UNIVERSITA DEGLI STUDI DI CATANIA Dipartimento di Ingegneria gg Civile e Architettura Sezione di ingegneria geotecnica (

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1 UNIVERSITA DEGLI STUDI DI CATANIA Dipartimento di Ingegneria gg Civile e Architettura Sezione di ingegneria geotecnica ( FONDAZIONI PROFONDE Corso di Geotecnica Ingegneria Edile Architettura, Salvatore Grasso sgrasso@dica.unict.it p// / / / /

2 Fondazioni profonde FONDAZIONI PROFONDE Def. Una fondazione profonda è una fondazione per la quale il rapporto tra la profondità della base d appoggio, D, e la larghezza, B, è maggiore di 10 (D/B >10) B N.B. Per le fondazioni profonde è spesso prevalente, il contributo alla capacità portante delle tensioni tangenziali d attrito e di aderenza tra il terreno e la superficie laterale della fondazione, che invece viene trascurato per le fondazioni superficiali D Le più comuni fondazioni profonde sono i pali di fondazione (D=L;B=d) 2/36

3 Fondazioni profonde FONDAZIONI PROFONDE vs SUPERFICIALI Le fondazioni profonde sono di norma più costose delle fondazioni superficiali, per cui si ricorre ad esse quando la soluzione con fondazioni superficiali non è in grado di soddisfare le esigenze del problema geotecnico. In particolare le fondazioni profonde sono impiegate per a) trasferire il carico a strati di terreno profondi più resistenti, b) trasferire il carico anche attraverso tensioni tangenziali d attrito o d aderenza lungo il fusto, c) resistere ad azioni di trazione, d) resistere ad azioni orizzontali, e) resistere in gruppo a carichi inclinati, f) assicurare la stabilità anche in caso di scalzamento degli strati superficiali, g) trasferire il carico al di sotto di un futuro piano di scavo, h) attraversare strati di terreno rigonfiante. 3/36

4 Pali di fondazione PALI DI FONDAZIONE I pali di fondazione possono essere classificati in base a differenti criteri: DIAMETRO (d) MATERIALE TECNICA COSTRUTTIVA piccolo diametro calcestruzzo infissi o micropali (senza asportazione di terreno, (d 25 cm), prefabbricati o gettati in opera), medio diametro acciaio trivellati (30 d 60 cm) (con asportazione di terreno), grande diametro legno trivellati con elica continua (d 80 cm). (parziale asportazione di terreno). 4/36

5 TECNICA COSTRUTTIVA Pali di fondazione Il comportamento meccanico, resistente e deformativo, del sistema paloterreno è fortemente dipendente, oltre che dal tipo di terreno, dalle modalità di messa in opera del palo e dalle conseguenti modifiche dello stato tensionale preesistente nel terreno. L infissione i di un palo senza asportazione di terreno in sabbia sciolta produce un addensamento del terreno circostante con formazione di un cratere nell intorno della testa del palo e aumento della resistenza al taglio. in argilla satura avviene in condizioni non drenate a volume costante, con la formazione di un rigonfiamento nell intorno della testa del palo e aumento della pressione interstiziale con conseguente caduta di resistenza al taglio solo in parte recuperata nel tempo. 5/36

6 Pali di fondazione la realizzazione di pali previa asportazione di terreno (pali trivellati) crea disturbo nel terreno circostante, alterandone lo stato di tensione, ma in misura assai minore rispetto ai pali battuti. i pali trivellati con elica continua, con parziale asportazione di terreno, producono nel terreno effetti intermedi rispetto ai casi precedenti. PALI BATTUTI TRIVELLATI Terreni attraversabili notevoli limitazioni in strati lapidei, trovanti presenza di terreni compatti, qualsiasi terreno (con opportuno sistema di perforazione) Modifiche circostante nel terreno in terreni incoerenti producono un addensamento con conseguente miglioramento delle proprietà meccaniche in terreni coesivi producono rimaneggiamento e diminuzione della resistenza al taglio decompressione del terreno e peggioramento delle sue caratteristiche meccaniche. In terreni coesivi tale effetto può essere ridotto Dimensioni Dmax 60 cm Lmax 20 m nessuna limitazione Inclinazione massima possibile Qualità del calcestruzzo Attrezzature Impatto fino a ottima ingombranti e costose vibrazioni e scosse durante la messa in opera generalmente impossibile salvo che per pali di piccolo diametro da controllare, può essere molto scadente per pali di grande diametro ingombranti e costose molto minore che per i pali battuti

