Consolidamento delle fondazioni di rilevati stradali e ...Consolidamento delle fondazioni di...

RIVISTA ITALIANA DI GEOTECNICA 3/2010

Consolidamento delle fondazioni di rilevati stradali e ferroviari

Paolo Croce,* Giuseppe Modoni*

SommarioLa progettazione dei rilevati stradali e ferroviari su terreni cedevoli è fortemente condizionata dalla necessità di conte-

nere i cedimenti entro limiti accettabili. Questo problema è particolarmente avvertito nei tratti adiacenti le spalle dei via-dotti e nell’ampliamento di rilevati preesistenti. In alternativa alle tecniche tradizionali, mirate ad accelerare il decorso deicedimenti mediante dreni e/o precarichi, si è progressivamente affermata la pratica di consolidare i terreni con l’inseri-mento di rinforzi colonnari. Prendendo spunto da alcuni casi costruttivi, nella presente nota si passano in rassegna le di-verse tecnologie disponibili per questa particolare applicazione (pali, deep mixing, jet grouting, stone columns). Per cia-scuna tecnica si esaminano i metodi di analisi proposti per le verifiche progettuali, soffermandosi sull’interazione tra glielementi consolidati, il rilevato e il terreno circostante. Avvalendosi di un codice di calcolo numerico agli elementi finiti sipresenta infine un’analisi parametrica con l’obiettivo di confrontare l’efficacia delle diverse tipologie di rinforzo colonnare.

Parole chiave: rilevati, cedimenti, consolidamento, pali, jet grouting, deep mixing, stone columns.

1. Introduzione

La costruzione dei rilevati su terreni cedevolirappresenta un classico problema di ingegneriageotecnica sul quale si sono cimentate diverse gene-razioni di ricercatori. Le scadenti proprietà mecca-niche dei terreni di fondazione, unitamente ai cari-chi cospicui derivanti dal peso proprio del rilevatopossono infatti indurre fenomeni di instabilitàoppure dare luogo a cedimenti elevati e protrattinel tempo, in grado di compromettere la funziona-lità dell’opera.

La soluzione tecnica tradizionale prevede l’im-piego di dreni verticali, eventualmente combinatocon l’applicazione di un precarico, finalizzato ad ac-celerare la dissipazione delle sovrapressioni intersti-ziali e quindi il decorso dei cedimenti. Più recente-mente sono state proposte soluzioni alternative chemirano ad incrementare la rigidezza dei terreni difondazione mediante interventi di consolidamento.Quest’ultimo approccio progettuale prevede la rea-lizzazione di elementi cilindrici relativamente ri-gidi, costituiti da pali o da colonne consolidate, percontenere entro valori ammissibili l’entità dei cedi-menti. Il vantaggio dal punto di vista costruttivo ri-siede nella possibilità di realizzare il rilevato in unasola fase, senza scontare tempi di attesa eccessiva-mente lunghi per la posa in opera della pavimenta-zione stradale o dell’armamento ferroviario. Sitratta tuttavia di soluzioni economicamente onerose

e il loro impiego viene quindi limitato a situazioniparticolari.

Le applicazioni più frequenti riguardano i trattidi rilevato adiacenti alle spalle di ponti o viadotti(Fig. 1a) ed i rilevati di ampliamento della piatta-forma stradale (Fig. 1b), dove risulta indispensabilelimitare i cedimenti differenziali per non compro-mettere la funzionalità della sovrastruttura di tra-sporto.* Università degli Studi di Cassino

Fig. 1 – Tipici interventi di consolidamento delle fonda-zioni di rilevati stradali: a) rilevato adiacente alla spalla diun viadotto; b) ampliamento di un rilevato esistente [daHAN e GABR, 2002].Fig. 1 – Typical solutions for the reinforcement of road embankments foundations: a) viaduct abutment; b) enlargement of existing embankment [HAN and GABR, 2002].

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b)

31CONSOLIDAMENTO DELLE FONDAZIONI DI RILEVATI STRADALI E FERROVIARI

LUGLIO - SETTEMBRE 2010

Prendendo spunto da alcuni casi riportati in let-teratura, nella presente nota si descrivono alcunetra le soluzioni tecniche più frequentemente utiliz-zate per il consolidamento delle fondazioni di rile-vati stradali e ferroviari. Si passano quindi in rasse-gna i metodi di calcolo disponibili per il dimensio-namento e la verifica delle diverse soluzioni, soffer-mandosi sulle modalità con cui viene trattato il com-plesso problema dell’interazione tra gli elementiconsolidati, il terreno di fondazione e il rilevato so-vrastante. Si presenta infine un’analisi parametricacomparativa con l’obiettivo di valutare l’efficacia dialcune tra le più comuni tipologie di rinforzo colon-nare.

2. Tecniche di consolidamento

L’impiego di pali di fondazione per il sostegnodei rilevati stradali e ferroviari è ancora poco fre-quente in Italia, ma è largamente diffuso già da al-cuni decenni in altri paesi. Si segnalano, a questoproposito, alcuni casi di studio di particolare inte-resse che riguardano le prime applicazioni in Fin-landia [RATHMAYER, 1975] e in Gran Bretagna [REID

e BUCHANAN, 1983] e un più recente intervento ese-guito negli Stati Uniti [HOPPE e HITE, 2006]

Per questa applicazione si utilizzano general-mente pali battuti, al fine di migliorare la funzionedi trasferimento dei carichi agli strati più profondimediante un addensamento dei terreni circostanti.Ultimamente sono stati impiegati con successo an-che pali ad elica continua [RAITHEL et al., 2008], checoniugano eccellenti capacità portanti con una mag-giore rapidità di esecuzione.

Particolare attenzione è stata dedicata dai pro-gettisti di questi interventi alla ricerca di un sistemaottimale per trasmettere i carichi del rilevato allapalificata di fondazione (Fig. 2). La soluzione tec-nica più comune è rappresentata dall’inserimentosulla testa di ciascun palo di un dado di cemento ar-mato, a pianta quadrata o circolare (Fig. 2a); un ul-teriore rimedio, spesso associato a tale provvedi-mento, è costituito dall’inserimento di uno o piùstrati di geosintetici nei livelli inferiori del rilevato(Fig. 2b) [HAN e GABR, 2002]; si segnala infine uncaso relativo alla linea ferroviaria Beijing – Tianjinin Cina [RAITHEL et al., 2008] in cui è stata realizzatauna piastra continua in c.a. sulla testa dei pali(Fig. 2c).

La funzione meccanica di questi provvedimenticonsiste nel favorire la trasmissione dei carichi allatesta dei pali, con l’obiettivo di aumentare l’inte-rasse tra questi ultimi e ridurre la concentrazione disforzi tangenziali e di deformazioni distorsionali nelrilevato che potrebbero generare irregolarità delpiano stradale.

L’impiego di metodi di consolidamento alterna-tivi ai pali è più recente ma si sta rapidamente dif-fondendo con l’obiettivo di ridurre i costi degli in-terventi.

