Le fondazioni dei viadotti autostradali - Spea Ingegneria Europea

Ponti & Viadotti
Piero Bongio*
Tiziano Collotta**
Elisabetta Ferraris***
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Fondazioni
“There is no glory in foundations”: un monito che, nella realtà professionale
e nella vita quotidiana, trova tristi conferme...
UNA “GLORIA” SEPOLTA:
LE FONDAZIONI DEI VIADOTTI AUTOSTRADALI
“Nelle lunghe notti invernali, quando la
malinconia dei vecchi cantieri stringe
forte il cuore, quando grappe e bicchieri
di vino rosso annaffiano gli sbiaditi ricordi
dei bei tempi che furono, attempati
capocantieri nei nostalgici racconti dei
viadotti costruiti si soffermano a rievocare
gesta legate ai vari degli impalcati,
ai casseri rampanti, ai getti delle pile,
ma raramente i discorsi cadono sulla
realizzazione delle fondazioni, se non
per ricordare quella volta che quel cavolo
di Ingegnere geotecnico... Mamma
che disastro!”.
Figura 1 - Il ponte sull’Adda
Nel lontano 1936, nel corso del primo Congresso Internazionale di
Soil Mechanics and Foundation Engineering, tenuto a Cambridge
nel Massachusetts (USA), il Prof. Terzaghi lanciò il suo celebre monito:
“There is no glory in foundations”.
Il monito del Padre Fondatore della Meccanica dei Suoli trova nella
realtà professionale e nella vita quotidiana sistematiche e tristi conferme.
Ad esempio, tanto per parlare di viadotti, di un viadotto autostradale
colpiscono di certo l’altezza delle pile, la lunghezza delle campate,
lo sviluppo dell’impalcato e in generale “l’ardire” dell’opera; ovviamente
non le fondazioni.
“There is no glory in foundations”… sicuramente aveva ragione Terzaghi,
ma per chi ha la fortuna di affrontare con passione il progetto delle
fondazioni di un viadotto resta il profondo orgoglio di ideare una componente
fondamentale dell’intera struttura, quell’orgoglio capace di regalare
soddisfazioni più gratificanti della “glory” di cui parlava Terzaghi.
Quando capita, per esempio, che le fondazioni di un viadotto siano magari
costituite da pozzi del diametro di 10-15 m, magari profondi 30-
40 m, magari in presenza di coltri in frana dello spessore di 10-15 m
e magari sottoposti ad accelerazioni sismiche di progetto di 0,20 g…
cavoli, parlando tra di noi, viene da chiedersi “qual è l’opera di ingegneria?
Dov’è l’ingegno? Solo “il ponte”?”...
E se pensiamo alle fondazioni di un viadotto sul Tevere, sul Po o sull’Arno
“dov’è l’ingegno?”. Accidenti, “è sepolto”!
STRADE & AUTOSTRADE 4-2008
Va beh, l’Ingegnere geotecnico se ne è fatta una ragione e allora i testi
dei “Maestri” associano alla geotecnica delle fondazioni l’“engineering
judgement”, “quella particolare sensibilità”, l’“intuizione”, per spingersi
all’estremo: l’“arte”.
La premessa è fin troppo ampia per l’argomento specifico, ma tanto
valeva darci una piccola soddisfazione.
Volendo spezzare una lancia a favore della complessità dell’aspetto
“fondazioni dei viadotti autostradali”, si riportano nell’articolo alcuni
particolari esempi che hanno coinvolto le componenti legate alla “sensibilità”
dell’Ingegnere geotecnico.
Gli interventi sono stati progettati dagli Uffici Strutture e del Polo di
Geoingegneria di Spea Ingegneria Europea SpA.
Le tipologie delle fondazioni dei viadotti
Come è noto, i viadotti autostradali possono presentare fondazioni di
diverse tipologie:
tipo diretto;
di tipo diretto su terreno trattato (jet-grouting, vibroflottazione, vibrocompattazione,
cutter soil mixing, terreni iniettati, sistemi misti);
micropali;
pali di medio-grande diametro;
diaframmi;
fondazioni a pozzo.

La scelta dipende da una serie di aspetti:
l’entità dei carichi da trasferire (azioni assiali, taglianti, flettenti e torcenti);
gli aspetti geomorfologici (azioni aggiuntive ricollegabili a cinematismi
di instabilità di versante, andamento planoaltimetrico del terreno
in prossimità della fondazione) e idrogeologici dell’area;
caratteristiche stratigrafiche e meccaniche dei terreni di fondazione;
spostamenti ammissibili della sovrastruttura e dei sistemi di appoggio
dell’impalcato;
accessibilità all’area di fondazione delle spalle e delle pile;
aspetti ambientali.
