UNIVERSITÀ DI FIRENZE TECNICHE DI MIGLIORAMENTO DEI TERRENI

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1 UNIVERSITÀ DI FIRENZE TECNICHE DI MIGLIORAMENTO DEI TERRENI Corso di Geotecnica II Anno Accademico

2 ALTERNATIVE PROGETTUALI Nella progettazione o nella verifica di un opera (fondazione, rilevato, scavo, pendio, ecc.) l ingegnere geotecnico può trovarsi di fronte a una inadeguatezza del terreno di fondazione a sopportare i carichi trasmessi dalle strutture, alla possibilità di cedimenti troppo elevati o all evenienza (in particolari condizioni quali terremoti, frane, eventi piovosi, modificazioni climatiche, ecc.) di effetti incompatibili con l equilibrio o con la funzionalità delle strutture Alternative progettuali 1. ridurre i carichi della struttura e/o sul terreno Nuovo progetto 2. abbandonare il sito e scegliere un altro sito di migliori caratteristiche geotecniche Altro sito 3. migliorare le caratteristiche dei terreni assestimetri Interventi sul terreno precarico piezometri

3 MIGLIORAMENTO DEI TERRENI Obiettivi generali: modificare punto per punto nel senso desiderato le proprietà dei terreni (densità, permeabilità, deformabilità, resistenza a rottura, ecc.) in modo da prevenire o ridurre gli effetti temuti Obiettivi specifici: accrescere la capacità portante di un terreno controllare le deformazioni e accelerare i processi di consolidazione accrescere la stabilità dei pendii (naturali e artificiali) e degli scavi controllare i moti di filtrazione accrescere la resistenza alla liquefazione Trincea drenante Base rocciosa drenaggi Costruzione in progetto Prima dell intervento Dopo l intervento

4 PERCHÉ MIGLIORARE I TERRENI? Le motivazioni per cui oggi si deve sempre più ricorrere al miglioramento dei terreni sono essenzialmente legate a tre necessità: 1. utilizzare aree marginali, siti inquinati e terreni di caratteristiche scadenti per la costruzione di nuove opere e infrastrutture; 2. garantire la stabilità di strutture esistenti durante la costruzione di nuove opere e infrastrutture (scavi, gallerie, ecc.) 3. prevenire l impatto di rischi naturali (terremoti, frane, alluvioni, vento, ecc.) e antropici (inquinamento, attività estrattive, ecc.)

5 MIGLIORAMENTO DEI TERRENI IN CONDIZIONI SISMICHE Ipocentro Nelle zone sismiche gli scenari di crisi sono legati essenzialmente a: 1) Liquefazione dei terreni incoerenti sciolti saturi 2) Densificazione dei terreni incoerenti sciolti asciutti 3) Cedimenti dei terreni coesivi molli 4) Instabilità dei pendii 5) Presenza di cavità e opere in sotterraneo Scorrimenti di faglia Crolli di roccia galleria Subsidenza Densificazione Liquefazione Movimenti franosi

6 MIGLIORAMENTO DEI TERRENI SCELTA DEL METODO I metodi di miglioramento dei terreni sono oggi numerosissimi Alcuni sono ben consolidati, altri sono in fase di sperimentazione Possono essere usati da soli o in combinazione La scelta del metodo ottimale è molto complessa perché ogni metodo presenta vantaggi e svantaggi e i fattori da considerare sono molti Si devono infatti tenere presenti i seguenti fattori: - l importanza dell opera e i requisiti richiesti per la soluzione del problema geotecnico (miglioramento della capacità portane, riduzione dei cedimenti, stabilizzazione di pendii, ecc. ) - il tipo di terreno e le sue proprietà iniziali - i fattori ambientali e climatici - la disponibilità di materiali richiesti dal procedimento - la disponibilità di personale e attrezzature specializzate - i tempi -i costi

