Fondazioni

Le fondazioni

(Marina Pugnaletto)

Introduzione

Il problema della correlazione tra un organismo edilizio e il terreno su cui insiste comporta la soluzione di due ordini di problemi:

• Sicurezza statica, con la trasmissione dei carichi dell'opera al terreno attraverso le opere di fondazione e, ove necessario, il contenimento del terreno circostante mediante i muri di sostegno;
• Comfort ambientale, con la protezione dello spazio agibile dagli agenti esterni (isolamento termico e protezione dall'acqua presente nel terreno).

Quindi tra l'apparecchiatura costruttiva e il terreno di sedime esiste un rapporto reciproco di compatibilità che deve essere approfondito in ogni fase del processo edilizio: dal momento delle scelte urbanistiche, con l'individuazione delle caratteristiche insediative e delle scelte tipologiche, ai successivi momenti, a scala più bassa, relativi ai progetti di fattibilità, preliminari ed esecutivi. Infatti può non essere corretto proporre espansioni urbane in zone geologicamente non idonee (per esempio con rischi di frane) o scegliere tipologie edilizie che necessitano di opere fondali non calibrate con l'entità della tipologia stessa (case basse su pali, tipologie molto estese e concentrate su terreni differentemente deformabili, ecc.).

La natura del terreno

In ogni caso la natura e le caratteristiche particolari del terreno condizionano la scelta del tipo di fondazione o di muro di sostegno da adottare e, talvolta, anche le scelte, sia generali sia di dettaglio, della costruzione stessa. Le fasi della progettazione, alle varie scale, sono rese particolarmente delicate dall'estrema variabilità della natura del sottosuolo e delle conseguenti caratteristiche fisico-meccaniche e idrauliche del terreno.

Un'errata progettazione delle opere a contatto con il terreno induce problematiche inevitabilmente gravi, che comportano importanti responsabilità se connesse con la sicurezza statica, risultano di difficile o molto onerosa soluzione a opera in esercizio, possono provocare seri danni al sistema ambientale.

Il terreno

La conoscenza delle caratteristiche del terreno costituisce quindi un aspetto importante, e talvolta condizionante, nell'ambito dei numerosi parametri che concorrono a corrette scelte progettuali. Lo studio dei terreni in funzione delle possibilità insediative è compito della Geologia e della Geotecnica; la prima disciplina consente un esame a larga scala della zona d'intervento, la seconda considera il comportamento dei terreni nella loro sede naturale. Quindi dovranno essere svolte indagini in ambedue gli ambiti per avere a disposizione conoscenze e parametri che consentono la corretta progettazione dell'opera e la verifica della compatibilità con il terreno.

Indagine geologica

Studia le caratteristiche essenziali della situazione geologica del territorio; viene redatta con l'ausilio di carte geologiche, con il reperimento di dati noti e con l'effettuazione di nuovi rilevamenti diretti di varia natura. In particolare fornisce indicazioni circa:

• I materiali e la struttura costitutiva della parte osservabile della crosta terrestre,
• La loro genesi,
• Le condizioni idrogeologiche e morfologiche (ad es. le giaciture degli strati),
• Le situazioni di equilibrio geologico e idrogeologico che possono essere alterate con la realizzazione di nuove opere (ad es. rischi di frane o di liquefazione del terreno in fase sismica).

Indagine geotecnica

Esamina in maniera più puntuale le caratteristiche della più ridotta zona di terreno direttamente coinvolta dalla nuova opera al fine di:

• Verificare la sua fattibilità,
• Individuare il procedimento costruttivo più idoneo,
• Studiare le variazioni indotte nel sottosuolo (ad es. alterazione di una falda),
• Valutare il comportamento del terreno nel corso della costruzione e in esercizio (ad es. cedimenti assoluti e differenziali),
• Verificare la variazione del grado di sicurezza di realtà, edificate o naturali, adiacenti.

La campagna d'indagine diretta verrà estesa a quella parte del sottosuolo ("volume significativo") interessato dalle variazioni di tensioni interne indotte dal manufatto. Relativamente a questo volume è necessario determinare:

• La stratigrafia, cioè la successione dei terreni incontrati e il loro spessore (potenza),
• Le proprietà fisico-meccaniche dei terreni,
• La posizione e le caratteristiche delle falde acquifere.