Tra gli aspetti esposti è forse anche interessante fornire alcuni dati in
merito all’entità dei cedimenti e degli spostamenti ammissibili adottati
nelle progettazioni Spea Ingegneria Europea SpA:
a testa pila (quota appoggi);
w orizz = 4 cm (condizioni statiche);
= 10 cm (condizioni sismiche);
cedimenti differenziali tra pile adiacenti:
Δw < 0,2‰ della lunghezza media delle luci concorrenti all’appoggio.
I cedimenti verticali assoluti, anche di entità rilevante (> 30 cm), possono
essere gestiti adottando tipologie di appoggi e particolari accorgimenti
costruttivi.
Fondazioni
STRADE & AUTOSTRADE 4-2008
Le fondazioni “particolari”
Il ponte sull’Adda, spalla lato Milano, sull’Autostrada A4
Milano-Bergamo
L’opera è stata realizzata nell’ambito dei lavori di ampliamento alla
quarta corsia della Milano-Bergamo.
Il viadotto ad arco, la cui lunghezza complessiva è pari a 177,50 m, è realizzato
in acciaio, ha luce di 82,20 m e un’altezza massima di circa 25 m.
Le particolarità della spalla lato Milano dell’opera sono molteplici:
entità dei carichi:
carico verticale = 67.000 kN;
taglio long = 8.900 kN;
taglio trasv = 900 kN;
momento long = 54.000 kNm;
momento trasv = 135.000 kNm
(i carichi sono riferiti allo SLE);
presenza di elevati momenti torcenti in fondazione (momento torc =
47.000 kNm) dovuti all’eccentricità degli appoggi dell’arco rispetto
al baricentro del plinto di fondazione;
caratteristiche dei terreni di fondazione (argille e limi soffici in cui
si alternano livelli di sabbie e ghiaie e conglomerati. I conglomerati
sono presenti in forma continua a monte della fondazione);
presenza di un’importante struttura idraulica, rappresentata dalle
opere di restituzione di una centrale idroelettrica, in stretta aderenza
alla fondazione;
presenza delle opere di
fondazione esistenti;
impossibilità di accesso
alle aree di lavoro
con pesanti macchine
operatrici.
L’unico accesso è rappresentato
da una
passerella in c.a. aggettante
sull’Adda.
Tra le varie soluzioni possibili
sono state prese in
considerazione fondazioni
su pali trivellati di
grande diametro, su micropali
e la fondazione a
pozzo. Le fondazioni su
pali trivellati sono state
escluse per le problematiche
di accesso all’area,
Figure 2A, 2B, 2C e 2D - Il progetto della fondazione
spalla lato Milano del ponte sull’Adda
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mentre il pozzo è stato escluso per evitare scavi in adiacenza a una
delicata struttura idraulica esistente, volendo inoltre evitare che scavi
in presenza di flussi di acque liberi potessero comportare l’insorgere
di problemi di filtrazione notevoli; si sono inoltre volute evitare le problematiche
ambientali legate alle iniezioni ad alta pressione (jet-grouting)
sul fondo pozzo, necessarie a garantire la possibilità di raggiungere
all’asciutto le profondità del pozzo richieste dall’analisi numerica.
La scelta è così caduta su una fondazione su micropali, supportati
in questo dalla scelta progettuale fatta all’epoca della costruzione
del ponte esistente.
La fondazione è composta da 238 micropali del diametro di 240
mm, aventi lunghezza di 30 m, armati con tubi del diametro di 177,8
mm sp = 10 mm.
Figura 3 - I micropali della spalla lato Milano
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Fondazioni
STRADE & AUTOSTRADE 4-2008
La disposizione dei micropali è a quinconce con interasse trasversale
di 1,30 m e 0,80 m longitudinale, rispetto all’asse del ponte.
Il momento torcente è stato assorbito mediante 28 micropali suborizzontali,
ancorati nei conglomerati, aventi le stesse caratteristiche di
quelli di fondazione, inclinati di 45°, 35° e 25° rispetto all’orizzontale.
Tutti i micropali sono stati iniettati a bassa pressione (5 bar) attraverso
la realizzazione di un tappo alla sommità costituito da un geotessile
riempito con boiacca di cemento e la posa di una speciale valvola
di non ritorno a fondo foro.