7 PALI INFISSI Pali di fondazione materiale tecnologia infissione legno per battitura per profilati di varie forme battitura o acciaio eventualmente saldati per fra tubolari loro; elementi vibrazione oa pressione in cantiere, per prefabbr di c.a. battitura, icati normale o di con (sempre c.a.p. eventuale con in parziale armatur stabilimento, ausilio di a) di c.a. centrifugato getto d acqua con tubo per forma battitura, calcestruzzo metallico per recuperabile vibrazione costruiti in opera con tubo (con o forma per senza metallico a battitura armatur perdere a) con elementi tubolari in c.a. a perdere per battitura, a pressione 7/36

8 PALI TRIVELLATI I pali trivellati si differenziano per la tecnica di sostegno delle pareti e del fondo scavo, e per calcestruzzo. A percussione (in genere con rivestimento metallico del foro) Pali di fondazione scavo, per le modalità di il sistema di getto del sistema di perforazione diametro del foro tipo di terreno Con sonda a valvola (curetta) e foro rivestito con tubazione metallica. Con benna a ganasce e foro rivestito con tubazione metallica, o scoperto ma pieno di fango. Con scalpello e circolazione diretta di fango. 60 cm 40 cm 50 cm Tutti, esclusa la roccia lapidea in banchi. Impiego di scalpello per attraversare sottili stratificazioni lapidee o trovanti. Sconsigliabile per sabbie in falda. Come sopra, ma con maggiori possibilità di superare strati lapidei e trovanti senza ricorrere allo scalpello. Tutti, anche in falda, purché non eccessivamente permeabili. Esclusa solo la roccia lapidea in banchi. Con trivella a spirale (auger) o Sabbio-limoso, in assenza di falda, ovvero limoso e argilloso, qualsiasi secchione e (bucket) e foro o scoperto o anche in falda,,purché éesente eda trovanti A rotazione (in genere senza rivestimento metallico del foro) Con carotiere aperto e foro scoperto. qualsiasi Come sopra, anche con trovanti; in più, roccia lapidea Con secchione (bucket) e foro scoperto ma pieno di fango. Con carotiere aperto e foro scoperto ma pieno di fango. A distruzione di nucleo e circolazione diretta di fango. qualsiasi qualsiasi 50 cm Tutti, anche in falda, esclusa solo la roccia lapidea in banchi o trovanti. Limosi e argillosi, anche con trovanti e in falda. Tutti, anche in falda, purché non eccessivamente permeabili. Adi distruzione i di nucleo e circolazione i inversa di fango Con carotiere aperto e contemporaneo rivestimento metallico del foro 50 cm 25 cm Come sopra. Tutti, anche in falda.

9 Pali di fondazione Fasi esecutive di un palo trivellato 9/36

10 MICROPALI Pali di fondazione Nei lavori di sottofondazione di edifici e strutture esistenti, quando vi è la necessità di operare con attrezzature di ingombro e peso molto ridotti, o quando si debbano realizzare pali con forte inclinazione sulla verticale, si ricorre a pali trivellati di piccolo diametro (micropali) 10/36

11 Capacità portante CAPACITÀ PORTANTE DI UN PALO ISOLATO Per stimare la capacità portante per carico verticale di un palo di fondazione isolato si considera il palo è un corpo cilindrico i che oppone resistenza alla penetrazione nel terreno mediante: tensioni tangenziali di attrito e/o di aderenza sulla superficie laterale che si sviluppano per uno scorrimento relativo tra la superficie laterale del palo e il terreno circostante, in parte dovuto alla traslazione rigida einpartealla compressione assiale del palo. tensioni di compressione alla base che si sviluppano per un cedimento della base QS = risultante delle tensioni di attrito e/o di aderenza laterale (dipende dall interazione tra la superficie laterale del palo e un determinato spessore di terreno deformato) Qp = risultante delle tensioni di compressione alla base (dipende da un volume di terreno deformato, che si estende al di sopra e al di sotto della base del palo e le cui dimensioni sono funzione del diametro del palo ) QP QS 11/36

