6.1 PROVA DI CARICO STATICA SU PALI DI FONDAZIONE

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1 6 PROVE SULLE FONDAZIONI 6.1 PROVA DI CARICO STATICA SU PALI DI FONDAZIONE Il omportamento di un palo di fondazione è influenzato in maniera determinante dalla tenologia eseutiva (palo battuto prefabbriato, palo battuto gettato in opera, palo trivellato, e.) in relazione alla natura ed alle aratteristihe dei terreni attraversati. Le aratteristihe sono anhe fortemente influenzate dalla qualità del materiale impiegato e da eventuali riprese di getto. All atto della ostruzione di una palifiata, inoltre, una serie di fattori in gran parte asuali assumono un grande rilievo. Fra questi la variabilità dei terreni nell ambito delle dimensioni dell opera in progetto ed il verifiarsi di difetti, o omunque di variazioni, in un erto numero di pali per effetto di diffioltà o omunque difformità eseutive. La risposta in portata di un palo è quindi in gran parte influenzata da aspetti eseutivi, non ontrollabili dal progetto. Da queste prime osservazioni, ne deriva he la verifia della apaità portante del palo deve essere basata su osservazioni sperimentali relative alle speifihe ondizioni in esame. Un primo tipo di prova è la prova di progetto o pilota, normalmente spinta a rottura o ad un ario massimo di prova pari ad almeno tre volte il ario di eserizio. La prova di progetto è quindi una prova distruttiva, e deve essere eseguita su un palo appositamente realizzato, non appartenente alla palifiata in progetto e detto, appunto, palo pilota. La sua finalità è quella di determinare il ario limite del palo e di studiarne la urva ario-edimento. Se il palo è opportunamente strumentato, onsente lo studio separato della resistenza laterale, della resistenza alla punta e delle relative funzioni di trasferimento. La prova di ollaudo, al ontrario, viene eseguita su pali selti a aso nell ambito della palifiata, durante o dopo la ostruzione di quest ultima o al massimo sull 1 2% del totale, e omunque su almeno due pali. Il numero delle prove e le loro modalità devono essere preisati nel ontratto di appalto. La prova non può essere distruttiva, e quindi il ario di prova viene limitato ad 1,5 volte il ario di eserizio. La sua finalità è essenzialmente quella di ontrollare la orretta eseuzione e quindi la buona riusita del palo, nonhé di verifiare he non vi sia eessiva disomogeneità di omportamento tra i vari pali di una palifiata; in linea seondaria, può fornire indiazioni indirette sul oeffiiente di siurezza del palo. 117

2 In generale oorre tener presente i seguenti elementi: - le modalità eseutive del palo di prova, nel aso di palo pilota, devono essere le stesse previste per i pali della palifiata, in modo he i risultati della prova siano signifiativi; per lo stesso motivo il palo pilota deve essere ubiato all interno o nelle immediate adiaenze della palifiata; - le prove pilota debbono essere eseguite in prossimità di sondaggi e/o prove in sito, in modo he i relativi risultati siano riferiti ad una preisa situazione stratigrafia; - i pali da sottoporre a prova di ollaudo devono essere selti dopo la ostruzione, in modo da evitare he vengano realizzati on ura partiolare e da indurre l eseuzione ad espliare per tutti i pali la massima ura; - i pali battuti in terreni oesivi non devono essere sottoposti a prova prima he siano sostanzialmente dissipate le sovrappressioni neutre indotte dalla battitura. L intervallo di tempo neessario a tal fine varia fra alune settimane ad aluni mesi Attrezzature di prova L appliazione del ario al palo viene fatta on un martinetto idraulio azionato da una entralina oleodinamia. Per sistemare il martinetto, si ostruise in testa al palo un dado in emento armato, la ui faia superiore viene auratamente spianata. Per i pali di grande diametro è suffiiente spianare la base superiore, arrihendo l armatura di erhiaggio nella parte estrema del palo e/o disponendo uno spezzone di tubo metallio per il ontenimento laterale. Fra il martinetto ed il palo si interpone una piastra di aiaio on spessore generalmente ompreso tra 1 e 2 m. Per i arihi più elevati è talvolta neessario disporre più di un martinetto; in questo aso è buona norma evitare di usarne due, ma riorrere alla disposizione a tre martinetti, ondizione molto più stabile. Sono disponibili martinetti on fondo sala da 1 a 10 MN. La orsa del pistone deve essere suffiiente ad evitare interruzioni della prova e suessive riprese previa l interposizione di spessori; per le prove pilota, quindi, il martinetto deve avere una orsa pari ad almeno il 10 20% del diametro del palo. Per prove di lunga durata, inoltre, il sistema oleodinamio sarà munito di un automatismo he mantenga ostante il ario appliato man mano he si sviluppa il edimento. Il martinetto può essere ontrastato da una zavorra, realizzata on una orditura Eseuzione di una prova di ario statia 118

