Heavy Tamping

Heavy tamping e consolidazione dinamica

Grazie ai notevoli miglioramenti delle proprietà ingegneristiche che essa provoca e grazie anche al suo costo non elevato, la compattazione dinamica è diventata uno dei metodi di miglioramento del terreno più comunemente usati.

 

Cenni storici

Tale procedimento fu introdotto nel 1969 negli Stati Uniti dal francese Louis Menard, al quale si devono i maggiori contributi teorici e pratici. Negli anni 1970 in America questa tecnica si sviluppò soprattutto nell’area di Chicago grazie ad un’azienda nazionale d’ingegneria geotecnica, e in tutta la nazione grazie a due imprenditori.

Attorno al 1980 questo processo andò via via perfezionandosi e cominciò ad ottenere un diffuso consenso in tutta la comunità geotecnica. Grazie all’economia americana forte che si ebbe da metà alla fine degli anni 80, in quel periodo furono eseguiti oltre 200 interventi di compattazione dinamica tuttavia, la successiva recessione, comportò una drastica riduzione dei progetti riguardanti questa tecnica.

Una ripresa del mercato della compattazione dinamica cominciò ad aversi dal 1992 e in seguito si poté assistere ad una sua ampia diffusione negli Stati Uniti, con più di 500 interventi completati su scala nazionale.

 

Concetti fondamentali

La compattazione dinamica superficiale è un metodo per compattare materiali in sito senza vi sia la necessità di rimuoverli. E’ usata per migliorare le proprietà ingegneristiche dei terreni in profondità, sopra o sotto il livello di falda; come conseguenza dell’addensamento, si ha un incremento della resistenza del terreno e una conseguente riduzione della sua comprimibilità e dei suoi cedimenti.

L’obiettivo principale della compattazione dinamica è far acquisire ad un terreno eterogeneo proprietà ingegneristiche più uniformi e forti.

Tale tecnica consiste nell’assoggettare la superficie del terreno ad impatti ad alta energia, lasciando cadere sul piano campagna un grave di forma opportuna da un’altezza di diversi metri. L’energia cinetica del grave si trasforma in onde di compressione e di taglio che si trasmettono nel terreno. La massa è formata da calcestruzzo o piastre d’acciaio con peso variabile da 5 a 200 t ed è lasciata cadere da altezze che hanno raggiunto anche i 40 m.

La compattazione dinamica superficiale ripropone in sito la compattazione che si analizza con la prova Proctor.

Le apparecchiature adottate sono:

Compattatore Menard:

  • Peso = 5-200 t (tipico 15-25 t)
  • Lati = 1.4-2.5 m
  • Altezza di caduta = 7-40 m

Compattatore a cingoli:

Fig. 1.2.2.4: Compattatore Menard

Fig. 1.2.2.5: Compattatore a cingoli

Con il termine heavy tamping in certi casi si intende l’utilizzo di una massa meno pesante fatta cadere da un’altezza inferiore: in questo caso le masse sono fatte cadere ad una distanza tra loro compresa tra 2 e 3 m, e compattano il terreno fino a 6 m di profondità. E’ comunque opportuno mantenere la denominazione “heavy tamping” per descrivere in generale questa metodologia di intervento, e riservare il termine “consolidazione o compattazione dinamica” per trattare il processo geotecnico che accompagna l’heavy tamping.

La consolidazione dinamica può quindi essere definita come il processo di addensamento di un terreno saturo o quasi saturo provocato da un carico improvviso e che comporta deformazioni di taglio, pressioni interstiziali temporaneamente elevate (possibile liquefazione) e successiva consolidazione.

Il metodo di “heavy tamping” contribuisce ad instaurare un miglior drenaggio in uno strato di terreno, ad esempio accelerando il processo di consolidazione dovuto al peso proprio delle terre o al sovraccarico aggiunto. Da osservazioni sperimentali si è ricavato che, in seguito all’esecuzione della compattazione dinamica le pressioni interstiziali si mantengono in eccesso rispetto a quelle idrostatiche per ore o giorni nelle sabbie e nei terreni limosi, e per tempi più lunghi nelle argille.

Questa tecnica si è dimostrata efficace anche nel risanamento di aree adibite allo smaltimento dei rifiuti, in quanto addensa materiale molto diversificato, depositato in modo sciolto, e quindi contenente grandi vuoti; le discariche possono così essere costruite in aree di deposito, in campi da gioco,ecc., con conseguenti meno problemi dovuti ai cedimenti a lungo termine.