Il viadotto Arno: l’ampliamento della terza corsia del tratto
Firenze Nord-Firenze Sud dell’Autostrada A1 Milano-Napoli
Le fondazioni esistenti delle pile in alveo sono costituite da plinti a forma
di “lama”, di lunghezza pari a 33,45 m, larghezza di 5,20
m e spessore 1,40 m; i plinti sono fondati su 22 pali trivellati
di grande diametro (del diametro di 1.200 mm) aventi lunghezza
variabile da 25,50 m a 30,00 m.
L’ampliamento della fondazione prevede un allargamento pari
a 11,25 m per parte, per una lunghezza totale del plinto di
46,70 m; l’allargamento è fondato su 10+10 pali trivellati del
diametro di 1.200 mm, aventi una lunghezza pari a quella dei
pali esistenti.
A sostegno degli scavi necessari per la realizzazione delle pile
in alveo è stata prevista l’infissione di palancole metalliche
della lunghezza di 10 m a partire da un’isola realizzata in alveo,
per consentire di operare al riparo dal flusso idrico.
L’aspetto tecnico interessante è rappresentato dalla valutazione
della ripartizione dei carichi tra i pali della fondazione in ampliamento
e i pali della fondazione esistente.
La progettazione delle sottostrutture dell’ampliamento è stata
effettuata contemplando la storia di carico della struttura: in altre
parole, l’applicazione dei
carichi dovuti alla struttura di
ampliamento sono stati applicati
in uno step di carico,
successivo alla situazione attuale,
in riferimento alla quale
i pali della struttura esistente
risultano già sollecitati
dai carichi provenienti dalla
struttura esistente stessa.
In sostanza, nelle analisi incrementali
eseguite, i pali esistenti
e quelli di nuova realizzazione
sono stati “modellati”
in maniera differente, tenendo
cioè in debita considerazione
i complessi fenomeni
non lineari di interazione
palo-terreno legati a fenomeni
fisici quali:
reazione orizzontale del
terreno (curve p-y);
mobilitazione degli attriti/adesioni
lungo il fusto
Figure 4A, 4B e 4C -
L’allargamento della
fondazione delle pile in alveo
del viadotto Arno
del palo;
mobilitazione della resistenza
del terreno alla
punta del palo.

Il viadotto Verrand sull’Autostrada Aosta-Monte Bianco
Il viadotto è costituito da cinque campate della luce massima di 135,00
m, con altezza massima delle pile pari a 40,00 m.
Le fondazioni delle pile sono intestate a mezzacosta su un ripido versante
morenico, con pendenze medie dell’ordine di 40°. Diversi sono
gli aspetti critici legati alla scelta tipologica e al dimensionamento delle
fondazioni:
presenza di materiali costituiti in prevalenza da sabbie e limi con
ghiaia e ciottoli associabili a:
depositi morenici;
accumuli di frana stabilizzati;
coltri detritiche;
alti livelli di falda, prossimi al piano campagna nella parte mediana
e al piede del versante;
entità dei carichi (riferiti allo SLE: carico verticale = 68.000 kN; taglio
= 3.600 kN; momento = 152.000 kNm);
presenza di una coltre di terreno dello spessore di 10-15 m in condizioni
di potenziale instabilità;
scelta progettuale di incrementare i coefficienti di sicurezza del versante
attraverso interventi di drenaggio profondo;
difficoltà a creare piste e aree di lavoro per la realizzazione delle
fondazioni.
In relazione a tali problematiche le fondazioni del viadotto sono state
previste a pozzo; la particolarità risiede nel fatto che i pozzi hanno sia
la funzione di trasferire i carichi ai terreni di fondazione stabili sia di
consentire la realizzazione al loro interno di tre-quattro ordini di dreni
suborizzontali da 4”, della lunghezza media di 50 m. Il pozzo di massima
lunghezza raggiunge la profondità di 41 m. La parte sommitale
del pozzo, sino alla profondità di 12 m da testa pozzo, è costituita da
una coronella del diametro 13,20 m, realizzata con micropali (diametro
di perforazione di 220,00 mm, diametro di armatura di 168,30 mm,
spessore di 12,50 mm, interasse di 400,00 mm); nella parte inferiore
è stata realizzata una doppia coronella in jet-grouting sino alla massima
profondità del pozzo. Sono state realizzate colonne del diametro
di 1.200 mm, con la tecnica bi-fluido. Le colonne sono armate con armatura
tubolare.