12 Capacità portante Se si applica un carico verticale progressivamente crescente, Q(t) alla sommità del palo: a) inizialmente (Q piccolo), l equilibrio è garantito solo da tensioni tangenziali nella parte superiore del palo dove il palo si deforma (Q è equilibrato solo da QS e sono entrambi crescenti); b) al crescere di Q vengono interessati anche i livelli di terreno più profondi, la deformazione del palo si propaga verso il basso (QS cresce e si sposta verso il basso) e iniziano i cedimenti della base del palo e quindi nascono tensioni di compressione alla base, ovvero QP (Q è equilibrato prevalentemente da QS, e in piccola parte da QP, la crescita di Q si trasferisce quasi tutta su QS). c) oltre un certo valore di Q gli scorrimenti relativi tra la superficie laterale del palo e il terreno hanno prodotto la completa mobilitazione delle tensioni tangenziali, mentre vi è ancora un margine di crescita delle tensioni di compressione alla base (Q èequilibrato da QS edaqp, QS non cresce più,e semmai decresce, quindi la crescita di Q si trasferisce interamente su QP, che aumenta fino alle condizioni di equilibrio ultime). Q Q Q QLIM a) b) c) c) QS QS QP QS,ult QP QS,ult QP,ult

13 Capacità portante N.B. La completa mobilitazione della resistenza laterale (QS) si ha per spostamenti del palo di 6 10 mm indipendentemente dal diametro, mentre la completa mobilitazione della resistenza di punta (QP) si ha per spostamenti pari a circa l 8% del diametro per pali infissi e pari a circa il 25% del diametro per pali ti trivellati. llti Il valore del carico Q in condizioni di equilibrio limite ultime la capacità portante del palo e si può determinare con: (QLIM) rappresenta con formule statiche, con formule dinamiche, dai risultati di prove penetrometriche statiche e dinamiche, dai risultati di prove di carico. 13/36

14 FORMULE STATICHE Formule statiche La stima della capacità portante per carico verticale di un palo isolato QLIM mediante formule statiche è ottenuta valutando i valori massimi mobilizzabili, in condizioni di equilibrio limite, della resistenza laterale QS e di quella di punta QP applicando al palo l equazione di equilibrio: QLIM QLIM + WP = QS,LIM + QP,LIM dove WP è il peso proprio p del palo (di seguito, facendo riferimento solo ai valori limite di QS eqp, si tralascerà il pedice lim ). IPOTESI: il carico limite del sistema palo terreno è condizionato dalla resistenza del terreno e non da quella del palo; il palo è un corpo cilindrico rigido; i termini di capacità portante per attrito e/o aderenza laterale QS e di capacità portante di punta QP non si influenzano reciprocamente e possono essere dt determinati tiseparatamente; t il terreno è omogeneo WP QS QP 14/36

15 Formule statiche d a) Terreno coesivo saturo π d (sezione circolare) p = perimetro del palo = a.1) Dt Determinazione i di QS 4 d d (sezione quadrata) L QS=p τs dz 0 L τs rappresenta le tensioni tangenziali limite di attrito e/o di aderenza laterale all interfaccia tra la superficie del palo e il terreno coesivo saturo circostante. N.B. le τs, poiché dipendono dal grado di disturbo e dall alterazione alterazione delle pressioni efficaci e interstiziali che le modalità di costruzione del palo producono nel terreno, sono molto difficili da valutare analiticamente, per cui si ricorre a drastiche semplificazioni e metodi empirici: Metodo α QS = min[qs(α), QS(β)] Metodo β 15/36

16 Formule statiche Metodo α Si assume che le tensioni tangenziali limite, τs, siano una quota parte della resistenza al taglio non drenata, cu, originaria del terreno indisturbato: τ s =α c u in cui α è un coefficiente empirico di aderenza che dipende: daltipoditerreno, dalla cu del terreno Tipo di palo Materiale c u (kpa) indisturbato, 25 dalmetododicostruzione del palo Calcestruzzo dal dltempo, Infisso (senza >75 dalla profondità, asportazione 25 dal cedimento del palo di terreno) Trivellato (con asportazione di terreno) Acciaio Calcestruzzo >75 α 1 0,85 0,65 0,50 1 0,80 0,65 0,50 Ad es. (AGI) α cu,max (kpa) , , ,60 > 75 0,40 16/36

