Stabilità del territorio e geotecnica ambientale - appunti

1 Introduzione al miglioramento dei Terreni

L'ingegneria geotecnica ambientale è quel ramo della geotecnica che si occupa dello studio dei fenomeni connessi all'inquinamento del terreno e dell'acqua di falda e delle tecniche per il miglioramento delle caratteristiche del terreno stesso.

In particolare il consolidamento dei terreni è un settore dell'ingegneria in rapida evoluzione e espansione, grazie alle nuove tecnologie offerte dall'industria per il miglioramento del comportamento dei terreni e delle rocce.

In presenza di un terreno con scarse caratteristiche meccaniche possano essere intraprese tre differenti strategie:

• ridurre i carichi della struttura gravanti sul terreno, ovvero realizzare un nuovo progetto;
• cambiare il sito di edificazione scegliendone uno con caratteristiche migliori;
• migliorare le caratteristiche del terreno.

Il miglioramento delle caratteristiche di un terreno si di primaria importanza nel caso di terreni con scadenti caratteristiche meccaniche quali terreni coesivi molli o terreni sabbiosi saturi poco addensati nei quali ci possano innescare fenomeni di instabilità e di cedimenti che recherebbero danni alle strutture e infrastrutture realizzative.

In particolare i fenomeni principali che si cerca di evitare sono:

* in campo dinamico, ovvero in presenza di un terremoto:

• liquefazione -> si verifica in terreni incoerenti sciolti saturi non cementati;
• densificazione -> si verifica in terreni incoerenti sciolti non saturi e non cementati;
• cedimenti per consolidazione indotta dal sisma -> si verifica in terreni coesivi teneri e saturi.

* in campo statico:

• scarsa capacità portante dei terreni
• eccesso di abbassamenti.

I motori principali per cui si cerca di migliorare le caratteristiche di un terreno sono:

• utilizzo di aree marginali: siti inquinati o terreni con proprietà scadenti per la realizzazione di nuove opere o infrastrutture;

garantire la stabilità di strutture esistenti durante la costruzione di nuove opere;

• prevenire l’impatto di rischi naturali (terremoti, frane, vento, ecc...) ed antropici (inquinamento, attività estrattive, ecc...);

Per quanto riguarda in modo più dettagliato la stabilizzazione dei terreni, alla luce di quanto detto essa ha come obiettivi principali l’incremento della resistenza dei terreni (per aumentare la stabilità dei rilevati, prevenire il fenomeno della liquefazione e aumentarne la capacità portante), il miglioramento delle proprietà dei terreni (per ridurre i cedimenti ed i tempi di consolidazione), l’aumento della rigidezza del terreno ed il contenimento di un’eventuale contaminazione.

Il miglioramento delle proprietà dei terreni comporta inoltre vantaggi legati al risparmio di materiali ed energia, alla maggiore flessibilità di lavorazione ed alla rapidità di esecuzione.

Ovviamente per poter eseguire un intervento di stabilizzazione è necessario considerare le caratteristiche locali del terreno, ovvero la stratigrafia, le proprietà geotecniche ed i fattori topografici (morfologia superficiale e profonda) e di natura geologica.

Esistono una grande varietà di metodi per migliorare le caratteristiche dei terreni ed ognuno presenta determinati vantaggi o svantaggi.

In genere, per la scelta del metodo più appropriato è necessario considerare alcuni fattori, quali: l’importanza dell’opera, il problema geotecnico da risolvere, il tipo di terreno, il costi, i fattori ambientali e climatici, e la disponibilità del materiale e di personale ed attrezzature.

I metodi principali, in relazione al tipo di azione applicata sul terreno, si dividono in quattro categorie:

• metodi dinamici: vibroflottazione, compattazione pesante ecc...
• metodi statici: installazione di dreni e applicazione di sovraccarichi
• metodi elettrici: consolidazione elettrosmotica
• metodi termici: essiccazione e congelamento

Un altro intervento è la bonifica, ovvero la rimozione e sostituzione di esso con uno con caratteristiche migliori.