Nella configurazione di esercizio finale i pozzi, nei primi 20 m sono cavi
con diametro interno di 3,00 m al fine di consentire l’ispezionabilità
dei dreni, che scaricano a gravità attraverso perforazioni dal pozzo verso
i sistemi di raccolta posizionati sul versante.
Fondazioni
STRADE & AUTOSTRADE 4-2008
Figura 5 - La sezione verticale del pozzo di progetto del viadotto Verrand
Figure 6A e 6B - Il varo dell’impalcato e lo scavo
del pozzo del viadotto Verrand
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Ai fini del controllo della deformabilità globale del pozzo in condizioni
sismiche, alla sommità del pozzo è stato realizzato un ordine di tiranti
pretesati, costituito da otto tiranti a cinque trefoli da 0,6”, della lunghezza
di 50,00 m, di cui 15 relativi al tratto di fondazione.
Per la complessità delle problematiche dell’opera, il dimensionamento
delle fondazioni è stato preceduto da un’estesa campagna di indagini
e dall’installazione di un sistema di monitoraggio.
Il viadotto Casaglia, spalle lato Bologna, sull’Autostrada A1
Milano-Napoli: l’adeguamento del tratto appenninico tra
Sasso Marconi e Barberino di Mugello
Per le spalle lato Bologna, innestate nel poderoso rilevato artificiale (H
> 30 m) realizzato tra il viadotto Casaglia e l’imbocco della galleria di
Base, è stata prevista una complessa configurazione del tutto originale
che prevede una fondazione profonda a pozzo sulla quale è realizzato
un plinto in c.a. da cui si diparte il fusto cilindrico cavo dell’elevazione.
Figura 7 - La sezione longitudinale della spalla Bologna del viadotto Casaglia
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Fondazioni
STRADE & AUTOSTRADE 4-2008
Il pozzo di fondazione, del diametro di 12,60 m e della lunghezza di
40,00 m, prevede la realizzazione di una coronella di n° 34 pali trivellati
del diametro di 1.200 mm e lunghi 45 m. Il ribasso degli scavi avviene
con travi di contrasto anulari in c.a. e con l’applicazione alle pareti
di spritz-beton dello spessore di 20 cm armato con doppia rete
elettrosaldata. Per il corpo spalla, impiantato in sommità del fusto cavo,
si è prevista una configurazione semi-scatolare cava, con setti irrigidenti,
in modo da minimizzare l’entità delle masse “sospese” e delle
relative forze di inerzia indotte dalle azioni sismiche.
Il carico imposto dal rilevato induce dei cedimenti in grado di innescare
fenomeni di attrito negativo. In sostanza, dove il cedimento del
terreno è maggiore del cedimento della fondazione, si ha l’inversione
delle forze di attrito, che possono determinare carichi assiali addizionali
per il pozzo. Per limitare tale fenomeno si è scelto di tenere la struttura
del fusto completamente isolata dal circostante rilevato per mezzo
di una cuffia cilindrica in c.a., concentrica al fusto stesso e completamente
esterna ad esso alla relativa fondazione.
Si è inoltre esclusa qualunque interazione tra il corpo spalla e il retrostante
rilevato autostradale in terra armata, costruito in sommità del
rilevato di Poggiolino. Questo prevedendo di rendere auto-stabile il
fronte di quest’ultimo prospiciente al corpo spalla, il quale a sua volta
si affaccia verso il rilevato con un fronte aperto e privo di rinterro. La
percorribilità stradale all’interfaccia tra rilevato e spalla è garantita da
una soletta flottante di transizione in c.a..
In relazione agli elevati carichi in gioco (a testa pozzo N = 107.510 kN,
M = 85.646 kNm, T = 756 kN (SLU) N = 86.295 kN, M = 519.045 kNm,
T = 19.764 kN (Sisma)) e all’entità dei cedimenti attesi e dei possibili
spostamenti orizzontali, particolare attenzione è stata rivolta alla scelta
delle apparecchiature di appoggio (tipo multidirezionale con piastra
di scorrimento dimensionata in modo da permettere ampi spostamenti
orizzontali in tutte le direzioni dell’ordine di 50÷60 cm) e all’individuazione
di accorgimenti costruttivi tali da consentire alla struttura di
assorbire cedimenti decimetrici, per esempio, gli appoggi sono stati
dotati di spessori a strati di lamiera, collegati mediante bullonatura, in
modo tale da poter intervenire per modificare l’altezza degli stessi in
funzione dell’entità dei cedimenti.
