Precariche

Fig. 1.3.1.1: Intervento di precarico

Fig. 1.3.1.2: Grafico cedimento-tempo con e senza precarico

Il precarico o precompressione si propone di incrementare la capacità portante e di ridurre la comprimibilità di suoli deboli, densificando terreni sciolti privi di coesione o consolidando terreni argillosi e limosi. Ciò si ottiene posizionando un sovraccarico temporaneo in un tempo precedente alla costruzione della struttura, e consente di annullare cedimenti potenzialmente pericolosi di terreni soffici.

Per terreni granulari quali sabbie e ghiaie l’aspetto principale è quello dell’entità dei cedimenti; le relazioni tempo-cedimenti non hanno alcun interesse pratico dal momento che il drenaggio, per l’elevata permeabilità del terreno, avviene quasi simultaneamente all’applicazione del carico. Le stesse conclusioni possono essere tratte per le rocce e per i terreni coesivi altamente preconsolidati in virtù del loro comportamento elastico.

La conoscenza dell’evoluzione dei cedimenti nel tempo presenta, invece, notevoli interessi pratici per terreni coesivi non saturi, per terreni  organici e per terreni coesivi saturi. Per questi il cedimento non si manifesta istantaneamente con l’applicazione del carico ma è protratto nel tempo; questo fenomeno è noto come consolidazione.

Il sovraccarico è di solito di entità maggiore o uguale alla pressione esercitata dal futuro edificio ed è costituito da una copertura di terra. E’ consigliabile comunque non utilizzare carichi temporanei maggiori di 3 volte quelli permanenti finali, al fine di evitare tendenze troppo pronunciate al rigonfiamento, che potrebbero superare quella globale al cedimento manifestato dallo strato. Nelle sabbie e ghiaie prive di coesione l’abbassamento del livello della falda può costituire un metodo alternativo per incrementare temporaneamente gli sforzi verticali efficaci.

Anche se può essere applicata a tutti i tipi di terreno, la tecnica del precarico è più efficace nelle terre coesive soffici; il processo può essere velocizzato con dreni verticali e, nel caso di copertura relativamente impermeabile, con una superficie orizzontale di drenaggio sul piano campagna originario.

Il precarico, con o senza dreni verticali, provoca un cedimento preventivo notevole solo se il carico totale applicato supera in maniera significativa la pressione di preconsolidazione del materiale di fondazione.

Precarico senza dreni verticali

Precarico semplice di un sito da costruzione

Il termine precarico “semplice” sta a significare che viene applicato un sovraccarico della stessa entità del futuro carico in sito; nel momento in cui la consolidazione del terreno di fondazione è praticamente completata (si dice avvenuta al 90%), si rimuove il sovraccarico e si erige la nuova costruzione.

Calcolo dei cedimenti

La figura 1.3.1.3 rappresenta il caso in cui un’argilla soffice normalconsolidata è precaricata con una copertura di terra che esercita una pressione equivalente a quella del futuro edificio. Le variazioni dello sforzo verticale e della deformazione di un elemento di terreno alla profondità z sono illustrate sotto forma di un diagramma e-logp, analogo a quello che si ottiene in una prova edometrica.


Fig. 1.3.1.3 e 1.3.1.4: Precarico semplice di un sito da costruzione

Se si assume che l’elemento di terreno in esame sia rappresentativo dell’intero strato, il cedimento finale provocato dal sovraccarico è dato da:

dove:

ssf = cedimento finale dovuto al sovraccarico [m];

H = spessore dello strato [m];

e0 = indice dei vuoti iniziale dell’elemento di terreno considerato;

Cc = indice di compressione (pendenza della curva e-logp nella consolidazione primaria);

p0 = pressione verticale iniziale [kPa];

Δp = incremento di sforzo dovuto al sovraccarico [kPa]; in condizioni monodimensionali esso     coincide con il sovraccarico ed è costante con la profondità.

Non appena si è manifestato il 90% di questo cedimento, il sovraccarico viene rimosso e comincia la costruzione dell’edificio. Subito dopo il ricarico del terreno di fondazione, il cedimento finale della costruzione sBf (la quale esercita una pressione ∆q) può essere espresso in termini dell’indice di ricompressione Cc, che coincide con la pendenza della curva di ricarico nel diagramma e-logp:

Velocità di cedimento (consolidazione verticale)

Il cedimento al tempo t st può essere espresso in funzione del cedimento finale sf per mezzo della relazione seguente:

dove Uv rappresenta il grado medio di consolidazione (consolidazione verticale).

Nel caso di sovrapressione iniziale costante (coincidente con  il sovraccarico nella consolidazione monodimensionale), Terzaghi ha proposto per Uv il seguente valore:

con m = 0, 1, 2, 3,..

M = (2m+1)π/2

Tv = cvt/L2

t = tempo [s]

Cv = coefficiente di consolidazione verticale [m2/s]

L = percorso di drenaggio più lungo nello strato d’argilla; corrisponde a metà di H in caso di drenaggio superiore ed inferiore, o ad H se il drenaggio è solo superiore.

