Gli interventi sulla struttura fondale
A questa tipologia di intervento appartengono le sottofondazioni. Queste consistono nella costruzione di una struttura che integri o sostituisca la fondazione preesistente e rispondono allo scopo di diffondere o di trasferire a maggiori profondità nel terreno, le azioni che l’opera trasmette alle strutture originarie di fondazione.
Le sottofondazioni superficiali possono essere le classiche sottomurazioni, con ampliamento e/o approfondimento del piano di posa, oppure realizzabili con solette e/o cordoli in c.a. gettati in opera, lateralmente o al di sotto della vecchia fondazione, secondo varie soluzioni possibili.
Sottofondazione di tipo superficiale
Le sottofondazioni profonde invece, come nella foto seguente, sono eseguite con pali in calcestruzzo armato, trivellati di tipo convenzionale e più frequentemente con sezione ridotta (micropali: Ø ≤ 300 mm). Le varie tipologie di sottofondazione classica prevedono sempre sistemi di solidarizzazione con le fondazioni originarie, determinando questioni tecniche spesso non secondarie in termini di operatività, tempistiche, costi.
Sottofondazioni di tipo profondo
Le tecniche di intervento sul terreno di fondazione
Gli interventi sul terreno di fondazione comprendono le tecniche di miglioramento del terreno, atte a modificare nel senso desiderato le sue caratteristiche di resistenza, deformabilità, permeabilità.
Queste si dividono in:
- tecniche di modifica meccanica, in cui la densità del terreno è incrementata mediante l’applicazione di azioni meccaniche esterne o interne, superficiali o profonde;
- tecniche di modifica idraulica, in cui l’acqua è forzata ad uscire dal terreno utilizzando dreni di vario tipo in materiali granulari, precarichi e forze elettriche in terreni a grana fine;
- tecniche di modifica fisica e chimica, mediante le quali si migliorano le caratteristiche del terreno con miscele cementizie e additivi di vario tipo immessi in superficie, in profondità o attraverso colonne di terreno miscelato e/o parzialmente sostituito (jet-grouting o gettiniezione in generale).
Altri metodi di modifica sono quelli termici, per riscaldamento o congelamento del terreno stesso. Come riconosciuto dalla letteratura geotecnica, questa classificazione degli interventi nel terreno, ancorché sommaria, è puramente indicativa poiché spesso si ha una combinazione di diversi processi meccanici, idraulici, fisici, chimici.
Nel consolidamento delle fondazioni, particolare rilievo assume storicamente la tecnica delle iniezioni a base cementizia, che rientra nella categoria degli interventi con modifiche fisiche e chimiche. Le iniezioni avvengono mediante l’inserimento di miscele fluide attraverso fori di vario diametro praticati nel terreno in prossimità delle fondazioni.
I trattamenti possono essere distinti in:
- metodi per permeazione ed intasamento, in cui le miscele riempiono i vuoti esistenti non modificandone le dimensioni;
- metodi di idrofratturazione (claquage) e spostamento, quando le miscele iniettate ad alta pressione creano fessure che esse stesse riempiono con stratificazioni, reticoli o bulbi concentrati. Le miscele utilizzate possono essere anche di natura chimica (es. sodio-silicati) e consentono di iniettare terreni con granulometria compresa tra le ghiaie-sabbiose e i limi.
Le tecniche di iniezione si sono molto evolute nel tempo, perfezionandosi in termini di metodologie esecutive e composizione dei materiali iniettati.
Ciò ha consentito di superare ampiamente i limiti operativi rappresentati in passato da:
- applicabilità in terreni fini (limi ed argille),
- compatibilità ambientale delle miscele utilizzate
- difficoltà logistiche legate a importanti fasi di cantierizzazione. Attualmente, le tecniche per spostamento ed idrofratturazione hanno raggiunto notevoli livelli tecnologici e prestazionali, in conformità con diversi standard di riferimento tra cui la norma UNI EN 12715:2003 “Esecuzione di lavori geotecnici speciali - Iniezioni”.
In tale quadro si inseriscono le iniezioni di resina poliuretanica ad elevata pressione di rigonfiamento di Uretek, che hanno ormai assunto un ruolo imprescindibile nella valutazione degli interventi per il consolidamento dei terreni di fondazione. In particolare, laddove esista il raggiungimento di uno Stato Limite di Esercizio indotto da eccessivo cedimento differenziale e/o assoluto, le soluzioni Uretek sono sempre alternative alle sottofondazioni e a tecniche di iniezione con miscele a base cementizia o chimica di tipo più tradizionale. La metodologia Uretek risponde pienamente a quanto previsto dalle Norme Tecniche per le Costruzioni di cui al DM 17/01/2018 (NTC2018), in accordo con la norma UNI EN 12715 di cui sopra.
