) dall’anisotropia, che è dovuta al processo di formazione naturale per deposizione di particelle dalla forma allungata, che tendono a disporsi in piani orizzontali, il che si riflette sulla risposta alle sollecitazioni;

3) dalla cementazione, indotta da legami elettro-chimici che s’instaurano tra i minerali che costituiscono lo scheletro solido formato da particelle con elevato rapporto superficie/volume. Il processo deformativo comporta una distruzione di tali legami e la conseguente variazione delle proprietà meccaniche apparenti.

Quanto richiamato nel paragrafo precedente rende evidente come la scelta di un modello a comportamento costitutivo elastico-lineare sia inadeguata come assunzione costitutiva per il terreno, sebbene sia alla base della gran parte degli approcci analitici tradizionali nel campo del ground improvement (e non solo).

Ulteriori complicazioni derivano dagli aspetti d’interazione mutua tra le inclusioni, che ne alterano la risposta rispetto al caso di colonna singola, e che non possono essere trascurati senza sacrificare l’attendibilità dell’analisi. Tuttavia, il numero spesso elevato di verticali colonne di terreno trattate nel caso di interventi di tipica estensione, rende impraticabile la modellazione esplicita di ciascuna delle inclusioni. Nelle varie Sezioni seguenti sono indicate strategie progettuali di modellazione frutto di decenni di Ricerca nel campo della modellazione numerica.

In aggiunta, è opportuno ricordare che tutti i software commerciali dedicati all’analisi numerica geotecnica offrono la possibilità di introdurre nel modello i cosiddetti embedded elements, che superano la necessità di modellazione esplicita di inclusioni rigide o pali attraverso speciali elementi monodimensionali. La semplificazione in termini di numero di elementi finiti necessari è evidente, ma il prezzo da pagare è la necessità di produrre modelli della sola inclusione per la simulazione di prove di carico finalizzate alla calibrazione dei parametri di ingresso degli embedded elements.

Il processo di dissipazione delle sovrapressioni indotte dal carico comporta, sia pur in misura ridotta grazie all’intervento di miglioramento, lo sviluppo di deformazioni che raramente rimangono nell’ambito delle piccole deformazioni. La modellazione tramite il metodo degli Elementi Finiti delle grandi deformazioni è ad oggi possibile, attivando le opzioni Updated mesh o Geometrical non-linearity a seconda delle diverse nomenclature dei software commerciali. L’uso di tale opzione comporta l’impiego di un approccio risolutivo di tipo Updated Lagrange(-ian), che può comportare un aumento notevole del tempo di calcolo.
Si comprende facilmente, dunque, come la modellazione numerica debba essere vista come un valido strumento che richieda una preparazione specifica sui modelli costitutivi e sulle tecniche numeriche in genere.

Occorre tener presente che, specialmente nel campo del ground improvement, il problema in questione presenta difficoltà notevoli, e l’uso della modellazione numerica può aiutare a far luce su aspetti non analizzabili con gli approcci tradizionali, ma non ne costituisce affatto una semplificazione. Un problema complesso, dunque, rimane complesso anche qualora sia affrontato con l’analisi numerica (parafrasando un aforisma di Cino Viggiani).

Volendo azzardare una catalogazione delle tecniche di ground improvement disponibili, in alcuni casi si pone in essere il solo addensamento del terreno naturale, e.g. nel caso del precarico con drenaggio e la compattazione dinamica, trattate nella Sezione 1 e Sezione 2, rispettivamente. La vibrocompattazione e la vibrosostituzione, trattate nella stessa Sezione 3 perché accomunate dall’uso di strumentazione simile, nel primo caso comportano il solo addensamento. Nel secondo caso l’addensamento è accompagnato dall’immissione di materiale granulare vibrato per la realizzazione di colonne di ghiaia (stone columns). Anche nel grouting, oggetto della Sezione 4, si può ottenere il solo addensamento (compaction grouting) o la sostituzione (fracking e jet grouting) per la realizzazione di colonne cementate. La Sezione 5 è dedicata alle tecniche di deep mixing col terreno naturale per ottenere colonne di materiale molto più rigido del terreno naturale attraverso la miscelazione con calce o cemento.

