Le argille espanse nella costruzione di rilevati artificiali - Veronafiere

Manutenzione e gestione delle infrastrutture
Le argille espanse nella costruzione di rilevati artificiali
di Claudio di Prisco, Politecnico di Milano, e Carlo Luisi, Laterlite spa
L’utilizzo delle argille espanse nella realizzazione di rilevati artificiali
su terreni caratterizzati da proprietà geotecniche scadenti
è divenuto negli ultimi venti anni sempre più comune. Nel seguito
saranno allora discusse le motivazioni progettuali che portano
a preferire tale soluzione rispetto a quelle più tradizionali.
Dopo una breve introduzione concernente le caratteristiche geotecniche
delle argille espanse, saranno discussi i risultati di alcune
semplici analisi parametriche finalizzate alla progettazione
di rilevati artificiali compensati. Saranno prese in
considerazione le condizioni ultime e quelle di esercizio. Sarà
in entrambi i casi mostrato come le soluzioni che prevedono la
progettazione di rilevati totalmente o parzialmente compensati
sono, a patto di rispettare alcune norme costruttive abbastanza
semplici, adatte anche alle situazioni più difficili.
INTRODUZIONE
La costruzione di rilevati artificiali su terreni molli, quali argille
tenere inorganiche, limi compressibili, argille organiche e torbe,
è, a tutt’oggi, un problema di complessa soluzione. Ci si può
trovare in condizioni difficili sia per ciò che riguarda il collasso
che le condizioni di esercizio. L’utilizzo dei georinforzi può agevolmente
ed in modo economico risolvere il primo dei due problemi
ma altrettanto non può essere sostenuto se vengono considerati
i problemi legati alla funzionalità dell’opera e cioè si
valutano i cedimenti. Grazie all’utilizzo di geogriglie o geotessili,
questi possono essere ridotti ma spesso non a tal punto da
essere resi accettabili. A tal fine è pratica corrente far ricorso a
tecniche economicamente onerose quali quelle che consistono
nell’applicazione di un precarico e nell’utilizzo di dreni verticali
per accelerare la fase di consolidazione oppure a quelle che
prevedono bonifica o radicale consolidamento dei terreni molli
di fondazione.
I cedimenti che hanno luogo in seguito alla costruzione di un rilevato
artificiale posto su di uno strato di terreno cedevole, sia esso
ad esempio stradale o ferroviario, possono essere distinti in:
1.cedimenti immediati che hanno luogo pressoché istantaneamente
dopo l’applicazione del carico e che avvengono, se il
terreno è saturo, in condizioni non drenate se la permeabilità
del materiale di fondazione è molto bassa. Tali cedimenti sarebbero
nulli se il rilevato fosse infinitamente esteso in quanto,
in questo modo, si riprodurrebbero le condizioni edometriche.
Nel seguito saranno presi in considerazione rilevati
infinitamente estesi soltanto lungo il proprio asse e verrà presa
in considerazione unicamente la loro sezione trasversale.
2.cedimenti differiti nel tempo, legati al fenomeno della consolidazione,
e cioè associati alla dissipazione delle pressioni in
eccesso inizialmente accumulate dall’acqua contenuta nei pori
ed al loro trasferimento allo scheletro solido (avendo ipotizzato
per semplicità un substrato di argilla completamente
saturo). Generalmente tale quota parte è dominante rispetto
alla precedente e l’intervallo di tempo durante il quale tali cedimenti
si sviluppano può essere molto grande (vari mesi) e
dipende dalla permeabilità del terreno, dalla sua rigidezza e
dalle condizioni idrauliche al contorno che possono impedire
o al contrario facilitare il drenaggio.
3.cedimenti che avvengono a sforzo efficace costante, avendo
indicato con sforzo efficace la quota parte di sforzo
totale gravante sullo
scheletro solido e con υ la pressione dell’acqua. Tali cedimenti
sono allora associati alle proprietà viscose del materiale:
la sua microstruttura può presentare infatti la tendenza ad
assestarsi nel tempo anche se le condizioni al contorno, sia
idrauliche che meccaniche vengono mantenute inalterate. La
finestra temporale di riferimento si sposta ulteriormente ed in
questo caso si tratta di fenomeni che possono continuare negli
anni.