17 Formule statiche Metodo β Si assume che le sovrapressioni interstiziali che si generano durante la messa in opera del palo si siano dissipate al momento di applicazione del carico, e che pertanto τs possa essere valutata, con riferimento alle tensioni efficaci: ' τ s =σσ h tan δ = K σ ' ' v0 tan δ = β σ v0 dove: σ h è la tensione efficace orizzontale nel terreno a contatto con il palo, σ v0 è la tensione efficace verticale iniziale, prima della messa in opera del palo, Kèun coefficiente di spinta, rapporto fra σ h e σ v0, 0 tanδ è il coefficiente d attrito palo terreno. β=k tanδ. N.B. Se δ = (= ) ek=k0 =K0(NC) OCRα (no disturbo) Per terreni NC, 0.24 < β < /36

18 Per pali infissi in terreni coesivi NC: τs Formule statiche Per pali infissi in terreni coesivi OC: τs z z 0.25 < β < 0.4 βd(esign) = 0.3 Più cautelativi β >tan K0(NC) OCRα = βd 18/36

19 Per pali trivellati in terreni coesivi NC: Formule statiche Per pali trivellati in terreni coesivi OC: βd = 0.25 β <tan K0(NC) OCRα βd = /36

20 Formule statiche a.2) Determinazione di QP Il termine eqp per pali in terreno e coesivo contribuisce in maniera modesta (10% 20%) alla capacità portante totale, QLIM. Per la stima di QP si esegue un analisi in condizioni non drenate, in termini di tensioni totali: QP=A P (cu N +σ ) c v0,p qp = qlim per fondazione superficiale in condizioni non drenate in cui: AP è l area di base del palo, cu è la resistenza al taglio in condizioni non drenate del terreno alla profondità della base del palo, σv0,p è la tensione verticale totale alla punta, Nc =9è un fattore di capacità portante. N.B. Essendo AP σv0,p (=AP γt L) (AP γp L =) W QLIM +WP =QS +QP QLIM =QS +QP = p τ dz + 9c A s u p 0 L

21 Formule statiche b) Terreno incoerente Nel caso di pali in terreni incoerenti, e quindi di elevata permeabilità, l analisi è svolta sempre con riferimento alle condizioni drenate e quindi in termini di tensioni efficaci b1)d b.1) Determinazione i di QS Per la stima di QS si applica il metodo β. L QS=p τs dz=p 0 L 0 (K tan δ σ'v0dz Valori di K Tipo di palo per stato di addensamento Valori di tanδ sciolto denso Battuto profilato in acciaio tubo d acciaio chiuso cls. prefabbricato cls. gettato in opera tan20 = 0.36 tan(0.75φ ) tanφ trivellato tanφ trivellato-pressato con elica continua tanφ 21/36

22 Formule statiche N.B. L applicazione del metodo β per il calcolo delle tensioni tangenziali τs in terreno e sabbioso porta ad assumere e una crescita lineare e di τs con la tensione verticale efficace, e quindi con la profondità. In realtà, a causa di fenomeni d arco (effetto silo), σ h, e quindi anche τs, crescono meno che linearmente con la profondità e tendono a stabilizzarsi ad una profondità critica,zc (dipendente dal diametro del palo, d, e dallo stato di addensamento del terreno). Stato di addensamento Zc / d Sabbia molto sciolta 7 Sabbia sciolta 10 Sabbiamedia 14 Sabbia densa 16 Sabbia molto densa 20 22/36

23 Formule statiche b.2) Determinazione di QP ' Q P =A q =A σ N P P P v0,p q in cui: AP è lareadi l area base del palo, σ v0,p è la tensione verticale efficace alla punta, Nq è un fattore di capacità portante t (dipende dall angolo di resistenza al taglio del terreno alla profondità della base del palo e dal meccanismo di rottura ipotizzato.) N.B. i. Nq molto variabile, ad es.: = 35 Nq = ii. di difficile determinazione Cautelativamentea e si assume la curva di Berezantzev e d = picco 23/36

