Teoria Costruzioni di strade

INTRODUZIONE

La strada è l area ad uso pubblico destinata alla circolazione dei pedoni (utenza debole), dei veicoli

e degli animali. Quando c è la necessità di una domanda di trasporto non soddisfatta si deve

pertanto definire un adeguata offerta composta dal tracciato, sezione stradale e organizzazione

delle interferenze con altri tronchi. La strada moderna è pertanto un opera di ingegneria atta a

garantire lo spostamento di elevati volumi di traffico in condizioni di sicurezza, efficienza e

economicità.

La rete stradale è il complesso di tutti i collegamenti stradali. Si compone di nodi e archi. Le strade

sono classificate in base alle loro caratteristiche costruttive, tecniche e funzionali dalla A

(autostrade) alla F (strade locali).

L intervallo di velocita di progetto è l intervallo entro cui sono comprese le massime velocità che i

veicoli possono mantenere con sicurezza.

Il progetto della sezione stradale consiste nell’organizzazione della piattaforma e dei suoi margini. L

opera stradale è il solido delimitato dalla piattaforma stradale, dal piano di campagna, dalle

scarpate del rilevato e/o dalla trincea e dalle sezioni trasversali del tronco considerato.

La realizzazione di un opera stradale è complessa in quanto deve tener conto dei problemi

derivanti dall’orografia e dalla geologia del territorio attraversato, dalle intersezioni con le altre

infrastrutture, dalla salvaguardia degli insediamenti antropici e dai costi di realizzazione.

La costruzione del corpo stradale si identifica nei movimenti terra, intesi come il complesso di

operazioni di stesa e di riporto che consentono di portare la piattaforma stradale alle quote

prestabilite di progetto. Le operazioni dei movimenti consistono nella

-preparazione del sottofondo o del piano di posa del rilevato

-costruzione del rilevato

CORPO STRADALE

Corpo stradale, sottofondo e classifica delle terre

Terra = roccia sciolta o frammentaria, cioe incoerente. I singoli frammenti possono avere

dimensioni da qualche decimetro alla frazione di micron

Terreno = roccia sciolta o lapidea considerata nel suo ambiente naturale

Grani o granuli = singole parti solide di una terra

Sottofondo = terreno sul quale poggia la sovrastruttura e più direttamente interessato dall azione

dei carichi esterni da questa trasmessi: puo essere formato da terreno di scavo (in trincea) o da

terre di riporto (in rilevato).

Le terre possono provenire da vari luoghi: da scavi all interno del cantiere o in cantieri vicini, da

cave di prestito e da siti di stoccaggio.

Per impiegare una terra si segue una procedura di impiego che va da:

-determinazione delle proprieta geotecniche appropriate

-raggruppamento in classi di caratteristiche omogenee (A , accettazione B, trattamento e

accettazione C, rifiuto).

-adozione delle tecniche di impiego corrette.

Le terre sono mezzi multifase formate da granuli solidi, acqua e aria.

L umidita si misura W = Mw / Ms e si misura prendendo il campione di terra, pesandolo e

mettendolo in forno per essiccarlo. Poi si ripesa e si calcola la differenza. È adimensionale e si

misura in percentuale.

La massa volumica reale è γr = Ms / Vs e si misura con il metodo del picnometro.

Il picnometro è un recipiente dotato di un tappo munito di un tubicino che permette di individuare

un riferimento.

-si misura la massa del picnometro

-si misura la massa del picnometro e della terra e si calcola la massa della terra (M1)

-si aggiunge acqua fino alla tacca di riferimento e si misura la massa del picnometro, della terra e

dell acqua (M2)

-si misura la massa del picnometro pieno d acqua (M3).

Sarà γr = γw x M1 / M3 – ( M2 – M1)

Altre definizioni utili sono la porosità n = Vv / Vt e il grado di saturazione Sr = Vw / Vv

La distribuzione delle dimensioni dei granuli è una importante caratteristica delle terre che ne

condiziona molte proprietà. La terra è suddivisa in frazioni contenenti elementi di dimensione

caratteristica (D) compresa tra due valori fissati (frazioni granulometriche).

La suddivisione è effettuata con un analisi granulometrica mediante vagliatura meccanica (D >

0,063 mm) e si usano due tipi di vagli: i crivelli con aperture circolari e i setacci con aperture

quadrate.

La vagliatura puo avvenire sia per via umida che per via secca.

L output del processo di vagliatura meccanica è la definizione grafica della curva granulometrica.

Sono state redatte diverse curve.

Si calcola il coefficiente di uniformità Cu = D60 / D10 dove D60 = dimensione corrispondente al

passante del 60%.