3 di travi prinipali in aiaio su ui poggia una piattaforma di putrelle d aiaio (orditura seondaria) poggiante su sostegni laterali realizzati on ataste di travi di legno o on blohi di alestruzzo. Sulla piattaforma si dispongono blohi di alestruzzo. L intero sistema deve essere auratamente dimensionato, disposto in maniera tale da evitare la possibilità di movimenti relativi tra i vari elementi e on barientro quanto più possibile prossimo all asse del palo. Inoltre, per evitare problemi di instabilità del sistema di ontrasto, è preferibile he il suo peso totale eeda del 10 20% il massimo ario di prova. L area di base dei sostegni laterali deve essere tale da evitare problemi di ario limite in presenza di terreni in superfiie partiolarmente sadenti. I sostegni devono essere disposti ad una distanza del palo di prova di almeno 3 4 volte il diametro del palo stesso (e omunque non minore di 1,5 m), allo sopo di limitare le interferenze. In alternativa al sistema on zavorra, il martinetto può ontrastare ontro una trave anorata a due o più pali di anoraggio he lavorano a trazione. In questo aso è importante he la distanza tra i pali sia tale da limitare i fenomeni di interazione tra i pali di anoraggio e quello di prova. L interazione, infatti, determina una riduzione del edimento misurato sotto il generio ario appliato e omporta una sovrastima delle apaità del palo di prova. Poihé il fenomeno dipende fortemente dalle proprietà meanihe dei terreni e dei pali nonhé dalla geometria degli stessi, il problema andrebbe studiato di aso in aso. In genere si può ritenere aettabile una distanza tra il palo di prova ed i pali di anoraggio non minore di 4 volte il diametro dello stesso palo di prova (e omunque non inferiore a 2 m). Provadiarioaontrasto La onfigurazione del martinetto e della trave di ontrasto può essere adattata per prove a trazione. La selta del dispositivo di reazione disende da onsiderazioni di natura assai varia. Ad esempio, laddove vi sia arenza di spazio, si può pensare di adottare uno shema pali di anoraggio e travi di ontrasto. Tale selta però può essere ostaolata dalla sarsa apaità degli stessi pali di resistere per solo attrito laterale ai massimi arihi agenti durante la prova; inoltre, laddove si preveda l eseuzione di un gran numero di prove, potrebbe essere vantaggioso sotto il profilo puramente eonomio adottare un sistema on zavorra da utilizzare ripetute volte. 119

4 6.1.2 Misura del ario e degli spostamenti Il ario viene generalmente misurato determinando, mediante un manometro posto sul iruito idraulio in prossimità del martinetto, la pressione dell olio nel iruito e moltipliandola per l area del pistone del martinetto. Per quanto preisa possa essere la misura di pressione (si riorda in tal aso he il manometro deve essere orredato da un ertifiato di taratura rilasiato da non oltre un anno da un laboratorio uffiiale), essa è omunque affetta dagli attriti fra ilindro e pistone, he dipendono in maniera del tutto asuale da fattori quali l usura del martinetto, la perfetta entratura del ario, e.. Per tale motivo è preferibile effettuare la misura della forza appliata utilizzando una ella di ario. La misura degli abbassamenti della testa del palo viene eseguita mediante sensori di spostamento elettronii, on risoluzione 0,001 mm, interposti tra la testa del palo ed apposite travi poggianti sul terreno tramite supporti suffiientemente lontani dal palo di prova e dai sostegni laterali della zavorra o dai Cella di ario e sensori di edimento pali di anoraggio. I supporti devono essere saldamente immorsati nel terreno e disposti ad una distanza dal palo di prova pari almeno a 3 volte il diametro del palo. Le travi portasensori devono essere dotate di elevata rigidezza flessionale ed avere un estremo libero di sorrere per onsentire la dilatazione termia. E inoltre importante shermare i sensori e le aste dai raggi solari. I sensori di misura devono essere almeno in numero di tre, onde ontrollare eventuali rotazioni della testa del palo, devono avere una orsa non minore di 50 mm ed essere failmente riposizionabili. CARICO (t) 0,0 5,0 10,0 15,0 20,0 25,0 30,0 35,0 40,0 45,0 0 CEDIMENTI (mm/100) Grafio ario - deformazione 120