Ogni tecnologia è basata su una o più azioni ap-plicate nel sottosuolo (battitura, trivellazione, inie-zione, miscelazione, vibrazione, sostituzione, com-pattamento) ed è caratterizzata dall’introduzione divari materiali (boiacca o polvere di cemento/calce,

Fig. 2 – Provvedimenti per migliorare l’interazione tra ri-levato e testa dei pali: a) dadi di c.a. - HAN e GABR, 2002;b) geosintetici - HAN e GABR, 2002; c) piastra di c.a. -RAITHEL et al., 2008.Fig. 2 – Connections between embankment and piles caps: a) reinforced concrete caps - HAN and Gabr, 2002; b) geosynhtetic layers - HAN and GABR, 2002; c) reinforced concrete raft - RAITHEL et al. 2008.

a)

b)

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calcestruzzo, ghiaia, sabbia, geotessili). Ciascunatecnica di consolidamento determina quindi effettidiversi sul terreno circostante, in funzione delleproprietà di quest’ultimo e delle specifiche azioniapplicate, e conduce alla formazione di elementi dirinforzo dotati di particolari caratteristiche mecca-niche. La forma di tali elementi è approssimativa-mente cilindrica, più o meno regolare, e si puòquindi adoperare in generale il termine di “rinforzicolonnari”. Attualmente, le tecniche di consolida-mento più diffuse sono il deep mixing, il jet grou-ting e le stone columns, ciascuna di esse articolata innumerose varianti. Si evidenzia tuttavia che le inno-vazioni tecnologiche in questo settore si susseguonoa ritmo incalzante ed ogni tentativo di classifica-zione risulta inevitabilmente provvisorio e incom-pleto.

La tecnica del deep mixing consiste nella misce-lazione meccanica del terreno con calce e/o cementoattraverso l’azione di una trivella dotata di pale ro-tanti. Calce e cemento possono essere aggiunti inpolvere (dry mixing) o premiscelati con acqua (wetmixing). Il dry mixing è generalmente preferito perterreni limo-argillosi saturi, in virtù del loro elevatocontenuto d’acqua necessario per sviluppare le rea-zioni di presa del legante. Il diametro delle colonnedi deep mixing è pressoché costante e può quindiessere definito con precisione in fase di progetto. Leattrezzature attualmente disponibili consentono diottenere diametri compresi generalmente tra 400 e800 mm e di raggiungere profondità tipiche di 15m.

Le caratteristiche meccaniche del materialeconsolidato sono invece piuttosto variabili in quantodipendono da vari fattori tecnologici (geometriadelle pale rotanti, velocità di rotazione ed estra-zione, portata e pressione della polvere/miscela ce-mentante, ecc.), dalle caratteristiche fisico meccani-che dei terreni [LARSSON et al., 2005].

Un esempio di consolidamento mediante deepmixing (Fig. 3) concerne i rilevati di approccio aiviadotti dell’autostrada Fu-Xia, nella Cina meridio-nale [LIN e WONG, 1999].

In questo caso il sottosuolo era caratterizzato dauno strato di argilla soffice, dello spessore di circa20 m, sovrapposto a formazioni più consistenti. Lefondazioni dei viadotti erano state progettate su palie pertanto i cedimenti attesi sarebbero stati moltocontenuti a fronte di cedimenti stimati in progettoper i rilevati, in assenza di interventi, pari a circa300 mm. È stata quindi elaborata una soluzione diconsolidamento mediante colonne di deep mixing,del diametro di 500 mm, poste ad un interasse di1100 mm. L’impiego delle colonne consolidate èstato tuttavia limitato a un tratto della lunghezza dicirca 18 m, adiacente le spalle dei viadotti, mentreper il resto del rilevato è stata adottata una solu-

zione classica basata sull’inserimento di dreni verti-cali a nastro.

La tecnica del jet grouting consiste invecenell’iniezione di miscele fluide, proiettate ad alta ve-locità attraverso uno o più ugelli posti all’estremitàdi una batteria di aste metalliche cave. I getti fluidideterminano un complesso fenomeno di disgrega-zione, miscelazione e/o permeazione del terreno,seguito da una fase di presa e indurimento. Si pro-duce così un elemento di terreno cementato, diforma approssimativamente cilindrica, con diame-tro e proprietà che dipendono sia dai parametri diiniezione che dalle proprietà dei terreni [CROCE etal., 2004]. I procedimenti esecutivi attualmente inuso sono molto diversi ma possono essere classifi-cati, con qualche approssimazione, in tre categorieprincipali: monofluido, bifluido e trifluido. Nel si-stema monofluido la boiacca di cemento assolve allefunzioni di rimaneggiamento permeazione e ce-mentazione. Nel sistema bifluido, ciascun ugellopermette l’iniezione contemporanea di miscela ce-mentizia ed aria compressa, migliorando l’efficaciaerosiva dei getti. Si ottengono così generalmentediametri della colonna consolidata maggiori diquelli raggiungibili con il sistema monofluido. Il si-stema trifluido consente di incrementare ulterior-mente il raggio di trattamento, separando le azionidi disgregazione e di cementazione del terreno. Inparticolare, l’azione disgregante viene prodotta dagetti coassiali di acqua ed aria, proiettate attraversougelli simili a quelli del sistema bifluido. La boiacca,iniettata a minore velocità tramite un ugello posto aldi sotto dei precedenti, non svolge in questo casouna funzione disgregante ma si miscela con il ter-reno precedentemente rimaneggiato dai getti di ac-qua ed aria.

Il diametro delle colonne risulta generalmentevariabile lungo il fusto ed il suo valore medio può

Fig. 3 – Rilevato stradale fondato su colonne di deep mix-ing [da LIN e WONG, 1999].Fig. 3 – Road embankment foundation reinforced with deep mixing columns [from LIN and WONG, 1999].



essere stimato con metodi empirici [e.g. CROCE eFLORA, 2000] o analitici [MODONI et al., 2006]. Unesempio di consolidamento mediante jet grouting,riportato da ALZAMORA et al. [2000] concerne l’am-pliamento di una strada di grande comunicazionenei pressi di San Paolo in Brasile (Fig. 4). In questocaso, il terreno di fondazione era costituito da unostrato di terreno organico estremamente cedevole,dello spessore di 9 m, sovrapposto ad una forma-zione limo-argillosa di migliori caratteristiche. Lasoluzione adottata per limitare i cedimenti è statabasata sull’impiego di colonne consolidate di dia-metro nominale pari 1,20 m poste ad interasse di3,00 m. Il rilevato di ampliamento è stato intera-mente rinforzato con geogriglie.

