Costruire su terreni difficili

1. Introduzione

Pur considerato che le conoscenze teoriche, sperimentali e tecnologiche hanno raggiunto un elevato livello qualitativo in ambito edile, occorre comunque tenere conto che talora sono proprio le condizioni locali a rendere difficoltosi gli interventi; difatti, come nel caso appresso illustrato relativo alla costruzione di un albergo in ambiente lagunare presso Caorle (VE), nella prassi professionale possono verificarsi casi particolari costituiti da terreni di fondazione di bassa resistenza e alta deformabilità presenti in luoghi di difficile accesso per le usuali macchine da cantiere. Ma, se tali elementi risultano capaci di vincolare le scelte progettuali, occorre anche considerare che grazie alle accresciute capacità di calcolo degli attuali PC e degli odierni software ad elementi finiti, è oggigiorno possibile simulare tutte le possibili condizioni operative e, addirittura, replicare anche le fasi cantieristiche che di fatto riconducono l’insieme struttura-fondazione-terreno a un problema marcatamente iperstatico.

2. struttura geologica del sito

Occorre premettere che il modello geologico del sito è stato ricostruito mediante l’integrazione di n. 4 prove in sito tipo CPT, n. 1 Masw e n. 1 sondaggio a carotaggio continuo con prelievo di n. 3 campioni a profondità prestabilite in relazione all’andamento del profilo di resistenza e del profilo di velocità; quindi, sono state eseguite prove edometriche e prove per la definizione delle caratteristiche fisiche e delle variabili di stato. Per quanto concerne l’idrodinamica del sottosuolo occorre evidenziare che in fase d’investigazione è stata individuata la presenza di una falda freatica posta ad una quota media stagionale prossima a circa -1.5 metri dal piano di campagna; nel contempo, da un punto di vista sismico non sono stati rilevati elementi di particolare pericolosità, con riferimento agli effetti di liquefazione del terreno, in relazione allo sviluppo di un comportamento elettrostatico associato alla prevalenza di argille e alla presenza di limi anche negli strati più francamente sabbiosi.

 

In conclusione, dal confronto diretto tra i grafici di resistenza all’avanzamento delle prove penetrometriche (figura 1) è emerso un sottosuolo sufficientemente omogeneo, con presenza di sabbie debolmente sovraconsolidate per essiccazione in superficie (fino alla profondità media di circa 1.5 metri) seguite da argille e limi di bassa resistenza ed alta compressibilità; quindi, a partire dalla profondità di circa 11 metri inizia una facies più francamente sabbioso-limosa tendente alle sabbie dense solo oltre i 22 metri.

3. modello geotecnico

La costruzione del modello geotecnico è il risultato del confronto dell’interpretazione delle prove CPT (per i cui dettagli si veda: Prove geotecniche in situ) con le prove edometriche eseguite sui campioni indisturbati (per i cui dettagli si veda: Geotecnica, guida pratica alla luce delle nuove NTC); di conseguenza, per la costruzione del modello geotecnico, quale passaggio obbligatorio nella trasformazione del modello geologico in un modello numerico del problema, è stata adottata la seguente metodologia di lavoro:

1. comparazione dei grafici relativi a tutte le prove CPT per l’analisi delle variazioni latero-verticali di facies dei terreni nell’area di impronta dell’intera area di intervento;
2. individuazione della linea delle argille, con la quale sono stati discriminati gli strati a comportamento coesivo da quelli a comportamento attritivo;
3. suddivisione del sottosuolo in strati a comportamento omogeneo;
4. ricostruzione dello stato tensionale geostatico verticale;
5. scelta del legame costitutivo di Mohr-Coulomb per terreni omogenei isotropi con legge di flusso associata (per i cui dettagli si veda: Introduzione alla Meccanica del Continuo);
6. determinazione dell’angolo di resistenza al taglio (e della coesione non drenata) in relazione alla coesione nulla per ciascuno dei terreni riscontrati (poiché attritivi o per effetto della totale saturazione nei litotipi fini) ed in funzione della resistenza alla punta misurata durante l’avanzamento dell’utensile:
7. determinazione del modulo elastico longitudinale, successivamente confrontato con i moduli edometrici dedotti dalle prove edometriche in funzione del legame esistente tra gli stessi attraverso il coefficiente di Poisson.

Infine, tutti i risultati sono stati sintetizzati nella seguente figura 2 dalla quale emergono valori dei moduli elastici dei vari strati, che sono risultati confrontabili con quelli derivanti dall’esecuzione delle prove edometriche, tipici di terreni di alta deformabilità.

