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UNIVERSITÀ DI FIRENZE

TECNICHE DI MIGLIORAMENTO DEI TERRENI

Corso di Geotecnica II Anno Accademico 2003-2004

⇒3. migliorare le caratteristiche dei terreni

2. abbandonare il sito e scegliere un altro sito di migliori caratteristiche geotecniche ⇒

Interventi sul terrenoprecarico

Alternative progettuali

assestimetri piezometri

ALTERNATIVE PROGETTUALI

Nella progettazione o nella verifica di un’opera (fondazione, rilevato, scavo, pendio, ecc.) l’ingegnere geotecnico può trovarsi di fronte a una inadeguatezza del terreno di fondazione a sopportare i carichi trasmessi dalle strutture, alla possibilità di cedimenti troppo elevati o all’evenienza (in particolari condizioni quali terremoti, frane, eventi piovosi, modificazioni climatiche, ecc.) di effetti incompatibili con l’equilibrio o con la funzionalità delle strutture

⇒ Nuovo progetto

1. ridurre i carichi della struttura e/o sul terreno

Altro sito

MIGLIORAMENTO DEI TERRENI

Obiettivi generali: modificare punto per punto nel senso desiderato le proprietà dei terreni (densità, permeabilità, deformabilità, resistenza a rottura, ecc.) in modo da prevenire o ridurre gli effetti temuti

Obiettivi specifici: • accrescere la capacità portante di un terreno

• controllare le deformazioni e accelerare i processi di consolidazione

• accrescere la stabilità dei pendii (naturali e artificiali) e degli scavi• controllare i moti di filtrazione

• accrescere la resistenza alla liquefazione

Prima dell’intervento Dopo l’intervento

Costruzione in progetto

drenaggi

Base rocciosa

Trincea drenante

Le motivazioni per cui oggi si deve sempre più ricorrere al miglioramento dei terreni sono essenzialmente legate a tre necessità:1. utilizzare aree marginali, siti inquinati e terreni di

caratteristiche scadenti per la costruzione di nuove opere e infrastrutture;

2. garantire la stabilità di strutture esistenti durante la costruzione di nuove opere e infrastrutture (scavi, gallerie, ecc.)

PERCHÉ MIGLIORARE I TERRENI ?

3. prevenire l’impatto di rischi naturali (terremoti, frane, alluvioni, vento, ecc.) e antropici (inquinamento, attività estrattive, ecc.)

Nelle zone sismiche gli scenari di crisi sono legati essenzialmente a:1) Liquefazione dei terreni incoerenti sciolti saturi

MIGLIORAMENTO DEI TERRENIIN CONDIZIONI SISMICHE

2) Densificazione dei terreni incoerenti sciolti asciutti

3) Cedimenti dei terreni coesivi molli4) Instabilità dei pendii

Movimenti franosiDensificazione

Liquefazione

Ipocentro

Crolli di roccia Subsidenza

Scorrimenti di faglia

galleria

5) Presenza di cavità e opere in sotterraneo

• I metodi di miglioramento dei terreni sono oggi numerosissimi

MIGLIORAMENTO DEI TERRENI SCELTA DEL METODO

• Alcuni sono ben consolidati , altri sono in fase di sperimentazione

• Possono essere usati da soli o in combinazione

• La scelta del metodo ottimale è molto complessa perché ogni metodo presenta vantaggi e svantaggi e i fattori da considerare sono molti

• Si devono infatti tenere presenti i seguenti fattori:

- il tipo di terreno e le sue proprietà iniziali- i fattori ambientali e climatici

- la disponibilità di materiali richiesti dal procedimento

- la disponibilità di personale e attrezzature specializzate



- i tempi- i costi

- l’importanza dell’opera e i requisiti richiesti per la soluzione del problema geotecnico (miglioramento della capacità portane, riduzione dei cedimenti, stabilizzazione di pendii, ecc. )

CRITERI DI CLASSIFICAZIONE

Le tecniche di miglioramento dei terreni possono essere classificate in base a diversi criteri:

1. Natura dei materiali

2. Natura del problema geotecnico

⇒ Rocce, terreni incoerenti grossolani e fini, terreni coesivi

⇒ Stabilità in condizioni statiche o dinamiche, bonifica da inquinamento, ecc.