Terreno argilloso iniettato con resina poliuretanica ad elevata pressione di espansione
LE CARATTERISTICHE DELLA RESINA URETEK
La resina poliuretanica Uretek ad elevata pressione di espansione è una resina di polimeri uretanici (poliuretani) bicomponente, costituita da una speciale miscela di polioli e isocianato. Tali componenti, reagendo chimicamente fra loro, determinano un cambiamento di stato da liquido a solido e provocano un forte incremento di volume all’aria libera con rapida formazione di un materiale plastico ed inerte, a basso peso di volume finale, altamente resistente. L’iniezione nel sottosuolo comporta lo sviluppo di notevoli pressioni nel terreno trattato a causa del confinamento esistente. Queste sono in grado di addensare e/o precomprimere il terreno in funzione della sua granulometria e dello stato tensionale esistente in sito. La reazione chimica avviene anche in condizioni di completa sommersione in falda del terreno.
Diversamente da quanto accade per le sottofondazioni superficiali e profonde, la finalità di un intervento di consolidamento con tali polimeri, è quella di migliorare considerevolmente le caratteristiche meccaniche ed idrauliche del terreno di fondazione di una costruzione, all’interno del volume geotecnico significativo esistente. Nel caso di manufatti in cedimento con fondazioni dirette, la filosofia di intervento prescinde sia dal concetto di ampliare/approfondire la base della fondazione per ridurre i carichi unitari al suolo (azioni), sia da quello del trasferimento in profondità dei carichi con immorsamento in strati di terreno più rigidi. Nei casi di costruzioni fondate su pali e, nonostante questo, in dissesto statico per cedimento fondale, la soluzione del problema non va ricercata esclusivamente in profondità, con ipotesi spesso limitative di sottofondazione profonda; incrementare ad esempio le caratteristiche geomeccaniche dei primi metri di terreno sottostante a plinti posti in testa a pali, con le specifiche procedure Uretek, può essere una soluzione alternativa da valutare per modificare quantitativamente le azioni agenti sui pali stessi.
Si tratta semplicemente di un differente approccio progettuale alla risoluzione di uno specifico problema di cedimento fondale.
Da questo punto di vista, oltre alla stratigrafia, bisogna considerare adeguatamente il fabbricato da consolidare e la sua fondazione in termini rispettivamente di: azioni trasmesse al suolo, tipologia e geometria fondale.
Una fondazione nastriforme di larghezza B induce tensioni nel sottosuolo, ad una profondità pari a circa 6B, inferiori a un decimo del carico applicato sul piano di posa; aumentare la resistenza e diminuire la deformabilità del terreno di fondazione in questo intervallo di profondità, consente ad esempio di intervenire ragionevolmente su uno spessore parziale di terreno scadente, senza doverlo necessariamente attraversare del tutto.
Stato tensionale sotto una fondazione di tipo nastriforme e schema di intervento Uretek classico, per punti fissi di iniezioneIL COMPORTAMENTO DELLA RESINA NELLE DIFFERENTI TIPOLOGIE DI TERRENO
Come anticipato, la normale espansione che la resina avrebbe in condizioni non confinate è parzialmente impedita a seguito della sua immissione nel sottosuolo. Da un punto di vista geotecnico, l’effetto sul terreno circostante è un incremento dei due parametri di stato di un qualsiasi mezzo particellare (la densità e lo stato tensionale). Si ha dunque un conseguente miglioramento delle caratteristiche meccaniche del terreno presente al di sotto delle fondazioni della struttura danneggiata.
La resina viene iniettata nel terreno allo stato liquido, a bassa pressione, ma a seguito di una reazione chimica esotermica cambia rapidamente il suo stato fisico da liquido a solido, con conseguente aumento di volume. Questo è correlato allo sviluppo di una rilevante pressione di rigonfiamento, che può essere ben superiore a quella di iniezione.
Con tali presupposti, il metodo di consolidamento è applicabile sia su terreni granulari, sia su terreni coesivi.
Nei primi, il meccanismo di espansione si esplica determinando un processo di permeazione e contestuale compattazione in un intorno significativo del punto o dell’asse di iniezione, in relazione alla metodologia operativa adottata. Il processo è del tutto assimilabile alle iniezioni compattanti (compaction grouting) realizzate mediante immissione in pressione nel sottosuolo di conglomerati cementizi di elevata viscosità. Solidificando, la resina funge anche da legante in terreni incoerenti, con caratteristiche meccaniche già da subito definitive, senza tempi di maturazione.