Le stone columns sono colonne di sabbia e/oghiaia che assolvono la duplice funzione di irrigi-dire il terreno e di accelerare il fenomeno della con-solidazione grazie alla loro capacità drenante. Sonogeneralmente realizzate mediante una sonda vi-brante che penetra nel sottosuolo addensando il ter-reno circostante. Il foro è successivamente riempitodi ghiaia o di sabbia che viene a sua volta addensatadalla medesima sonda vibrante. Se il foro prodottodalla sonda rimane stabile per un tempo sufficiente,è possibile immettere il materiale granularedall’alto (top feed); in caso contrario, è necessario im-mettere il materiale drenante dalla punta dellasonda, prima di estrarla dal terreno (bottom feed). Ap-plicando le sonde vibranti in terreni poco consi-stenti è possibile raggiungere diametri dell’ordinedi 0,75 - 1,10 m e profondità dell’ordine di 25 m[MOSELEY e PRIEBE, 1993].

Un esempio di consolidamento mediante co-lonne di ghiaia, riportato da RAJU e HOFFMANN

[1996] concerne un rilevato ferroviario di terra rin-

forzata, dell’altezza di 6-8 m, realizzato nella Male-sia Settentrionale (Fig. 5). Il terreno di fondazioneera costituito da uno strato di materiale argillosoestremamente cedevole, dello spessore di 9 m, so-vrapposto ad una formazione di sabbie ben adden-sate. Le colonne consolidate, del diametro nomi-nale di 1,00 m, sono state realizzate mediante vibrosostituzione con riempimento dal basso (bottom feed).

Una diversa tecnica per la realizzazione dellestone columns, utilizzata nei paesi dell’Est europeoper il consolidamento delle fondazioni di rilevati[KWIECIE e S KOWSKI, 2008], consiste nel compatta-mento dinamico del materiale a grana grossa amezzo di un maglio di peso approssimativamentepari a 10 ton lasciato cadere da altezze massime di15 m. In funzione delle caratteristiche dei terreninaturali, è possibile raggiungere profondità mas-sime di 4-6 m.

Un’ulteriore variante delle stone columns è rap-presentata dalle colonne di sabbia rinforzate congeosintetici, denominate Geotextile-Encased Colu-mns (G.E.C). Questa tecnica consente di avvolgerela colonna di sabbia in una camicia di geotessile chene incrementa la rigidezza [DI PRISCO et al., 2006].Un’applicazione delle G.E.C. riportata da RAITHEL etal., [2004] concerne un rilevato arginale realizzatonei pressi di Amburgo, dove il terreno di fondazioneera costituito da uno strato di terreno argilloso dispessore compreso tra 8 e 14 m, sovrapposto amateriali relativamente consistenti. Il diametrodelle G.E.C. era di circa 0,80 m.

Un’altra applicazione delle sonde vibranti è co-stituita dalle Vibro Concrete Columns (V.C.C.), rea-lizzate pompando boiacca di cemento dalla puntadella sonda vibrante, durante la fase di risalita.Dopo le fasi di presa ed indurimento del cemento ilmateriale raggiunge caratteristiche meccanicheprossime a quelle del calcestruzzo. Si segnala inoltreche la boiacca ed il terreno circostante possono es-

Fig. 4 – Rilevato stradale fondato su colonne di jet grout-ing [da ALZAMORA et al. 2000].Fig. 4 – Road embankment foundation reinforced with jet grouting columns [from ALZAMORA et al. 2000].

Fig. 5 – Rilevato ferroviario fondato su stone columns [daRAJU e HOFFMANN, 1996].Fig. 5 – Railway embankment foundation reinforced with stone columns [RAJu and HOFFMANN, 1996].

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sere addensati in modo da realizzare dei bulbi, ge-neralmente alla punta e/o alla testa della colonna.In tal modo, è possibile incrementare la capacitàportante e migliorare la distribuzione dei carichi.Un’interessante applicazione delle V.C.C. (Fig. 6)concerne il consolidamento di un rilevato stradaleadiacente ad un ponte sul fiume Severn in GranBretagna [BELL et al., 1994].

Il rilevato, di altezza variabile tra 2,5 e 6 m, èstato realizzato su uno strato di terreni torbosi dispessore compreso tra 4,4 e 6,4 m, depositati al disopra di terreni sabbio-ghiaiosi mediamente adden-sati. Il consolidamento è stato ottenuto mediante larealizzazione di V.C.C. di lunghezza 6 m circa e dia-metro nominale 400 mm, intestate sullo strato sab-bio-ghiaioso. Le colonne sono dotate di due bulbiad entrambe le estremità ed, alla base del rilevato, èstata realizzata una piattaforma di ripartizione me-diante geogriglie.

3. Dimensionamento degli interventi

Il comportamento meccanico di una fondazionerinforzata con elementi colonnari è regolato dall’in-terazione tra rilevato, terreni naturali e colonne,ciascuno dei quali concorre con le proprie caratteri-stiche tenso-deformative. Inizialmente, si potrebberitenere che i carichi derivanti dal peso proprio delrilevato e da eventuali azioni esterne si ripartiscanosul piano di fondazione tra le teste degli elementi dirinforzo ed il terreno posto tra di essi in misura di-rettamente proporzionale alle rispettive aree ed allerigidezze relative.

Tuttavia la risposta meccanica delle colonne edel terreno è determinata, oltre che dalle caratteri-stiche iniziali di ciascuno degli elementi, anche dallaloro interazione alle diverse profondità. Quest’ul-tima, fortemente condizionata dalle modalità esecu-tive delle colonne, può modificare sensibilmente la

distribuzione reciproca dei carichi. Infatti, un le-game più serrato tra colonna e terreno, che si tra-duce in un aumento della rigidezza e della resistenzadell’interfaccia, determina un trasferimento di cari-chi dall’elemento più cedevole a quello più rigido.

Il trasferimento dei carichi dal rilevato ai diversielementi della fondazione può essere inoltre alte-rato variando le caratteristiche del materiale costi-tuente il rilevato con interventi di compattamento estabilizzazione o con l’interposizione tra rilevato ecolonne di elementi di collegamento, come ripor-tato in figura 2.

Il progetto di un sistema di rinforzi colonnariper la fondazione di un rilevato parte quindi dalladefinizione di una serie di caratteristiche, geometri-che e meccaniche, dalla cui combinazione dipendel’efficacia del provvedimento adottato. In pratica, ledimensioni di un rilevato stradale o ferroviario sononormalmente assegnate prima di scegliere l’even-tuale sistema di rinforzo della fondazione. Una ti-pica sezione trasversale è riportata nella figura 7araffigurante il classico rilevato di sagoma trapezoi-dale di altezza H, base inferiore B e superiore B’.

Con specifico riferimento alla fondazione, i pa-rametri geometrici da definire in sede di progettosono il diametro D, l’interasse I e la lunghezza Ldelle colonne, nonché la loro disposizione planime-trica. Per quanto riguarda quest’ultima, general-

Fig. 6 – Rilevato stradale fondato su colonne V.C.C. [daBELL et al., 1994].Fig. 6 – Road embankment foundation reinforced with V.C.C. columns [BELL et al., 1994].