3. Fattori costitutivi ⇒ Porosità, composizione mineralogica, fasi, ecc.

4. Procedimenti tecnologici ⇒ Principi, modalità e attrezzature

Nel seguito si distingueranno le tecniche di miglioramento sulla base dei procedimenti tecnologici ma verranno date indicazioni anche sugli altri aspetti

PROCEDIMENTI TECNOLOGICI

• I procedimenti tecnologici differiscono tra loro innanzitutto per il principio con cui avviene la modificazione delle proprietà fisico-meccaniche del terreno

• Si distinguono tre modalità principali:

1. apporto di energia attraverso l’applicazione di azioni meccaniche (dinamiche, statiche), elettriche, termiche

2. sostituzione integrale o parziale del terreno

Si inducono nel terreno processi di densificazione, di consolidazione, di filtrazione controllata, processi chimici, che in generale danno come risultato una modificazione della struttura del terreno

Si opera una bonifica del terreno o mediante asportazione dei materiali scadenti (o inquinati) o mediante eliminazione e sostituzione di una o più fasi

3. modificazione dello stato di sollecitazione internaSi introducono nel terreno elementi resistenti a trazione e a taglio oppure si opera un trasferimento dei carichi in zone a maggiore resistenza o ancora si crea uno stato artificiale di sollecitazione interna (precompressione)

PROCEDIMENTI TECNOLOGICI PER APPORTO DI ENERGIA

I metodi che modificano la struttura del terreno attraverso apporto di energia vengono raggruppati, in relazione al tipo di azioni applicate, in quattro categorie fondamentali Rullatura

EsplosioniVibroflottazionePali compattantiHeavy tamping

1. Metodi dinamici

2. Metodi statici Applicazione di sovraccarichiInstallazione di dreni

3. Metodi elettrici Consolidazione elettrosmoticaStabilizzazione elettrosmotica

4. Metodi termici CotturaCongelamento

Nei metodi dinamici e statici il fattore costitutivo del terreno su cui il trattamento agisce è la porosità, nei metodi elettrici e termici è la composizione mineralogica

METODI DINAMICIRULLATURA

Principio: densificazione del terreno per effetto delle vibrazioni

METODI DINAMICIRULLATURA

Profondità del trattamento: 1-3m

Attrezzatura di cantiere: rullatoriTerreni: terreni incoerenti

Costi: bassiTempi: variabili

METODI DINAMICIESPLOSIONI

Principio: densificazione del terreno per effetto delle vibrazioni indotte dalla detonazione di cariche esplosive in profondità; il rilascio immediato e violento di energia genera delle onde sismiche che producono la liquefazione del terreno a cui consegue una più stabile e addensata configurazione dell’aggregato granulare

Tubo PVC

Filo detonatore

0.00

- 5.00

- 10.00

(4.5 kg)

(5.5 kg)

8.00 m

Tubo in PVC

Riempimento con sabbia

esplosivo


Profondità del trattamento: ?Terreni: terreni incoerenti sciolti saturi sotto faldaAttrezzatura di cantiere: macchina perforatrice, tubazioni e detonatori

Costi: bassiMateriale necessario: dinamite, tritolo, ammonite

Tempi: molto rapidiSvantaggi: non è applicabile negli strati superficiali, è pericoloso, non può essere utilizzato in aree edificate


Interasse 7.5 m

1 serie

2 serie

3 serie

4 serie

METODI DINAMICIVIBROFLOTTAZIONE

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


Profondità del trattamento: 30m

Attrezzatura di cantiere: vibroflottatore

Terreni: terreni incoerenti sciolti saturi sotto falda con meno del 20% di fini

Costi: bassiMateriale necessario: materiale granulare

Tempi: molto rapidiSvantaggi: non è applicabile negli strati superficiali, è pericoloso, non può essere utilizzato in aree edificate