L'indagine verrà prevalentemente svolta attraverso l'esame, diretto o indiretto, dettagliato di alcuni tratti verticali che attraversano il volume in questione, in numero e distanza variabile in funzione del tipo di opera da realizzare e delle caratteristiche stratigrafiche del terreno.

Modalità delle indagini

Per la determinazione della stratigrafia si adottano metodi diretti e indiretti. I primi si concretizzano attraverso l'esecuzione di pozzi o di perforazioni. I pozzi o le trincee consentono l'ispezione diretta del sottosuolo, vengono utilizzati per modeste profondità (non oltre 8 metri) e quando è conosciuta la situazione geologica della zona, presentano lo svantaggio di dover applicare armature di sostegno allo scavo e risultano particolarmente disagevoli in profondità e in presenza di acqua.

Le perforazioni di sondaggio permettono di ricostruire il profilo stratigrafico mediante la visione diretta delle campionature e di rilevare e misurare le acque sotterranee; vengono effettuate con strumenti (carotatrici), funzionanti con punte a percussione o con trivelle a rotazione, che consentono il prelievo di campioni di tutti i terreni attraversati. I campioni indisturbati, cioè conservati in maniera da mantenere invariata la struttura e il contenuto in acqua del sito, vengono utilizzati in laboratorio per la determinazione di corretti parametri fisico-meccanici.

I metodi indiretti, usati per ampliare lo spettro dei risultati su tutta l'area interessata, utilizzano i risultati di più rapide e meno costose indagini geofisiche o prove per la determinazione di proprietà fisico-meccaniche tarando i risultati attraverso il confronto con quelli ottenuti con un sondaggio diretto. Le proprietà fisico-meccaniche dei terreni vengono determinate:

• In laboratorio con prove su campioni indisturbati,
• In sito con prove penetrometriche statiche e dinamiche (S.P.T.), che consentono di valutare la resistenza meccanica alla penetrazione di una punta, scissometriche (F.V.T.) per la verifica della resistenza al taglio di terreni coesivi saturi (argille), di carico su piastra.

I rilevamenti della falda vengono effettuati in prima approssimazione con l'ausilio dei sondaggi oppure, per misurazioni più accurate, con piezometri di varia natura a seconda delle caratteristiche di permeabilità dei terreni attraversati.

Caratteristiche dei terreni

Secondo una classifica molto sommaria i terreni si distinguono in rocce lapidee, o rocce e rocce sciolte, o terre. Le rocce sono dotate di elevata coesione, per cui restano compatte anche se sottoposte a una serie di cicli di immersione in acqua ed essiccamento; le terre sono del tutto incoerenti o dotate di coesione modesta, per cui si disaggregano se sottoposte a cicli di immersione in acqua ed essiccamento.

Le rocce si distinguono a loro volta in rocce continue e rocce discontinue, o fratturate. Tale stato, unitamente alla composizione chimico-mineralogica e alla porosità, determina il comportamento meccanico e idraulico delle rocce.

La classificazione delle terre avviene fondamentalmente attraverso la granulometria, cioè la dimensione dei granuli. Esse assumono le seguenti denominazioni (C.N.R.):

• Ciottoli o pietra (oltre 71 mm)
• Ghiaia o breccia (da 71 a 25 mm)
• Ghiaietto o breccetta (da 25 a 10 mm)
• Ghiaino o brecciolino (da 10 a 2 mm)
• Sabbia (da 2 a 0,05 mm)
• Limo (da 0,05 a 0,005 mm)
• Argilla (sotto 0,005 mm)

L'analisi dei campioni indisturbati consente di ricavare le principali caratteristiche dei terreni:

• Il peso specifico γ
• La granulometria
• Il contenuto in acqua
• La porosità, che indica il comportamento al variare del contenuto in acqua
• La consistenza, dovuta alle differenti quantità di acqua contenute e che conferiscono alle terre differenti stati: fluido, plastico, semisolido e solido
• La permeabilità, che indica come l'acqua possa filtrare attraverso i pori
• La capillarità, cioè l'attitudine del terreno a trasmettere l'umidità in tutte le direzioni, e quindi anche dal basso verso l'alto
• La coesione, che è data dalle forze che agiscono mutuamente tra le particelle più fini (è pressoché indipendente dalla pressione e dipende dal grado di umidità, caratterizza i limi e soprattutto le argille)
• L'attrito interno, che consiste nella resistenza delle particelle a muoversi le une sulle altre e varia con la pressione esercitata (tipico delle sabbie, cioè dei terreni incoerenti, è definito dall'angolo di attrito la cui tangente trigonometrica è uguale al rapporto fra la resistenza allo scorrimento, resistenza di attrito, lungo un determinato piano e la pressione agente normalmente su questo piano; la resistenza al taglio la coesione τ, c e l'attrito interno tg σ, essendo la pressione normale al piano che si considera, sono legati fra loro dalla legge di Coulomb: c + tg ), σ τ =
• Il CBR (Californian Bearing Ratio o indice di portanza californiano), che è un parametro adimensionale dato dal rapporto percentuale fra la pressione che sulla terra in esame produce un assegnato cedimento (un decimo di pollice, 2,54 mm) e la pressione che produce lo stesso cedimento su un materiale assunto come campione (un pietrisco da massicciata compresso).

Capacità portante

La resistenza unitaria del terreno (kg/cmq) può essere determinata con prove di carico in situ, sottoponendo una superficie nota del terreno a un carico via via crescente, in modo da registrarne i cedimenti. Con questo esame si determina il carico critico, valore oltre il quale i cedimenti hanno un comportamento elastoplastico (non più direttamente proporzionale al carico applicato).

Le prove di carico hanno maggiore attendibilità in caso di terreni omogenei, di strati di elevato spessore e nel caso non si prevedano ulteriori cedimenti nel tempo (incompressibili). Debbono essere effettuate in più punti confrontando i risultati, infatti è necessario verificare le eventuali discontinuità di resistenza dello strato di terreno perché queste potrebbero essere causa di cedimenti differenziali, molto pericolosi per la stabilità dell'insieme (è preferibile un terreno meno resistente ma omogeneo, che richiede soltanto un aumento della superficie di appoggio della fondazione).

Un limite dei dati ricavati con queste prove è che la pressione esercitata investe un'area molto piccola rispetto a quella della fondazione e quindi occorre compensare questa approssimazione con coefficienti di sicurezza molto ampi. Partendo da queste premesse sperimentali su terreni omogenei e dalla resistenza al taglio (legge di Coulomb) si sono sviluppate alcune teorie generali per la determinazione del carico critico, da cui si ricava il carico ammissibile o di sicurezza di un terreno, cioè il carico massimo a cui può essere assoggettato il terreno affinché sia assicurata, entro limiti di sicurezza, la stabilità: σₐᵦₘ = σₛᵢᵣ / n, dove n varia tra 3 e 10 e viene fissato in funzione della natura del terreno e della rigidezza della fondazione.

Reazioni di sottofondo

Quando su un terreno viene applicato un carico che grava su una determinata superficie, ad esempio tramite una fondazione, il terreno reagisce con un'azione uguale e contraria contro la superficie di applicazione del carico. Le reazioni di un terreno soggetto a un carico vengono dette reazioni di sottofondo che possono essere rappresentate tramite diagrammi; il diagramma del carico applicato e quello corrispondente delle reazioni del terreno presentano uguale area, ma sono differenti fra loro.

L'andamento delle reazioni di sottofondo dipende da numerosi fattori, quali:

• Le dimensioni e la forma della superficie di carico;
• La profondità del piano di posa sul quale è applicato il carico;
• Le caratteristiche elastiche del terreno e del corpo che trasmette il carico;
• La distribuzione dei carichi.

Tensioni nel sottosuolo

Il carico applicato a un terreno in superficie determina sul terreno delle pressioni che diminuiscono con la profondità; ciò avviene perché il c