Fig. 7 – Geometria di un tipico sistema di rinforzi colon-nari (a. sezione verticale; b. disposizioni planimetrichetriangolari e quadrate).Fig. 7 – Typical arrangements of a system of columnar reinforcement (a. cross section; b. plane view of triangular and square arrays).



mente si adotta una maglia triangolare o quadrata(Fig.7b) e si quantifica la presenza dei rinforzi me-diante il rapporto I/D, oppure mediante l’aliquotadi area della fondazione occupata dalle colonne (Ac/A), sussistendo tra le due grandezze la semplice re-lazione (Ac/A)=α*(D/I)2 (con α =0.907 nel caso dimaglia triangolare, α = 0.785 nel caso di magliaquadrata).

Per definire la lunghezza delle colonne occorrein primo luogo individuare e caratterizzare il vo-lume significativo della fondazione, intendendo conesso quella porzione di terreno che, per effetto dellacostruzione e dell’esercizio del rilevato, risulterà in-teressato da significativi sforzi o deformazioni.

Con riferimento a quest’ultimo aspetto si puòfare riferimento a due situazioni limite. La prima siottiene in presenza di terreni comprimibili di spes-sore relativamente modesto, sovrapposti a forma-zioni molto più rigide. In tal caso è possibile inte-stare i rinforzi nel substrato di base e la lunghezzadelle colonne risulterà dunque un parametro prefis-sato non rappresentando più una variabile di pro-getto. La condizione limite opposta si ottienequando non si incontrano terreni consistenti se nona profondità molto elevate. In questa seconda even-tualità, le colonne risultano sospese ed occorrequindi ricercare per esse una lunghezza ottimale intermini di rapporto tra costi e benefici.

La scelta di tutte le variabili geometriche nonpuò però essere compiuta prescindendo dalle carat-teristiche dei materiali che compongono i rinforzi,né dalle modifiche che il loro inserimento inducesulle proprietà tenso-deformative dei terreni circo-stanti. Come ricordato in precedenza sussiste, in-fatti, una notevole varietà di soluzioni tecniche daanalizzare singolarmente mediante un’attenta valu-tazione del comportamento meccanico della fonda-zione, considerata nel suo complesso e in ogni suosingolo elemento.

In particolare, le verifiche devono essere miratead accertare sia la stabilità del rilevato e della fonda-zione, sia l’ammissibilità dei cedimenti. A causadell’elevata compressibilità dei terreni, la soluzioneprescelta risulta spesso condizionata da quest’ultimaverifica. Purtroppo, una valutazione rigorosa del re-gime di sforzi nei diversi elementi del sistema e deicorrispondenti cedimenti non risulta agevole, inquanto occorre tenere conto della complessa intera-zione tra rilevato, rinforzi e terreno circostante.Inoltre, la forma cilindrica dei rinforzi colonnari ela loro disposizione planimetrica determinano unageometria tridimensionale, difficile da riprodurrecon gli strumenti di calcolo normalmente disponi-bili.

I metodi proposti in letteratura, generalmenteriferiti ad una specifica tecnica di consolidamento,possono essere schematicamente suddivisi nelle se-guenti categorie:

– metodi empirici– criteri di omogeneizzazione– metodi analitici– metodi numerici (BEM, FEM)

Tra i metodi empirici, una prima regola di largamassima è fornita da RATHMAYER [1975] relativa-mente ai rinforzi costituiti da pali. Basandosi sull’os-servazione di numerosi casi, l’autore suggerisce va-lori ottimali delle percentuali di area della fonda-zione da ricoprire con dadi prefabbricati di c.a. infunzione dell’altezza del rilevato (Tab. I). Ulterioriindicazioni, supportate da semplici considerazioniteoriche, sono state successivamente fornite dallanormativa britannica [British Standard Institution,1995].

Una classe specifica di metodi di analisi è basatasu criteri di omogeneizzazione mirati a ricavare lecaratteristiche di un mezzo continuo omogeneo,equivalente al terreno ed alle inclusioni colonnari[BALAAM e BOOKER, 1981; SCHWEIGER e PANDE, 1986;CANETTA e NOVA, 1989].

Un più recente criterio di omogeneizzazioneutilizzato per colonne di ghiaia è stato presentato daHAn e YE [2001] per studiare il fenomeno della con-solidazione. Il metodo consiste in una modificadella teoria di BARRON [1947] definita per strati diterreno provvisti di dreni verticali. In particolare,ipotizzando deformazioni verticali identiche per lacolonna ed il terreno circostante, gli autori calco-lano valori dei coefficienti di consolidazione radialee verticale incrementati per effetto della maggiorerigidezza delle colonne ed impiegano tali valori perstimare il decorso temporale dei cedimenti.

Anche se la derivazione teorica delle leggi diequivalenza può risultare abbastanza complessa,l’applicazione di questi metodi presenta una note-vole praticità. Occorre però considerare che l’omo-geneizzazione della fondazione non consente di va-lutare la distribuzione eterogenea degli sforzi tra-

Tab. I – Raccomandazioni per il dimensionamento deidadi da porre sulla testa dei pali nelle fondazioni di rile-vati [RATHMAYER, 1975].Tab. I – Guidelines for the design of necessary coverage by pile caps [RATHMAYER, 1975].

Altezza del rilevato (m)

Ricoprimento dell’area di fondazione (%)

Rilevato di rockfill Rilevato di ghiaia

1.5-2.0 50-70 >70

2.0-2.5 40-50 55-70

2.5-3.0 30-40 45-55

3.0-3.5 30-40 40-45

3.5-4.0 >30 >40

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smessi dal rilevato sovrastante ai rinforzi e al ter-reno circostante.

Una soluzione analitica che tiene conto di taleeterogeneità, limitatamente al dimensionamento diun sistema di colonne di ghiaia, è sintetizzata dagliabachi di PRIEBE [1988] (Fig. 8). Essi esprimono ilfattore di miglioramento della fondazione (ovvero ilrapporto tra i cedimenti della fondazione in assenzaed in presenza di rinforzi) al variare della percen-tuale di area di impronta trattata e dell’angolo di at-trito della ghiaia costituente le colonne. Tale risul-tato è il frutto di un’analisi svolta su una geometriaassialsimmetrica, nell’ipotesi di colonna incompri-mibile fondata su un substrato rigido.

Un metodo analogo è stato recentemente pre-sentato da CHEN et al. [2007] per le fondazioni rin-forzate con pali. Gli autori ipotizzano che le defor-mazioni dei pali e del terreno avvengano in regimemonodimensionale e che gli sforzi tangenziali trapalo e terreno crescano linearmente in funzione de-gli spostamenti relativi. Sulla base di queste ipotesi,essi ricavano un metodo per la stima degli sforzi edei cedimenti delle diverse componenti della fonda-zione (Fig. 9). Si sottolinea peraltro che le soluzioniottenute con tale metodo risultano in buon accordocon i risultati di analisi numeriche agli elementi fi-niti.

