Vibrosostituzione

Concetti generali

Le colonne in ghiaia vengono realizzate in terreni coesivi con Cu < 5 e S < 5.

Come dimensioni tipiche presentano un diametro compreso tra 0.7 e 1.2 m, sono lunghe da 5 a 14 m (anche se talvolta arrivano anche a 20 m) ed hanno un interasse tra 1.5 e 3.5 m.

Si propongono di:

  • diminuire i cedimenti totali e differenziali;
  • ridurre i tempi di drenaggio e quindi aumentare la velocità di cedimento;
  • diminuire il potenziale di liquefazione;
  • migliorare la stabilità di rilevati e di pendii naturali;
  • incrementare la capacità portante delle fondazioni superficiali (plinti, travi e platee).

Il materiale granulare viene inserito mediante tre tecniche:

  • Vibroflottazione (da cui il nome di vibrosostituzione): il vibratore crea nel terreno una cavità cilindrica che viene riempita con materiale a grana grossa, come ghiaia e inerti frantumati, il quale è compattato a turno mediante vibrazione. Talvolta, anziché una sonda a piena sezione, si fa vibrare un tubo cavo, anche con l’aiuto di acqua o aria in pressione; mentre lo strumento viene ritirato vengono calati al suo interno rocce frantumate o ciottoli, che sono in seguito compattati.

Il risultato finale è una colonna di sabbia densa o ghiaia con una capacità portante compresa tra 100 e 400 kN. Questo metodo “ad alimentazione inferiore” è sempre più preferito alle altre tecniche di vibro sostituzione.

Fig. 1.2.3.1: Vibroflottazione

 

  • Tecnica giapponese con trivella ad elica: più adatta in terreni sensibili alla liquefazione. Il tubo forma (cilindro cavo in acciaio) ha un’ala sporgente che si avvolge ad elica lungo il fusto e facilita l’inserimento nel terreno. Il materiale è inserito e costipato all’interno del tubo forma quando quest’ultimo viene estratto.

Fig. 1.2.3.2: Tecnica giapponese

  • Pali tubolari: sono tubi in acciaio vibroinfissi o battuti e poi riempiti di ghiaia durante l’estrazione del tubo forma. Il materiale inserito viene costipato mediante un costipatore che si muove verticalmente dentro il tubo. Con questa tecnica si realizzano anche colonne in malta di cemento (Vibro Cement Columns).

Fig. 1.2.3.3: Sistema a pali

Le colonne in ghiaia sono tuttavia realizzate molto più frequentemente con la tecnica della vibrosostituzione, la cui denominazione in certi casi è addirittura considerata appunto sinonimo di “colonne in ghiaia”.

Nella trattazione seguente tratteremo quindi le colonne in ghiaia ottenute con la tecnica della vibrosostituzione. L’uso delle colonne in ghiaia è stato introdotto più di 30 anni fa e negli ultimi 10 anni è andato sempre più sviluppandosi grazie alla scoperta di vibratori sempre più potenti, all’uso sempre più frequente di prove di carico su larga scala e ai cambiamenti nei metodi di installazione dei sistemi non vibratori. I miglioramenti ottenuti in questo periodo hanno riguardato soprattutto l’uso di colonne di ghiaia per ridurre il potenziale di liquefazione. Sin dagli anni 70, infatti, esse sono state usate al fine di ridurre la tendenza dei terreni alla liquefazione e, a tal proposito, sono state condotti molti studi sulla loro applicazione soprattutto in aree soggette ad un’azione sismica notevole e frequente, come sulla costa Ovest degli Stati Uniti e in Giappone.

Modalità di intervento

La strumentazione adottata per la vibroflottazione, come già descritto nella parte riguardante la vibrocompattazione, include un vibratore elettrico o idraulico, più comunemente chiamato vibroflot, con 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. Tale strumento viene inserito alla profondità desiderata e viene fatto vibrare in direzione orizzontale.

L’esecuzione delle colonne comprende diverse fasi:

  • infissione del vibroflot grazie a un getto d’acqua in pressione dalla punta;
  • risalita a tratti di 0.5-1 m del vibroflot, mantenendolo in vibrazione, iniettando acqua dagli ugelli laterali e scaricando nella zona tra terreno e vibroflot la ghiaia (circa 1-1.5 m3);
  • livellazione del piano campagna con materasso drenante avente gli scopi di regolarizzare il piano, di ripartire il carico e di consentire il drenaggio (eventualmente con un geotessile).