4.Infine cedimenti associati ai carichi ciclici indotti ad esempio
dal passaggio di automezzi o treni sul rilevato. Data l’elevata
frequenza dei carichi e la bassa permeabilità dei materiali presi
in considerazione, il terreno sottostante potrà subire le sollecitazioni
cicliche considerate ancora in condizioni non drenate.
I cicli di carico potranno causare un accumulo di pressione
neutra che tenderà a dissiparsi nell’intervallo di tempo che separa
i singoli cicli di carico associati ad esempio al passaggio
sul rilevato di un treno in corsa. In questo caso la frequenza
dei carichi risulta una variabile di grande importanza. Associato
all’aumento della pressione neutra ed al conseguente aumento
del livello tensionale avrà luogo un accumulo di deformazioni
che potrà stabilizzarsi nel tempo o addirittura crescere
fino alla rottura. Generalmente, il secondo scenario è poco
probabile ma, per ciò che concerne il primo, i cedimenti che
si accumulano, possono, in situazioni particolari, rendere l’opera
inutilizzabile.
5.Infine, è giusto osservare quanto mostrato da vari autori
(Varadarajan et al. (1999), di Prisco et al (1998)) sia numericamente
che sperimentalmente, che l’uso dei geosintetici è in
grado di evitare il fenomeno del “pompaggio” di materiale
fine e di ridistribuire il carico. Essi sono molto adatti nel far
crescere la rigidezza secante della curva carico-cedimenti a
livelli elevati di carico, ma la loro presenza influenza in modo
poco marcato la rigidezza iniziale, che è poi il tratto di nostro
interesse. Naturalmente sarebbe invece auspicabile l’utilizzo
accoppiato di entrambi i materiali.
Nel seguito sarà discusso, facendo riferimento alle condizioni
limite ed a quelle di esercizio, secondo la schematizzazione appena
introdotta, l’impiego di argille espanse nella progettazione
di rilevati parzialmente o totalmente compensati. A tal fine
verrà fornita una breve descrizione geotecnica del materiale e
ne verranno discusse le modalità di messa in opera.
GEOTECNICA DELL’ARGILLA ESPANSA
L’argilla espansa è un materiale artificiale e naturale allo stesso
tempo; infatti viene ottenuto mediante un processo termico
a partire da argille naturali. Il singolo grano (Fig.1) è costituito
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Terza giornata
Figura 1: Granulo di argilla espansa Leca.
da una “scorza” esterna più resistente e meno porosa e da una
matrice interna caratterizzata da un elevato indice dei vuoti.
Infatti all’interno dei grani stessi è presente una grande quantità
di pori, alcuni dei quali non interconnessi. E’possibile allora individuare,
all’interno di questo particolare mezzo poroso, due
tipi differenti di vuoti che nel seguito saranno chiamati, rispettivamente,
intergranulari e intragranulari (o endogranulari).
Mentre i pori intergranulari sono interconnessi e vengono saturati
facilmente quando il materiale è posto sotto falda, i pori
intragranulari (o endogranulari) si riempiono d’acqua con molta
più difficoltà ed alcuni di essi non si satureranno mai. Per una
migliore comprensione di quanto appena osservato, in Fig2, è
schematizzata la distribuzione di solidi e vuoti all’interno del
continuo.
SOLIDI
Figura 2: Schema teorico della distribuzione di solidi e vuoti nelle
argille espanse
Tutti i risultati sperimentali utilizzati nel seguito di questo paragrafo
sono stati tratti da uno studio sperimentale commissionato
da Laterlite s.p.a. all’ISMES e ivi portato a termine nel 1998
su miscela di Argilla espansa Leca di tipo Normale idonea alla
realizzazione di rilevati stradali.
Il volume occupato dai pori intragranulari risulta essere una variabile
aleatoria non facilmente controllabile. Di conseguenza
nel seguito molti dei valori riportati saranno considerati variabili
all’interno di un intervallo pari al 20%. L’unico valore che
può essere assunto costante è quello associato al peso specifico
dei solidi
che viene calcolato sbriciolando i singoli grani sino allo stato di
polvere, ove Ws e Vs rappresentano rispettivamente il peso ed
il volume della parte solida, mentre il peso specifico dell’acqua.
