Effetti dell’abbassamento e del rialzamento della falda nella costruzione di strutture interrate

La realizzazione di un’opera parzialmente interrata sotto il livello di falda costituisce in genere un intervento complesso durante il quale vengono apportate modifiche allo stato tensionale del terreno sia durante la fase di abbassamento della falda, che produce subsidenza come la fase di carico, sia a seguito del successivo rialzamento del livello freatico, che causa rigonfiamento del terreno come la fase di scavo. Tali aspetti sono analizzati in una forma unitaria al progredire del processo costruttivo.

SOMMARIO

• Variazione della falda: effetti sulle tensioni efficaci e sul consolidamento
  
• Effetti geostatici e idrostatici sulle strutture interrate
  
• Tecniche di controllo della falda in cantiere: dewatering e monitoraggio
  
• Analisi delle fasi costruttive e diagrammi sforzo-deformazione
  
• Fenomeni di subsidenza e rigonfiamento (swelling)
  
• Conseguenze sulle fondazioni: drag-down e criticità per i pali
  
• Soluzioni tecniche: barriere idrauliche, tension piles e ancoraggi
  
• Gestione dinamica della falda in scenari climatici variabili
  
• Esempio applicativo: calcolo delle tensioni in un edificio interrato
  
• Conclusioni e riferimenti tecnici

Variazione della falda: impatti su tensioni efficaci e consolidazione del terreno

Nel presente contributo si riportano alcune annotazioni di carattere prettamente qualitativo inerenti il decorso delle tensioni nei terreni sotto falda durante le fasi di realizzazione di opere che presentano una parte della costruzione interrata.

Lo studio di tale tema viene in genere affrontato facendo ricorso al metodo dello stress-path riferendosi nella rappresentazione grafica dei percorsi di carico alle tensioni medie totali ed efficaci ed agli sforzi deviatorici (ossia a grandezze invarianti al variare dell’orientamento del sistema di riferimento locale) espresse in funzione degli sforzi principali totali [s_V,s_H] e degli sforzi efficaci [s'_V,s'_H].

La forma di tali parametri viene individuata in base al processo da rappresentare utilizzando gli invarianti tensionali dei modelli piani (vertici dei cerchi di Mohr) nel caso ad esempio dei problemi di stabilità dei rilevati stradali e gli invarianti tensionali espressi in funzione delle tensioni verticali e radiali nello studio dei processi a simmetria cilindrica quali ad esempio le prove triassiali.

Nel presente studio è parso di lettura più agevole ed efficace, tenuto conto della finalità esemplificativa della nota, rappresentare i processi di carico facendo riferimento non solo allo stato tensionale ma anche a quello di deformazione.

Si è pertanto optato per una rappresentazione delle varie fasi costruttive che utilizza un tipico diagramma costitutivo che correla le variazioni delle tensioni efficaci ai parametri di deformazione quali la variazione dell’indice dei vuoti del terreno o la variazione percentuale dell’altezza di un volume elementare di terreno. In tale contesto si prendono in esame sia condizioni non drenate che sono rappresentative del comportamento del terreno a breve termine analizzato in termini di tensioni totali sia condizioni drenate che caratterizzano il comportamento del terreno a lungo termine descritto in termini di tensioni efficaci.

Tale approccio discende dalla proprietà ben nota che tutti i processi di carico inducono modifiche tensionali nel terreno sono governati dal principio delle tensioni efficaci di Terzaghi che si esprime nella forma:

σ’= σ - u

che correla le tensioni efficaci (σ’) che determinano la resistenza e la rigidezza del terreno alle tensioni totali (σ) ed alla pressione neutra nell’acqua interstiziale (u).

In sede di rappresentazione grafica è pertanto sufficiente riportare nel diagramma della legge costituiva che lega gli sforzi efficaci alle deformazioni anche i valori delle pressioni interstiziali per ottenere un quadro compiuto e completo dello stato tensionale (totale, efficace e neutro) che agisce nel terreno.