7 CRITERI DI CLASSIFICAZIONE Le tecniche di miglioramento dei terreni possono essere classificate in base a diversi criteri: 1. Natura dei materiali Rocce, terreni incoerenti grossolani e fini, terreni coesivi 2. Natura del problema geotecnico Stabilità in condizioni statiche o dinamiche, bonifica da inquinamento, ecc. 3. Fattori costitutivi Porosità, composizione mineralogica, fasi, ecc. 4. Procedimenti tecnologici Principi, modalità e attrezzature Nel seguito si distingueranno le tecniche di miglioramento sulla base dei procedimenti tecnologici ma verranno date indicazioni anche sugli altri aspetti

8 PROCEDIMENTI TECNOLOGICI I procedimenti tecnologici differiscono tra loro innanzitutto per il principio con cui avviene la modificazione delle proprietà fisicomeccaniche del terreno Si distinguono tre modalità principali: 1. apporto di energia attraverso l applicazione di azioni meccaniche (dinamiche, statiche), elettriche, termiche Si inducono nel terreno processi di densificazione, di consolidazione, di filtrazione controllata, processi chimici, che in generale danno come risultato una modificazione della struttura del terreno 2. sostituzione integrale o parziale del terreno Si opera una bonifica del terreno o mediante asportazione dei materiali scadenti (o inquinati) o mediante eliminazione e sostituzione di una o più fasi 3. modificazione dello stato di sollecitazione interna Si introducono nel terreno elementi resistenti a trazione e a taglio oppure si opera un trasferimento dei carichi in zone a maggiore resistenza o ancora si crea uno stato artificiale di sollecitazione interna (precompressione)

9 PROCEDIMENTI TECNOLOGICI PER APPORTO DI ENERGIA I metodi che modificano la struttura del terreno attraverso apporto di energia vengono raggruppati, in relazione al tipo di azioni applicate, in quattro categorie fondamentali Rullatura Esplosioni 1. Metodi dinamici Vibroflottazione Pali compattanti Heavy tamping 2. Metodi statici Applicazione di sovraccarichi Installazione di dreni 3. Metodi elettrici Consolidazione elettrosmotica Stabilizzazione elettrosmotica 4. Metodi termici Cottura Congelamento Nei metodi dinamici e statici il fattore costitutivo del terreno su cui il trattamento agisce è la porosità, nei metodi elettrici e termici è la composizione mineralogica

10 METODI DINAMICI RULLATURA Principio: densificazione del terreno per effetto delle vibrazioni

11 METODI DINAMICI RULLATURA Profondità del trattamento: 1-3m Terreni: terreni incoerenti Attrezzatura di cantiere: rullatori Costi: bassi Tempi: variabili

12 METODI DINAMICI ESPLOSIONI Principio: densificazione del terreno per effetto delle vibrazioni indotte dalla detonazione di cariche esplosive in profondità; il rilascio immediato e violento di energia genera delle onde sismiche che producono la liquefazione del terreno a cui consegue una più stabile e addensata configurazione dell aggregato granulare 0.00 Tubo PVC 8.00 m Tubo in PVC (4.5 kg) Riempimento con sabbia esplosivo Filo detonatore (5.5 kg)

13 METODI DINAMICI ESPLOSIONI Profondità del trattamento:? Terreni: terreni incoerenti sciolti saturi sotto falda Attrezzatura di cantiere: macchina perforatrice, tubazioni e detonatori Costi: bassi Materiale necessario: dinamite, tritolo, ammonite Tempi: molto rapidi Svantaggi: non è applicabile negli strati superficiali, è pericoloso, non può essere utilizzato in aree edificate

14 METODI DINAMICI ESPLOSIONI 1 serie 2 serie 3 serie 4 serie Interasse 7.5 m

15 METODI DINAMICI VIBROFLOTTAZIONE Principio: densificazione del terreno per effetto delle vibrazioni indotte da un a sonda vibrante a punta conica (vibroflot) e compattazione mediante il riempimento del foro con materiale granulare che viene addensato dal vibratore contro le pareti del foro

