Compattazione superficiale

Il notevole sviluppo delle attrezzature di compattazione superficiale ha portato ad un’ampia varietà di strumenti, con differenti forme, dimensioni e modalità di utilizzo.

Nei secoli scorsi si usavano rulli trascinati da cavalli e buoi e, più avanti, da motori a vapore.

I primi rulli a zampa di pecora furono introdotti intorno al 1905 negli Stati Uniti dove, dal 1930 in poi, si fecero notevoli progressi nella compattazione. In questi anni fu inoltre introdotta in Germania la tecnica di compattazione del terreno mediante vibrazione.

La compattazione in cantiere può essere eseguita con attrezzature che agiscono sulle terre con azioni:

♦  di tipo statico;
♦  di compressione e taglio;
♦ di tipo dinamico, di urto o vibrazione.

Il lavoro fatto dalle forze esterne applicate sulla superficie del terreno con le macchine dà luogo alla compattazione. L’energia totale fornita dalle macchine può essere suddivisa in energia dispersa (calore, attriti, ecc.) e in energia utile spesa per ottenere spostamenti elastici e plastici del terreno.

Con la ripetizione dell’azione della macchina le deformazioni plastiche, incluse le rotture locali, tendono a ridursi mentre quelle elastiche aumentano con l’aumentare dell’addensamento.

Per i terreni prevalentemente coesivi l’azione efficace è solo di tipo statico mentre per i terreni prevalentemente granulari e incoerenti l’azione efficace è anche di tipo dinamico.

Sul comportamento influiscono, oltre ai fattori legati all’azione della macchina, quelli legati alla situazione del terreno, quali resistenza al taglio, compressibilità, tensioni capillari, condizioni dell’aria e dell’acqua nei pori, ecc.

Le attrezzature di compattazione, a seconda del prevalere di uno dei due tipi di azione, si possono suddividere in due classi costituite dai mezzi prevalentemente statici e dai mezzi prevalentemente dinamici:

  • PRIMA CLASSE: i rulli lisci, i rulli o carrelli gommati, i rulli a punte e i rulli a griglia;
  • SECONDA CLASSE: le piastre battenti e vibranti, i rulli vibranti e i rulli impattanti.

Rulli statici

Rulli lisci in acciaio e rulli gommati


I tradizionali rulli lisci di acciaio esercitano una pressione statica elevata, per centimetro di generatrice variabile tra 30 e 100 kg/cm, il che li rende più adatti ai terreni granulari.

Hanno un peso compreso tra 1.5 e 20 ton, compattano principalmente con azione verticale e fanno sentire la loro azione specialmente in superficie agendo su spessori relativamente piccoli. Sono usati per compattare massicciate, pietrisco o per rendere liscia la superficie della terra compattata con altri tipi di rullo.

Nelle argille essi contribuiscono a livellare superfici non omogenee tuttavia, se è il terreno è relativamente soffice, possono servire all’aratura senza provocare una compattazione significativa.

Fig. 2.2: Compattazione statica delle terre

Compattazione superficiale in cantiere

Il notevole sviluppo delle attrezzature di compattazione superficiale ha portato ad un’ampia varietà di strumenti, con differenti forme, dimensioni e modalità di utilizzo.

Nei secoli scorsi si usavano rulli trascinati da cavalli e buoi e, più avanti, da motori a vapore.

I primi rulli a zampa di pecora furono introdotti intorno al 1905 negli Stati Uniti dove, dal 1930 in poi, si fecero notevoli progressi nella compattazione. In questi anni fu inoltre introdotta in Germania la tecnica di compattazione del terreno mediante vibrazione.

La compattazione in cantiere può essere eseguita con attrezzature che agiscono sulle terre con azioni:

Ø  di tipo statico;

Ø  di compressione e taglio;

Ø  di tipo dinamico, di urto o vibrazione.

Il lavoro fatto dalle forze esterne applicate sulla superficie del terreno con le macchine dà luogo alla compattazione. L’energia totale fornita dalle macchine può essere suddivisa in energia dispersa (calore, attriti, ecc.) e in energia utile spesa per ottenere spostamenti elastici e plastici del terreno.

