Costruzione di Strade - Appunti

Corso di costruzione di strade

Introduzione storica

Le origini della strada vanno ricondotte alle antiche civiltà e sono legate all’invenzione della ruota, il cui impiego favorì la costruzione dei mezzi di trasporto. Furono però i romani a costruire le prime strade secondo il nostro concetto moderno. Essi in tutti i territori costruivano una fitta rete stradale per il trasporto commerciale e militare. Il tracciato di queste strade era prevalentemente rettilineo e consisteva nei tratti collinari di forti pendenze. I raccordi erano ad angolo retto.

I romani furono i primi a porsi il problema di durabilità e agibilità delle loro strade, furono perciò i primi a formare una pavimentazione con strati di inerti assortiti per la base e dei lastricati in superficie. Poi con il Rinascimento si sente di nuovo il bisogno di costruire e migliorare le vie di comunicazione, ottenendo però risultati di scarso valore. Innovative furono le soluzioni adottate nell'800 dove lo scozzese Mac Adam propose una tipologia di pavimentazione formata di un unico strato a granulometria uniforme che si sarebbe cementato e costipato al passaggio dei carri. Solo nel '900 con l'avvento di veicoli sempre più potenti e veloci che vennero richieste strade sempre più durevoli e ben progettate.

Definizione di strada

La strada è un’area ad uso pubblico destinata alla circolazione dei pedoni, veicoli ed animali. La normativa è molto sviluppata in questo ambito, e si fa riferimento al Codice della Strada, ed ai Decreti Ministeriali 5/11/01 e 19/04/06.

In base all’amministrazione di competenza le strade si dividono in:

• Statali (comprendono le grandi direttrici di traffico e le grandi arterie che collegano i grandi centri e altre infrastrutture di trasporto, gestite per lo più dall’ANAS);
• Regionali (di competenza delle regioni);
• Provinciali (di competenza delle province, contengono le cosiddette strade extraurbane);
• Comunali (sono tutte le strade urbane gestite dal comune, che collegano i vari piccoli centri e le strutture presenti sul loro territorio, sono esclusi i tratti di strade Statali, Regionali e Provinciali che attraversano territori comunali aventi meno di 10.000 abitanti).

Inoltre, esse si distinguono per la loro funzionalità, cioè per il tipo di traffico servito e per l’entità degli spostamenti in:

• Autostrade urbane ed extraurbane
• Strade extraurbane principali
• Strade extraurbane secondarie
• Strade urbane di scorrimento
• Strade urbane di quartiere
• Strade locali

In base alla funzione svolta abbiamo quindi:

• Rete Primaria
  • Autostrade urbane ed extraurbane
  • Strade extraurbane principali
  • Strade urbane di scorrimento
• Rete Principale
  • Strade extraurbane principali
  • Strade urbane di scorrimento
• Rete Secondaria
  • Strade extraurbane secondarie
  • Strade urbane di quartiere
• Rete Locale
  • Strade locali

La strada moderna deve garantire lo spostamento di elevati volumi di traffico in condizioni di sicurezza e comfort di marcia. Per questo si cerca, durante la progettazione, tramite curve e rettifili di tenere l’utente in un certo intervallo di velocità dato dalle curve e tra il limite previsto e i rettifili. Le strade vengono progettate tenendo conto di coefficienti di aderenza con una certa sicurezza in modo da favorire al massimo la sicurezza, e tenere quell’intervallo comporta dei costi elevati. Le scelte del progettista sono date dall’aspetto tecnico, economico ed ambientale.

Andamento del tracciato

Nella progettazione scelgo l’andamento dell’asse stradale e lo metto sulla carta topografica e poi vado a fare sezioni nei vari punti di intersezione isoipse ottenendo vari profili trasversali che poi andrò ad utilizzare per il calcolo delle masse di terreno coinvolte per il movimento terra. Quindi procedo con la sezione longitudinale. Non è detto che tutta la terra che tolgo possa essere riciclata e riutilizzata lungo il cantiere, ma con le tecnologie attuali si cerca di diminuire al minimo lo spreco di materiale, magari utilizzando varie lavorazioni per poter riusare il materiale in eccesso.

