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UNIVERSITÀ DI FIRENZE
TECNICHE DI MIGLIORAMENTO DEI TERRENI
Corso di Geotecnica II Anno Accademico 2003-2004
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⇒3. migliorare le caratteristiche dei terreni
2. abbandonare il sito e scegliere un altro sito di migliori caratteristiche geotecniche ⇒
Interventi sul terrenoprecarico
Alternative progettuali
assestimetri piezometri
ALTERNATIVE PROGETTUALI
Nella progettazione o nella verifica di un’opera (fondazione, rilevato, scavo, pendio, ecc.) l’ingegnere geotecnico può trovarsi di fronte a una inadeguatezza del terreno di fondazione a sopportare i carichi trasmessi dalle strutture, alla possibilità di cedimenti troppo elevati o all’evenienza (in particolari condizioni quali terremoti, frane, eventi piovosi, modificazioni climatiche, ecc.) di effetti incompatibili con l’equilibrio o con la funzionalità delle strutture
⇒ Nuovo progetto
1. ridurre i carichi della struttura e/o sul terreno
Altro sito
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MIGLIORAMENTO DEI TERRENI
Obiettivi generali: modificare punto per punto nel senso desiderato le proprietà dei terreni (densità, permeabilità, deformabilità, resistenza a rottura, ecc.) in modo da prevenire o ridurre gli effetti temuti
Obiettivi specifici: • accrescere la capacità portante di un terreno
• controllare le deformazioni e accelerare i processi di consolidazione
• accrescere la stabilità dei pendii (naturali e artificiali) e degli scavi• controllare i moti di filtrazione
• accrescere la resistenza alla liquefazione
Prima dell’intervento Dopo l’intervento
Costruzione in progetto
drenaggi
Base rocciosa
Trincea drenante
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Le motivazioni per cui oggi si deve sempre più ricorrere al miglioramento dei terreni sono essenzialmente legate a tre necessità:1. utilizzare aree marginali, siti inquinati e terreni di
caratteristiche scadenti per la costruzione di nuove opere e infrastrutture;
2. garantire la stabilità di strutture esistenti durante la costruzione di nuove opere e infrastrutture (scavi, gallerie, ecc.)
PERCHÉ MIGLIORARE I TERRENI ?
3. prevenire l’impatto di rischi naturali (terremoti, frane, alluvioni, vento, ecc.) e antropici (inquinamento, attività estrattive, ecc.)
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Nelle zone sismiche gli scenari di crisi sono legati essenzialmente a:1) Liquefazione dei terreni incoerenti sciolti saturi
MIGLIORAMENTO DEI TERRENIIN CONDIZIONI SISMICHE
2) Densificazione dei terreni incoerenti sciolti asciutti
3) Cedimenti dei terreni coesivi molli4) Instabilità dei pendii
Movimenti franosiDensificazione
Liquefazione
Ipocentro
Crolli di roccia Subsidenza
Scorrimenti di faglia
galleria
5) Presenza di cavità e opere in sotterraneo
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• I metodi di miglioramento dei terreni sono oggi numerosissimi
MIGLIORAMENTO DEI TERRENI SCELTA DEL METODO
• Alcuni sono ben consolidati , altri sono in fase di sperimentazione
• Possono essere usati da soli o in combinazione
• La scelta del metodo ottimale è molto complessa perché ogni metodo presenta vantaggi e svantaggi e i fattori da considerare sono molti
• Si devono infatti tenere presenti i seguenti fattori:
- il tipo di terreno e le sue proprietà iniziali- i fattori ambientali e climatici
- la disponibilità di materiali richiesti dal procedimento
- la disponibilità di personale e attrezzature specializzate
- la disponibilità di materiali richiesti dal procedimento
- la disponibilità di personale e attrezzature specializzate
- i tempi- i costi
- l’importanza dell’opera e i requisiti richiesti per la soluzione del problema geotecnico (miglioramento della capacità portane, riduzione dei cedimenti, stabilizzazione di pendii, ecc. )
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CRITERI DI CLASSIFICAZIONE
Le tecniche di miglioramento dei terreni possono essere classificate in base a diversi criteri:
1. Natura dei materiali
2. Natura del problema geotecnico
⇒ Rocce, terreni incoerenti grossolani e fini, terreni coesivi
⇒ Stabilità in condizioni statiche o dinamiche, bonifica da inquinamento, ecc.