16 METODI DINAMICI VIBROFLOTTAZIONE

17 METODI DINAMICI VIBROFLOTTAZIONE

18 METODI DINAMICI VIBROFLOTTAZIONE

19 METODI DINAMICI VIBROFLOTTAZIONE Profondità del trattamento: 30m Terreni: terreni incoerenti sciolti saturi sotto falda con meno del 20% di fini Attrezzatura di cantiere: vibroflottatore Costi: bassi Materiale necessario: materiale granulare Tempi: molto rapidi Svantaggi: non è applicabile negli strati superficiali, è pericoloso, non può essere utilizzato in aree edificate

20 METODI DINAMICI HEAVY TAMPING Principio: applicazione ripetuta di impatti alla superficie del deposito ottenuti mediante la percussione di una massa pesante lasciata cadere da diversi metri di altezza.nei terreni non saturi il meccanismo di densificazione è simile a quello della prova Proctor; nei terreni granulari saturi provoca liquefazione Altezza di caduta 7-40m Massa t Profondità del trattamento D= ( ) WH (m) W = peso della massa in t H= altezza di caduta in m La massa è costituita da un blocco di calcestruzzo oppure da una serie di piastre d acciao imbullonate tra loro oppure da un guscio di acciaio riempito di calcestruzzo o di sabbia

21 METODI DINAMICI HEAVY TAMPING Profondità del trattamento: 30m Terreni: terreni incoerenti sciolti anche con fini Attrezzatura di cantiere: tamper di oltre 200 t Materiale necessario: nessuno Costi: uguali a quelli della vibroflottazione; da moderati ad alti Tempi: molto rapidi Svantaggi: non è applicabile negli strati superficiali, è pericoloso, non può essere utilizzato in aree edificate

22 METODI DINAMICI HEAVY TAMPING

23 METODI DINAMICI PALI COMPATTANTI Principio : densificazione per effetto delle vibrazioni e degli spostamenti laterali dovuti all infissione del palo Profondità del trattamento: 20m Terreni: terreni incoerenti sciolti saturi anche con fini Attrezzatura di cantiere: sistema di infissione Materiale necessario: materiali di riempimento o calcestruzzo Costi: da moderati ad alti Tempi: medi Vantaggi: si possono ottenere elevate densità

24 METODI STATICI 1. Applicazione di precarichi e sovraccarichi 2. Installazione di dreni assestimetri piezometri

25 METODI STATICI Applicazione di precarichi e sovraccarichi Principio: Il carico è applicato sufficientemente in anticipo rispetto alla costruzione dell opera così che la consolidazione del terreno è terminata prima della realizzazione dell opera Terreni:argille soffici normalmente consolidate, limi, depositi organici, torbe, riempimenti artificiali Attrezzatura di cantiere: macchine per movimenti di terra Materiale necessario: materiali terrosi per il sovraccarico e materiali sabbiosi per i dreni Costi: bassi (solo sovraccarico) e moderati (se combinato con i dreni) Tempi: lunghi Vantaggi: gli aspetti teorici del problema sono ben conosciuti e la stima dei tempi e dei cedimenti è affidabile Svantaggi: tempi lunghi

26 METODI STATICI Installazione di dreni Principio: accelerare la consolidazione sfruttando la permeabilità nella direzione orizzontale geosintetico Dreni di sabbia Dreni sintetici 80 cm dreno Mandrino in geosintetico 40 cm

27 METODI ELETTRICI Principio: Viene applicata una differenza di potenziale tra anodo e catodo che provoca un processo di migrazione dell acqua Applicando una differenza di potenziale di volt l acqua di porosità migra dall anodo al catodo con velocità di cm/h. L acqua viene quindi allontanata per pompaggio

28 METODI ELETTRICI Terreni: argille soffici normalmente consolidate e limi Attrezzatura di cantiere: macchine speciali Profondità: 20m Materiale necessario: nessuno Costi: alti Tempi: rapidi Vantaggi: un notevole miglioramento della rigidezza e della resistenza del materiale trattato Svantaggi: il risultato del trattamento non è uniforme

