PALI TRIVELLATI A GRANDE DIAMETRO, CON ELICA CONTINUA E MICROPALI

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1 PALI TRIVELLATI A GRANDE DIAMETRO, CON ELICA CONTINUA E MICROPALI Paolo Simonini Università degli Studi di Padova Dipartimento IMAGE PALI A TRIVELLATI A GRANDE DIAMETRO IN TERRENI GRANULARI

2 PROGETTO DI PALI A GRANDE DIAMETRO Il progetto è caratterizzato ancor oggi da un elevato grado di approssimazione I calcoli condotti con diversi metodi conducono a valori della capacità portante molto diversi tra loro Il comportamento in sito è fortemente condizionato dalle modalità esecutive che alterano le caratteristiche del terreno di fondazione La sperimentazione su pali è quindi necessaria 3 CAPACITÀ PORTANTE La capacità portante limite è data da Q lim = Q + Q = A q + b s b b A q s s dove Q b è la capacità portante di punta e Q s la capacità portante per attrito laterale Nell espressione precedente, q b e q s sono, rispettivamente, i valori unitari delle resistenza di punta e della resistenza laterale. A b ed A s sono le superfici sulle quali esse agiscono 4

3 MOBILITAZIONE DEI DUE CONTRIBUTI DI CAPACITÀ PORTANTE Resistenza laterale: il meccanismo di mobilitazione interessa una zona anulare relativamente sottile intorno al palo, deformata in condizioni di taglio fino al raggiungimento della resistenza limite, con spostamenti non superiori a mm, indipendentemente dal diametro del palo Resistenza alla punta: per mobilitarla sono necessari spostamenti elevati, di decine di centimetri. Ciò è dovuto sia alle dimensioni elevate della punta, che coinvolge una vasta zona di terreno sotto di essa, sia al rilascio tensionale ed al rimaneggiamento del terreno conseguenti alle operazioni necessarie per la realizzazione del palo 5 SCHEMATIZZAZIONE DEL COMPORTAMENO DEL PALO IN BASE ALL INTERAZIONE TRA LE DUE COMPONENTI a) La resistenza laterale rappresenta la componente predominante: tale circostanza si manifesta quando q s >>q b e/o A s >> A b b) La resistenza alla punta è prevalente rispetto a quella laterale: questo caso si verifica se q s <<q b e/o A s <<A b 6

4 CAPACITÀ PORTANTE DI PUNTA La resistenza massima di punta nei pali trivellati a grande diametro si mobilita per spostamenti proporzionali al diametro del palo, pari a circa il 25% del diametro stesso Per il palo trivellato a grande diametro essa rappresenta un aliquota significativa del carico limite Per questi motivi, il progetto dei pali a grande diametro è basato sulla considerazione di uno stato limite di servizio, che può essere scelto in corrispondenza ad un cedimento di esercizio assunto pari al 5% o al 10% del diametro (Franke, 1989) 7 DETERMINAZIONE DELLA CAPACITÀ PORTANTE DI PUNTA IN TERRENO GRANULARE Approccio teorico di Berezantev et al. (1965) q = b N q σ ' N q = fattore di capacità portante, funzione dell angolo di attrito del terreno σ vl = tensione verticale litostatica alla punta vl 8

5 PROFONDITA CRITICA - EFFETTO SILO La resistenza di punta non cresce linearmente con la profondità, ma si mantiene costante sotto la profondità critica Berezantev et al. (1965) giustificano il fenomeno con la presenza di un effetto silo, per il quale la tensione alla punta è inferiore a quella litostatica 9 FATTORE DI CAPACITÀ PORTANTE MODIFICATO Berezantev et al. (1965) propongono di utilizzare il valore della tensione alla punta in corrispondenza del quale si verificano nel terreno le prime deformazioni plastiche, per cedimenti compresi tra 6-10% del diametro del palo 10

6 CAPACITÀ PORTANTE DI PUNTA IN TERRENO GRANULARE Approccio basato su prove in sito - SPT Wright e Reese (1988) hanno proposto di utilizzare il valore del numero di colpi N SPT della prova SPT per calcolare la resistenza di punta p lim =q b facendo riferimento ad uno stato limite di servizio al quale corrisponde un cedimento del 5% del diametro del palo 11 CAPACITÀ PORTANTE DI PUNTA IN TERRENO GRANULARE Approccio basato su prove in sito - CPT La capacità portante di progetto può essere calcolata con la relazione q = α b q c nella quale α = per spostamenti pari al 5% del diametro o α = per spostamenti pari al 10% 12