Con la ripetizione dell’azione della macchina le deformazioni plastiche, incluse le rotture locali, tendono a ridursi mentre quelle elastiche aumentano con l’aumentare dell’addensamento.

Per i terreni prevalentemente coesivi l’azione efficace è solo di tipo statico mentre per i terreni prevalentemente granulari e incoerenti l’azione efficace è anche di tipo dinamico.

Sul comportamento influiscono, oltre ai fattori legati all’azione della macchina, quelli legati alla situazione del terreno, quali resistenza al taglio, compressibilità, tensioni capillari, condizioni dell’aria e dell’acqua nei pori, ecc.

Le attrezzature di compattazione, a seconda del prevalere di uno dei due tipi di azione, si possono suddividere in due classi costituite dai mezzi prevalentemente statici e dai mezzi prevalentemente dinamici:

  • PRIMA CLASSE: i rulli lisci, i rulli o carrelli gommati, i rulli a punte e i rulli a griglia;
  • SECONDA CLASSE: le piastre battenti e vibranti, i rulli vibranti e i rulli impattanti.

 

Rulli statici

Rulli lisci in acciaio e rulli gommati

I tradizionali rulli lisci di acciaio esercitano una pressione statica elevata, per centimetro di generatrice variabile tra 30 e 100 kg/cm, il che li rende più adatti ai terreni granulari.

Hanno un peso compreso tra 1.5 e 20 ton, compattano principalmente con azione verticale e fanno sentire la loro azione specialmente in superficie agendo su spessori relativamente piccoli. Sono usati per compattare massicciate, pietrisco o per rendere liscia la superficie della terra compattata con altri tipi di rullo.

Nelle argille essi contribuiscono a livellare superfici non omogenee tuttavia, se è il terreno è relativamente soffice, possono servire all’aratura senza provocare una compattazione significativa.

Fig. 2.3: Rullo liscio di acciaio

I rulli gommati (con ruote piene o riempite d’aria) sono formati in genere da un cassone portato da un certo numero di ruote gommate e possono essere trainati o semoventi.

Essi compattano sia con azione verticale del peso statico sia con azione tagliante per mezzo dei pneumatici e, in relazione alla distribuzione delle ruote e all’area rilevante di impronta, si fanno sentire più in profondità dei rulli lisci.

Essi vengono applicati con efficacia per tutti i tipi di terra.

Il loro intervento di compattazione dipende da:

  • Peso lordo
  • Diametro delle ruote
  • Carico per ruota
  • Dimensione e altezza dei pneumatici
  • Pressione di gonfiatura

La loro velocità di lavoro ha poca influenza sull’efficienza, di solito si adotta una velocità pari a circa 6 Km/h. E’ importante sottolineare, inoltre, che un peso lordo elevato non assicura da solo una buona compattazione.

Fig. 2.4: Rullo gommato

Rulli a punte

I rulli a zampa di pecora o a denti tronco piramidali o a zampa di montone sono formati da un rullo d’acciaio munito di punte di varia forma o di segmenti mobili, e possono essere trainati o semoventi. Si differenziano tra loro per la forma delle punte e, rispetto ai rulli lisci, essi presentano una superficie di appoggio limitatamente estesa.

Le punte esercitano un’azione di punzonamento e taglio nello spessore di terreno direttamente interessato.

Le Fig. 2.5 e 2.6 mostrano diversi tipi di punte impiegate:

Fig. 2.5 e 2.6: Punte a zampa di pecora e a zampa di montone

Di solito, tanto più il terreno è umido e soffice, tanto più ampia è l’area di contatto (impronta) necessaria per una compattazione ottimale.

Tra tutti i tipi di rulli, quelli a zampa di pecora si sono dimostrati i più adatti a terreni coesivi. Essi esercitano pressioni elevate, in un primo tempo compattano gli strati più bassi, poi la loro azione si trasferisce gradualmente in superficie affinché il terreno sottostante acquisti resistenza. Tali rulli contribuiscono anche alla miscelazione del terreno.

