Vibrocompattazione

La vibrocompattazione è un metodo di addensamento di terreni granulari profondi con struttura sciolta: esso porta i grani di materiale incoerente sciolto ad una disposizione più addensata, mediante l’uso di una sonda vibrante. Tale addensamento avviene mediante:

  • contemporanee vibrazione e saturazione del terreno;
  • immissione di materiale granulare.

La spaziatura dei punti compattati dalla sonda è funzione del tipo di terreno, dei requisiti di densità, e delle caratteristiche del vibratore: spaziature tipiche sono comprese tra 1.5 e 4 m. Queste tecnica è più adatta a sabbie pulite con un contenuto di limo inferiore al 12-15 %, e/o un contenuto di argilla inferiore al 3%.

Fig. 1.2.2.12: Vibrocompattazione

Cenni storici

I vibratori profondi cominciarono ad essere usati nell’ambito geotecnico a partire dagli anni 30, essi miravano a portare in profondità gli effetti di compattazione sperimentati in superficie. Negli ultimi 20 anni il miglioramento principale nella tecnica di vibrocompattazione è stato l’introduzione di vibratori più grandi e più potenti, che potevano quindi avere spaziature maggiori; essi hanno permesso di ottenere densità più elevate e di raggiungere maggiori profondità.

L’applicazione di questa tecnica negli ultimi 10 anni non è tuttavia stata così diffusa come lo è stata negli anni 70 e 80, forse perché sono rimasti pochi siti di sabbia pulita disponibili per questo metodo. Un altro fattore che ha contribuito al declino della vibrocompattazione è stato l’uso sempre più diffuso di rocce frantumate come materiale di riempimento.

Concetti generali

Anche se questa tecnica è applicata da molti anni, c’è ancora un po’ di confusione sul significato del termine “vibrocompattazione”. Molti sistemi sono stati infatti storicamente identificati come vibrocompattazione: essi includono la vibroflottazione e l’asta vibrante.

La vibroflottazione consiste nella compattazione per mezzo di uno strumento chiamato vibroflot che viene inserito nel terreno alla profondità desiderata e viene fatto vibrare orizzontalmente. Le altre tecniche utilizzano un vibratore all’estremità del palo, il quale impartisce una vibrazione in direzione verticale al terreno. Esse normalmente richiedono una spaziatura più vicina e sono meno efficienti nelle formazioni granulari fini.

Fig. 1.2.2.13: Diversi tipi di vibratori, con diverse vibrazioni

Profondità tipiche raggiunte dalla vibrocompattazione variano tra 3 a 15 m, tuttavia possono talvolta essere anche di 1 o 36 m. La compattazione viene di solito ottenuta dalla superficie all’intera profondità di penetrazione ma può accadere che si raggiunga un minor grado di densificazione nel punto più basso raggiunto dallo strumento.

Gli obiettivi principali della vibrocompattazione sono:

  • diminuire i cedimenti;
  • aumentare la capacità portante delle fondazioni dirette(possibilità di utilizzare le fondazioni dirette anziché i pali);
  • diminuire il potenziale di liquefazione a sollecitazioni cicliche (vibrazioni da terremoti o applicate da macchine vibranti nell’industria);
  • migliorare i terreni limosi di riempimento idraulico.

Tipi di attrezzatura

  • L’attrezzatura più usata nel metodo di vibrocompattazione è quella corrispondente alla vibroflottazione: essa include un vibratore elettrico o idraulico, più comunemente chiamato vibroflot, con accomunati un generatore, un carrello e una pompa d’acqua.

Il vibroflot è formato da un elemento cilindrico vibrante, lungo circa 2 m, contenente le masse eccentriche, il motore elettrico e gli ugelli per i getti d’acqua, da un giunto per non trasmettere in superficie la vibrazione e da una prolunga.  Le masse eccentriche sono montate su un asse verticale nella parte inferiore cosicché producono una vibrazione orizzontale.