Nella tabella seguente verranno forniti i valori medi del
peso specifico dei grani γg = Ws/Vg ove il termine a denominatore
rappresenta il volume dei grani (generalmente γs e γg indicano
la medesima grandezza, in questo caso, invece, i due va-
lori sono molto differenti), il peso specifico secco γd = Ws/V, ove
il termine a denominatore rappresenta il volume totale. Il valore
del peso alleggerito γ, riportato in tabella 1, è teorico in quanto
è calcolato come γsat -γw e γsat è stato valutato ipotizzando che
tutti i pori, sia quelli intergranulari che quelli intragranulari, siano
completamente riempiti d’acqua. In generale questo avviene,
come rapidamente discusso qui di seguito, soltanto dopo che
il materiale è stato immerso in acqua per un intervallo temporale
molto elevato. Di conseguenza, a breve termine, γ sarà
minore dell’unità e cioè le particelle tenderanno a galleggiare
rendendo molto difficoltosa la compattazione del materiale sotto
falda. Si osservi che i valori riferiti alla sabbia naturale riportati
inTab.1 sono ovviamente del tutto indicativi.
SABBIA LECA 0-30 NORMALE
NATURALE (valori medi rappresentativi)
γs [KN/m3] 26 23.14
γg (a secco) [KN/m3] 26 6.14
γd (in mucchio) [KN/m3] 15 3.8
γd minimo [KN/m3] 14 3.75
γd massimo [KN/m3] 17 4.4
γ [KN/m3] 11 2.59
Tabella 1: Confronto pesi specifici
Quando viene compattato, il materiale perde parte del volume
occupato dai vuoti interstiziali ma non quello contenuto all’interno
dei grani. Quando il materiale viene saturato, i vuoti interstiziali
si riempiono rapidamente mentre difficilmente si saturano
i vuoti intragranulari che spesso sono occlusi e non
interconnessi. In Fig.3 è riportato l’andamento del coefficiente
di imbibizione (definito come peso dell’acqua assorbita su peso
del materiale secco) nel tempo: solo dopo circa tre mesi sembra
raggiunto almeno asintoticamente un valore costante.
Figura3:Prova di imbibizione
Grazie ai risultati sperimentali ottenuti presso ISMES, su provini
ricostruiti artificialmente in laboratorio di argilla espansa
prodotta da Laterlite e distribuita con il nome commerciale di
Leca Normale, mediante l’utilizzo di apparecchiature triassiali
ed edometriche standard è inoltre possibile concludere quanto
segue:
1.L’angolo d’attrito Φ, così come accade per tutti i materiali granulari
naturali quali sabbie e ghiaie, risulta fortemente influenzato
dal valore di densità relativa Dr al quale i provini
sono stati preparati in laboratorio e dal valore di pressione di
confinamento. Maggiore sarà la Dr più elevato sarà Φ, minore
sarà la pressione di confinamento più elevato sarà Φ. I
valori ottenuti sono molto variabili da un minimo di 30° ad un
massimo di 50°.
2.La coesione può essere considerata nulla

3.Valori rappresentativi del modulo di rigidezza edometrica M,
pur fortemente variabili in funzione della Dr, della pressione
di confinamento e del livello tensionale, sono compresi fra 2
e 30 MPa.
4.Il valore limite di pressione verticale che il materiale può sopportare
in assenza di danneggiamento dei grani, durante una
prova edometrica di carico monotono risulta pari a 0.3 MPa.
Valori maggiori inducono una progressiva diminuzione della rigidezza
verticale e l’abbandono del comportamento “locking”.
I valori di pressione alla quale il materiale sarà preferibile lavori
dovrà necessariamente essere inferiore a quelli di cui al punto
4 precedente, mentre, per ciò che concerne il comportamento
dello scheletro solido nel suo complesso e non il singolo grano,
sarà importante raggiungere valori elevati di addensamento progettando,
come sottolineato in seguito, un opportuno metodo di
deposizione.
