Le argille espanse nella costruzione di rilevati artificiali - Veronafiere

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PRE-PINT INFRAVIA 2001 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 valori 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- Manutenzione e gestione delle infrastrutture 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 COSTRUZIONE MANUTENZIONE GESTIONE
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