Tecniche di miglioramento sviluppate in tempi recenti e di ampia diffusione, quali i pali RAP (Rammed Aggregated Piers) e i Geopiers rientrano certamente tra le tecniche di realizzazione di elementi rigidi inclusioni rigide ma non sono incluse nella presente trattazione in quanto la procedura realizzativa non differisce nella sostanza da quella relativa ad altre tecniche maggiormente documentate in letteratura.

1. Dreni verticali e precarico
I dreni inducono l’accelerazione del processo di consolidazione rispetto al tempo necessario per la dissipazione delle sovrapressioni interstiziali nel terreno originario. In tal modo è possibile far sì che il sito sviluppi gran parte dei cedimenti verticali precedentemente alla costruzione. In generale, la tecnica prevede un incremento del coefficiente di consolidazione del sito attraverso l’inserimento di dreni puntuali, un tempo tipicamente costituiti da elementi cilindrici di sabbia posti in collegamento diretto con uno strato di materiale granulare a pressione sostanzialmente atmosferica.

Tale metodo, applicato prevalentemente negli Stati Uniti a partire dall’inizio del Secolo scorso, prevede perforazioni di 0.4m – 0.6m di diametro e, successivamente diametri anche notevolmente inferiori in cui la colonna di sabbia è sostenuta da un geotessuto allo scopo di prevenirne l’instabilizzazione a seguito dell’applicazione del precarico. Il beneficio dell’uso di dreni ha comportato un’evoluzione della tecnologia costruttiva con l’introduzione di dreni prefabbricati di cartone, prima, e di materiale sintetico in tempi più recenti.
Il dimensionamento di un trattamento con dreni verticali è generalmente basato sulla teoria di Barron (1944), a sua volta sviluppata sulla base della soluzione al problema della consolidazione monodimensionale di Terzaghi (1925) e raffinata in seguito con l’introduzione della variazione di permeabilità indotta dall’installazione (zone of smear) e della riduzione della capacità di scarico del dreno durante la consolidazione (well-resistance).

Tra le recenti pubblicazioni sulla corretta trattazione analitica degli effetti dell’installazione e del reale comportamento dei dreni si richiama l’imponente lavoro di ricerca di Indraratna, tra cui Indraratna & Redana, 1997, 1998, 2000. Quest’ultima pubblicazione contiene uno studio approfondito sull’equivalenza tra comportamento assialsimmetrico e in stato piano nelle deformazioni di dreni verticali (Figura 1)

Sebbene la resistenza del terreno sia funzione dei soli parametri efficaci, la difficoltà di determinazione della pressione interstiziale e dunque la sola conoscenza degli sforzi totali richiede spesso l’utilizzo di criteri di resistenza formulati in termini di tensioni totali. Dal punto di vista progettuale, il fatto che sia richiesta l’installazione di un sistema di drenaggio significa che il terreno originario sia dotato di scarse qualità meccaniche, e l’installazione di un sistema di drenaggio a larga scala implica una riduzione della resistenza non drenata del materiale. È opportuno dunque tenere conto di tale aspetto qualora il progetto sia stato basato su misure in posto quale parametro di resistenza a breve termine.

Figura 1. Equivalenza tra dreno assialsimmetrico e in stato piano nelle deformazioni (Indraratna & Redana, 2000)

Nel caso di opere di grandi dimensioni, oltre ad un campo prova per verificare l’effettiva risposta del sito, un accurato monitoraggio degli spostamenti orizzontali dovrebbe essere posto in essere per evitare di sovrastimare il cedimento verticale per effetto delle deformazioni orizzontali. Gli strumenti generalmente impiegati per le misure cruciali sono dunque assestimetri, piezometri ed inclinometri.

In tempi recenti l’analisi numerica ha iniziato a costituire un valido strumento a supporto della progettazione per effetto del superamento delle numerose ipotesi di semplificazione alla base dei metodi analitici. Nella maggior parte dei casi, la natura puntuale di ogni singolo dreno richiede la modellazione del terreno trattato come un continuo equivalente con le proprietà idrauliche aumentate per effetto del sistema di drenaggio. Le teorie analitiche, pertanto, continuano a rivestire un ruolo fondamentale, oltre che per il dimensionamento di massima, anche per la calibrazione dei parametri meccanici ed idraulici dei modelli numerici.

all'interno dell'articolo integrale (in pdf)

  • 2. Compattazione dinamica
  • 3. Vibrocompattazione e vibrosostituzione
  • 4. Grouting
  • 5. Deep mixing