MODALITÀ COSTRUTTIVE DEI RILEVATI ARTIFICIALI
COMPENSATI
In Figura 4 è riportato uno schema semplificato di un rilevato
alleggerito parzialmente o totalmente compensato: parte del terreno
scadente di fondazione viene sostituito con Leca così 1) da
ottenere in parte un migliore terreno di fondazione e 2) da compensare,
in parte o completamente, il sovraccarico. Il problema
maggiore consiste nella compattazione della argilla espansa.
Per ottenere buoni risultati e cioè una Dr media >80% risulta
necessario interporre, all’interno del rilevato, degli strati di misto
granulare stabilizzato, e degli strati di geosintetico che assolvano
la funzione di elementi separatori così da evitare la commistione
di Leca e del misto granulare stabilizzato stesso. Per
semplicità tali elementi non sono rappresentati in Fig.4. Viene
invece riportato lo strato di misto granulare stabilizzato più superficiale
che, per problemi d’erosione o d’instabilità locale -
concentrati negli strati superficiali - associati al basso valore del
peso dei grani di Leca e ai carichi ciclici/dinamici agenti in superficie
(mezzi viaggianti), non deve mai essere di spessore
inferiore ai 300 mm.
Nella prima fase è approfondito lo scavo di sbancamento dal piano
campagna al piano di fondazione e sul fondo scavo opportunamente
livellato è collocato lo strato di geosintetico che funge
da elemento separatore. In questo caso il geosintetico serve a distribuire
i carichi ma soprattutto ad evitare il fenomeno di pompaggio
di materiale fine che altrimenti tenderebbe a mischiarsi
ai materiali granulari che costituiscono il rilevato stesso.
Fig.4: Schema semplificato di rilevato alleggerito compensato
Leca sarà posto in più strati, con interposizione di strati di spessore
pari a 200 mm di misto granulare che rendono possibile
la compattazione di Leca stesso (vedi punto precedente); naturalmente
lo spessore di Leca varierà in relazione al tipo di sezione.
La sequenza di lavoro prevederà lo scavo di sbancamento,
la posa del geotessile non tessuto, la posa del primo strato
di Leca, la posa di un ulteriore geotessile non tessuto, la posa
dello strato di misto granulare stabilizzato d’interposizione, la
compattazione, i controlli (esecuzione in sito di prove su piastra),
la posa del secondo strato di Leca, la posa del geotessile
non tessuto, la posa del secondo strato di misto granulare sta-
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bilizzato, la compattazione, ulteriori controlli, la posa dello strato
finale di misto granulare stabilizzato (Fig.5).
Fig.5: Sequenza di lavoro: posa del geotessile non tessuto, del primo
strato di argilla e del primo strato di misto.
La conseguenza progettuale più diretta delle modalità esecutive
appena descritte consiste nell’aumento del sovraccarico indotto,
a parità di geometria, dalla presenza del rilevato rispetto
al caso di un utilizzo esclusivo di argilla espansa. In altre parole
il peso specifico medio sarà maggiore proprio a causa della
presenza degli strati di inerte di cava.
CRITERI PROGETTUALI
Nel seguito si mostrerà, mediante un’analisi parametrica molto
semplificata di una tipologia standard di rilevato, come, per ciò
che concerne le condizioni limite di sprofondamento ed estrusione
del terreno di fondazione, l’alleggerimento del rilevato
mediante l’utilizzo di argilla espansa sia sufficiente (insieme all’opportuno
utilizzo di georinforzi) ad eliminare i problemi di
stabilità ma non quelli relativi ai cedimenti che possono essere
invece ridotti mediante la realizzazione di rilevati parzialmente
o totalmente compensati.
Analisi limite
Verrà ora trattato il caso di un rilevato realizzato su uno strato
saturo d’argilla molto cedevole e poco resistente di spessore limitato
a sua volta posto su un substrato resistente (Fig.6). Saranno
discusse unicamente le condizioni a breve termine perché più
pericolose; sarà quantitativamente valutato l’incremento del fattore
di sicurezza nel caso venga utilizzata Leca secondo le modalità
di cui sopra.