Con riferimento alla modalità di rappresentazione dello stato tensionale totale, efficace e neutro descritta in precedenza si prende in esame un processo ricorrente nella pratica costruttiva che vede susseguirsi le configurazioni sotto elencate (fig. 1):

• terreno nello stato iniziale indisturbato con falda superficiale;
• abbassamento della falda mediante pompe/well point sotto la quota di fondo scavo;
• scavo del terreno sino alla quota di progetto;
• costruzione dell’opera;
• rialzamento della falda a seguito della rimozione dell’impianto di aggottamento.

In questo ambito risulta d’interesse valutare i molteplici effetti indotti dalle variazioni della quota freatica (fig. 2).

Da un lato l’abbassamento forzato del livello di falda induce modifiche nello stato tensionale efficace nel terreno al pari di un carico esterno (che è un processo che produce una sovrappressione iniziale positiva che viene poi dissipata dando luogo al fenomeno della consolidazione con un incremento progressivo delle tensioni efficaci e dei cedimenti).

Dall’altro l’innalzamento della falda che si manifesta a seguito della rimozione di pompe o well-point produce effetti sulle tensioni efficaci equiparabili a quelli di uno scavo (che è un processo che induce un’iniziale riduzione di pressione nell’acqua interstiziale che viene poi equalizzata con il richiamo di acqua verso lo scavo dando luogo ad aumenti di volume per riduzione di pressioni efficaci).

Effetti geostatici e idrostatici su strutture interrate

Analisi delle fasi costruttive

Si considera un volume elementare di terreno posto sotto la fondazione e per semplicità in asse al fabbricato, in modo da riprodurre ove presenti condizioni di simmetria (u_x=u_y=0) ossia uno stato tensionale in cui le pressioni normali verticali ed orizzontali siano prevalenti. Lo stato iniziale del campione (fase 0) è rappresentato dal punto A lungo il ramo iniziale della curva costitutiva (fig. 3) nella quale la tensione totale ed efficace verticale nel volume elementare di terreno posto alla profondità [h] valgono:

σ_A = g_SAT h           σ’_A = σ_A – g_w h_wi

essendo [h_wi] il battente iniziale della falda indisturbata.

Nella prima fase (fig. 4) si procede all’abbassamento del livello della falda con mezzi meccanici riducendo il battente iniziale da [h_i] a [h_w]. Nell’ipotesi semplificativa che il terreno emerso abbia un peso specifico paragonabile a quello saturo la tensione totale durante la fase di abbassamento della falda rimane sostanzialmente invariata mentre si riduce invece, alla quota del campione di terreno, la pressione nell’acqua interstiziale che viene depressa sino al battente minimo [u_w=g_w·h_w].

Di conseguenza con l’abbassarsi del livello freatico si incrementa via via la tensione efficace riducendosi la spinta di galleggiamento sulla colonna di terreno che insiste sul volume elementare del campione. Ha quindi luogo un processo di carico che si evolve lungo il ramo normalconsolidato sino al punto B nel quale la pressione interstiziale in condizioni equalizzate è minima e lo stato tensionale risulta essere il seguente:

σ_B = g_SAT h         σ’_B = g_SAT h - g_w h_w

Durante questa fase il campione è assoggettato ad una riduzione dell’indice dei vuoti e quindi di volume ed il terreno subisce un cedimento indotto per subsidenza (w_AB).

Si assiste pertanto ad un fenomeno analogo a quello della consolidazione, con riduzione della pressione interstiziale e trasferimento di un valore duale di pressione allo scheletro solido con incremento di pressioni efficaci medie e riduzione di volume per compressione.

Tuttavia in questo caso il fenomeno non è conseguente alla dissipazione delle sovrappressioni interstiziali in eccesso governato dal deflusso naturale dell’acqua nel terreno ma è invece un rapido processo artificiale (ossia indotto) governato dal drenaggio di acqua forzato da mezzi meccanici.

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