Nei terreni coesivi il meccanismo di espansione determina una fratturazione idraulica e la formazione di un fitto reticolo di inclusioni solide che producono un mezzo precompresso relativamente più rigido nell’intorno significativo del punto o dell’asse di iniezione. Tale processo avviene in un tempo molto breve e in maniera circoscritta alle zone di iniezione nell’ammasso di terreno. In depositi argillosi saturi, ciò garantisce la rapida dissipazione di eventuali sovrapressioni interstiziali generate.
In ogni caso, il materiale impiegato deve possedere sempre un elevato potere espandente in modo da assicurare:
- il riempimento di vuoti presenti all’interfaccia fra terreno e piano di posa della fondazione nei livelli di iniezione più superficiali;
- la compensazione immediata del volume ridotto nel terreno assoggettato all’azione di precompressione della resina in espansione.
Va da sé che esistono molteplici combinazioni nelle miscelazioni possibili dei componenti e le varie resine esistenti, non hanno tutte le stesse caratteristiche prestazionali. Le caratteristiche fondamentali per la buona riuscita di un consolidamento condotto esclusivamente con iniezioni di resina poliuretanica espandente devono essere:
- la rilevante espansione del materiale in termini di pressione di rigonfiamento;
- la rapidità di reazione di espansione
Quest’ultima consente alla resina in fase liquida la permanenza in un intorno limitato dal punto/asse di iniezione, localizzati sulla stessa verticale dell’asse baricentrico della fondazione.
La resina indurita nel terreno ha un peso di volume variabile grossomodo tra 1,50 e 3,00 kN/m3, proporzionale al confinamento esistente. Tali valori sono molto bassi in confronto ai pesi di volume delle miscele cementizie classiche e non producono appesantimenti nel terreno trattato, escludendo l’occorrenza di cedimenti a profondità maggiori. Altresì, tale caratteristica favorisce il trattamento efficace anche sotto porzioni molto localizzate di manufatti in dissesto, senza determinare contrasti di rigidezza tali da indurre migrazioni dei quadri fessurativi sulle elevazioni, così come avviene in consolidamenti parziali eseguiti con opere rigide in c.a., superficiali e profonde.
Le modalità d’applicazione della resina espandente, ancorché legate a lavorazioni di tipo specializzato, non comportano grossi oneri di cantierizzazione, sono poco invasive e non necessitano di scavi né di problematici sistemi di collegamento per solidarizzare le preesistenti opere di fondazione.
La resina è prodotta sul cantiere, nell'impianto presente sugli automezzi Uretek, dallo stazionamento dei quali l’operatività e garantita fino a 80 m di distanza.
Bassa invasività nell’esecuzione di un consolidamento eseguito con resina espandente ad elevata pressione di rigonfiamento
Schema di intervento Uretek multipunto: la resina fuoriesce contemporaneamente da predeterminate coppie di fori presenti sulla superficie laterale del condotto di iniezione infisso nel terreno.
Plinti di fondazione trattati con tecnica Uretek
LA PROGETTAZIONE DELL'INTERVENTO CON SOFTWARE DI CALCOLO URETEK SIMS 2.0
Come riportato in precedenza, la pressione di iniezione non è elevata e non è particolarmente rilevante ai fini della buona riuscita dell’intervento; il grado di addensamento/compressione del terreno è infatti funzione solo della pressione di espansione della resina a parità di terreno e di condizioni operative. Il livello di miglioramento geomeccanico ottenibile può essere progettato preventivamente con l’ausilio dello specifico software URETEK SIMS 2.0, che implementa modelli teorici noti in letteratura geotecnica.
Schermata del software di calcolo Uretek SIMS 2.0
METODI DI MONITORAGGIO E VERIFICA DELL'EFFICACIA DELL'INTERVENTO
Lo stesso miglioramento può essere poi verificato direttamente mediante l’esecuzione di prove geotecniche comparative di vario tipo, eseguite in corso d’opera, ante e post intervento, nel pieno rispetto di quanto previsto nelle Norme Tecniche per le Costruzioni. Nella Norma Tecnica si fa riferimento anche al monitoraggio degli interventi di consolidamento geotecnico. In questo senso Uretek esegue da sempre un monitoraggio strutturale contestuale all’esecuzione del consolidamento, che può avvenire mediante livellazione topografica di precisione con sistema laser semi-automatico (emettitore-ricevitore), oppure mediante monitoraggio globale della struttura con sistema radar (procedura Uretek Deep Injections ULTRA).
In ogni caso è importante apprezzare in corso d’opera la reazione del fabbricato in termini di “principio di sollevamento” (frazione di millimetro), quale riscontro immediato dell’avvenuto consolidamento in profondità, in perfetto accordo con i principi del metodo osservazionale citato sempre nella Norma tecnica.
Monitoraggio Radar globale della struttura con procedura Uretek Deep Injections ULTRA