3. Fattori costitutivi ⇒ Porosità, composizione mineralogica, fasi, ecc.
4. Procedimenti tecnologici ⇒ Principi, modalità e attrezzature
Nel seguito si distingueranno le tecniche di miglioramento sulla base dei procedimenti tecnologici ma verranno date indicazioni anche sugli altri aspetti
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PROCEDIMENTI TECNOLOGICI
• I procedimenti tecnologici differiscono tra loro innanzitutto per il principio con cui avviene la modificazione delle proprietà fisico-meccaniche del terreno
• Si distinguono tre modalità principali:
1. apporto di energia attraverso l’applicazione di azioni meccaniche (dinamiche, statiche), elettriche, termiche
2. sostituzione integrale o parziale del terreno
Si inducono nel terreno processi di densificazione, di consolidazione, di filtrazione controllata, processi chimici, che in generale danno come risultato una modificazione della struttura del terreno
Si opera una bonifica del terreno o mediante asportazione dei materiali scadenti (o inquinati) o mediante eliminazione e sostituzione di una o più fasi
3. modificazione dello stato di sollecitazione internaSi introducono nel terreno elementi resistenti a trazione e a taglio oppure si opera un trasferimento dei carichi in zone a maggiore resistenza o ancora si crea uno stato artificiale di sollecitazione interna (precompressione)
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PROCEDIMENTI TECNOLOGICI PER APPORTO DI ENERGIA
I metodi che modificano la struttura del terreno attraverso apporto di energia vengono raggruppati, in relazione al tipo di azioni applicate, in quattro categorie fondamentali Rullatura
EsplosioniVibroflottazionePali compattantiHeavy tamping
1. Metodi dinamici
2. Metodi statici Applicazione di sovraccarichiInstallazione di dreni
3. Metodi elettrici Consolidazione elettrosmoticaStabilizzazione elettrosmotica
4. Metodi termici CotturaCongelamento
Nei metodi dinamici e statici il fattore costitutivo del terreno su cui il trattamento agisce è la porosità, nei metodi elettrici e termici è la composizione mineralogica
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METODI DINAMICIRULLATURA
Principio: densificazione del terreno per effetto delle vibrazioni
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METODI DINAMICIRULLATURA
Profondità del trattamento: 1-3m
Attrezzatura di cantiere: rullatoriTerreni: terreni incoerenti
Costi: bassiTempi: variabili
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METODI DINAMICIESPLOSIONI
Principio: densificazione del terreno per effetto delle vibrazioni indotte dalla detonazione di cariche esplosive in profondità; il rilascio immediato e violento di energia genera delle onde sismiche che producono la liquefazione del terreno a cui consegue una più stabile e addensata configurazione dell’aggregato granulare
Tubo PVC
Filo detonatore
0.00
- 5.00
- 10.00
(4.5 kg)
(5.5 kg)
8.00 m
Tubo in PVC
Riempimento con sabbia
esplosivo
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METODI DINAMICIESPLOSIONI
Profondità del trattamento: ?Terreni: terreni incoerenti sciolti saturi sotto faldaAttrezzatura di cantiere: macchina perforatrice, tubazioni e detonatori
Costi: bassiMateriale necessario: dinamite, tritolo, ammonite
Tempi: molto rapidiSvantaggi: non è applicabile negli strati superficiali, è pericoloso, non può essere utilizzato in aree edificate
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METODI DINAMICIESPLOSIONI
Interasse 7.5 m
1 serie
2 serie
3 serie
4 serie
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METODI DINAMICIVIBROFLOTTAZIONE
Principio: densificazione del terreno per effetto delle vibrazioni indotte da un a sonda vibrante a punta conica (vibroflot) e compattazione mediante il riempimento del foro con materiale granulare che viene addensato dal vibratore contro le pareti del foro
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METODI DINAMICIVIBROFLOTTAZIONE