Alcune definizioni

La terra è roccia sciolta o frammentaria, cioè incoerente per natura o che diviene tale in seguito a più o meno prolungato contatto con acqua. I singoli frammenti possono avere dimensioni da qualche decimetro alla frazione di micron. Il terreno è invece roccia sciolta o lapidea considerata nel suo ambiente naturale. I grani o granuli sono le singole parti solide separabili senza frantumazione. Il sottofondo è invece terreno sul quale è poggiata la soprastruttura e più direttamente interessato dall'azione dei carichi esterni da questa trasmessi; può essere formato da terreno di scavo (sezioni in trincea) terre di riporto (sezioni in rilevato).

Formazione del corpo stradale

La provenienza delle terre può essere da scavi all’interno del cantiere oppure da cave di prestito. Come già detto non è ovvio che tutte le terre siano buone, perciò ai fini di impiego per la costruzione del corpo stradale è necessaria la determinazione delle proprietà geotecniche, poi il raggruppamento in classi di caratteristiche omogenee e analogo comportamento nell’opera da realizzare, quindi queste possono essere accettate come sono, oppure se è possibile il loro impiego si sostengono dei trattamenti o se di scarsa qualità andranno rifiutate (in genere solo se contengono tanta sostanza organica). Quindi si procede con l’adozione di tecniche di impiego corrette.

Grandezze utili

Le terre sono mezzi multifase, formate cioè da granuli solidi, da acqua e da aria. Infatti all’interno delle terre vi sono vuoti intergranulari colmi di aria e di acqua, ma se la terra è satura significa che l’aria è totalmente sostituita da acqua. Perciò possiamo distinguere nel nostro volume totale, un volume del secco e un volume formato da vuoti, che possono essere più o meno colmi d’acqua.

La massa della terra è però data solamente dalla massa effettiva del secco più la massa d’acqua contenuta nei vuoti. Definiamo W= M_w/M_s che è un numero adimensionale espresso in %. La massa volumica reale γ_s = M_s/V_s, dove il volume V_s si misura tramite il picnometro. Si misura la massa del picnometro, poi si frantuma il materiale (perché cerchiamo il volume del solo secco) e lo si mette nel picnometro, misurandone la massa; si aggiunge acqua distillata, e si elimina l’aria intrappolata, fino al menisco di riferimento e pesiamo di nuovo il picnometro (M₂); infine tolgo tutto e peso il picnometro con la sola acqua (M₃). Ottengo così il peso dell’acqua persa quando ho messo la terra, e tramite la conoscenza di γ_w ottengo il volume d’acqua perso che è equivalente al volume di secco messo nel picnometro, cioè V_s = M₃ - (M₂ - M₁)/γ_w, con M_s = M₁. La massa volumica apparente totale γ_t = M_t/V_t, dove M_t è la massa di secco più acqua e si misura tramite una semplice pesata, mentre V_t è la massa di secco, acqua e aria e si misura mettendo il materiale in una fustella a volume noto.

Poi abbiamo la massa volumica apparente del secco γ_s = M_s/V_t, che è una misura di quanti solidi ci sono all’interno del volume unitario, ed è usata per misurare l’addensamento. Definiamo porosità n= V_v/V_t, poi indice dei vuoti e= V_v/V_s, poi il grado di saturazione S_r = V_w/V_v.

Composizione granulometrica

La distribuzione delle dimensioni dei granuli è un’importante caratteristica delle terre e ne condiziona molte proprietà ingegneristiche. La terra è suddivisa in frazioni contenenti elementi di dimensione caratteristica compresa tra due valori fissati. La suddivisione è effettuata con analisi granulometrica. Il vaglio a maglia quadrata prende il nome di setaccio, mentre quello a maglia rotonda di crivello. Il granulo rotondo entra nella maglia quadrata, ma il granulo più regolare non passa nella maglia tonda. Nei setacci passa il 20% in più dei crivelli. Oggi si usano solo i setacci, che si misurano con il lato della maglia. La vagliatura meccanica è data dalle seguenti fasi: campionamento in sito, in genere, se ne prende più del dovuto, poi si fa la quartatura, che è una scatola che divide il materiale in modo casuale in due metà. Poi si essicca il materiale ottenendo la massa iniziale. Prima di essiccare il materiale, prendo il setaccio più piccolo e man mano vi lavo il materiale tenendoci sotto un contenitore, così tramite l’acqua tolgo i grumi e le particelle più fini. Poi mando il materiale ad essiccare e quello che mi serve per la vagliatura lo metto nella macchina per farne la granulometria, mentre quello troppo fino, cioè passante al setaccio più piccolo, lo peso. Quindi ci si esprime in trattenuto e passante. In relazione al granulo più grosso si stabilisce quanto campione serve per fare l’analisi. Infine faccio per punti la curva granulometrica, fatta in scala semilogaritmica, perché le dimensioni vanno in scala logaritmica, in quanto la parte interessante è nell’ultimo intervallo prima di 0,063 mm.