Un approccio più rigoroso e completo per l’ana-lisi dei cedimenti di una fondazione rinforzata con

pali è stato recentemente proposto da POULOS

[2007]. L’autore combina diversi metodi di calcoloagli elementi di contorno (BEM) per simulare ilcomportamento di pali singoli caricati assialmente el’effetto di gruppo determinato dall’interazione trai pali ed il terreno circostante. Questa analisi è stataapplicata in forma parametrica su un sottosuolocampione per ricavare diagrammi di progetto utiliad un dimensionamento preliminare (es. Fig. 10).

Un’altra categoria di metodi per la previsionedel comportamento di fondazioni consolidate conrinforzi colonnari di tipo diverso è quella basatasull’impiego di codici di calcolo numerico agli ele-menti finiti. RUSSEL e PERPOINT [1997], KEMPTON et al.[1998] e HSI [2001] utilizzano tale approccio per lostudio di fondazioni di rilevati rinforzate con pali.Tale strumento di calcolo risulta più versatile deiprecedenti poiché consente di modellare le caratte-ristiche dei diversi materiali senza introdurre ipo-tesi eccessivamente semplificative.

Quest’ultimo approccio è stato adottato da HAN

e GABR [2002] per simulare l’effetto arco generatoall’interno del rilevato dalla differente rigidezza deipali e del terreno tra di essi interposto, e per valu-tare la concentrazione dei carichi sulla testa dei palie la riduzione dei cedimenti prodotti dall’inseri-mento di una maglia di geosintetici negli strati infe-riori del rilevato.

Fig. 8 – Abaco per il dimensionamento delle fondazioni rinforzate con colonne di ghiaia [da PRIEBE, 1988].Fig. 8 – Design chart for foundation reinforced with stone columns [from PRIEBE, 1988].



Lo studio è stato condotto su un singolo ele-mento della fondazione adottando uno schema dicalcolo assialsimmetrico, centrato sull’asse del paloe comprendente il terreno circostante ed il rilevatofino all’interasse tra due pali. Un analogo schemageometrico è stato adoperato da RAITHEL e KEMPFERT

[2000] per definire un metodo di calcolo dei cedi-menti di fondazioni consolidate con colonne di sab-bia rivestite con geosintetici (G.E.C.) e da PLOMTEUX

e SPAULDING [2003] per analizzare i cedimenti di unafondazione consolidata con pali ad elica continua.

4. Confronto tra le diverse tecniche di consolidamento

Si osserva che ciascuna delle analisi precedente-mente richiamate si riferisce ad una ben precisa tec-nica di consolidamento. In questo studio ci si è pro-posti invece di analizzare il problema in termini piùgenerali, confrontando tra loro diverse tecniche diconsolidamento. Per semplificare l’analisi si è fattoriferimento a tre categorie di rinforzo colonnare:a) Colonne di calcestruzzo (es. Pali, Vibro Con-

crete Columns);b) Colonne di terreno cementato (es. Jet Grouting,

Deep Mixing);c) Colonne di ghiaia (es. Stone columns, G.E.C.)

Nell’intento di valutare sistematicamente l’in-fluenza dei fattori geometrici e meccanici che carat-

Fig. 9 – Cedimenti calcolati a diversi livelli in un rilevato rinforzato con pali: a) sospesi; b) attestati su sottofondo rigido [daCHEN et al., 2007].Fig. 9 – Settlement profiles at different elevations in an embankment reinforced with piles: a) pile toe in soft soil; b) pile toe in firm soil [from CHEN et al., 2007].

Fig. 10 – Abachi per il calcolo dei cedimenti di rilevati didiversa altezza rinforzati con pali infissi (∅ 300 mm) di di-versa lunghezza ed interasse [da POULOS, 2007].Fig. 10 – Settlement charts of different height embankments reinforced with precast piles (∅ 300 mm) having different length and axes span [da POULOS, 2007].

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terizzano i diversi sistemi di rinforzo, ci si è avvalsidi un programma di calcolo agli elementi finiti[BRINKGREVE e VERMEER, 2000] adoperato per simu-lare la risposta del complesso rilevato – rinforzi –terreno. Le analisi sono state svolte variando para-metricamente i dati relativi alle diverse categorie dirinforzi, considerando le caratteristiche dei terreninaturali e dei materiali costituenti il rilevato comeun dato prefissato. A questo proposito si è preso a ri-ferimento il caso campione di un rilevato realizzatonei pressi di Firenze su un banco di terreni coesividebolmente sovraconsolidati che rappresenta unacondizione abbastanza frequente delle pianure allu-vionali presenti nel territorio italiano. Tale sceltascaturisce dal fatto che la costruzione del rilevato èstata oggetto di un approfondito monitoraggio edalla disponibilità di una grande mole di dati speri-mentali riguardanti i terreni di fondazione e i mate-riali impiegati nella costruzione.

Per lo studio della fondazione rinforzata si èconsiderato il singolo rinforzo colonnare, valutandoseparatamente l’influenza delle sue caratteristiche(lunghezza, interasse, rigidezza, interfaccia con ilterreno) con uno schema di calcolo assialsimmetricoanalogo a quello proposto da altri autori. Tale cal-colo, rappresentativo di rilevati di notevole esten-sione planimetrica, è stato condotto sia per il caso dicolonne sospese sia per il caso di colonne attestatesu un substrato roccioso.

Caratterizzazione dei terreni di fondazione

La campagna sperimentale per la caratterizza-zione geotecnica dei terreni di fondazione, pro-tratta su un’area di estensione pari a diversi chilo-metri quadrati, ha compreso numerosi sondaggi acarotaggio continuo e prove penetrometriche(CPT), oltre ad un gran numero di prove di labora-torio (analisi granulometriche, determinazione deilimiti di consistenza e del contenuto naturale d’ac-qua, prove edometriche, triassiali e di taglio di-retto). La notevole ripetitività dei risultati osservatilungo le diverse verticali ha mostrato che il terrenodi fondazione è costituito da un banco, omogeneofino alla profondità di circa 30 m, costituito da ar-gille limose di origine alluvionale e posto su un sub-strato di terreni ghiaiosi. Il pelo libero della falda, lacui posizione è stata indagata con misure piezome-triche in un arco temporale di circa due anni, si col-loca in prossimità del piano campagna eviden-ziando escursioni di pochi decimetri.

Il grado di sovraconsolidazione dei terreni, sti-mato da prove edometriche su campioni estratti adiverse profondità, evidenzia un andamento decre-scente con la profondità (Fig. 11) tipico dei depositialluvionali recenti interessati da escursioni stagio-nali della falda.

Per la caratterizzazione meccanica si sono inparticolare impiegati i risultati di due prove edome-triche e di tre prove triassiali (consolidate-drenate),eseguite su campioni indisturbati prelevati in pros-simità del rilevato di prova.

Il terreno è stato schematizzato con un modelloelasto-plastico incrudente a doppia superficie disnervamento, [SCHANZ, 1998], disponibile nel sof-tware di calcolo numerico adottato [BRINKGREVE eVERMEER, 2000], i cui parametri (riportati in Tab. II)sono stati determinati in modo da ottenere la mi-gliore simulazione numerica delle prove di labora-torio (Fig. 12).