5 Oltre al ario appliato ed allo spostamento vertiale della sommità del palo, è possibile eseguire misure di spostamenti e/o deformazioni a diverse profondità lungo il fusto del palo. Questo tipo di misure onsente di ottenere informazioni sullo sviluppo delle resistenze alla punta e laterale, e pertanto aresono signifiativamente l utilità delle prove di ario, speie quelle di progetto. Per quanto si tratti di misure deliate è opportuno eseguirle quanto più spesso è possibile. Le misure delle deformazioni in profondità vengono effettuate tramite l appliazione di uno spezzone d armatura strumentato, on estensimetrii elettrii, fissato alla gabbia di armatura del palo e quindi annegata nel getto di alestruzzo. La misura è riportata all esterno tramite avi ollegati ad una unità di aquisizione dati Modalità di prova Esistono numerose modalità on le quali sottoporre un palo a prova di ario, he si distinguono essenzialmente in base alle veloità di appliazione del ario e dello spostamento. Di onseguenza esse possono essere raggruppate in: 1) prove a ario ontrollato; 2) prove a deformazione ontrollata. Nella prima ategoria rientrano le proedure più largamente utilizzate, per le quali i vari inrementi vengono via via appliati sul palo e mantenuti per un periodo più o meno lungo. Della seonda ategoria, invee, fanno parte quelle proedure per le quali il palo è ostretto a penetrare nel terreno ad una assegnata veloità di movimento. La proedura più utilizzata è quella a ario ontrollato. Essa onsiste nell appliare il ario ad inrementi disreti. Ciasun inremento è pari al 25% del ario di eserizio. In tal modo si ottengono sei inrementi di ario (tenuto onto he si arriva a 1,5 volte il ario di eserizio) e sei di sario. Questo onsente una definizione suffiientemente aurata della urva ario-edimento e del ario limite. La durata è generalmente di 20 minuti ma omunque va attesa la stabilizzazione del edimento. Per le prove pilota, è opportuno he si raggiunga il massimo edimento possibile anhe dopo he sia avvenuta la rottura, ed è omunque neessario rilevare la urva di sario. 121

6 6.2 PROVA DI CARICO DINAMICA METODO CASE La prova di ario dinamia eseguita ol metodo Case ha lo sopo di determinare la portata statia assiale dei pali di fondazione mediante la onosenza di forza e veloità indotte da un sistema di solleitazione impulsivo. La prova onsiste nel solleitare il palo on una forza assiale, generata da una massa in aduta libera, rilevando l andamento della deformazione e dell aelerazione indotta alla testa del palo. La Case Western Riserve University ha sviluppato un programma di analisi dei parametri ontenuti nelle equazioni di propagazione delle onde nel suolo hiamato CAPWAP Case Pile Wave Analysis Program. Il CAPWAP è un sistema di modellazione numeria he suddivide il palo in una sequenza di segmenti finiti delle medesime proprietà. Quando un palo è solleitato on un impulso assiale, un onda meania parte dal punto di appliazione e si propaga lungo il fusto. Finhé non sono registrate onde riflesse nel punto di appliazione della solleitazione, la forza indotta nel manufatto è proporzionale alla veloità di movimento delle partielle e può essere riassunta dalla relazione: v t F t (29) EA Dove: v = veloità delle partielle nella sola direzione assiale; = veloità di propagazione delle onde meanihe; F = forza di ompressione nel punto in onsiderazione; E = modulo elastio del materiale; A= area della sezione del palo. Conosendo la densità è realizzato il palo, la veloità diventa: E (30) Nelle onde di ompressione la veloità delle partielle è nella direzione di propagazione (verso il basso) e onvenzionalmente sono indiate on il segno positivo. Nelle onde di tensione la veloità delle partielle ha direzione opposta e quindi ha segno negativo. Un onda di ompressione indotta sulla testa di un palo libero, e on una trasurabile resistenza interna al materiale, presenta le stesse aratteristihe di ampiezza e forma in qualsiasi sezione del palo, inoltre si può affermare he le aratteristihe dell onda sono solo in funzione del tempo e non della loro posizione lungo il fusto del palo. Indiando on F e F t rispettivamente la forza di ompressione e la forza di trazione dovuta al passaggio dell onda meania si ottiene: F EA EA t v t Ft t vt t 122 (31)