La proposta del viadotto sull’Adda: il collegamento
autostradale di connessione tra le città di Brescia e Milano
Al fine di poter realizzare all’asciutto gli scavi sotto falda per l’esecuzione
dei plinti di fondazione di pile in terreni sabbiosi fini mediamente addensati
(N SPT = 30-40 colpi/piede) è prevista la realizzazione di una
coronella esterna mediante pannelli realizzati con la tecnologia “cutter
soil mixing”. La tecnologia consiste nel miscelare terreno in sito e
cemento attraverso due set di ruote fresanti che girano su un’asse
orizzontale per produrre pannelli rettangolari. Nel caso specifico, è prevista
l’adozione di pannelli con sezione 2,20x0,80 m della lunghezza di
10 m, da quota intradosso plinto, e un trattamento dei terreni all’interno
della coronella mediante iniezioni con cementi microfini eseguite da
tubi in VTR o PVC valvolati. Questo trattamento, oltre alla funzione impermeabilizzante,
unitamente all’esecuzione di alcuni pannelli di CSM a
raggiera interni ha anche la funzione di aumentare il modulo di deformazione
medio al fine del controllo dei cedimenti della fondazione.
La configurazione della pila tipo e della fondazione della singola via di
corsa sono riportate nelle Figure 8 e 9. La lunghezza dei trattamenti è
stata definita in modo tale da interessare il solo primo strato di terreno
caratterizzato da ridotti moduli di deformabilità rispetto alle sottostanti
formazioni riscontrabili oltre la profondità di circa 10 m da quota
intradosso fondazione.

Figura 8 -
La proposta
di fondazioni
delle pile
del viadotto
sull’Adda
Il cavalcavia Vignolese sull’Autostrada A1 Milano-Roma
La pila centrale del cavalcavia è fondata su pali tipo Soles, infissi con
un’attrezzatura di dimensioni molto limitate, con netto vantaggio sugli
ingombri di cantiere, quindi adatti per pile in spartitraffico.
I pali Soles sono pali di fondazione, con anima in acciaio, infissi staticamente
mediante speciali attrezzature idrauliche che trovano contrasto
nel plinto di fondazione, realizzato prima dei pali. La punta dei
pali è dotata di flangia circolare o fondello di diametro maggiore dell’anima
di acciaio. Il maggior diametro della flangia è da ricondurre ad
alcune specifiche finalità:
alesare il terreno nella fase di infissione del tubo di acciaio, annullando
temporaneamente la resistenza che verrebbe prodotta dall’attrito
del terreno sul fusto del palo, permettendo in questo modo
il trasferimento e l’applicazione di gran parte dell’energia di spinta
dell’attrezzatura di infissione solo alla punta dell’anima di acciaio;
realizzare, in contemporanea alla precedente fase, una cavità della
forma di corona circolare nell’intorno del tubo di acciaio che, contemporaneamente
alla sua formazione, viene colmata e saturata in
pressione con calcestruzzo di opportuna granulometria;
rendere, per quanto sopra, veloci e sicure le operazioni di infissio-
Fondazioni
STRADE & AUTOSTRADE 4-2008
Figura 9 - Un particolare della
testa fresante CSM della proposta
di progetto del viadotto sull’Adda
ne anche in rapporto al possibile
verificarsi di fenomeni di dilavamento
dovuti all’effetto di falde in
pressione o alla presenza di terreni
particolarmente instabili.
Ogni fase del procedimento di infissione
è controllata da un sofisticato
sistema informatizzato di acquisizione
e registrazione di quei
dati che concorrono alla caratterizzazione
delle proprietà fisiche di
tutti i pali realizzati, registrazione
continua della spinta di infissione,
portata alla punta del palo.
Figure 10A,10B,
10C e 10D -
Il progetto e le fasi
di lavorazione della
pila del cavalcavia
Vignolese
* Ingegnere Responsabile dell’Ufficio Geotecnica
all’aperto del Polo Geoingegneria di Spea Ingegneria
Europea SpA
** Ingegnere Responsabile del Polo Geoingegneria di
Spea Ingegneria Europea SpA
*** Ingegnere Progettista dell’Ufficio Geotecnica
all’aperto del Polo Geoingegneria di Spea Ingegneria
Europea SpA
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