4. modello AD ELEMENTI FINITI

In relazione alle particolari “difficoltà operative” le analisi geotecniche sono state condotte ricorrendo al metodo degli elementi finiti (per i cui dettagli si veda: Introduzione al metodo degli elementi finiti) in quanto da analisi preliminari, svolte con i metodi classici, è emerso che un’eventuale platea di fondazione risulterebbe verificata agli SLU ma non agli SLE (per i cui dettagli si veda: Analisi geotecniche di fondazioni superficiali e pali) per la cui definizione si rimanda al DM 14.01.2008.

Le analisi sono state condotte in condizione di deformazione piana, utilizzando apposite “funzioni di esistenza temporali” che hanno permesso la simulazione degli step esecutivi; i risultati, relativi all’adozione di una platea di fondazione dello spessore di 40 centimetri, hanno dimostrato che la verifiche agli SLU (omesse) risultano sempre soddisfatte mentre quelle agli SLE, analizzate per una finestra temporale di 365 giorni, conducono a valori dei cedimenti non compatibili con le finalità progettuali.

I risultati dei calcoli sono stati i seguenti:

11. il cedimento del centro platea è di 11.66 centimetri a fine costruzione e di 12.53 centimetri dopo un anno di consolidazione;
12. il cedimento del bordo platea è di 11.74 centimetri a fine costruzione e di 12.59 centimetri dopo un anno di consolidazione;
13. la consolidazione è pressochè trascurabile come dimostrato sia dalle modeste variazioni dei cedimenti e sia dal grafico delle sovrappressioni interstiziali.

In pratica, poichè sia la consolidazione che i cedimenti differenziali possono essere considerati trascurabili, i cedimenti assoluti risultano compatibili con l’integrità degli elementi strutturali e architettonici (ossia escludono la possibile comparsa di quadri fessurativi) ma non con l’integrità dei collegamenti impiantistici.

Per questo motivo, e per le difficoltà operative relative all’accesso al sito delle macchine per la perforazione dei pali, la fondazione è stata successivamente modificata introducendo micropali al di sotto di ogni pilastro aventi la seguente geometria:

1. diametro nominale di perforazione: 20 centimetri;
2. lunghezza di perforazione: 11 metri;
3. vincolo di collegamento con la platea: cerniera
4. schema di funzionamento: riduttori di cedimenti.

In pratica, poiché la platea è comunque verificata agli SLU, i micropali non possiedono una funzione strutturale ma sono inseriti solo per ridurre gli elevati cedimenti agli SLE; inoltre, la lunghezza prevista è tale da farli interagire con il banco di sabbie limose presente a partire da una profondità media di circa 10.8 metri dal piano di campagna come rilevabile dalla figura 1.

A tal proposito, la Circolare 617/2009 al paragrafo C6.4.3 cita: “I pali possono essere impiegati come fondazioni a se stanti, come riduttori dei cedimenti di fondazioni superficiali estese e come elementi contribuenti alla capacità portante di fondazioni miste (piastre su pali).”.

I risultati dei nuovi calcoli sono stati i seguenti:

1. il cedimento del centro platea è ora di 1.9 centimetri con l’aliquota di consolidazione praticamente trascurabile;
2. il cedimento del bordo platea è di 1.7 centimetri;
3. i cedimenti differenziali sono del tutto trascurabili essendo limitati a 2 millimetri;
4. le tensioni all’interfaccia terreno-fondazione sono modesto, con valori medi non superiori a 54 kPa.

In definitiva si ritiene che i calcoli siano soddisfatti in relazione sia all’integrità strutturale / architettonica / impiantistica dell’opera e sia nei confronti dell’integrità delle strutture limitrofe come prescritto dal DM 14.01.2008.

5. INTERAZIONE FONDAZIONE-TERRENO

Il calcolo geotecnico è stato infine completato con l’analisi dell’interazione terreno-fondazioni, tenuto conto dei risultati ottenuti con il modello piastra+micropali su suolo alla Winkler (per i cui dettagli si veda: Introduzione al metodo degli elementi finiti).

Nel dettaglio, e con riferimento alla figura 13:

1. la rigidezza delle molle verticali della platea è risultata di 2740 kN/m³ (0.27 kg/cm³);
2. la rigidezza della molla di punta dei micropali è di 525.000 kN/m³ (52.5 kg/cm³);
3. la rigidezza laterale della molla nei micropali è di 337.000 kN/m³ (33.7 kg/cm³).

Concludendo, occorre rilevare che l’uso combinato di elementi isoparametrici (per la simulazione dei mezzi continui come il sottosuolo e le tamponature) e di elementi beam (per la simulazione del telaio e dei micropali) ha consentito – unitamente all’imposizione di funzioni di esistenza e di funzioni di carico – di simulare tutti gli aspetti costruttivi dell’opera e di proiettarne la risposta tensodeformativa nel tempo al fine di comprenderne gli eventuali aspetti critici. In questo modo può essere apprezzata appieno la potenza di calcolo del metodo degli elementi finiti.