7 DETERMINAZIONE DELLA RESISTENZA LATERALE I pali trivellati in esercizio mobilitano prevalentemente l attrito laterale Per il calcolo si fa riferimento a due approcci Approccio in termini di tensioni efficaci Approccio basato sui risultati di prove in sito 13 APPROCCIO IN TERMINI DI TENSIONI EFFICACI In questo caso, la resistenza laterale unitaria viene espressa in funzione della tensione verticale efficace E possibile distinguere tra due diversi metodi nell applicazione dell approccio in termini di tensioni efficaci 14

8 APPROCCIO IN TERMINI DI TENSIONI EFFICACI : 1 METODO L attrito laterale in un terreno granulare omogeneo cresce linearmente con la profondità fino al raggiungimento del valore massimo corrispondente alla profondità critica, oltre la quale si mantiene costante 15 APPROCCIO IN TERMINI DI TENSIONI EFFICACI : 1 METODO La resistenza laterale unitaria f s è: q = σ' tan δ = k σ' tanδ s h v σ h = tensione efficace orizzontale σ v = tensione efficace verticale k = coefficiente di spinta δ = l angolo di attrito relativo palo-terreno 16

9 APPROCCIO IN TERMINI DI TENSIONI EFFICACI : 1 METODO k = coefficiente di spinta che si genera durante lo scorrimento relativo palo-terreno, funzione del comportamento volumetrico del terreno k = (Raccomandazioni dell AGI) k = (1-sinφ )tanφ ; φ = k = APPROCCIO IN TERMINI DI TENSIONI EFFICACI: 2 METODO (Metodo β) Metodo β (Reese e O Neill, 1988): l attrito laterale può essere calcolato con la relazione (con la limitazione q s 0.2 MPa): qs = βσ Reese e O Neill indicano il seguente andamento di β con la profondità: β = z 025. β 120. z=profondità in metri. Per z 26 m viene ipotizzato che l attrito laterale resti costante, pari al valore calcolato per z=26 m v' 18

10 APPROCCIO IN TERMINI DI TENSIONI EFFICACI : 2 METODO β è indipendente dal diametro del palo, dalla falda e dall angolo di attrito di picco Eq. (5): metodo di Reese e O Neill = da prove di carico in diversi siti italiani) ( 19 APPROCCIO IN TERMINI DI TENSIONI EFFICACI: 2 METODO La formulazione di Reese e O Neill prevede sia il mancato aumento della resistenza laterale a partire dalla profondità critica sia la crescita della stessa salendo verso la superficie Quest ultima circostanza è dovuta principalmente ai seguenti effetti: - diminuzione dell angolo di attrito a causa della riduzione della dilatanza con la profondità - incremento dell effetto arco con la profondità - maggiore effetto di interdigitazione tra calcestruzzo e terreno nelle zone più superficiali del terreno 20

11 APPROCCIO BASATO SUI RISULTATI DI PROVE IN POSTO Tra i metodi basati sui risultati di prove in sito, quelli di più comune applicazione utilizzano i risultati di prove di penetrazione statica CPT o dinamica SPT Le correlazioni, di natura empirica, legano la resistenza laterale alla resistenza di punta q c o al numero di colpi N SPT 21 Prova CPT Bustamante e Gianeselli (1992) L = limite inferiore;u = limite superiore 22

12 Prova SPT Una delle correlazioni di impiego più frequente è quella proposta da Meyerhof (1976), successivamente confermata da Shioi e Fukui (1982) (q s in kn/m 2 ) : q s = N SPT 23 SPERIMENTAZIONE IN GRANDE SCALA - Briaud et al. (1992) 24

13 SPERIMENTAZIONE IN GRANDE SCALA I due pali prova hanno diametro nominale di 0.92 m e lunghezze di 10.4 e 10.8 m Sono completamente gettati in una formazione sabbiosa presente fino a 13.4 m di profondità In entrambi i casi lo scavo è avvenuto in presenza di fanghi bentonitici e per il getto successivo si è ricorsi al sistema convogliatore dal basso (contractor) I pali sono stati strumentati per la misura delle deformazioni locali con estensimetri a corda vibrante immersi nel getto di calcestruzzo 25 PALO A REGOLA D ARTE (Palo N. 1) Il palo è stato eseguito a regola d arte, al fine di ottenere un fusto privo di difetti che servisse come palo di riferimento. Si è riscontrato un leggero allargamento della sezione nella zona di terreno sopra la falda, stimato, attraverso la misura dei volumi di calcestruzzo gettato, in circa il 30% dell area della sezione teorica. 26