24 Formule statiche A differenza dei terreni coesivi, la capacità portante di punta QP nei terreni incoerenti, viene mobilitata interamente per deformazioni, e quindi cedimenti, elevate (in genere pari a 25% del diametro del palo). Siccome nella verifica agli SLE, si assume in genere come cedimento ammissibile il 6 10% del diametro del palo, sarà sufficiente assumere come carico di punta, nella verifica agli SLU, un carico inferiore a quello calcolato con riferimento alla condizione di rottura: È lecito assumere Nq* < Nq 24/36

25 FORMULE DINAMICHE Formule dinamiche Le formule dinamiche si basano sul principio che durante la messa in opera di pali battuti l energia lenergia necessaria per affondare il palo è correlata con la resistenza a rottura del sistema palo terreno. La capacità portante del palo si ottiene mediante un bilancio energetico, assumendo che il lavoro totale del maglio (lavoro motore, LM), diminuito del lavoro perduto per deformazioni e dissipato nell urto, Lp, siaparialprodotto della capacità portante per l abbassamento del palo, lavoro utile Lu: LM Lp =Lu dove: LM = ρ EM è il lavoro motore (ρ è un coefficiente di efficienza), EM =W h è l energia fornita da un colpo di maglio (W è il peso del maglio, h è l altezza di caduta libera del maglio) Lp è il lavoro dissipato nell urto (le numerose formule esistenti si differenziano per l espressione di Lp). Lu = Qlim δδ è il lavoro utile (Qlim è la capacità portante del palo, δ è il rifiuto, ovvero l abbassamento medio per un colpo di maglio) 25/36

26 Formule dinamiche IMP. Le formule dinamiche: sono applicabili ai soli pali battuti. sono poco attendibili per molti motivi (ad es. la resistenza all infissione del palo nonè affattoeguale alla capacità portante t del palo in condizioni i i statiche). ti Esistono molte formule dinamiche, le più note sono: la formula di Jambu (1953) la formula danese (1956) ρ E M Q LIM = Q LIM = δ k k =C λ= EM L A E δ C = λ C δ+ ρ E M ρ EM L 2 E A dove: L = lunghezza del palo 2 A = area della sezione del palo W P E = modulo di Young del palo W WP = peso del palo 26/36

27 Capacità portante da prove in sito CAPACITÀ PORTANTE DA PROVE IN SITO I risultati delle prove penetrometriche possono essere utilizzate per la stima dll della capacità iàportante di dei pali di fondazione sia in modo indiretto, ovvero per determinare i parametri geotecnici da utilizzare nelle formule statiche, sia in modo diretto: a partire dai risultati delle prove CPT a partire dai risultati delle prove SPT a) Prova CPT (qc, fs) La prova CPT, che consiste nell infissione a pressione nel terreno di un piccolo palo, può essere considerata come una prova di carico a rottura su un prototipo in scala ridotta del palo da progettare. d IPOTESI: pali infissi terreno sabbioso omogeneo L>Zc il volume di terreno coinvolto q =q nella rottura alla punta è P c funzione di d (Meyerhof, 1976) L z qc,(medio) qc 27/36

28 τ =f S s L d Capacità portante da prove in sito fs oppure: z τs =qc / 200 se qc 20 MPa τs =qc / 150 se qc 10 MPa oppure: (AGI, 1984) τs = α qc Stato di addensamento α Sabbia molto sciolta 0,020 Sabbia sciolta 0,015 Sabbia media 0,012 Sabbia densa 0,009 Sabbia molto densa 0,007 28/36

29 b) Prova SPT (NSPT ) Capacità portante da prove in sito d NSPT(medio) NSPT IPOTESI: pali infissi terreno incoerente (Meyerhof) qp (kpa) = 400 NSPT L per sabbie omogenee z qp (kpa) = 300 NSPT per limi non plastici d NSPT(medio) NSPT τs = 2NSPT < 100 kpa L z N.B. Per pali trivellati si possono assumere valori di qp ediτs paria1/3ea1/2di quelli corrispondenti ai pali battuti 29/36