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METODI DINAMICIVIBROFLOTTAZIONE
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METODI DINAMICIVIBROFLOTTAZIONE
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METODI DINAMICIVIBROFLOTTAZIONE
Profondità del trattamento: 30m
Attrezzatura di cantiere: vibroflottatore
Terreni: terreni incoerenti sciolti saturi sotto falda con meno del 20% di fini
Costi: bassiMateriale necessario: materiale granulare
Tempi: molto rapidiSvantaggi: non è applicabile negli strati superficiali, è pericoloso, non può essere utilizzato in aree edificate
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METODI DINAMICIHEAVY TAMPING
Principio: applicazione ripetuta di impatti alla superficie del deposito ottenuti mediante la percussione di una massa pesante lasciata cadere da diversi metri di altezza.Nei terreni non saturi il meccanismo di densificazione è simile a quello della prova Proctor; nei terreni granulari saturi provoca liquefazione
Altezza di caduta 7-40m
Massa 15-200 t
Profondità del trattamentoD= (0.65 ÷0.80) √ WH (m)
W = peso della massa in tH= altezza di caduta in m
La massa è costituita da un blocco di calcestruzzo oppure da una serie di piastre d’acciao imbullonate tra loro oppure da un guscio di acciaio riempito di calcestruzzo o di sabbia
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METODI DINAMICIHEAVY TAMPING
Profondità del trattamento: 30mTerreni: terreni incoerenti sciolti anche con fini
Attrezzatura di cantiere: tamper di oltre 200 t
Materiale necessario: nessuno Costi: uguali a quelli della vibroflottazione; da moderati ad altiTempi: molto rapidi
Svantaggi: non è applicabile negli strati superficiali, è pericoloso, non può essere utilizzato in aree edificate
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METODI DINAMICIHEAVY TAMPING
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METODI DINAMICIPALI COMPATTANTI
Principio : densificazione per effetto delle vibrazioni e degli spostamenti laterali dovuti all’infissione del palo
Profondità del trattamento: 20m
Attrezzatura di cantiere: sistema di infissioneTerreni: terreni incoerenti sciolti saturi anche con fini
Materiale necessario: materiali di riempimento o calcestruzzo
Costi: da moderati ad alti
Tempi: medi
Vantaggi: si possono ottenere elevate densità
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METODI STATICI
1. Applicazione di precarichi e sovraccarichi
2. Installazione di dreni
assestimetri piezometri
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METODI STATICIApplicazione di precarichi e sovraccarichi
Principio: Il carico è applicato sufficientemente in anticipo rispetto alla costruzione dell’opera così che la consolidazione del terreno è terminata prima della realizzazione dell’opera
Terreni:argille soffici normalmente consolidate, limi, depositi organici, torbe, riempimenti artificialiAttrezzatura di cantiere: macchine per movimenti di terraMateriale necessario: materiali terrosi per il sovraccarico e materiali sabbiosi per i dreni
Costi: bassi (solo sovraccarico) e moderati (se combinato con i dreni)
Tempi: lunghi
Vantaggi: gli aspetti teorici del problema sono ben conosciuti e la stima dei tempi e dei cedimenti è affidabile
Svantaggi: tempi lunghi
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METODI STATICIInstallazione di dreni
80 cm
Mandrino in geosintetico
dreno
Principio: accelerare la consolidazionesfruttando la permeabilità nella direzione orizzontale
geosintetico
• Dreni di sabbia
• Dreni sintetici
40 cm
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METODI ELETTRICI
Principio: Viene applicata una differenza di potenziale tra anodo e catodo che provoca un processo di migrazione dell’acqua
Applicando una differenza di potenziale di 50-150 volt l’acqua di porosità migra dall’anodo al catodo con velocità di 30-45 cm/h.