14 PALO CON DIFETTI (Palo N. 2) A trivellazione ultimata, lo scavo è stato lasciato aperto durante il fine settimana con i fanghi all interno. A causa della pressione dei fanghi sulle pareti del foro si è formata una pellicola di spessore superiore a quella usuale, variabile localmente da 6 a 13 mm. In aggiunta la sabbia, mescolata ai fanghi durante le operazioni di perforazione, è sedimentata, formando, a fondo foro, un deposito di terreno rimaneggiato di 30.5 cm di spessore. Alla ripresa dei lavori, il getto è stato eseguito direttamente sul deposito di fondo. 27 PALO CON DIFETTI (Palo N. 2) Durante il getto, a 5.5 m di profondità dalla superficie, il tubo convogliatore è stato sollevato a 1.5 m sopra il livello del calcestruzzo nel foro, continuando a iniettare calcestruzzo, che, conseguentemente, si è miscelato al fango bentonitico. Successivamente il tubo è stato immerso nuovamente, terminando le operazioni di getto. Con l operazione di sollevamento temporaneo si è generata una contaminazione artificiale del calcestruzzo con i fanghi bentonitici. 28

15 PALO CON DIFETTI (Palo N. 2) 29 PROVE DI CARICO SU PALO 30

16 DISTRIBUZIONE DEL CARICO LUNGO IL FUSTO (Palo N. 1 e Palo N. 2) 31 DISTRIBUZIONE ATTRITO LATERALE (Palo N. 1) Sulla base dei risultati delle misure eseguite sono stati calcolati, per il palo N. 1, i valori del rapporto tra la resistenza laterale unitaria e la tensione verticale efficace (fattore β) lungo tre tratti di palo Prof. q s σ v β=q s /σ v (m) (kn/m 2 ) (kn/m 2 )

17 ANALISI DI AFFIDABILITÀ DEI METODI DI CALCOLO Valori dell attrito laterale per i pali N. 1 e N. 2, calcolati utilizzando il metodo tradizionale, il metodo β e quello basato sui risultati delle CPT e SPT Metodo di calcolo della resistenza laterale Q s (kn) Palo N. 1 L=10.4 m Q s (kn) Palo N. 2 L=10.8 m q s =(1-sinφ )tanφ σ v q s =βσ v q s =f(q c ) (fig. 3) q s =N SPT (kn/m 2 ) Misurato PALI TRIVELLATI CON ELICA CONTINUA

18 ESECUSIONE DI PALO AD ELICA La perforazione viene eseguita avanzando nel terreno, sotto l azione di una forza assiale e di una coppia, una trivella ad elica continua con l asta centrale cava chiusa con una puntazza a perdere La penetrazione avviene quasi senz asportazione di terreno e con una modesta compressione Alla profondità desiderata si inizia il getto di cls in pressione dall asta cava centrale. Contemporaneamente si solleva la trivella ruotandola lentamente nel senso dell avanzamento 35 VARI TIPI DI PALO AD ELICA Palo gettato in opera tipo Atlas (con o senza rivestimento) Palo gettato in opera tipo Ω-Omega Palo De Vaal, SPIRE, Trelicon 36

19 PALO ATLAS Viene realizzato avvitando ed infiggendo nel terreno un tubo di acciaio alla testa del quale è posta la trivella ad elica che sposta il terreno mentre avanza 37 PALO ATLAS Diametro esterno: mm Lunghezza: 22 m Produttività: m/8h Prima del getto viene posta l armatura per tutta la lunghezza Vantaggi: Basso costo Velocità esecutiva Assenza di vibrazioni Ottima capacità portante legata al processo di spostamento laterale che evita il rilascio tensionale del terreno 38

20 PALO Ω-Omega E una tecnica molto recente basata sull esperienza con il palo Atlas: utilizza una lunga elica accoppiata ad una controelica per lo spostamento del terreno durante l avvitamento Tale configurazione dell attrezzo scavante assicura che non vi sia rimozione del terreno fino alla superficie La testa Ω viene infissa con sistema idraulico 39 PALO Ω-Omega Dopo aver posto in opera l armatura, il calcestruzzo viene pompato in pressione mentre si estrae l elica Durante l esecuzione vengono tenuti sotto controllo: velocità di penetrazione, coppia torcente, profondità e quantità di calcestruzzo iniettata Diametro esterno: mm Lunghezza standard: 30 m Produttività: m/8h 40