29 METODI TERMICI CONGELAMENTO Principio: il terreno viene congelato in modo da aumentarne la rigidezza e la resistenza e da ridurne la permeabilità

30 METODI TERMICI CONGELAMENTO Terreni: tutti Profondità: alcuni metri Attrezzatura di cantiere: sistema refrigerante Materiale necessario: refrigerante Costi: alti Tempi: rapidi Vantaggi: si mantiene intatta la struttura del terreno Svantaggi: inapplicabile in terreni con acqua in circolazione; è un miglioramento temporaneo

31 METODI TERMICI COTTURA Principio: essiccare il terreno (basse temperature), alterrane la composizione (medie e alte temperature) per ridurre l acqua controllare la plasticità, aumentare la resistenza

32 METODI TERMICI COTTURA Terreni: terreni fini, specialmente argille parzialmente sature e limi Profondità: 15 m Attrezzatura di cantiere: bruciatore Materiale necessario: gas Costi: da moderati ad alti Tempi: rapidi Vantaggi: si ottengono aumenti di resistenza molto elevati e irreversibili Svantaggi: possono essere trattati solo piccoli volumi dei terrno

33 PROCEDIMENTI TECNOLOGICI PER SOSTITUZIONE Gli interventi per sostituzione si distinguono in: 1. Metodi che operano un asportazione integrale Applicazione: terreni organici, torbosi, liquefacibili, inquinati 2. Metodi che operano una sostituzione parziale attraverso: Drenaggi Iniezioni La fase liquida viene sostituita da aria La fase liquida viene sostituita da miscele solidificanti Intasamenti e riempimenti I vuoti vengono riempiti con materiali di varia granulometria, eventualmente intasati con miscele solidificanti Applicazione: stabilizzazione di pendii, di fondazioni in roccia, cavità, terreni liquefacibili, ecc.

34 PROCEDIMENTI TECNOLOGICI PER SOSTITUZIONE Principio: sostituire la fase liquida o areiforme con materiale solidificante Si possono utilizzare: Miscele chimiche Argille Cemento

35 PROCEDIMENTI TECNOLOGICI PER SOSTITUZIONE Terreni: tutti Profondità: anche elevate Attrezzatura di cantiere: sistemi speciali Materiale necessario: miscele, cemento, argille Costi: da moderati ad alti Tempi: rapidi Vantaggi: si ottengono aumenti di resistenza molto elevati

36 PROCEDIMENTI TECNOLOGICI CHE MODIFICANO LO STATO DI SOLLECITAZIONE INTERNA 1. Metodi che introducono nel terreno elementi resistenti a trazione chiodature tirantature 2. Metodi che effettuano un trasferimento di carichi in zone a maggiore resistenza ancoraggi 3. Metodi che creano uno stato artificiale di sollecitazione interna (precompressione) Applicazione: rocce

37 MIGLIORAMENTO DEI TERRENI SCELTA DEL METODO ghiaia sabbia limo argilla VIBROCOMPATTAZIONE ESPLOSIONI PRECARICO HEAVY TAMPING METODI ELETTRICI METODI TERMICI JET GROUTING METODI CON RIFORZI METODI SOSTITUZIONE

38 MIGLIORAMENTO DEI TERRENI CONCLUSIONI I metodi di miglioramento dei terreni sono oggi numerosissimi Alcuni sono ben consolidati, altri sono in fase di sperimentazione Possono essere usati da soli o in combinazione La scelta del metodo ottimale è molto complessa perché ogni metodo presenta vantaggi e svantaggi e i fattori da considerare sono molti Si devono tenere presenti i seguenti fattori: - l importanza dell opera e i requisiti richiesti per la soluzione del problema geotecnico (miglioramento della capacità portane, riduzione dei cedimenti, stabilizzazione di pendii, ecc. ) - il tipo di terreno e le sue proprietà iniziali - i fattori ambientali e climatici - la disponibilità di materiali richiesti dal procedimento - la disponibilità di personale e attrezzature specializzate - i tempi -i costi