METODI DINAMICIHEAVY TAMPING

Principio: applicazione ripetuta di impatti alla superficie del deposito ottenuti mediante la percussione di una massa pesante lasciata cadere da diversi metri di altezza.Nei terreni non saturi il meccanismo di densificazione è simile a quello della prova Proctor; nei terreni granulari saturi provoca liquefazione

Altezza di caduta 7-40m

Massa 15-200 t

Profondità del trattamentoD= (0.65 ÷0.80) √ WH (m)

W = peso della massa in tH= altezza di caduta in m

La massa è costituita da un blocco di calcestruzzo oppure da una serie di piastre d’acciao imbullonate tra loro oppure da un guscio di acciaio riempito di calcestruzzo o di sabbia


Profondità del trattamento: 30mTerreni: terreni incoerenti sciolti anche con fini

Attrezzatura di cantiere: tamper di oltre 200 t

Materiale necessario: nessuno Costi: uguali a quelli della vibroflottazione; da moderati ad altiTempi: molto rapidi

Svantaggi: non è applicabile negli strati superficiali, è pericoloso, non può essere utilizzato in aree edificate

METODI DINAMICIPALI COMPATTANTI

Principio : densificazione per effetto delle vibrazioni e degli spostamenti laterali dovuti all’infissione del palo

Profondità del trattamento: 20m

Attrezzatura di cantiere: sistema di infissioneTerreni: terreni incoerenti sciolti saturi anche con fini

Materiale necessario: materiali di riempimento o calcestruzzo

Costi: da moderati ad alti

Tempi: medi

Vantaggi: si possono ottenere elevate densità

METODI STATICI

1. Applicazione di precarichi e sovraccarichi

2. Installazione di dreni

assestimetri piezometri

METODI STATICIApplicazione di precarichi e sovraccarichi

Principio: Il carico è applicato sufficientemente in anticipo rispetto alla costruzione dell’opera così che la consolidazione del terreno è terminata prima della realizzazione dell’opera

Terreni:argille soffici normalmente consolidate, limi, depositi organici, torbe, riempimenti artificialiAttrezzatura di cantiere: macchine per movimenti di terraMateriale necessario: materiali terrosi per il sovraccarico e materiali sabbiosi per i dreni

Costi: bassi (solo sovraccarico) e moderati (se combinato con i dreni)

Tempi: lunghi

Vantaggi: gli aspetti teorici del problema sono ben conosciuti e la stima dei tempi e dei cedimenti è affidabile

Svantaggi: tempi lunghi

METODI STATICIInstallazione di dreni

80 cm

Mandrino in geosintetico

dreno

Principio: accelerare la consolidazionesfruttando la permeabilità nella direzione orizzontale

geosintetico

• Dreni di sabbia

• Dreni sintetici

40 cm

METODI ELETTRICI

Principio: Viene applicata una differenza di potenziale tra anodo e catodo che provoca un processo di migrazione dell’acqua

Applicando una differenza di potenziale di 50-150 volt l’acqua di porosità migra dall’anodo al catodo con velocità di 30-45 cm/h.

L’acqua viene quindi allontanata per pompaggio

Attrezzatura di cantiere: macchine speciali

Terreni: argille soffici normalmente consolidate e limi

Costi: alti

Materiale necessario: nessuno

Tempi: rapidi

Svantaggi: il risultato del trattamento non è uniforme

Vantaggi: un notevole miglioramento della rigidezza e della resistenza del materiale trattato

METODI ELETTRICI

Profondità: 20m

METODI TERMICICONGELAMENTO

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

METODI TERMICICONGELAMENTO

Terreni: tutti

Profondità: alcuni metri

Attrezzatura di cantiere: sistema refrigerante

Materiale necessario: refrigerante

Costi: alti

Tempi: rapidi

Vantaggi: si mantiene intatta la struttura del terreno

Svantaggi: inapplicabile in terreni con acqua in circolazione; è un miglioramento temporaneo