7 Il palo di lunghezza L, analizzato ome materiale omogeneo, anisotropo e libero sul fondo, oppone una resistenza aratteristia Z, hiamata impedenza, al passaggio delle onde meanihe, è espressa dalla relazione: EA Z F t Z v t Ft t Z vt t (32) Nel aso di palo on resistenza nulla in punta, l onda meania indotta sulla testa dal olpo arriva sul fondo ed è riflessa on stessa intensità ma segno opposto. Nel aso di palo on resistenza in punta, la forza riflessa ha la stessa intensità e mantiene lo stesso segno. In questo modo, la sovrapposizione delle onde riflesse on quelle indotte dal maglio, porta ad avere una forza sulla testa del palo di intensità doppia. Prendendo in onsiderazione un palo on lunghezza finita, onosendo le aratteristihe del materiale, si può affermare he la resistenza totale alla penetrazione del palo è pari a: 1 2L M 2L Rt * (33) Fm t * Fm t * vm t * vm t * 2 2L Dove: F m = forza vertiale misurata dagli strumenti all istante t*; v m = veloità delle partielle misurata sperimentalmente; M = massa del palo; = veloità di propagazione delle onde (veloità del suono nel materiale). Si proede alla suddivisione della resistenza totale alla penetrazione del palo nel terreno in due omponenti: una omponente statia, R s, ed una omponente dinamia, R d, on la relazione: R R R t s La resistenza totale si può alolare dalla relazione (33) e una volta determinata R d si potrà onosere R s, resistenza statia del palo. Allo sopo si assume he la resistenza dinamia sia una funzione lineare della veloità in fondo al palo v t : R J d v t Tutto questo a meno di un fattore J he rappresenta la ostante di smorzamento visoso he, per il alolo nel modello numerio, si ipotizza onentrata sul fondo del palo. Tale ostante può essere espressa in funzione di Z ed attraverso una ostante di smorzamento adimensionale J si ottiene la relazione: d J ovvero J J J EA Z Partendo dall espressione (33) sottraendo il ontributo dinamio R d l equazione he permette di alolare la portata statia del palo R s. R s 1 M 1 2L M 2L t 1 J F t v t 1 J F t v t m 2 m L t m 2 m L t m si riava (34) 123