Figura 6: Schematizzazione geometrica del problema
L’analisi semplificata riferita allo stato limite ultimo per estrusione
del terreno di fondazione ha senso quando lo spessore dello
strato molle è limitato. Si ipotizza che a causa del peso del rilevato
il terreno di fondazione trasli verso l’esterno causando un
dissesto dell’opera (Fig.7).
Figura 7: Stato limite ultimo per estrusione
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Terza giornata
Il blocco sul quale si opera l’equilibrio alla traslazione è il blocco
1 di Fig.8.
La zona di terreno a destra del blocco 1 è ipotizzata in spinta passiva,
quella a sinistra in condizioni di spinta attiva.
Come schematizzato sinteticamente in Fig.8 (Hird e Jewell
(1989)), sul blocco 1 in direzione orizzontale agiscono la risultante
degli sforzi orizzontali a sinistra (PA), la risultante degli
sforzi orizzontali a destra (PP), la risultante degli sforzi di taglio
TT agenti sull’interfaccia geosintetico – argilla e geosintetico –
terreno di riporto, la risultante degli sforzi di taglio TB agenti
sull’interfaccia argilla – strato resistente di base.
Figura 8a: Schema di calcolo
semplificato
Figura 8b: Schema statico
Il coefficiente di sicurezza Fs sarà definito come
con PA = Spinta attiva = PA1+ PA2 ove il primo termine è riferito
alla spinta attiva all’interno del rilevato, mentre il secondo
alla spinta attiva all’interno dello strato di argilla. Utilizzando
Leca, come si evince dalle equazioni riportate in Nota 2, variano
le componenti TB, TT e PA che compaiono nella definizione
del coefficiente di sicurezza Fs, mentre rimane inalterata la
componente PP. L’utilizzo di Leca al posto di un tradizionale
inerte di cava, induce una marcata riduzione della spinta instabilizzante
(PA) direttamente proporzionale al peso del rilevato,
una contemporanea riduzione di TT, funzione dell’angolo
d’attrito geosintetico-terreno di riporto che costituisce il rilevato
e del peso del rilevato stesso mentre lascia inalterato il
valore di TB , in quanto sono state considerate le condizioni a
beve termine.
In Fig.9 è riportato l’andamento del coefficiente di sicurezza
al variare dell’inclinazione a del pendio che costitutisce la scarpata
del rilevato artificiale (Fig.8). I dati con riferimento ai quali
sono state ottenute tali curve, sono riportati in Nota 1. Per
ciò che concerne il terreno di fondazione, è stata presa in considerazione
una argilla normalconsolidata con elevato contenuto
organico. Dalla figura si evince chiaramente come l’utilizzo
di Leca faccia crescere in modo marcato il coefficiente di sicurezza
anche per valori dell’inclinazione della scarpata molto elevati.
Fig.9 Andamento del coefficiente di sicurezza al variare
dell’inclinazione della scarpata
Calcolo dei cedimenti
Se si procede alla realizzazione di un rilevato parzialmente compensato,
come quello rappresentato in Fig.4, la differenza di
comportamento tra rilevato realizzato con Leca e quello con
inerte di cava diventa enorme. Infatti, dato il basso valore del
peso specifico sommerso di Leca (g’= 2.59 KN/m3, nel caso
si ipotizzino i pori endogranulari completamente saturi d’acqua),
l’utilizzazione di Leca permette, oltre alla naturale diminuzione
dello spessore dello strato cedevole, una drastica riduzione
del sovraccarico. Questo significa che utilizzando un inerte
di cava si riducono i cedimenti unicamente perché lo spessore
dello strato cedevole passa da S a S-D*, (avendo indicato con
D* la profondità massima dello scavo) ma il sovraccarico posto
a profondità D* rimane pressoché inalterato. Al contrario,
quando si utilizza Leca si riducono sia lo spessore dello strato
cedevole che il sovraccarico agente sullo strato cedevole.