Nelle aree in cui sono stati usati questi rulli possono in seguito essere adottati i rulli lisci d’acciaio per la loro spianatura.

Fig. 2.7: Rullo a punte

Rulli a griglia

Il loro corpo cilindrico è composto da una griglia di acciaio pesante, la quale provoca elevate pressioni di contatto e impedisce il verificarsi di eccessive deformazioni di taglio, responsabili di onde plastiche davanti al rullo.

I rulli a griglia sono adatti a compattare roccia alterata, come arenaria, rompendo e cambiando la disposizione di particelle aventi dimensioni di ghiaia e ciottoli. I terreni argillosi, invece, possono ostruire la griglia e renderla inefficace.

La disgregazione del materiale è aiutata da una velocità di operazione relativamente alta, mentre una velocità bassa causa l’addensamento dello stesso.

Fig. 2.8: Rullo a griglia

Attrezzatura impattante e vibrante

La figura sottostante riporta le principali caratteristiche dell’attrezzatura vibrante comunemente usata per la compattazione superficiale:

Fig. 2.9: Caratteristiche tipiche dell’attrezzatura impattante e vibrante per la compattazione superficiale

Le macchine vibranti provocano un’azione vibratoria che rende instabile la struttura delle terre granulari, modificandola verso strutture più stabili e quindi con maggiore densità.

Fig. 2.10: Compattazione statica-dinamica delle terre

Mazzapicchi (piastre battenti) e piastre vibranti

Sono usati in aree limitate, in cui risulta difficoltoso agire con gli altri mezzi costipanti, come nei riempimenti nelle trincee e dietro i muri di sostegno e le spalle di ponte.

I mazzapicchi agiscono sul terreno con un’azione dinamica: una massa viene proiettata verso l’alto con varie modalità e attrezzature e lasciata ricadere sul terreno, più o meno come accade nella prova di compattazione Proctor in laboratorio. Il percorso di caduta è compreso tra 30 e 70 mm.

Fig. 2.11: Piastra battente

Fig. 2.12: Funzionamento dei mazzapicchi

Le piastre vibranti sono formate da una piastra d’acciaio, generalmente a forma rettangolare, sulla quale a mezzo di molle poggia un motore che pone in rotazione una o più coppie di masse eccentriche applicate alla piastra, dando luogo anche qui ad una forza risultante verticale sinusoidale.

Il valore massimo della forza sinusoidale è superiore al peso della piastra che viene quindi periodicamente sollevata e lasciata ricadere. Inclinando il piano di rotazione degli eccentrici o sfasandone le velocità angolari si hanno anche delle componenti orizzontali che danno luogo, durante il sollevamento, allo spostamento della piastra vibrante.

Fig. 2.13: Piastra vibrante

Rulli vibranti

Sono analoghi a quelli lisci ma portano applicate, a uno o più dei loro cilindri, una o più coppie di masse ruotanti eccentricamente con velocità angolare uguale ma di segno contrario, in modo da generare una forza risultante verticale sinusoidale che mette in vibrazione il terreno.

Talvolta nel rullo vibrante si possono far variare l’eccentricità e la velocità angolare in modo da variare l’ampiezza di vibrazione e la frequenza.

Tali strumenti agiscono con azione statica e dinamica e sono efficaci sulle terre granulari.


Fig. 2.14: Rulli vibranti rispettivamente a spinta, a traino, a tandem, per trincea e a doppio tamburo

I rulli vibranti leggeri non svolgono una grande azione impattante, la loro ampiezza di vibrazione è dell’ordine di 1-2 mm. Per causare lo stesso effetto in profondità dei mazzapicchi e delle piastre vibranti, essi devono essere considerevolmente più pesanti.

I cilindri dei rulli vibranti trainati o semoventi sono isolati dal telaio attraverso degli assorbitori d’urto di gomma.

L’effetto compattante dei rulli vibranti è principalmente dipendente da:

  • Peso statico;
  • Frequenza ed ampiezza;
  • Velocità del rullo;
  • Rapporto tra massa del telaio e massa del cilindro
  • Diametro del cilindro

La forza centrifuga è funzione del momento del peso eccentrico (mr) e della frequenza n:



dove m è il peso e r l’eccentricità. La forza istantanea esercitata sul terreno dipenderà inoltre dalle proprietà dello stesso e dall’appoggio.