METODI TERMICICOTTURA

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

METODI TERMICICOTTURA

Terreni: terreni fini, specialmente argille parzialmente sature e limi

Profondità: 15 m

Attrezzatura di cantiere: bruciatore

Materiale necessario: gas


Tempi: rapidi

Vantaggi: si ottengono aumenti di resistenza molto elevati e irreversibili

Svantaggi: possono essere trattati solo piccoli volumi dei terrno

PROCEDIMENTI TECNOLOGICI PER SOSTITUZIONE

1. Metodi che operano un’asportazione integraleGli interventi per sostituzione si distinguono in:

Applicazione: terreni organici, torbosi, liquefacibili, inquinati

2. Metodi che operano una sostituzione parziale attraverso:

Intasamenti e riempimenti

Iniezioni

Drenaggi La fase liquida viene sostituita da aria

La fase liquida viene sostituita da miscelesolidificanti

I vuoti vengono riempiti con materiali di varia granulometria, eventualmente intasati con miscele solidificanti

Applicazione: stabilizzazione di pendii, di fondazioni in roccia, cavità, terreni liquefacibili, ecc.


Principio: sostituire la fase liquida o areiforme con materiale solidificante

Si possono utilizzare:

Miscele chimiche

Argille

Cemento


Terreni: tutti

Profondità: anche elevate

Attrezzatura di cantiere: sistemi speciali

Materiale necessario: miscele, cemento, argille


Tempi: rapidi

Vantaggi: si ottengono aumenti di resistenza molto elevati

PROCEDIMENTI TECNOLOGICI CHE MODIFICANO LO STATO

DI SOLLECITAZIONE INTERNA

1. Metodi che introducono nel terreno elementi resistenti a trazione

chiodaturetirantature

2. Metodi che effettuano un trasferimento di carichi in zone a maggiore resistenza

ancoraggi

3. Metodi che creano uno stato artificiale di sollecitazione interna (precompressione)

Applicazione: rocce

MIGLIORAMENTO DEI TERRENI SCELTA DEL METODO

ghiaia sabbia limo argillaVIBROCOMPATTAZIONE

ESPLOSIONI

PRECARICO

HEAVY TAMPING

METODI ELETTRICI

METODI CON RIFORZI

METODI TERMICI

JET GROUTING

METODI SOSTITUZIONE

• I metodi di miglioramento dei terreni sono oggi numerosissimi

MIGLIORAMENTO DEI TERRENI CONCLUSIONI

• Alcuni sono ben consolidati , altri sono in fase di sperimentazione

• Possono essere usati da soli o in combinazione

• La scelta del metodo ottimale è molto complessa perché ogni metodo presenta vantaggi e svantaggi e i fattori da considerare sono molti

• Si devono tenere presenti i seguenti fattori:

- il tipo di terreno e le sue proprietà iniziali- i fattori ambientali e climatici



- i tempi- i costi

- l’importanza dell’opera e i requisiti richiesti per la soluzione del problema geotecnico (miglioramento della capacità portane, riduzione dei cedimenti, stabilizzazione di pendii, ecc. )

MIGLIORAMENTO DEI TERRENICRITERI DI CLASSIFICAZIONEPROCEDIMENTI TECNOLOGICIPROCEDIMENTI TECNOLOGICI PER APPORTO DI ENERGIAMETODI DINAMICIMETODI DINAMICIMETODI DINAMICIMETODI DINAMICIMETODI DINAMICIMETODI DINAMICIMETODI DINAMICIMETODI DINAMICIMETODI DINAMICIMETODI DINAMICIMETODI STATICIMETODI STATICIMETODI STATICIPROCEDIMENTI TECNOLOGICI PER SOSTITUZIONEPROCEDIMENTI TECNOLOGICI CHE MODIFICANO LO STATO DI SOLLECITAZIONE INTERNA

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