In base al valore possiamo vedere se la curva è:

-uniforme se Cu < 6

-ben graduata se Cu > 15

-mediamente graduata se 6 < Cu < 15

Le terre fini possono esistere in 4 stati fisici, in funzione del contenuto d acqua. Stato solido,

semisolido, plastico e liquido. I valori di W che segnano il passaggio tra i vari stati sono detti limiti

di consistenza.

Il limite liquido si determina attraverso il cucchiaio di Casagrande.

Per il singolo campione, fissato W, si determina il numero di colpi necessario per ottenere la

chiusura di un solco di geometria standard. Il numero di colpi è basso se il materiale è

plastico/deformabile. Si effettuano 4 determinazioni costruendo una curva W – numero colpi e il

limite liquido Wl è il contenuto d acqua corrispondente a 25 colpi. Può essere ottenuto anche

attraverso una prova penetrometrica (fall cone).

Il limite plastico è il contenuto d acqua al quale un bastoncino cilindrico di terra con diametro 3

mm inizia a screpolarsi.

Il limite di ritiro è il contenuto d acqua che la terra avrebbe al volume minimo raggiunto per

essiccazione, considerando i pori completamente riempiti d acqua.

L indice di plasticità si misura IP = Wl – Wp e indica l ampiezza del campo di umidità entro cui il

materiali ha una consistenza plastica. Se IP è basso il terreno è poco plastico.

La classificazione delle terre si effettua con criteri orientati alla valutazione preventiva del

comportamento delle terre come materiale da costruzione.

Le terre sono suddivise in classi: le terre appartenenti ad una specifica classe hanno

comportamento e proprietà geomeccaniche analoghe per l’impiego previsto.

Abbiamo una classificazione basata sulla granulometria (MIT)

L indice di gruppo è un parametro empirico definito da

IG = 0,20 a + 0,005 ac + 0,01 bd dove a = P0,063 – 35

b = P0,063 – 15

c = Wl – 40

d = IP – 10

Se ho un valore più piccolo di 0 scelgo 0. Se IG = 0 vuol dire che ho una terra con poco fino.

Abbiamo la classifica UNI 11531-1, emanata nel 2014 con il compito principale di valutare le terre

per la realizzazione degli strati di sottofondo. Suddivide le terre in 7 gruppi in base alla

granulometria e ai limiti di consistenza.

A1-A3: terre ghiaio-sabbiose

A4-A7: terre limo-argillose

Esiste anche un gruppo A8 per le terre con elevato contenuto di sostanze organiche.

Abbiamo la classifica unificata USCS che suddivide in:

-terre grosse: più del 50% di trattenuto al setaccio 200 ASTM (0,075 mm) suddivise in ghiaie G o

sabbie S, ulteriormente suddivise in base alla loro granulometria in ghiaie o sabbie W (ben

gradate), P (mal gradate), M (limose) e C (argillose).

-terre fini: piu del 50% di passante al setaccio 200 ASTM suddivise in limi M o argille C

-terre ad alto contenuto di sostanza organica

Il costipamento delle terre

È il sistema piu semplice di miglioramento delle caratteristiche meccaniche delle terre. È una

tecnica volta a promuovere l addensamento del terreno mediante l applicazione di forze esterne.

Gli obiettivi sono:

-riduzione dei cedimenti dovuti ai carichi e alle azioni ambientali durante l esercizio della strada

-aumento della resistenza al taglio e della rigidezza

-riduzione della permeabilità

Influenza del contenuto d acqua

Un basso contenuto d acqua comporta un elevato attrito interno e una bassa densità mentre un

elevato contenuto d acqua comporta un elevata pressione interstiziale e una bassa densità.

Influenza dell energia di costipamento

Quando aumento l energia, la curva di costipamento si sposta verso l alto e a sinistra cosi che

ottengo valori più elevati di densità con un contenuto d acqua minore.

Una curva a campana molto pronunciata indica che il terreno è difficile da compattare. Curve di

costipamento piatte denotano una buona compattabilità del materiale in quanto risulta esteso il

campo di umidità che permette il raggiungimento di un grado di addensamento prossimo a quello

massimo.

Prova Proctor

La procedura di prova prevede l impiego di contenitori cilindrici di metallo di misure diverse all

interno dei quali si dispone la terra, preventivamente umidificata.

Ciascuno strato viene compattato con un pestello di dato peso fatto cadere da assegnata altezza

applicando un prestabilito numero di colpi per ogni strato.