8 Nell equazione t* è sostituito da t m he rappresenta l istante temporale di massima forza misurata dagli strumenti installati sulla testa del palo. In letteratura sono presenti diverse tabelle he indiano possibili valori di J in funzione della tipologia di terreno. Costante J Tipo di terreno Range Valore suggerito Sabbia Sabbia Limo Limo Limo Argilla Argilla Il metodo Case, onformemente alle ASTM D , è onosiuto ome Prova Dinamia su palo ad alta deformazione. La prova dinamia può essere eseguita in alternativa alla Prova di progetto su pali pilota he prevede un valore del ario non inferiore a 2,5 volte l azione di progetto, ome previsto nel TU - DM al punto dove si speifia: [ ] Come prove di progetto possono essere eseguite prove dinamihe ad alto livello di deformazione, purhé adeguatamente interpretate al fine di fornire indiazioni omparabili on quelle derivanti da una orrispondente prova di ario statia di progetto. Pr quanto riguarda le Prove di verifia in orso d opera he prevedono un ario assiale pari a 1,5 volte l azione di progetto ed un numero di prove non inferiore ad 1 se il numero di pali è inferiore a 20, 2 prove per un numero di pali tra 21 e 50 al punto si speifia: [ ] Il numero di prove di ario di verifia può essere ridotto se sono eseguite prove di ario dinamihe, da tarare on quelle statihe di progetto e siano effettuati ontrolli non distruttivi su almeno il 50% dei pali Modalità di prova La prova dinamia si esegue solleitando la testa del palo on un ario assiale di ira 1% del ario da raggiungere, aumentando via via l altezza di aduta fino al raggiungimento del ario di verifia o meglio della penetrazione permanente del palo di aluni millimetri ad indiare il raggiungimento del ario limite. Il rilievo della deformazione e della veloità di propagazione dell onda di ompressione avviene strumentando la testa del palo on 2 o 4 oppie di sensori, ostituite da un estensimetro ed un aelerometro iasuna (il numero dei sensori varia in funzione del diametro del palo). Gli strumenti vengono posizionati ad una distanza dalla testa di almeno 1,5 volte il diametro del palo e questo per garantire he la deformazione misurata superfiialmente sia uniformemente distribuita sulla sezione di misura. Prova dinamia on maglio da 6 t 124

9 Massa battente ENERGIA INDOTTA SUL PALO E=M*h Posizionedelle2o4oppiedi sensori sul palo interfaia in legno duro o poliloroprene Trasduttori di forza ed aelerazione ESTENSIMETRO ACCELEROMETRO Sono neessarie 4 oppie solo on pali di grande diametro Shema di posizionamento dei sensori Sensori ollegati in wireless Un impatto irregolare della massa di solleitazione sulla testa del palo, dovuto ad un difettoso allineamento dell asse di aduta on l asse del palo, rende poo interpretabili i dati aquisiti. E pertanto indispensabile provvedere ad un l allineamento della massa battente attraverso sistema guidato di sivolamento. La misura del edimento assoluto avviene attraverso l uso di un raggio laser he inide su una mira posta sulla testa del palo. Per l elaborazione dei segnali è Laser di misura del edimento neessario onosere i parametri geometrii e meanii del palo: area; lunghezza; modulo elastio; veloità di propagazione delle onde. Per quanto riguarda il modulo elastio del alestruzzo ostituente il palo, questo può essere assunto attraverso delle misure slerometrihe he fornisono una stima della resistenza meania a ompressione R m dal ui valore si potrà alolare E attraverso la relazione di normativa: E = (R m /10) 0,3 [MPa] Durante i vari olpi, l unità di aquisizione PDA (Pile Driving Analyzer) memorizza l andamento della deformazione ed aelerazione sulla testa del palo. L elaborazione in tempo reale permette di visualizzare i diagrammi di forza (e veloità. In questo modo è possibile alolare gli sforzi di ompressione e tensione lungo il fusto e apire se il ario appliato è suffiiente o se è neessario inrementare l energia di solleitazione aumentando l altezza di aduta. 125

10 6.2.2 Analisi dei risultati La lunghezza del palo viene disretizzata in varie sezioni, generalmente di 1 m, e ad ognuna di queste è appliato un valore iniziale di J, ostante di smorzamento, he il programma CAPWAP provvede a variare fino a raggiungere, attraverso ontinui tentativi, la migliore approssimazione. La sheda riporta la sintesi dei risultati di una prova. Si evidenziano i grafii di alibrazione della forza, rappresentati nei diagrammi dalla linea ontinua onfrontati on quelli alolati attraverso l analisi on CAPWAP, rappresentati dalla linea tratteggiata. Viene inoltre sviluppato il diagramma delle resistenze lungo il fusto e di seguito la simulazione del ilo di isteresi ario-deformazioni he si otterrebbe attraverso una prova statia. Sheda riassuntiva dei risultati di prova 126