Una semplice regola generale suggerisce che la profondità D, in metri, fino la quale l’heavy tamping è efficace può essere stimata prudentemente con la formula:

dove W è la massa del peso fatto cadere [tonnellate metriche] e H è l’altezza di caduta [m].

n è un fattore empirico che varia tra 0.3 e 0.7, di solito si assume il suo valore medio 0.5, o 0.4 in caso di terreni coesivi o discariche. Tale coefficiente dipende da un gran numero di fattori, tra cui il tipo di terreno, le caratteristiche stratigrafiche, la perdita di efficienza o di energia del meccanismo di sollevamento/caduta, la pressione di contatto del grave e il metodo di applicazione dell’energia. Esso esprime l’efficacia della trasmissione di energia.

La profondità di miglioramento del terreno è di solito compresa tra 3 e 9 m.

Fig. 1.2.2.6: Schematizzazione della compattazione dinamica

Secondo quanto affermato da Mayne (1984), il grado di miglioramento del terreno raggiunge il valore massimo in corrispondenza di una “profondità critica”, la quale è circa pari a metà della massima profondità di influenza D.

La compattazione dinamica viene condotta su una maglia rettangolare o triangolare prefissata, con passaggi ripetuti su di essa ed eseguiti con uno spostamento costante. La spaziatura della griglia, il numero di cadute su ogni punto di impatto, l’energia applicata e il numero di passaggi fanno affidamento sulle condizioni del terreno, sulla sua risposta e sulla dissipazione della sovrapressione interstiziale.

Secondo Wallace (1983) lo spostamento del piano campagna sotto ogni colpo è:

con

e

dove:

B = lato maggiore del grave;

A ed F = parametri dipendenti dal modulo dinamico E del terreno e da B.

Gli impatti iniziali sono spaziati tra loro di una distanza dettata dalla profondità dello strato comprimibile, dalla posizione della falda e dalla distribuzione granulometrica.

La spaziatura iniziale viene di solito assunta pari allo spessore dello strato comprimibile, con un conseguente numero di colpi per ogni punto della griglia compreso tra 5 e 15.

L’impatto genera onde di compressione e di taglio (onde P e S) che si diffondono radialmente nel terreno. La riflessione delle onde S con il piano campagna genera onde superficiali di Rayleigh.

Spesso la vicinanza alla falda o l’eccessiva profondità del cratere prodotto portano a limitare il numero di colpi applicati ad ogni griglia, e ciò consente di evitare l’incastrarsi del grave e di consentire la dissipazione delle sovrapressioni interstiziali.

Una pratica corrente è quella di ridurre l’energia di impatto quando la profondità del cratere supera una volta e mezza, due volte l’altezza del grave, o quando la superficie della falda arriva dentro al cratere. Quando si verifica ciò sono necessari ulteriori passaggi sulla griglia per completare il numero stabilito di cadute, ma questo soltanto dopo aver livellato il terreno o riempito il cratere.

La prima fase della compattazione dinamica si propone di migliorare gli strati di terreno più profondi. Una spaziatura o un livello di energia non corretti in questa fase possono creare uno strato superiore compatto, rendendo quindi difficile o impossibile il trattamento del materiale sciolto sottostante.

La fase iniziale è anche chiamata “fase con energia elevata” perché l’energia compattante è concentrata su una griglia più estesa. Il completamento della prima fase porta di solito ad una fase con energia bassa, chiamata “stiramento”, in cui si densificano gli strati superficiali, nei primi 1.5 m; qui il grave è alzato 5-6 m e viene fatto cadere su una griglia sovrapposta.

Dopo ogni passaggio il piano campagna presenta dei crateri di 1-10 m di profondità, le impronte vengono quindi riempite con materiale circostante o esterno e livellate. In totale si eseguono 1-4 passate con la stessa maglia o con maglia più fitta. Si termina infine con una passata di rullo compattatore in maniera da avere lo strato superficiale ben costipato.

Terreni coinvolti

Il fattore più influente che comporta l’idoneità di un terreno ad essere migliorato mediante la compattazione dinamica è la sua capacità di dissipare le sovrapressioni interstiziali.