Curve granulometriche

La curva A è ben classata, cioè costituita da materiale molto omogeneo come dimensioni, mentre la B è ben distribuita con materiale ben mescolato tra varie granulometrie. Perciò se è poco assortito, in cantiere darà problemi di addensamento, perché vi potranno essere zone d’aria, che in un materiale ben assortito sono colmate dai granuli più piccoli. Il tratto a bassa pendenza nella C significa che c’è poco materiale in quell’intervallo granulometrico, perciò è discontinua. La F è la curva di Fuller, che è la curva di miglior addensamento tra due diametri, perciò esistono varie curve, tipo 0/20–0/40 mm. Definiamo coefficiente di uniformità C_u = D₆₀/D₁₀, e coefficiente di curvatura C_c = (D₃₀)² / (D₁₀ * D₆₀). Una curva è ben gradata se C_u > 15 e 1 < C_c < 3. Il setaccio D₆₀ misura la dimensione più piccola dell’elemento che passa, perciò non implica che quella sia la dimensione massima.

Parliamo di ciottolo (spigoli arrotondati) o pietra (spigoli vivi) quando abbiamo il trattenuto al setaccio 71 mm. Invece la ghiaia (spigoli arrotondati) o breccia (spigoli vivi) se abbiamo 25 < x < 71. Poi abbiamo ghiaietto o breccietta per 10 < x < 25. Ghiaino o brecciolino per 2 < x < 10. Sabbia per 0,05 < x < 2. Poi abbiamo limo per 0,005 < x < 0,05 e infine argilla con dimensioni minori di 5 micron.

Frazione fine

La frazione fine contiene minerali argillosi in grado di adsorbire l’acqua, cioè che tendono a rivestirsi di acqua, e in condizioni di saturazione permette alle varie particelle di scorrere facilmente e aumentando lo spessore dello strato d’acqua, la capacità colloidale dell’argilla diminuisce, cioè le cariche superficiali non effettuano più un’azione ritensiva delle molecole d’acqua che tendono a liberarsi. L’acqua libera in una terra fine ne determina il suo stato fisico.

Trattati fisici delle terre

Le terre fini presentano 4 stati fisici in funzione del contenuto d’acqua: stato solido, semisolido, plastico, liquido. I valori che segnano il passaggio tra gli stati sono detti limiti di Atterberg e rappresentano il contenuto di acqua, e le prove si fanno sul passante al setaccio 0,425 mm. Quelle che presenta Atterberg sono prove empiriche, vale a dire, che lui ha proposto una prova che non misura una grandezza fisica, non segue una legge fisica o matematica, ma è fatta da esperienze, senza razionalità. Hanno ragione di essere perché consentono di esprimere un giudizio senza dover conoscere troppi concetti fisici.

Limite liquido

Si determina tramite uno strumento standardizzato detto cucchiaio di Casagrande. Si prende il setaccio 0,425 e lo metto sotto l’acqua e recupero il passante, poi lo metto in stufa ad essiccare ottenendo il passante reale al 0,425 mm. Lo prendo e con l’acqua e poi lo metto nel cucchiaio e lo impasto faccio un solco con uno strumento. Poi il cucchiaio si batte sul basamento e il solco tenderà a chiudersi. Quando il solco si è chiuso di 1 cm mi appunto il numero di colpi necessari. Faccio alcuni tentativi e faccio un grafico perciò vedo che nel grafico, colpi/contenuto d’acqua, i punti si dispongono su una retta dalla quale trovo l’acqua a 25 colpi.