Caratteristiche tipiche del vibroflot sono le seguenti:

Potenza del motore                         da 35 a 120 kilowatts [kW]

Velocità                                            da 1800 a 3000 giri al minuto [r/min], da 30 a 30 Hz

Forza centrifuga                              da 160 a 220 kN

Ampiezza                                          da 4 a 16 mm

Profondità di penetrazione           fino a 35 m

Profondità totale al giorno            da 200 a 500 m

La velocità di penetrazione dipende dal tipo di terreno, dal peso del sistema vibrante e dai parametri di vibrazione. Questo procedimento viene di solito aiutato da getti d’acqua o da aria compressa; un tipico vibratore profondo è lungo da 3 a 5 m, ed ha una massa di 2 t.

I terreni che rispondono meglio alla vibroflottazione sono le sabbie sciolte; mentre esse si densificano, in superficie si forma un cratere che viene quindi riempito con sabbia o con sabbia e ghiaia. Viene pertanto costituita nel terreno una colonna di materiale incoerente densificato,  di diametro compreso tra 2 e 4 m, e ciò incrementa la sua capacità portante e riduce la sua comprimibilità.

Fig. 1.2.2.14: Vibroflot

Metodo di intervento

Dopo aver posizionato lo strumento esso viene fatto vibrare e si abbassa grazie anche al peso proprio e all’azione erosiva dei getti d’acqua. Viene quindi ridotto il flusso d’acqua, che viene dirottato sui lati, e si ha la contemporanea immissione del materiale di riempimento dall’alto e il sollevamento e l’abbassamento della torpedine allo scopo di addensare il terreno circostante e quello immesso nel foro.

I movimenti del vibratore e il flusso d’acqua facilitano la discesa del materiale lungo l’intercapedine. Questo metodo sfrutta la liquefazione del terreno compreso nel cilindro anulare di 30-60 cm di spessore attorno al foro.

Fig. 1.2.2.15 e 1.2.2.16: Fasi della vibroflottazione

La disposizione dei punti di vibrazione dev’essere a quinconce per trattamenti su grandi aree, o a maglia quadrata per aree di appoggio di plinti o fondazioni piccole.

Il materiale di riempimento viene caratterizzato con un numero di idoneità (Brown, 1975), pari a:

Se Ni è compreso tra 0 e 10 il materiale da riempimento è eccellente, tra 10 e 20 buono, tra 20 e 30 discreto, tra 30 e 50 povero, e infine se è maggiore di 50 è inadatto.

Zona d’influenza

La densità del terreno trattato diminuisce man mano che ci si allontana dal punto di applicazione della vibrazione.

Il Raggio d’influenza Ri è definito come la distanza ove DRC=DR (con DRC = densità relativa del terreno in seguito alla compattazione e DR = densità relativa del terreno prima della compattazione), ossia in cui non si ha più addensamento.

Esso dipende da:

  • potenza del motore;
  • modalità di esecuzione del trattamento;
  • terreno: Ri diminuisce all’aumentare della frazione fine.

Progettazione e controlli

Prima di applicare la vibrocompattazione bisogna determinare la densità richiesta per il terreno, la quale viene calcolata in funzione del valore di N della prova penetrometrica standard SPT, o della resistenza puntuale della prova penetro metrica statica CPT.

Nell’eseguire questa tecnica bisogna porre particolare attenzione alle modalità di intervento, in particolar modo alla velocità di risalita, ai tempi di vibrazione a profondità costante, alla quantità di materiale immesso.

Aumentare il tempo di stazionamento o diminuire i tempi di risalita di solito comporta migliori addensamenti; certe volte però il vibroflot può rimanere bloccato e ciò comporta una sua usura e un rallentamento dei tempi.

Pratica comune è adottare 30 cm di risalita e 30 s di stazionamento.

Devono essere anche eseguiti controlli sulla potenza impiegata: la frequenza di vibrazione non cambia, la potenza dipende dalla resistenza offerta dal terreno, aumenta mano a mano che il terreno attorno si addensa.

Eseguito il trattamento bisogna infine controllare che siano stati raggiunti gli obiettivi di densificazione che ci si era prefissati, e ciò mediante prove penetrometriche.