Come materiale di riempimento si impiega ghiaia con le seguenti caratteristiche:

  • diametri compresi tra 5-150 mm;
  • il 60-70% in peso compreso tra 40-80 mm;
  • qualsiasi grado di arrotondamento;
  • non frantumabile;
  • eventualmente con una certa percentuale di cemento per ottenere un materiale cementato;
  • eventualmente con altri tipi di inerti (loppe d’altoforno).

Nel caso le colonne abbiano funzione drenante si aggiunge sabbia al fine di evitare l’intasamento e l’asporto di fine. La granulometria deve rispettare i criteri di Terzaghi per i filtri (1922):

–       criterio di permeabilità:                D15f > 4D15b

–       criterio di ritenzione:                     D15f < 4D85b

riassunti nella disequazione

4D15b < D15f < 4D85b

Il materasso drenante deve presentare una % di passante al #200 inferiore al 5%, una % di sabbia minore o uguale al 50%, un diametro massimo Dmax di 150 mm e un modulo di elasticità E maggiore od uguale a 60 MPa nell’intervallo 100-300 kPa, con una piastra di 60 cm.

Analisi teorica del comportamento di colonne nel terreno

Analizzando il comportamento teorico delle colonne di ghiaia si hanno delle difficoltà analitiche e teoriche in quanto non si conoscono le azioni reciproche al contatto ghiaia-terreno e la ripartizione esatta dei carichi tra colonne e terreno, i cedimenti del piano campagna possono essere diversi di quelli reali, ed infine non si conosce lo stato tensionale iniziale.

Si ammette pertanto che le colonne siano appoggiate ad uno strato più resistente, che il cedimento sia uguale in ogni punto e che la deformazione verticale sia costante con la profondità.

Fig. 1.2.3.5: Analisi teorica del comportamento di colonne nel terreno

Si può immediatamente dedurre che il carico viene assorbito in proporzione inversa alla rigidezza dei due elementi e in funzione dell’area da essi occupata. In genere le colonne sono più rigide del terreno e quindi arrivano prima ad una condizione di plasticizzazione.

Storicamente il calcolo viene suddiviso in:

1)    capacità portante della singola colonna;

2)    capacità portante del gruppo di colonne;

3)    valutazione del cedimento al piano campagna.

 

Capacità portante della singola colonna

Condizioni di rottura

Si possono verificare tre possibili meccanismi di rottura:

1)    rottura per dilatazione eccessiva per mancanza di contenimento;

2)    rottura a taglio della colonna;

3)    rottura per punzonamento del terreno.

Nelle analisi la colonna viene schematizzata con uno schema rigido-plastico e, dato che la rottura è raggiunta per aumento della tensione verticale, lo stato tensionale è di rottura attiva.

La tensione orizzontale nel terreno circostante è uguale alla tensione orizzontale nella colonna.

Confronto vibrocompattazione – vibrosostituzione

La vibrocompattazione è più efficace in terreni sabbiosi soffici, di solito con un valore della prova SPT compreso tra 5 e 10 vicino alla superficie, e non è applicabile alle argille. A seconda della spaziatura, possono essere ottenute densità relative fino di 85%. Al contrario, la vibro sostituzione è più adatta a terreni coesivi caratterizzati da una resistenza al taglio non drenata compresa tra 20 e 60 kPa.

L’efficacia della vibrocompattazione e della vibrosostituzione è stata riassunta nel modo seguente:

Fig. 1.2.3.6: Efficacia della vibrocompattazione e della vibrosostituzione nei diversi terreni

Dal punto di vista della sicurezza strutturale e personale la vibrocompattazione è considerevolmente meno rischiosa; le vibrazioni avvertite nell’area o nelle sue vicinanze sono, infatti, di intensità molto minore di quelle sentite con l’heavy tamping, come dimostra la figura sottostante:

Fig. 1.2.3.8: Confronto del livello di vibrazione raggiunto con la compattazione dinamica e con vibrocompattazione

La tecnica di vibrosostituzione con associata l’aggiunta di agenti stabilizzanti viene più giustamente classificata come iniezione di compattazione.

Altri metodi includono colonne in ghiaia all’interno delle quali viene iniettata malta, e colonne create pompando calcestruzzo all’interno di cavità nel terreno, formate mediante vibrazione.