Rulli impattanti

Essi consistono in una massa non circolare che viene trainata sul terreno. Dal momento che il suo centro si alza e si abbassa, la massa esercita una notevole azione impattante e causa la compattazione del suolo; il suo uso è consigliato in terreno di sottofondo e nei riempimenti di terra piuttosto che in lavori superficiali, perché lascia la superficie irregolare.

Clifford (1980) ha descritto un nuovo tipo di rullo impattante sviluppato in Sud Africa, adatto in terreno naturale e di riporto: esso consiste in un rullo “quadrato” con i bordi arrotondati e spesso 1.5 m.

Aspetti operativi della compattazione superficiale

Qualunque sia il tipo di attrezzatura, la compattazione deve essere eseguita sul materiale  disteso in strati successivi di spessore variabile tra 20 e 50 cm, in relazione al tipo di materiale da compattare e di attrezzatura usata.

Per i materiali a grana fine si adoperano, come già detto, i rulli gommati e/o quelli a punte.

Scelta un’ attrezzatura le variabili in gioco sono peso, n° di passaggi e spessore degli strati: la scelta è legata principalmente a Ip e w0 del materiale da compattare.

Quando w0 ≈ wsat è praticamente impossibile compattare poiché il materiale poco permeabile si deforma a volume costante. La compattazione quindi può essere ottenuta solo riducendo il contenuto d’acqua w.

Per i materiali a grana grossa con percentuale elevata di fine valgono le indicazioni date per i materiali a grana fine; si può però agire con più facilità con rulli gommati o anche con rulli vibranti, poiché si può far variare w fino ad ottenere le condizioni più favorevoli di umidità.

Per i materiali a grana grossa con poco fine la compattazione si ottiene con rulli vibranti, piastre vibranti e rulli gommati ed è poco condizionata dal w.

Frequenza operativa

La frequenza di vibrazione dei rulli vibranti pesanti è di solito compresa tra 25 e 30 cicli al secondo (Hz), tuttavia la sua variazione in questo range non comporta differenze notevoli dell’azione compattante.

Per quanto riguarda i rulli vibranti, la combinazione di grande ampiezza di vibrazione e frequenza poco superiore alla frequenza di risonanza (detta di 25 Hz) comporta una migliore compattazione, anche in profondità, rispetto al caso di una piccola ampiezza di vibrazione e alta frequenza. Da diverse prove su sabbie in laboratorio Youd (1972) constatò che il fattore determinante nella compattazione non era la frequenza di vibrazione ma l’ampiezza della deformazione di taglio.

Numero di passaggi

Per un uso economico dei rulli vibranti è richiesto un numero minimo di passaggi, di solito compreso tra 4 e 6. Può essere fatta un’eccezione per le sabbie sature in cui la compattazione in profondità aumenta con il numero di passaggi, di solito da 15 a 20.

Per quanto riguarda i rulli statici e quelli a zampa di pecora o di montone, il numero di passaggi consigliato è compreso tra 4 e 8.

La Fig. 2.15 mostra la relazione esistente tra il numero di passaggi di un rullo e la densità ottenuta: la compattazione più efficace è ottenuta con il numero di passaggi corrispondente al punto di massima curvatura. Un numero elevato di passaggi del rullo porta ad una maggiore frantumazione delle particelle all’interfaccia costipatore-terreno; ciò può causare anche la sgradita stratificazione del riempimento, ad esempio creando piani di taglio preferenziali o modificando la permeabilità globale. Minimizzando il numero di passaggi si hanno quindi vantaggi sia tecnici che economici.

Fig. 2.15: Relazione tra il numero di passaggi del rullo e la densità ottenuta

Profondità degli strati

La profondità dello strato che può essere compattato è indirettamente proporzionale alla pressione richiesta per compattare efficacemente il terreno, la quale è a sua volta funzione del tipo di terreno.