Sono qui riportati i valori di Uv in funzione di Tv:

Fig. 1.3.1.5: Grafico UV – TV

Il coefficiente di consolidazione Cv non è una costante del terreno ma decresce con l’incremento dello sforzo verticale.

Consolidazione dovuta ad un sovraccarico

In tal caso un terreno molto comprimibile è caricato in sito con un rilevato, ad esempio autostradale; se ad esso viene aggiunto un carico addizionale, un sovraccarico, si può raggiungere più velocemente il cedimento finale di progetto. Siano  e  rispettivamente cedimento e tempo di consolidazione per il rilevato di progetto; se l’altezza del rilevato è quindi maggiore (H2> H1), i tempi di assestamento sono gli stessi ma il cedimento di consolidazione diventa:

Nella curva di consolidazione del rilevato di altezza H2 il cedimento  corrisponde ad un valore del grado di consolidazione inferiore al 95% e quindi il tempo per raggiungerlo sarà inferiore a . Esso sarà infatti:

Fig. 1.3.1.6: Consolidazione dovuta ad un sovraccarico

Precarico con dreni verticali

Poiché nei terreni sedimentari la permeabilità orizzontale risulta generalmente maggiore di quella verticale, ne consegue che se durante la consolidazione il flusso d’acqua avviene anche in direzione orizzontale il processo sarà accelerato: ciò è possibile appunto inserendo negli strati dei canali verticali ad elevata permeabilità, i dreni, che intercettano tutto lo strato da consolidare. Il flusso d’acqua avverrà allora sia in direzione verticale sia in quella radiale.

Fig. 1.3.1.7: Confronto precarico con/senza dreni verticali

Dreni verticali

Sono installati per accelerare i cedimenti e incrementare la resistenza dei terreni coesivi molli. In assenza di dreni verticali, infatti, possono verificarsi rotture per il superamento della capacità portante durante il posizionamento della copertura, e gli assestamenti dei terreni argillosi possono estendersi per molti anni. Essi sono anche usati per favorire la costruzione di coperture permanenti, come terrapieni autostradali su terreni soffici.

Questi dreni accelerano solo la consolidazione primaria dal momento che ad essa è associato un significativo movimento d’acqua. La consolidazione secondaria comporta solo piccole quantità d’acqua da drenare dal terreno e di conseguenza i cedimenti secondari non sono velocizzati dai dreni verticali.

Accoppiando questi dreni con strati di geosintetici ad alta resistenza è possibile costruire terrapieni su terreni molto soffici, che possono avere resistenze al taglio inferiori a 5 KPa.

DRENI CILINDRICI IN SABBIA

Hanno di solito un diametro compreso tra 18 e 45 cm. La loro esecuzione richiede la realizzazione di un foro nel terreno, senza o con asportazione di terreno. Nel primo caso si infigge nel terreno, a percussione o con vibrazioni, un tubo chiuso all’estremità; raggiunta la profondità richiesta esso viene riempito e quindi estratto. Il tubo è munito in punta di un dispositivo che permette alla sabbia di riempire il foro durante la sua estrazione.

Nel secondo caso il foro viene realizzato infiggendo nel terreno un tubo aperto che consente di estrarre il terreno durante l’infissione. La perforazione avviene di solito mediante jetting ed i detriti vengono asportati per circolazione inversa mediante eiettori ad aria.

La sabbia per i dreni dev’essere pulita, inoltre il passante al vaglio φ200 dev’essere limitato (<5%).

Fig. 1.3.1.8: Composizione granulometrica e caratteristiche tecniche dei principali dreni in sabbia in commercio

DRENI CON GUAINA ESTERNA

Il loro diametro è di solito compreso tra 6 e 30 cm. Il materiale drenante, di solito sabbia, viene racchiuso in una calza (nylon, juta,..) ed il confezionamento del dreno avviene fuori opera per tutta la sua lunghezza. Il dreno così confezionato viene calato nel foro eseguito, quindi viene estratto il tubo di rivestimento.

DRENI IN CARTONE

Sono costituiti da una striscia di cartone di sezione 10×0.3 cm forata all’interno. E’ qui di seguito riportata la sezione trasversale del rivestimento per l’infissione del dreno che si ritiene sia equivalente ad un palo in sabbia del diametro di 5 cm.

Fig. 1.3.1.9: Sezione ortogonale di un dreno in cartone e dell’utensile di perforazione

 

DRENI DI PLASTICA

Costituiscono uno sviluppo dei dreni di cartone. Il geodrain, proposto dall’Istituto di Geotecnica Svedese, è costituito da un’anima di polietilene rivestita da una guaina di carta di sez. 10×0.4 cm. Viene qui presentata la sezione del dreno e del rivestimento per l’infissione, che può essere sia statica che dinamica. Possono essere posti in opera da 2000 a 3000 m di dreno al giorno.