Analisi della colonna singola

L’effetto di miglioramento delle caratteristichedei terreni di fondazione determinato dalla pre-senza dei rinforzi colonnari è stato studiato con rife-rimento ad una cella unitaria (Fig. 7b), ovvero pren-dendo in esame un cilindro, coassiale con la colonnaconsolidata, di diametro pari all’interasse (I) tra due

Tab. II – Parametri del modello costitutivo per i terreni difondazione.Tab. II – Parameters of the constitutive model for the subsoil.

γsat

(kN/m3)γunsat

(kN/m3)c’

(kPa)φ’(°)

y(×)

K (m/s)

21 16 30 19 1 6.15 10-11

Eref50

(kPa)Eref

ed

(kPa)Eref

ur

(kPa)m νur

p’ref

(kPa)

9796 5578 30080 0.85 0.3 100

Fig. 11 – Andamento del grado di sovraconsolidazione deiterreni di fondazione con la profondità.Fig. 11 – Overconsolidation ratio profile of the subsoil.



colonne contigue. Sulla testa di questo elementocomposito, formato dalla colonna e dal terreno cir-costante, si è immaginato di impostare un rilevatodi altezza H prefissata e si è quindi svolta l’analisinumerica in ipotesi di simmetria assiale (Fig. 14a).

Nel calcolo si sono assegnate al terreno circo-stante la colonna le proprietà stimate nel caso pre-cedentemente descritto e si è schematizzato il mate-riale costituente il rilevato con un modello elasticolineare perfettamente plastico, le cui caratteristichesono state assegnate sulla base dei risultati speri-mentali ricavati in laboratorio per il rilevato diprova.

L’analisi è stata svolta immaginando di disporrerinforzi colonnari di lunghezze ed interassi variabiliparametricamente e di diametro D pari a 0.60 m, ri-tenendo quest’ultimo un valore mediamente otteni-bile con tutte le metodologie di consolidamento.Con riferimento al comportamento tenso-deforma-tivi del materiale che compone i rinforzi si è ipotiz-zata una risposta elastico lineare perfettamente pla-stica e si sono assegnate le seguenti tre combina-zioni di parametri, rappresentative rispettivamentedelle colonne di calcestruzzo (A), di terreno cemen-tato (B) e di ghiaia (C).

Due aspetti fondamentali ai fini dei risultatidelle simulazioni sono costituiti dalle modifiche in-dotte sul terreno di fondazione dalla realizzazionedelle colonne e dalle caratteristiche dell’interfacciacolonna-terreno, entrambi fortemente condizionatidalle tecnologie esecutive dei rinforzi. A causa dellanotevole varietà di tecniche disponibili, la quantifi-cazione di questi fattori sfugge a qualsiasi criteriounificatore e dovrebbe essere quindi effettuata sullascorta di indicazioni di letteratura o, preferibil-mente, di indagini sperimentali riferite specificata-mente alla tecnologia in esame. Nel presente studioci si è riferiti a tre particolari tipologie di rinforzi,rappresentativi rispettivamente delle colonne A, B eC di tabella III:– pali battuti;– colonne di jet grouting;

Fig. 12 – Calibrazione del modello costitutivo dei terrenidi fondazione mediante analisi a ritroso di prove triassialilente a diversa tensione di confinamento a) ed edometri-che b).Fig. 12 – Calibration of the subsoil constitutive model by back analysis of drained triaxial tests a) and oedometer tests b).

a)

b)

Tab. III – Caratteristiche meccaniche delle colonne.Tab. III – Mechanical properties of columns.

ColonneA

CalcestruzzoB

Terreno cementatoC

Ghiaia

γ (kN/m3) 25 20 20

E (MPa) 1.5*104 1.5*103 1.5*102

ν 0.2 0.2 0.15

c (kPa) 1.25*104 1500 0

φ (°) 0 0 42

ψ (°) 0 0 0

k (m/s) - - 0.01

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– stone columns.Per queste tipologie sono infatti disponibili in

letteratura alcune indicazioni sulle variazioni dellecaratteristiche meccaniche. In particolare, l’analisidi dati sperimentali [VAN WEELE, 1988; PEIFFER andVAN IMPE, 1993; VIGGIANI, 1993] mostra che le modi-fiche prodotte nel terreno circostante dall’inseri-mento di pali battuti si possono quantificare in in-crementi dei moduli di rigidezza tangenziale fino araggiungere valori tripli rispetto a quelli del terrenooriginario.

Tali effetti sono massimi in prossimità della co-lonna e si attenuano fino ad una distanza dall’assevariabile tra 3 e 5 volte il raggio del palo, oltre laquale si ritrovano le caratteristiche del terreno indi-sturbato. Per simulare mediamente questo effetto siè introdotto un elemento cilindrico di transizionetra palo e terreno, avente raggio esterno pari a 3volte il raggio della colonna. In tale porzione di ter-reno si sono applicati moduli di rigidezza e caratte-ristiche di resistenza (c’ e tanφ’) incrementati del 75% rispetto a quelli originari (Fig. 13).

Per le colonne di terreno cementato (es. jetgrouting), è lecito supporre che la tecnica esecutivanon produca sostanziali modifiche delle proprietàtenso-deformative del terreno circostante, sebbeneuna consolidazione dei terreni circostanti siapossibile a seguito delle reazioni esotermiche dipresa ed indurimento del cemento. D’altro canto laforma irregolare delle colonne di jet groutingdetermina un buona interconnessione tra lacolonna e il terreno circostante. Nella presenteanalisi si è quindi operata una semplice sostituzionedel terreno originario con il materiale cementato,senza introdurre modifiche al terreno circostante oelementi di interfaccia che simulino un’adesioneridotta tra colonna e terreno. Tale ipotesi trovaconferma nel confronto dei risultati di prove

dilatometriche eseguite sul terreno indisturbato eda ridosso delle colonne da BZÒWKA e PIECZYRAK

[2008].Per le colonne di ghiaia KIRSCH [2006] rileva in-

vece che i miglioramenti delle caratteristiche mec-caniche dei terreni circostanti si estendono fino a di-stanze dall’asse comprese tra 4 a 12 volte il raggiodelle colonne.

Tali effetti riguardano sia i coefficienti di spinta,che subiscono aumenti variabili tra il 10 e il 70%, siai moduli di rigidezza valutati con pressiometro Me-nard, che crescono di aliquote variabili tra 0 e 100%del valore originario (Fig.13). Nella presente simu-lazione numerica si è introdotta una zona di transi-zione di raggio esterno pari a 5 volte quello della co-lonna, a cui sono stati attribuiti moduli di rigidezzae caratteristiche di resistenza incrementate del 75%rispetto al valore che compete ai terreni indistur-bati.

Un’analisi parametrica è stata inizialmentesvolta considerando rilevati di differente altezza (ri-spettivamente 2.5, 5.0 e 7.5 m) fondati su pali bat-tuti in calcestruzzo, attribuendo a queste ultime lun-ghezze ed interassi variabili (Fig. 14).