Limite plastico

Faccio uno spaghetto, con il mio materiale sciolto, di un certo spessore di riferimento sopra una superficie che assorbe acqua. Quando lo spaghetto comincia a sbriciolarsi ottengo il limite misurando l’acqua che esso contiene. Impasto la mia terra con l’acqua, la metto in uno stampo e la lascio asciugare. Misuro il suo volume essiccato, poi considero il volume dei pori, che rappresenta il limite. Il limite di ritiro è il valore del contenuto minimo in acqua al di sotto del quale una diminuzione di questo valore non produce una riduzione di volume del terreno in esame.

Indice di plasticità

L’indice di plasticità, misura l’ampiezza del campo plastico, cioè la quantità d’acqua con la quale la terra risulta plastica. Ampio campo plastico significa che la mia terra ha molta sensibilità all’acqua, e perciò da scartare ai nostri fini, dipende dalla quantità di argilla e dalla sua natura mineralogica.

Indice di consistenza

L’indice di consistenza IC= (W_L - W_N)/IP, dove W_L dipende dal clima dei giorni precedenti, perciò IC dipende da IP caratteristico del terreno e da fattori ambientali.

Indice di liquidità

L’indice di liquidità IL= (W_N - W_L)/IP= 1 - IC.

Classificazione delle terre

La classificazione si effettua con criteri orientati alla valutazione preventiva del comportamento delle terre come materiale da costruzione, in particolare nelle costruzioni stradali. Le terre si suddividono in classi, dove le terre appartenenti ad una classe hanno comportamento analogo per le applicazioni che ci interessano, e l’appartenenza di un terreno ad una classe può essere stabilita con metodi facili e poco costosi. La classifica che vediamo fa riferimento a parametri caratteristici delle terre e non al loro stato di addensamento o di umidità.

Indice di gruppo

L’indice di gruppo è un parametro empirico correlato all’idoneità di un terreno destinato a costituire il sottofondo di pavimentazioni stradali è dato da I_g = 0,2a + 0,005ac + 0,01bd, dove indichiamo con a= P_0,075 -35 [0;40], con b= P_0,075 -15 [0;40], con c= W_L -40 [0;20] e con d= IP-10 [0;20]. L’indice di gruppo forma 21 gruppi di terre, dove per I_g=0 abbiamo terre praticamente insensibili all’acqua e per I_g > 0 dobbiamo valutare meglio la terra.

Classificazione UNI/AASHTO

Il sistema di classificazione italiano UNI 11531-1 trae origine dalla normativa inglese HRB e poi ripresa anche in America dalla AASHTO. In questa normativa i terreni vengono suddivisi in 8 gruppi principali indicati con la lettera “A”, in base alla loro granulometria, alla suscettibilità all’acqua e alla presenza di eventuale sostanza organica. Il gruppo A8 contiene terreno con contenuto di sostanza organica maggiore del 10% come le torbe, perciò terreni inutilizzabili ai nostri scopi. All’interno dei vari gruppi vi è una ulteriore classificazione in base a W_L e IP. Il Capitolato Speciale d’Appalto contiene tutte le prescrizioni sulle caratteristiche utili al fine della scelta di un buon terreno di sottofondo, ma comunque una terra con IP maggiore di 10 comporta degli studi approfonditi.

Gruppo A1

Questi materiali sono caratterizzati da un limitato contenuto di fino e risultano essere pressoché insensibili all’acqua e al gelo, tuttavia essendo terre non a frazione unica potrebbero risultare soggette all’erosione dell’acqua meteorica quanto più l’assortimento granulometrico è mal assortito, perciò per evitare danni è bene prevedere una protezione delle scarpate tramite una copertura vegetale. Quando presentano basso contenuto di fino si realizzano strati molto compatti e difficilmente erodibili, tuttavia in costruzione richiedono un continuo controllo del grado di umidità di costipamento per raggiungere elevanti valori di portanza in relazione alla quantità di fino presente.

Gruppo A3

Appartengono a questo gruppo le sabbie fini non plastiche. Se la parte ghiaiosa è poca esse presentano difficoltà alla circolazione in cantiere. Per costruire il corpo di un rilevato si richiedono terre A3 con C_u ≥ 7, e nel caso esso sia minore di 7 allora sono richiesti speciali trattamenti con cemento e correzione granulometrica.

Gruppo A2-4/A2-5

In questo gruppo troviamo ghiaie e sabbie grosse con un alto contenuto di fino. Esse risultano comunque ottime alla costruzione del corpo stradale e del sottofondo in quanto la...