Lo studio del costipamento Proctor di una terra consiste nel compattare almeno 5 provini

caratterizzati da differenti contenuti d acqua. Per ciascuno di essi si procede alla determinazione

della massa umida, della massa essiccata, dell umidità e della massa volumica del secco.

Dall analisi della curva si determinano i riferimenti utili per il costipamento in cantiere cioè il valore

dell umidità ottimale e quello della densita secca massima.

Mezzi di costipamento

I compattatori sono macchine di cantiere utilizzate al fine di aumentare la capacita portante del

terreno.

Il passaggio ripetuto dei compattatori permette il costipamento in cantiere di terreni,

preliminarmente stesi in strati di adeguato spessore, nonché per la preparazione del sottofondo

e/o costruzione del rilevato.

L azione del costipamento puo essere eseguita: per rullaggio, per vibrazione e per battitura.

I compattatori si distinguono in mezzi statici, per i quali l azione di costipamento è dovuta al peso

del mezzo, e in mezzi dinamici, che esplicano la loro azione per urto o per vibrazione.

Abbiamo

-rullo liscio statico: va utilizzato solo per la finitura degli strati già compattati.

-rullo a piedi costipanti: mezzi costituiti da cilindri d acciaio muniti di punte. Sono indicati per

costipare le terre argillose perché il rullo addensa la superficie mentre i piedi penetrano in

profondità.

-rullo gommato: è un mezzo costituito da un cassone zavorrabile poggiante su due assi muniti di

ruote disposte in modo che il treno posteriore costipa gli spazi non addensati dall asse anteriore. È

versatile perché ho la possibilita di variare sia il carico totale, sia di regolare la pressione delle

gomme.

-rullo liscio vibrante: mezzo dotato di cilindri d acciaio al cui interno sono presenti motori che

inducono vibrazioni anche in profondita. Adatto alle terre granulari.

Controllo del costipamento

Per controllare l efficacia del costipamento si usa il metodo del volumometro a sabbia , utilizzato

per misurare la massa volumica del secco.

Si fissa una piastra al terreno e si opera un piccolo scavo. La terra è raccolta e ne viene misurata la

massa (Mu) e l umidità W. Si posiziona il cono ed il recipiente contenente la sabbia. Si apre la

valvola e si riempie il sistema di sabbia. Chiusa la valvola si calcola la massa di sabbia impiegata

(Mf) sottraendo quella che riempie il cono e la piastra.

Si calcolano quindi Ms = Mu / 1+W e Vt = Mf / dens sabbia da cui la massa volumica del secco

sarà = Ms / Vt.

Dopo aver misurato la massa volumica del secco in sito confronto il valore ottenuto con la prova

Proctor e misuro il grado di costipamento

GRC = massa secco / massa prova Proctor e si richiede sempre un GRC > 95% (98% per i

sottofondi).

La portanza dei sottofondi

Il sottofondo è lo strato piu superficiale del terreno in sito e costituisce un interfaccia tra

sovrastruttura (omogenea) e terreno (eterogeneo).

Le caratteristiche prestazionali sono:

-portanza: capacità di resistere ai carichi veicolari

-durabilità: capacità di resistere alle sollecitazioni ambientali

-regolarità: fornisce una superficie di appoggio piana alla pavimentazione

La portanza è il carico che, in condizioni di sollecitazione note, provoca un cedimento fissato. È un

parametro meccanico quantitativo utilizzato per dimensionare la pavimentazione ed è definita e

misurata in modo diverso in relazione alla metodologia adottata: empirica o razionale.

In generale il metodo empirico usato in sito è la prova di carico su piastra. Si applica un carico P

attraverso una piastra di diametro D e si misura l abbassamento della piastra.

Si vuole calcolare l Md e si usa solo in fase di controllo al contrario del metodo empirico usato in

laboratorio (prova CBR) che viene usato anche in fase di dimensionamento.

La prova funziona cosi: applico una serie di pressioni via via crescenti , aspetto che il cedimento si

esaurisca e metto il punto sul grafico. Quando scarico il martinetto, il terreno recupera parte del

cedimento (parte resiliente). In base alla dimensione della piastra, per interpretare i risultati si

usano il metodo di Boussinesq o quello di Westergaard.

Nel I ciclo il terreno sotto alla piastra viene addensato dal carico. Tale addensamento sarà piu

accentuato se il materiale era stato scarsamente costipato. Poiché un buon addensamento

corrisponde a un valore elevato di Md, considerato che M’d rappresenta la portanza dello stesso

terreno fortemente addensato, il loro rapporto costituisce una misura del grado di addensamento.