Durante questo processo, infatti, le particelle di terreno si dispongono secondo una configurazione più unita Se nei vuoti del terreno è presente acqua, si verifica un immediato incremento delle pressioni; è pertanto necessario che le sovrapressioni si dissipino prima che si verifichi un ulteriore addensamento sotto ripetute cadute ad elevata energia. Se ciò non può accadere allora le cadute del grave comportano solo l’abbassamento del terreno, e non la sua densificazione. E’ quindi indubbia l’efficacia nei terreni granulari, per i quali si ottiene addensamento; in alcuni casi, se gli elementi sono di grossa pezzatura (pietre) o frantumabili, l’assestamento della struttura in una configurazione più stabile avviene anche per frantumazione delle frazioni grosse.

Fig. 1.2.2.7: Andamenti dell’energia specifica, della variazione di volume, del grado di liquefazione e della capacità portante limite durante la compattazione dinamica

Il risultato della compattazione superficiale nei materiali fini (limi argillosi) è invece incerto: sono documentati casi positivi ma anche negativi. Secondo le indicazioni di Menard esiste una soglia minima di energia di impatto per ottenere un effetto positivo. Tale soglia aumenta con la diminuzione della dimensione delle particelle: essa varia da 1000 kJ per i limi sabbiosi a 3000 kJ per le argille.

Si hanno ulteriori difficoltà nell’applicazione di questa tecnica nei terreni stratificati ove la diffusione delle onde non è omogenea e si assiste a loro fenomeni di riflessione e rifrazione.

Nei coesivi, per migliorare i risultati, si possono realizzare trincee drenanti, oppure applicare prima un trattamento a calce per modificare l’argilla. Nell’ultimo decennio, oltre al notevole incremento delle applicazioni della tecnica di compattazione dinamica, sono aumentati notevolmente anche i tipi di materiale coinvolto. In origine tale tecnica veniva applicata solo a terreni granulari, di riporto o naturali, ma grazie ai vantaggi economici che essa comporta, si è cominciato a migliorare molti altri materiali, tra cui:

  • terreni al’interno di vecchi rilevati, come ad esempio l’intera gamma di terreni naturali, detriti artificiali, sottoprodotti e qualsiasi combinazione di queste tre categorie;
  • rifiuti solidi urbani;
  • terreni di copertura delle miniere di carbone;
  • terreni collassabili;

Il processo di consolidazione dinamica può essere associato ad un sovraccarico statico e aiutato da dreni verticali; può inoltre essere eseguito, allo scopo di formare colonne di sabbia o ghiaia in terre soffici, spingendo del materiale granulare di riempimento dalla superficie all’interno del terreno.

La Fig. 1.2.2.8 riporta la relazione cedimento-tempo in seguito all’applicazione di un carico statico (rilevato) e di uno dinamico. I gradini verticali nella curva sono dovuti ai ripetuti passaggi di un grave molto pesante.

Fig. 1.2.2.8: Relazione cedimento-tempo in seguito all’applicazione di un carico statico e di uno dinamico

Controlli

Come vale anche per le altre tecniche di compattazione profonda, il miglioramento del terreno ottenuto è più comunemente verificato con penetrometri statici o dinamici, con pressiometri e dilatometri. Sebbene di solito si ricorra alla prova di carico su piastra per controllare la compattazione superficiale, essa viene qualche volta eseguita per valutare l’effetto dell’heavy tamping, soprattutto quando l’obiettivo del lavoro è incrementare la capacità portante delle solette di fondazione.

Poiché lo sforzo indotto da una piastra di carico è rilevante solo fino a una profondità circa pari a una volta e mezza la sua larghezza, la prova deve essere condotta in una trincea o in un pozzo di grande diametro, al fine di ottenere un risultato rappresentativo delle condizioni del terreno al di sotto di una larga fondazione.

Un controllo della densità si può fare anche attraverso la misura della velocità di propagazione delle onde di Rayleigh. Essendo VR = 0.9 VS, si ricava il modulo di rigidezza al taglio

e dalla misura del modulo si può risalire alla densità relativa del materiale.

Fig. 1.2.2.9: Verifica del miglioramento del terreno con una prova penetrometrica dinamica SPT

Fig. 1.2.2.10: Andamento di NSPT prima e dopo l’intervento

Durante l’heavy tamping vengono prodotte vibrazioni significative, e ciò può talvolta rappresentare un grave limite all’applicabilità di questo metodo di miglioramento del terreno. Le onde di Rayleigh, infatti, possono arrecare disturbo fisico alle persone e danni alle strutture esistenti.