21 PARAMETRI CHE INFLUENZANO L INSTALLAZIONE Tipo di terreno e posizione della falda: nei terreni saturi coesivi teneri e sabbiosi sciolti l esecuzione è molto agevole mentre nei terreni sabbiosi densi o coesivi fortemente sovraconsolidati può risultare problematica Energia applicata: la quantità di energia richiesta dipende dal diametro della testa elicoidale e dal tipo di terreno (l energia è in parte dissipata per spostare lateralmente il terreno e in parte per attrito) 41 PARAMETRI CHE INFLUENZANO L INSTALLAZIONE Forma della testa elicoidale: angolo, passo e conicità dell elica sono parametri importanti ma non determinanti Coppia torcente: la massima coppia disponibile è di grande importanza; attrezzature recenti sono in grado di sviluppare coppie di knm Tecnologia di getto Tecnologia di getto: fluidità del cls e pressione di pompaggio sono fondamentali anche per evitare la formazione di difetti nel fusto 42

22 OSSERVAZIONI VANTAGGI DEL PALO GETTATO IN OPERA CON ELICA CONTINUA Basso costo, perché necessita di pochi operatori Rapidità di installazione ( m/8h) Disturbo limitato: assenza di vibrazioni e bassa rumorosità dell attrezzatura che lo rende idoneo all uso nei centri urbani Elevata capacità portante, risultante da un processo di spostamento laterale del terreno per tutta la profondità del palo Risposta rigida in esercizio in condizioni di carico statico, molto simile a quella di un palo battuto 43 MICROPALI

23 TIPI DI MICROPALI Si definiscono micropali i pali trivellati di piccolo diametro (D< 250 mm) realizzati con attrezzature e tecnologie particolari I tipi fondamentali sono due: PALO RADICE, che riproduce la tecnica dei pali trivellati di medio diametro, ma con getto in pressione PALO TUBFIX, ottenuto per trivellazione e getto attraverso un tubo di acciaio valvolato e cementato al terreno 45 MICROPALO RADICE 46

24 MICROPALO RADICE Diametro: mm Carico ammissibile può essere valutato assumendo una tasso di lavoro di circa 12 MPa per l intera sezione del palo Carichi massimi: da kn per i diametri più piccoli fino a kn per i diametri maggiori 47 MICROPALO TUBFIX 48

25 MICROPALO TUBFIX Tubo armatura, con valvole di non-ritorno ad interasse cm, valvolato in corrispondenza agli strati dove si intende trasmettere il carico La presenza della guaina consente l iniezione di malta cementizia con pressioni fino ad alcune decine di atmosfere: si realizzano così in corrispondenza delle valvole una serie di sbulbature che comprimono il terreno e assicurano una elevata resistenza di attrito 49 ESEMPIO APPLICATIVO Fondazioni delle pile di un viadotto a Trieste costituite da plinti su pali di piccolo diametro Pali del diametro di 250 mm e lunghezza di 8-12 m, con armatura tubolare 114/8.8 mm, immorsati per 1-2 m nel substrato flyschoide marnosoarenaceo esistente sotto una copertura argillosa 50

26 ESEMPIO APPLICATIVO 51 ESEMPIO APPLICATIVO PROVE DI PROGETTO 52

27 ESEMPIO APPLICATIVO Fondazioni di un serbatoio per acquedotto su versante. Carico ammissibile di progetto 400 kn. Pali del diametro di 180 mm e lunghezza di 10 m, con punta immorsata per 2 m in roccia integra e per 2 m in roccia fratturata presente sotto una copertura detritica di materiale di grossa e media pezzatura Micropali armati con tubo 127 /12.5 mm, valvolati con passo 50 cm e iniettati in pressione; pressione di scoppio delle valvole circa atm 53 ESEMPIO APPLICATIVO - Contrasto 54

28 ESEMPIO APPLICATIVO - Contrasto 55 ESEMPIO APPLICATIVO - Martinetto 56

29 ESEMPIO APPLICATIVO: Prova di carico spinta a 1.5 volte il carico di esercizio 57