Indice di portanza CBR

E’ una misura empirica della portanza di un materiale non legato ottenuto mediante una prova di

penetrazione.

La curva ha concavita verso il basso; se presenta concavità verso l alto deve essere corretto. La

prova puo essere effettuata in sito o in laboratorio.

Inoltre si puo richiedere che la prova avvenga dopo la saturazione del campione ( 4gg di

immersione in acqua) e al termine della fase di saturazione si misura il rigonfiamento del

materiale. Piu il materiale è suscettibile all acqua più l indice CBR è basso.

Il modulo resiliente è un parametro razionale per misurare la portanza. Simula la risposta all

applicazione dinamica e ripetuta dei carichi veicolari e tiene conto delle condizioni di confinamento

del materiale in sito.

Il gelo nei sottofondi

Gli effetti del gelo sono: congelamento dell acqua interstiziale che

-nelle terre granulari l aumento di volume sfrutta i vuoti interni

-nelle terre fini si puo avere la formazione di lenti di ghiaccio che causano sollevamenti.

Al disgelo le lenti di ghiaccio si sciolgono producendo zone di accumulo di acqua in corrispondenza

delle quali si ha un crollo della portanza.

Quando la temperatura scende sotto gli 0 gradi l acqua libera nella pavimentazione inizia a

congelare. Il congelamento procede gradualmente verso il basso. Per i sottofondi il problema si

manifesta quando la profondita di penetrazione supera lo spessore della pavimentazione.

I cristalli di ghiaccio si accrescono attirando l acqua presente nei vuoti adiacenti e il fenomeno è

alimentato dall acqua di risalita capillare.

I terreni limosi subiscono maggiormente gli effetti del gelo poiché hanno elevate altezza di risalita

capillare e permeabilità sufficiente a permettere l accrescimento delle lenti.

Si possono usare delle tecniche di miglioramento (stabilizzazione): meccanica, con leganti

idrocarburici o con cemento e a calce.

Costruzione del corpo stradale

Demolizioni

L impresa è tenuta a demolire muri, recinzioni e fabbricati ricadenti nelle aree di occupazione del

solido stradale con i mezzi che ritiene piu opportuni. I materiali provenienti dalle demolizioni sono

portati a rifiuto solo se ciò è previsto in progetto.

Smacchimento

Nell ambito dei movimenti di terra l impresa deve procedere al taglio degli alberi, degli arbusti e

dei cespugli. I prodotti dello smacchimento sono lasciati a disposizione dell imprenditore. In trincea

si ha l asportazione totale delle radici e dei ceppi.

Scoticamento

Prima di dar luogo agli scavi bisogna procedere all asportazione della coltre del terreno vegetale

ricadente nell area di impronta del solido stradale. Essa deve avvenire subito prima dell esecuzione

dei movimenti di terra per evitare l esposizione alle acque piovane dei terreni denudati.

Livellamento

Dopo lo scoticamento il fondo dello scavo deve essere livellato, cioe reso regolare mediante l

utilizzo di motorgraders e motolivellatrici.

Costipamento

Eventuale sostituzione o stabilizzazione di materiale non idoneo.

Controlli

Devono essere effettuati dei controlli in corso d opera al fine di caratterizzare i terreni d imposta

dei rilevati e la portanza dei piani finiti dei siti come: prove granulometriche, prove di costipamento

Proctor e di portanza CBR…

Bonifiche

Quando il sottofondo oppure il piano di posa risultano avere una portanza insufficiente si deve

procedere alla bonifica mediante: sostituzione con materiale idoneo o stabilizzazione.

La stabilizzazione con calce è utilizzata solo nei grandi cantieri poiché la riuscita della tecnica

richiede l impiego di macchinari specifici e molto costosi ma in tempi recenti la tecnica si è estesa

anche a cantieri di modesta entità.

Ci sono vari vantaggi di natura tecnica, economica e ambientale:

-i materiali trattati possono acquistare proprieta strutturali proprie dei materiali legati a cemento.

-possibilita di ridurre la produzione di rifiuti

-riduzione dei trasporti a discarica e da cave di prestito con conseguente riduzione dei consumi

energetici.

-riduzione dei costi e dei tempi di costruzione.

Lo stabilimento a calce favorisce l essiccazione grazie al fissaggio chimico dell acqua ed alla sua

evaporazione conseguente ad un innalzamento della temperatura generato da una reazione

esotermica.

Gli effetti a breve termine sono una variazione dei limiti di Atterberg (aumento del limite plastico e

riduzione di IP), modifica della distribuzione granulometrica, appiattimento della curva Proctor e

aumento della portanza.

A lungo termine si ha un incremento di res