Si sono in particolare considerati due diversicasi, quello di colonne poggianti direttamente su unsottofondo rigido e quello di colonne sospese all’in-terno di un banco di profondità pari a 30 m(Fig.14). In entrambi i casi l’efficacia dei rinforzi èstata valutata considerando il fattore di riduzionedei cedimenti (FR), dato dal rapporto tra l’abbassa-mento omogeneo del piano di fondazione nel casodi terreno privo di rinforzi e l’abbassamento sul me-desimo piano della fondazione rinforzata calcolatonella mezzeria tra le colonne. Entrambi i cedimentisono calcolati al termine dei processi di consolida-zione (t=∞).

Nella figura 14b si è evidenziata l’importanzadei fattori geometrici del consolidamento. In primoluogo emerge la notevole differenza tra la riduzionedei cedimenti prodotta dai pali attestati sul sotto-fondo rigido (diagrammi riportati nel quadrante disinistra) e da quelli sospesi (diagrammi riportati nelquadrante di destra). Infatti, mentre i primi trasfe-riscono i carichi prevalentemente al sottofondo in-deformabile, lasciando che una modesta aliquota at-traversi i terreni circostanti, i cedimenti delle co-lonne sospese risentono fortemente della compres-sione degli strati sottostanti.

Questi differenti meccanismi sono anche re-sponsabili della diversa dipendenza del fattore FRdal rapporto I/D, molto evidente per pali attestati susottofondo rigido, trascurabile per pali sospesi. Valela pena infine rilevare come i fattori di riduzionecalcolati risultino poco sensibili alle variazioni di al-tezza del rilevato, tutto ciò a vantaggio di una gene-ralizzazione dei risultati ottenuti.

Fig. 13 – Incrementi di rigidezza (indicata con K) indottidall’esecuzione delle colonne sui terreni circostanti.Fig. 13 – Increase of stiffness (symbolised with K) induced on the surrounding soil by the inclusion of reinforcement.



Nella figura 15 si mostra l’effetto dell’interposi-zione di un elemento rigido di collegamento tra la

testa della colonna ed il rilevato sovrastante. Nelcaso particolare si è considerato un dado cilindricodi altezza pari a 0.5 m, avente diametro pari a trevolte quello della colonna. Si sono quindi confron-tati i fattori di riduzione dei cedimenti prodotti dapali posti ad interasse I=5*D e dotati di dado in te-sta, con quelli prodotti da pali privi di tale elementoe disposti ad interassi variabili.

Il calcolo è stato eseguito nel caso di pali atte-stati su sottofondo rigido e per un’altezza del rile-vato pari a 7.5 m. Il confronto mostra l’evidente be-neficio di tale provvedimento, sostanzialmenteequivalente ad una riduzione dell’interasse tra ipali. Infatti, la similitudine dei valori di FR conquelli ottenuti per pali posti con I/D=3 a contattodiretto con il rilevato, mostra che l’interposizionedel dado consente di ridurre all’incirca del 60% ilnumero complessivo di pali nella fondazione.

Per trovare un’interpretazione meccanica diquesti risultati ci si può soffermare sui meccanismidi trasmissione degli sforzi tra palo e terreno circo-

Fig. 14 – Schema di calcolo dei cedimenti (a) e riduzione dei cedimenti al piano di fondazione (b) (nel quadrante di sinistrasono riportati i risultati per pali attestati su sottofondo rigido, nel quadrante di destra i risultati ottenuti per pali sospesi).Fig. 14 – Layout adopted for settlement calculations (a) and settlement reduction at the foundation level (b) (the left plot is referred to piles based on stiff layer, the right plot is referred to floating piles).

a)

b)

Fig. 15 – Riduzione dei cedimenti della fondazione rin-forzata con pali poggianti su substrato rigido (H=7.5 m).Fig. 15 – Settlement reduction computed for different pile length resting on a rigid base (H=7.5 m).

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stante, mostrati indirettamente dalla distribuzionedegli sforzi assiali lungo il fusto del palo.

Nella figura 16 si riportano gli andamenti, cal-colati lungo l’asse del palo, dei rapporti tra gli sforziassiali nel palo ed il peso del rilevato sovrastante.

Tale grandezza rappresenta l’aliquota di caricoassorbita alla generica profondità dal palo. Da que-sta analisi, effettuata imponendo altezza del rilevatoH = 7.5 m nei due casi di pali poggianti su substratorigido e pali sospesi, emerge in maniera evidenteche, indipendentemente dalla loro lunghezza, i palidisposti con interassi modesti (I/D=2) assorbonotutto il sovraccarico (in parte dalla testa, in parte da-gli sforzi tangenziali all’interfaccia con gli strati piùsuperficiali del terreno circostante), lasciandoun’ampia porzione del terreno circostante total-mente scarica.

Viceversa, i pali disposti ad interasse maggiori(I/D=5) assorbono un’aliquota minore del carico di-rettamente dal rilevato e, sebbene il trasferimentodel carico dal terreno al palo mediante tensioni tan-genziali all’interfaccia si protragga fino a maggioriprofondità, permane sempre un’aliquota significa-tiva del peso del rilevato che si trasmette nel terrenocircostante senza interessare la colonna. Si osserva,infine, che la presenza del dado di collegamentocontribuisce a trasferire un’aliquota maggiore delpeso del rilevato direttamente sulla testa dai pali,

scaricando in tal modo il terreno circostante e ridu-cendone la compressione. Quest’ultimo risultato la-scia intravedere le potenzialità di un controllo piùaccurato delle caratteristiche tenso-deformative deimateriali disposti all’interno del rilevato e dell’uti-lizzo di elementi di rinforzo [HAN e GABR, 2002].

L’ultimo aspetto analizzato riguarda il con-fronto tra le diverse tipologie di rinforzo. L’analisicomparativa (Fig. 17) è svolta valutando i fattori diriduzione del cedimento per colonne del tipo A, B eC (Tab. III), di diversa lunghezza ed interasse, pog-gianti su sottofondo rigido. Dalla figura emergechiaramente il ruolo delle proprietà tenso-deforma-tive dei materiali che compongono i rinforzi ri-spetto al miglioramento conferito alle proprietà delterreno circostante. Infatti, sebbene gli effetti dellarealizzazione di colonne di ghiaia considerati nelcalcolo siano estesi ad una porzione maggiore delterreno circostante, i cedimenti delle fondazionirinforzate con queste ultime risultano maggiori diquelli che si ottengono con colonne di jet grouting,per le quali non si è considerata alcuna modificadelle proprietà dei terreni naturali.

In tale ottica, la tecnica più efficace risulta quelladei pali battuti che, in virtù dei moduli di rigidezzamaggiori del calcestruzzo, consente di diminuire si-gnificativamente i cedimenti anche con interassinon particolarmente ridotti.