Per ciò che concerne i cedimenti che seguono la fase di consolidazione,
in Fig.10 vengono confrontati gli andamenti del cedimento
sotto lo spigolo del rilevato (D =2m ed S=5m) che si
ottengono utilizzando Leca oppure un tradizionale inerte di cava
al variare dell’altezza del rilevato D*. Tali valori sono stati ottenuti
ipotizzando di applicare la teoria dell’elasticità per valutare
la diffusione degli sforzi sotto il rilevato (Poulos e Davis
(1974)) e di considerare trascurabili i cedimenti all’interno degli
strati compattati, siano essi formati da tradizionali inerti di
cava o da argilla espansa.
Figura 10: Confronto dell’andamento dei cedimenti sotto lo spigolo
del rilevato al variare di D* nel caso venga utilizzato Leca o un
normale inerte di cava (D=2m).
Si fa inoltre notare che, in caso di rilevato totalmente compensato,
se l’operazione di scavo e di riempimento mediante
argilla espansa è sufficientemente rapida, lo strato di argilla
sottostante non si accorge nemmeno o quasi della variazione
delle condizioni al contorno ed il fenomeno della consolidazione
risulta interrotto durante il suo stesso sviluppo.
OSSERVAZIONI CONCLUSIVE
Da quanto appena mostrato possiamo quindi concludere che
il problema della minimizzazione dei cedimenti è sicuramente
quello più delicato ed esso può essere risolto grazie alla compensazione
dei carichi, ottenuta mediante l’impiego di argille
espanse. Infatti:
• i cedimenti istantanei possono essere trascurati perché avvengono
ancora in fase di costruzione e sono molto limitati
rispetto a quelli successivi. Nel caso di una completa com-

pensazione, essi sono, a lavoro ultimato, irrilevanti.
• I cedimenti legati al fenomeno della consolidazione invece,
dannosi per l’opera in quanto avvengono successivamente,
vengono ridotti o addirittura annullati senza dover
modificare le caratteristiche meccaniche del terreno molle
di fondazione. Se al contrario si intervenisse mediante precarico,
e dreni verticali così da rendere più rapida la fase di
consolidazione, si potrebbe al massimo ridurre i cedimenti
verticali di un ordine di grandezza, nel caso il precarico
coincida con il carico definitivo, ma mai annullarli completamente.
• I cedimenti viscosi hanno luogo a sforzo efficace costante
ma tendono nel tempo a stabilizzarsi secondo una legge di
decadimento logaritmica. Questo significa che essi sono
funzione dell’entità del disturbo (leggi incremento di sforzo
efficace) e del tempo intercorso dall’ultimo incremento
di carico vergine. La compensazione dei carichi tende allora
ad annullare anche i cedimenti viscosi - dannosi per
la durabilità dell’opera - poiché viene ridotto o addirittura
annullato il disturbo.
• Infine, la velocità di accumulo dei cedimenti indotti dalle sollecitazioni
cicliche causate dal passaggio di automezzi o treni
sul rilevato, considerati ancora una volta trascurabili i cedimenti
all’interno del corpo del rilevato stesso, al crescere
del numero di cicli n risulta associato all’accumulo di pressione
neutra all’interno del terreno molle di fondazione. Gli
unici due modi per limitare lo svilupparsi di tali cedimenti
consistono nel: (a) sovraconsolidare il materiale (b) facilitare
il più possibile il drenaggio. Si fa notare che nel caso di rilevato
compensato per il quale (Fig.4) D tenda a zero e D*π0
(compensazione negativa del carico), è possibile ottenere il
primo dei due risultati ed, indirettamente, riducendo il percorso
di drenaggio, anche il secondo.
Bibliografia
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NOTA 1 - DATI:
TERRENO di FONDAZIONE:
Manutenzione e gestione delle infrastrutture
Cu = coesione non drenata
= sforzo verticale efficace
• B=4m (larghezza del rilevato),
• CR (rapporto di compressione vergine) = 0.4.
_________________________________________________
N.B.: E’ stato scelto un valore medio ed unico per tutto lo strato
molle (Cu=8 KPa) senza introdurre una sua variazione in funzione
della profondità. Per semplicità è stato considerato un unico
strato di geosintetico con funzione stabilizzante, quello posto
alla base del rilevato, mentre è stata trascurata la presenza degli
strati intermedi posti all’interno del rilevato stesso.
NOTA 2
N.B. Nel nostro caso TAM>TT sempre.
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