11 6.3 CROSS-HOLE Il Cross-hole è un indagine non distruttiva he ha lo sopo di rilevare l omogeneità del materiale e l integrità di un palo di fondazione o di un diaframma. Il metodo si basa sull appliazione preventiva nel palo, al momento del getto di alestruzzo, di una serie di tubi, generalmente tre, all interno dei quali vengono fatte sorrere le sonde ultrasonihe. Per la rilevazione, la oppia di sonde trasmittente e rievente, viene alata simultaneamente all interno dei tubi riempiti on aqua. La sonda trasmittente produe degli impulsi ultrasonii on frequenza prestabilita, he sono aptati dalla sonda rievente dopo aver attraversato il materiale interposto. Il sistema di aquisizione registra il tempo di propagazione dell onda relativo a iasun impulso emesso, oltre alla posizione delle sonde al momento dell aquisizione. Mentre l argano reupera le sonde, il sistema registra il segnale he viene memorizzato nella apparehiatura. Dai diagrammi he riportano i tempi di perorrenza del segnale, onosendo la distanza dei tubi, si risale alla veloità he è direttamente orrelata on le aratteristihe meanihe del alestruzzo. L eventuale interruzione del getto o inlusione di altri materiali, viene immediatamente evidenziata on una riduzione repentina o interruzione del segnale. Sheda riassuntiva dei risultati di prova Attrezzatura Cross-hole Pilaadx Sezione: C-D Profondità: 20,18 m Interasse: 0,84 m ,4 4,2 5,0 5,8 6,6 7,4 8,2 9,0 9,8 10,6 11,4 12,2 13,0 13,8 14,6 15,4 16,2 17,0 17,8 18,6 19,4 20,2 veloità (m/s) tempo (s) tempi veloità 0 profondità (m da p..) 127

12 6.4 SONIC INTEGRITY TEST La prova di Soni Integrity Test, onosiuta anhe ome prova eometria a bassa energia o EoTest, è un indagine di tipo indiretta basata sull analisi della propagazione di un'onda meania provoata da un impulso sulla testa del palo. Il metodo permette di determinare la presenza di variazioni di geometria, inlusioni o parti di alestruzzo di qualità sadente, he omportano una variazione dell'impedenza meania on parziale o totale riflessione delle onde trasmesse. Può essere utilizzato, anhe, per stimare la lunghezza del palo in quanto, onosiuto il tempo di perorrenza tra testa e fondo ed ipotizzando una veloità di propagazione aratteristia del materiale, ne deriva onseguentemente la lunghezza. In questo aso la preisione dipende dall ipotesi, lungo il perorso, di un andamento ostante della resistenza meania (omogeneità del materiale ostituente) e delle aratteristihe geometrihe del fusto. Pali di fondazione Il sistema è ostituito da una unità d'aquisizione ed elaborazione del segnale e da un trasduttore aelerometrio. La prova si esegue appliando l aelerometro in sommità e solleitando la testa mediante un olpo di martello. Si genera osì un'onda di ompressione he perorre il palo e torna in direzione opposta riflettendosi al piede del palo. L'aelerometro registra lo spostamento della testa palo mentre il sistema d'aquisizione ed amplifiazione del segnale diagramma istantaneamente l'andamento dell'onda di ompressione in funzione della profondità del palo. 4 Emme Servie SpA [mm/s] [m] [m] Site GRADO 3600[m/s] exp:50 f:1 te Jun 10, V6.1 Pile 91 Thu

13 L'analisi della urva di propagazione dell'onda viene effettuata sulla base dei tempi di ritorno delle onde riflesse. Per elementi integri e di sezione regolare si ottengono due sole riflessioni: la prima orrisponde al olpo di martello, la seonda al fondo del palo. Ogni altra riflessione si analizza sulla base della sua fase: quella generata dal olpo di martello india una diminuzione dell'impedenza e quindi un difetto del palo rionduibile ad una riduzione di sezione, fessurazioni e/o aratteristihe del alestruzzo più sadente; per una fase inversa a quella di impatto del martello l'impedenza aumenta, indiando un aumento della sezione dovuta ad una sbulbatura. Le anomalie risontrabili sono molteplii: inlusioni, rotture, giunti, inremento di sezione, riduzione di sezione, stratifiazione del sottosuolo, variazioni del materiale ostituente il palo. La metodologia standard prevede per ogni elemento da indagare di eseguire più battute, di stimare la lunghezza in base alla media dei risultati e di eseguire l analisi dell integrità su tutti i segnali rilevati oerenti tra di loro. Aelerometro Fase d'aquisizione 129