L’acqua viene quindi allontanata per pompaggio
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Attrezzatura di cantiere: macchine speciali
Terreni: argille soffici normalmente consolidate e limi
Costi: alti
Materiale necessario: nessuno
Tempi: rapidi
Svantaggi: il risultato del trattamento non è uniforme
Vantaggi: un notevole miglioramento della rigidezza e della resistenza del materiale trattato
METODI ELETTRICI
Profondità: 20m
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METODI TERMICICONGELAMENTO
Principio: il terreno viene congelato in modo da aumentarne la rigidezza e la resistenza e da ridurne la permeabilità
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METODI TERMICICONGELAMENTO
Terreni: tutti
Profondità: alcuni metri
Attrezzatura di cantiere: sistema refrigerante
Materiale necessario: refrigerante
Costi: alti
Tempi: rapidi
Vantaggi: si mantiene intatta la struttura del terreno
Svantaggi: inapplicabile in terreni con acqua in circolazione; è un miglioramento temporaneo
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METODI TERMICICOTTURA
Principio: essiccare il terreno (basse temperature), alterrane la composizione (medie e alte temperature) per ridurre l’acqua controllare la plasticità, aumentare la resistenza
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METODI TERMICICOTTURA
Terreni: terreni fini, specialmente argille parzialmente sature e limi
Profondità: 15 m
Attrezzatura di cantiere: bruciatore
Materiale necessario: gas
Costi: da moderati ad alti
Tempi: rapidi
Vantaggi: si ottengono aumenti di resistenza molto elevati e irreversibili
Svantaggi: possono essere trattati solo piccoli volumi dei terrno
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PROCEDIMENTI TECNOLOGICI PER SOSTITUZIONE
1. Metodi che operano un’asportazione integraleGli interventi per sostituzione si distinguono in:
Applicazione: terreni organici, torbosi, liquefacibili, inquinati
2. Metodi che operano una sostituzione parziale attraverso:
Intasamenti e riempimenti
Iniezioni
Drenaggi La fase liquida viene sostituita da aria
La fase liquida viene sostituita da miscelesolidificanti
I vuoti vengono riempiti con materiali di varia granulometria, eventualmente intasati con miscele solidificanti
Applicazione: stabilizzazione di pendii, di fondazioni in roccia, cavità, terreni liquefacibili, ecc.
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PROCEDIMENTI TECNOLOGICI PER SOSTITUZIONE
Principio: sostituire la fase liquida o areiforme con materiale solidificante
Si possono utilizzare:
Miscele chimiche
Argille
Cemento
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PROCEDIMENTI TECNOLOGICI PER SOSTITUZIONE
Terreni: tutti
Profondità: anche elevate
Attrezzatura di cantiere: sistemi speciali
Materiale necessario: miscele, cemento, argille
Costi: da moderati ad alti
Tempi: rapidi
Vantaggi: si ottengono aumenti di resistenza molto elevati
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PROCEDIMENTI TECNOLOGICI CHE MODIFICANO LO STATO
DI SOLLECITAZIONE INTERNA
1. Metodi che introducono nel terreno elementi resistenti a trazione
chiodaturetirantature
2. Metodi che effettuano un trasferimento di carichi in zone a maggiore resistenza
ancoraggi
3. Metodi che creano uno stato artificiale di sollecitazione interna (precompressione)
Applicazione: rocce
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MIGLIORAMENTO DEI TERRENI SCELTA DEL METODO
ghiaia sabbia limo argillaVIBROCOMPATTAZIONE
ESPLOSIONI
PRECARICO
HEAVY TAMPING
METODI ELETTRICI
METODI CON RIFORZI
METODI TERMICI
JET GROUTING
METODI SOSTITUZIONE
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• I metodi di miglioramento dei terreni sono oggi numerosissimi
MIGLIORAMENTO DEI TERRENI CONCLUSIONI
• Alcuni sono ben consolidati , altri sono in fase di sperimentazione
• Possono essere usati da soli o in combinazione
• La scelta del metodo ottimale è molto complessa perché ogni metodo presenta vantaggi e svantaggi e i fattori da considerare sono molti
• Si devono tenere presenti i seguenti fattori:
- il tipo di terreno e le sue proprietà iniziali- i fattori ambientali e climatici
- la disponibilità di materiali richiesti dal procedimento
- la disponibilità di personale e attrezzature specializzate
- i tempi- i costi
- l’importanza dell’opera e i requisiti richiesti per la soluzione del problema geotecnico (miglioramento della capacità portane, riduzione dei cedimenti, stabilizzazione di pendii, ecc. )
MIGLIORAMENTO DEI TERRENICRITERI DI CLASSIFICAZIONEPROCEDIMENTI TECNOLOGICIPROCEDIMENTI TECNOLOGICI PER APPORTO DI ENERGIAMETODI DINAMICIMETODI DINAMICIMETODI DINAMICIMETODI DINAMICIMETODI DINAMICIMETODI DINAMICIMETODI DINAMICIMETODI DINAMICIMETODI DINAMICIMETODI DINAMICIMETODI STATICIMETODI STATICIMETODI STATICIPROCEDIMENTI TECNOLOGICI PER SOSTITUZIONEPROCEDIMENTI TECNOLOGICI CHE MODIFICANO LO STATO DI SOLLECITAZIONE INTERNA