Le colonne di jet grouting, che presentano rigi-dezze più contenute, possono risultare talora conve-nienti a patto di non aumentare troppo gli interassi.Infine, la minore rigidezza delle colonne di ghiaiasembrerebbe rendere queste ultime meno attraentirispetto alle due categorie di rinforzo precedente-

Fig. 16 – Distribuzione degli sforzi assiali per pali battutidi diversa lunghezza ed interasse (H=7.5 m) attestate susottofondo rigido (sinistra) e sospese (destra).Fig. 16 – Axial force distribution on displacement piles of different length and axes span (H=7.5 m) based on stiff layer (left plot) and suspended (right plot).

Fig. 17 – Efficacia dei diversi rinforzi colonnari (H=7.5 m).Fig. 17 – Effectiveness of different columnar reinforcement (H=7.5 m).



mente analizzate. Prima di giungere a conclusionidefinitive, si deve però tenere presente che sonopossibili provvedimenti, (es. aggiunta di miscele le-ganti o di elementi di rinforzo, es. DI PRISCO et al.,2006) atti ad incrementare la rigidezza delle co-lonne di ghiaia. Non si deve inoltre prescindere dalconsiderare il tempo con cui si sviluppano i cedi-menti, che rappresenta in molti casi un fattore deci-sivo, e che si riduce considerevolmente grazieall’azione drenante delle colonne di ghiaia.

5. Conclusioni

L’analisi della letteratura ha evidenziato che lapratica del consolidamento mediante rinforzi co-lonnari è ampiamente diffusa in diversi paesi, comemetodo alternativo o integrativo ai dreni verticali edal precarico, per la riduzione dei cedimenti di rile-vati stradali e ferroviari. Tali interventi si applicanonormalmente su tratti limitati, per ovvi motivi di co-sto, soprattutto in adiacenza alle spalle dei viadottie per l’ampliamento di rilevati preesistenti.

Per molti anni si è fatto ricorso esclusivamenteai pali battuti ma i metodi di consolidamento alter-nativi ai pali si stanno rapidamente diffondendocon l’obiettivo di ridurre i costi degli interventi. At-tualmente, le tecniche di consolidamento più dif-fuse sono il deep mixing, il jet grouting e le stonecolumns, ciascuna di esse caratterizzata da nume-rose varianti. Le innovazioni tecniche in questo set-tore si susseguono per altro a ritmo incalzante equindi ogni tentativo di classificazione risulta inevi-tabilmente provvisorio ed incompleto.

Ogni tecnologia costruttiva è basata su una o piùazioni applicate nel sottosuolo (battitura, trivella-zione, iniezione, miscelazione, vibrazione, sostitu-zione, compattamento) ed è caratterizzata dall’in-troduzione di vari materiali (boiacca o polvere di ce-mento/calce, calcestruzzo, ghiaia, sabbia, geotessili).Ciascuna tecnica di consolidamento determina ef-fetti diversi sul terreno circostante, in funzione delleproprietà di quest’ultimo e delle specifiche azioniapplicate, e conduce alla formazione di elementi dirinforzo dotati di particolari caratteristiche mecca-niche. A causa della notevole varietà di tecniche di-sponibili, la quantificazione di questi fattori do-vrebbe quindi essere effettuata sulla scorta di inda-gini sperimentali riferite alla specifica tecnologia inesame. Un altro elemento di complessità è rappre-sentato dalle diverse soluzioni elaborate per otti-mizzare l’interazione tra il rilevato ed i rinforzi co-lonnari, tipicamente dadi o piastre di calcestruzzo estrati di geosintetici.

Si tratta dunque di un problema meccanico al-quanto complesso, caratterizzato da molteplici va-riabili, e non sembra quindi possibile elaborare me-todi di progetto di validità generale. I diversi me-

todi attualmente disponibili per il dimensiona-mento dei rinforzi colonnari sono infatti riferiti asoluzioni e tecniche particolari.

Nonostante tali limitazioni, è stata presentataun’analisi che, pur essendo riferita ad un caso speci-fico, fornisce alcune utili indicazioni di tipo compa-rativo. I risultati più significativi di tale analisi sem-brano i seguenti.

L’efficacia dell’intervento di consolidamento èmolto evidente quando è possibile intestare i rin-forzi colonnari in una formazione relativamente ri-gida. Si evidenzia, per altro, che i casi applicativirintracciati sulla letteratura fanno riferimento aquesto tipo di profilo geotecnico. D’altra parte, leanalisi numeriche svolte indicano che le riduzionidei cedimenti ottenibili con colonne sospese sonorelativamente modeste. A questo proposito occorretuttavia considerare che maggiori benefici potreb-bero essere ottenuti in presenza di terreni più sca-denti negli strati superiori della fondazione.

L’ampliamento della testa delle colonne me-diante dadi di calcestruzzo o altri provvedimentiequivalenti, come ad esempio il bulbo superioredelle vibro concrete columns, ha un effetto moltopositivo in quanto consente di ottenere risultati con-frontabili con disposizioni planimetriche dei rin-forzi molto più fitte.

La rigidezza del materiale costituente i rinforzigioca un ruolo molto importante nella riduzione deicedimenti poiché da un lato riduce la deformazionedell’elemento colonnare, dall’altro favorisce il tra-sferimento dei carichi dal terreno circostante allacolonna.

Un altro aspetto importante da considerare è lapermeabilità dei rinforzi. A questo proposito vale lapena considerare infatti che l’impiego delle stonecolumns consente di ottenere un effetto combinatodi riduzione ed accelerazione dei cedimenti.

Si precisa infine che nelle analisi svolte ci si èlimitati a considerare i cedimenti sul piano difondazione senza tenere conto dell’influenza delle ca-ratteristiche tenso-deformative dei materiali che com-pongono il rilevato. Queste ultime, modificabili conoperazioni di compattamento e stabilizzazione o conl’inserimento di geosintetici di vario tipo, possono de-terminare significative variazioni del regime di sforziagenti nei diversi elementi della fondazione influen-zandone marcatamente la risposta complessiva.

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Foundation improvement for road and railway embankments

SummaryThe design of embankments on compressible soils is

strongly dictated by the need of containing settlements within allowable limits. This problem is even more relevant on the abutments of viaducts and for the enlargement of previously existing embankments. In recent times foundation reinforcement by means of columnar inclusions has been progressively applied in practice as an alternative to the adoption of drains and preloading. Starting from a number of examples retrieved from the literature, a variety of reinforcement techniques (piles, deep mixing, jet grouting, stone columns) is herein presented for such peculiar application. Calculation methods proposed for the design of these different techniques are discussed focusing on the interaction between columns, embankments and surrounding soil. A numerical FEM analysis is finally presented, where some of the most common techniques are applied to the reinforcement of a monitored embankment, with the aim of comparing their effectiveness in terms of settlement reduction.

Keywords: embankment, settlements, ground improvement, piles, jet grouting, deep mixing, stone columns

Consolidamento delle fondazioni di rilevati stradali e ...Consolidamento delle fondazioni di...

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