Secondo quanto affermato da Forssblad (1977,1981), per compattare con vibrazione le sabbie è sufficiente uno sforzo verticale compreso tra 50 e 100 kPa, l’argilla, invece, richiede una pressione notevolmente maggiore (da 400 a 700 kPa). Nella sabbia il movimento delle particelle solide indotto dalla vibrazione riduce l’attrito interno, e ciò contribuisce al riassestamento dei grani di sabbia. Nelle argille ciò non si verifica quindi, per un buon addensamento, sono richiesti maggiori sforzi di compressione e di taglio.

La Fig. 2.16 illustra l’azione in profondità di diversi rulli compressori: la parte selezionata del grafico indica l’intervallo di sforzo necessario ad una compattazione efficace di sabbie e argille.

Fig. 2.16: Azione in profondità di diversi rulli

Controllo della compattazione

Per opere di terra di notevole importanza per dimensioni, costo e per esigenze di sicurezza, si ricorre, dopo aver scelto il materiale da adoperare, alla costruzione di rilevati di prova al fine di determinare lo spessore degli strati, il tipo di macchina, il numero dei passaggi, il campo di contenuto d’acqua.

E’ possibile anche fare riferimento a precedenti esperienze per lo stesso materiale e le stesse esigenze; in questa situazione il controllo del compattazione riguarda la verifica del rispetto delle indicazioni precedentemente determinate.

Bisogna inoltre inserire nel capitolato alcune prescrizioni riguardanti principalmente la densità secca minima da raggiungere e talvolta la portanza da controllare con prove di carico con il rispetto, ad esempio, di valori minimi da raggiungere per il modulo svizzero ME. Si usa prescrivere una percentuale dell’ordine del 90% o del 95% della densità massima ottenuta in laboratorio con la prova AASHTO modificata (valore molto usato nel campo stradale).

Il controllo del peso di volume in cantiere viene eseguito prelevando un campione di terra di cui si determina il contenuto d’acqua e la densità secca.

 

Considerazioni su materiali specifici

L’effetto del grado di saturazione del terreno si manifesta in maniera differente nelle sabbie e ghiaie libere di drenare, e nelle argille. I terreni incoerenti parzialmente saturi presentano una coesione apparente poiché le forze di tensione superficiale nell’acqua interstiziale provocano una depressione, la quale incrementa la resistenza d’attrito contro la compattazione. E’ pertanto meglio compattare questi terreni quando sono asciutti o completamente saturi.

Un problema tipico delle terre incoerenti è che il costipamento in prossimità della superficie è difficoltoso a causa della mancanza di confinamento. Questo è rappresentato in Fig. 2.17, la quale mostra la variazione di densità con la profondità, prima e dopo la compattazione.

Fig. 2.17: Densità di sabbie prima e dopo la compattazione (più step)

Il comportamento delle argille e delle argille limose nei riguardi della compattazione è fortemente dipendente dal loro contenuto d’acqua, come dimostrano le prove di costipazione in laboratorio, e ciò è estendibile anche alle terre stabilizzate con calce. Proprio come i terreni coesivi, queste ultime possono essere compattate efficacemente con rulli a zampa di pecora o di montone.

Applicabilità e velocità di operazione dell’attrezzatura

La Fig. 2.18 riporta indicazioni utili sull’applicabilità delle differenti tipologie di attrezzatura per la compattazione; essa identifica i terreni più o meno adatti e le applicazioni più diffuse. Qualsiasi metodo di costipamento è in ogni caso più vantaggioso della non compattazione.

Fig. 2.18: Applicabilità delle attrezzature per la compattazione superficiale

La conoscenza della velocità di operazione (o capacità di compattazione) è d’aiuto nella scelta dell’attrezzatura di costipamento più economica, essa si calcola con la formula seguente:

dove:

P = velocità di produzione [m3/h]

B = larghezza del cilindro [m]

e = efficienza

s = velocità di rotazione [km/h]

t = spessore dello strato [m]

n = numero di passaggi

Il fattore di efficienza, compreso tra 0.75 e 0.85, tiene conto della sovrapposizione dei passaggi del rullo e del tempo necessario a cambiare direzione, fermarsi e partire.