Fig. 1.3.1.10: Sezione ortogonale di un dreno di plastica (geodrain) e dell’utensile di infissione

 

DRENI GEOSINTETICI, di non tessuto

La maggior parte dei dreni sintetici è costituita da una striscia (o da un nastro) tuttavia si possono anche adottare tubi di drenaggio di plastica a sezione circolare avvolti in un geotessile (materiale formato da fibre o filamenti ripartiti in varie direzioni). Oggi ci sono più di 50 tipi differenti di dreni sul mercato, la maggior parte dei quali a struttura composta: un nucleo interno ondulato o dentato avvolto in un filtro, di solito geotessile non tessuto. I dreni a striscia sono in genere larghi 100 mm e spessi da 2 a 6 mm.  Alcuni dei dreni a striscia disponibili sul mercato sono riportati nella figura sottostante:

Fig. 1.3.1.11: Esempi di dreni a striscia sul mercato

I dreni sintetici sono di facile e rapida installazione, sono costituiti da un materiale uniforme, sono facilmente immagazzinabili e trasportabili. La loro resistenza a trazione aiuta a preservare la continuità del materiale e hanno bassi costi.

I dreni in plastica, cartone, e geosintetici, presentano un’anima di polietilene o cartone rivestita da un filtro, e da un mandrino che consente la loro infissione ed è abbastanza grande rispetto al nastro. La zona disturbata è quindi notevole perciò si fa riferimento per essi ad un diametro equivalente dw, funzione delle dimensioni vere e proprie del dreno, a e b:

Tecnologie esecutive e loro effetti

La realizzazione di un dreno provoca un disturbo nel terreno circostante; l’entità di tale disturbo dipende dalla tecnologia esecutiva della posa in opera del dreno e dal tipo di terreno in cui viene inserito.

L’installazione dei dreni può essere eseguita in diversi modi:

  • dreni infissi senza asportazione di materiale
  • dreni eseguiti con asportazione di materiale

In questo ultimo caso la perforazione è preferibilmente eseguita con jetting e meno frequentemente a rotazione o senza rivestimento provvisorio.

Nel caso non si abbia l’asportazione di materiale, l’infissione del dreno avviene con lo spostamento di un volume di terreno uguale a quello del dreno stesso; l’azione esercitata dall’utensile sulle pareti del foro provoca un rimaneggiamento ed una distorsione del terreno (smear) che causano l’interruzione di sottili strati orizzontali permeabili o altre vie di drenaggio orizzontale. Tale zona di terreno rimaneggiato intorno al dreno provoca una locale riduzione della permeabilità orizzontale che, nei riguardi della consolidazione, equivale alla riduzione del diametro del dreno stesso.

Se invece si ha asportazione di materiale, con riferimento alla perforazione con jetting, le pareti del foro non sono a contatto con l’ugello di perforazione che ha un diametro minore di quello del foro. Tale fatto elimina in pratica l’effetto smear tuttavia si ha comunque una riduzione della permeabilità orizzontale, provocata da un sottile velo di fango che ricopre le pareti del foro formatosi durante la perforazione. Si ha inoltre la diminuzione della permeabilità del materiale drenante che è contaminato, durante la sua posa in opera, dalla presenza del fango.

Tra le varie tecnologie impiegate nella realizzazione di dreni verticali, l’infissione senza asportazione è il metodo che causa il maggior disturbo sul terreno circostante; malgrado ciò i dreni infissi sono frequentemente impiegati principalmente in relazione al basso costo e alla facilità di esecuzione.

Nella valutazione del comportamento reale dei dreni occorre quindi tenere conto di due effetti:

  • l’effetto smear
  • la resistenza al flusso verticale dell’acqua all’interno del dreno. Tale fenomeno è dipendente sia dalla permeabilità del materiale drenante sia dalla lunghezza del dreno stesso; per tener conto di ciò si adotta il parametro

Il dimensionamento di un sistema di drenaggio può essere eseguito considerando che il tempo necessario per il raggiungimento di un dato grado di consolidazione medio U può essere valutato con:

Costi

Il costo dei dreni verticali è influenzato da numerosi fattori, bisogna inoltre considerare oltre al costo in sé dei dreni e alla loro posa in opera anche il tempo necessario a raggiungere il grado di consolidazione richiesto. Questo fattore dipende, oltre che dal tipo e dall’interasse dei dreni, dall’entità del sovraccarico che ovviamente incide sul costo globale sia per la sua posa in opera che per la sua rimozione.

Questo problema può essere quindi risolto in due modi. Il primo consiste nel fissare il limite di tempo entro cui si vuole sia raggiunto il grado di consolidazione richiesto, quindi nel procedere con il calcolo valutando, per ogni tipo di dreno, il costo per metro quadrato in funzione dell’interasse e del sovraccarico necessario.

Il secondo metodo consiste nel fissare un certo grado di consolidazione e valutare per ogni tipo di dreno il costo per metro quadrato per mese in funzione del tempo di consolidazione.