30 Capacità portante da prove di carico CAPACITÀ PORTANTE DA PROVE DI CARICO La migliore delle stime possibili della capacità portante di un palo isolato è quella mediante prova di carico a rottura dove la capacità portante viene determinata sperimentale in maniera diretta su pali prototipo strumentati, identici a quelli di progetto. Esistono comunque incertezze legate: alla variabilità del terreno di fondazione all impossibilità di realizzare pali fra loro identici alla dipendenza del comportamento dalle modalità di applicazione del carico Le prove di carico sui pali di fondazione possono essere: di progetto : il palo può essere portato a rottura o comunque sottoposto ad un carico pari a tre volte il carico di esercizio (Qmax =3Qes), non appartiene alla fondazione, è appositamente t realizzato ed è spesso strumentato. di collaudo : il palo non può essere portato a rottura (Qmax = 1.5 Qes ) ma è comunque possibile estrapolare dalla curva carico cedimenticedimenti il valore della capacità portante, è già realizzato,appartiene alla fondazione, ed è scelto a caso. 30/36

31 Capacità portante da prove di carico Schema di carico Le più usuale modalità di esecuzione della prova è la seguente: applicazione del carico per incrementi ΔQ 0.25 Qe durata di applicazione di ciascun incremento di carico che dovrà risultare tale che la velocità di cedimento, v, sia: v 0.01 mm/20 per pali di piccolo diametro v 0.02 mm/20 per pali di medio diametro v 0.03 mm/20 per pali di grande diametro 31/36

32 Capacità portante da prove di carico Interpretazione dei risultati (Q,w) 1 Metodo convenzionale da prove di progetto: Q QLIM = Q(wlim) ) wlim = 0.1 D (pali battuti) wlim = 025D 0.25 (pali trivellati) 2 Metodo convenzionale da prove di progetto: QLIM = Q(2δ) Q(δ) = 0.9 QLIM si cerca d tale che: Q(δ) = 0.9 Q(2δ) QLIM = Q(2δ) w 32/36

33 Capacità portante da prove di carico 3 Metodo convenzionale da prove di progetto e di collaudo: Si adatta ai dati sperimentali la forma iperbolica: w Q = mediante regressione sul piano (w, w/q) m+n w e si calcola il valore limite: 0.9 Qlim = oppure: n w lim Q lim = wlim = 0.1 D (pali battuti) m+n w lim wlim = 0.25 D (pali trivellati) i) 33/36

34 Capacità portante di pali in gruppo CAPACITÀ PORTANTE DI PALI IN GRUPPO Molto spesso i pali di fondazione sono utilizzati in gruppo. La distanza minima fra i pali di un gruppo (interasse), i, non dovrebbe essere inferiore a tre volte il diametro, d. i 3 d A causa dell interazione fra i pali costituenti un gruppo, il comportamento di un palo del gruppo, sia in termini di rigidezza sia in termini di resistenza, non è eguale al comportamento del palo isolato. L interazione fra i pali del gruppo dipende: la distanza fra i pali, le modalità di messa in opera dei pali, la natura del terreno di fondazione, l entità dei carichi applicati, il tempo, ecc. 34/36

35 Capacità portante di pali in gruppo Si definisce efficienza del gruppo di pali il rapporto tra il carico limite del gruppo QLIM,G e la somma dei carichi limite dei singoli pali che lo compongono, QLIM,i: Q LIM,G E G = Q LIM Deve risultare EG 1 Tipo di palo i/d EG infisso < 6 > 1 (si assume = 1) trivellato < 6 0,67-1 qualsiasi > 6 1 a) Se la struttura di fondazione non interagisce con il terreno : EG = 1 per i > 8d Q LIM,G = Q LIM EG = altrimenti Q = ( Q LIM,G ) LIM 35/36

36 Capacità portante di pali in gruppo b) Se la struttura di fondazione interagisce coesivo saturo) : Q = min( Q LIM,G LIM B) con il terreno (nel caso di terreno dove QB Q è la capacità portante di un blocco avente altezza pari alla lunghezza dei pali e base delimitata dal perimetro del gruppo: Q B = B B L B ub c N c + 2 ( B B + L B ) L c um B B L N c = L B 12 B B 1.5 essendo: BB elb le dimensioni in pianta del blocco rettangolare equivalente, L l altezza del blocco pari alla lunghezza dei pali, cub e cum la resistenza al taglio non drenata rispettivamente alla profondità della base e media lungo il fusto dei pali. 36/36