Un livello economico tale intervento può essere sostenibile se lo stato di rumore serve a

Una volta calcolato F_t viene determinata una stima del rischio di liquefazione lungo una verticale attraverso l’indice di liquefazione (Il) definito I_l = Σ F_iW(zi)Δz. In particolare ΔZ e lo spessore dell’intervallo di calcolo, W(zi) = 10-0.5zi essendo zi la profondità di calcolo ed F_t = (1-F_s), se F_s ≤ 1 e F_t = 0 se F_s >1.

In base al valore di I_l si determina il rischio di liquefazione da una tabella.

In conclusione la liquefazione è un fenomeno dannoso che può comportare cedimenti, crolli, movimenti orizzontali e ribaltanti e compromettere la perdita di capacità portante del terreno.

Il rischio di liquefazione può essere ridotto progettando le fondazioni in modo adeguato evitando di costruire su depositi liquefacibili, e migliorando le caratteristiche del terreno in termini di densità, resistenza e coauttauttità del drenaggio.

Per quanto riguarda la densificazione è un fenomeno che riguarda i terreni non satumi ed incoerenti.

Come detto per la liquefazione un terreno incoerente soggetto a vibrazioni prodotte dal sisma tende ad addensarsi e a diminuire di volume.

Essendo il terreno non saturo, durante il sisma l’acqua non esce (e dunque V_w resta lo stesso) mentre il volume dei vuoti V_v si riduce a causa dell’addensamento e ciò comporta un incremento del grado di saturazione Sr = V_w/V_v • 100.

Dunque nella densificazione non si ha un incremento della pressione interstiziale tuttavia è un fenomeno dannoso poiché comporta cedimenti del terreno.

Il cedimento massimo può essere valutato come ΔH = (e_var -e) (1-e) • H in cui:

• ΔH = cedimento massimo in superficie
• H = altezza dello strato
• e = indice dei vuoti del terreno allo stato naturale.
• e_var = e_min + (e_max - e_min) exp(-0.55•a_av)g •  indice dei vuoti critico
• e_max = indice dei vuoti massimo del terreno
• e_min = indice dei vuoti minimo del terreno
• a_av = accelerazione del sisma di progetto
• g = accelerazione di gravità
• Alla fine si genera un deposito addensato e più stabile.

Questo metodo si è dimostrato particolarmente efficace nel caso di terreni sciolti o mediamente addensati.

L’utilizzo di pali compattanti permette di addensare il deposito per due meccanismi che riducono il valore dell’indice dei vuoti (e = V_v/V_s):

• la vibrazione provocata dall’infissione riduce il volume dei vuoti;
• lo spostamento laterale del terreno nell’intorno della verticale di infissione produce una riduzione dell’indice dei vuoti.

Per poter utilizzare tale metodo occorre conoscere la stratigrafia del terreno (non si devono incontrare lungo le verticale di infissione zone rocciose) e possono essere utilizzati sia pali in calcestruzzo a sezione piena con profilo tronco-conico (sono i più efficaci) sia pali in acciaio a sezione cava e chiusi all’estremità inferiore con una punta (poco usati poiché costosi).

I pali vengono disposti secondo uno schema a maglia regolare più o meno fitta in base allo stato di addensamento iniziale con diametro di 200 mm ed interasse variabile dai 2 ai 3 metri.

I pali infissi restano in sito e non vengono rimossi ed il loro effetto di addensamento si riduce scendendo in profondità ed allontanandosi dal palo (il terreno fuori dalla linea rossa più esterna non risente dell’infissione del palo).

Ovviamente quando i pali sono disposti a maglia la battitura è eseguita dal centro della maglia verso l’esterno in modo evitare l’accumulo di pressioni interstiziali.

Per concludere, dopo aver analizzato i principali metodi dinamici per stabilizzare terreni sciolti saturi e non saturi, analizzeremo ora i metodi per valutarne l’efficacia. Teoricamente l’efficacia può essere valutata con un rilievo piano-altimetrico (poiché tutti i metodi analizzati provocano un abbassamento del piano campagna) misurando la densità finale del deposito e misurando il volume di terreno necessario per colmare i vuoti (solo nel caso delle compattazione dinamica pesante), tuttavia i metodi più usati si basano su sulle misure dei cedimenti o sui risultati di prove in sito.

Per ovvie si sono importati poiché sono poco costosi, affidabili, eseguibili in poco