UNIVERSITA’ DEGLI STUDI DI FIRENZE Dipartimento di...

“COSTIPAMENTO”

UNIVERSITA’ DEGLI STUDI DI FIRENZEDipartimento di Ingegneria Civile e AmbientaleSezione geotecnica (www.dicea.unifi.it/geotecnica)

Johann Facciorusso

Corso di GeotecnicaIngegneria Edile, A.A. 2010\2011

[email protected]://www.dicea.unifi.it/~johannf/

Miglioramento dei terreni

In alcune applicazioni ingegneristiche, può manifestarsi talvolta la necessità di migliorare le caratteristiche del terreno, sia nelle sue condizioni naturali in sito, sia quando esso è impiegato come materiale da costruzione (per esempio per dighe, rilevati, terrapieni, ecc..).

MIGLIORAMENTO DEI TERRENI

Dr. Dr. Ing.Ing. JohannJohann FacciorussoFacciorussoCorso di Geotecnica per Ingegneria EdileCorso di Geotecnica per Ingegneria EdileA.A. 2010/2011A.A. 2010/2011

Le tecniche di miglioramento possono essere di vario tipo:

tecniche di tipo meccanicotecniche di tipo chimicotecniche basate sull’induzione di fenomeni di natura termica o elettrica

(che vengono utilizzate soprattutto in maniera provvisoria)tecniche di drenaggiotecniche di sostituzione (parziale o totale del terreno)tecniche di precarico

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Tecniche di tipo chimico

Vibroflottazione Compattazione dinamica



consistono nel trasferire al terreno, secondo differenti modalità, energia meccanica in modo da modificarne la struttura ed aumentarne la densità e la resistenza meccanica (preferibili per miglioramento del terreno come materiale da costruzione e per terreno in sito prima della realizzazione dell’opera.

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Tecniche di tipo chimico


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consistono nel immettere, lentamente e a pressione, una miscela di cemento+acqua+sabbia in terreni granulari per modificarne la struttura ed incrementarne la densità (adatte per edifici esistenti)

consistono nell’installazione di dreni in ghiaia o sabbia (verticali) o realizzati in materiale geosintetico (anche sub‐verticali o orizzontali) per migliorare le condizioni di drenaggio del terreno e quindi aumentarne la stabilità.

Tecniche di drenaggio

consistono nel sovraccaricare temporaneamente il terreno prima della realizzazione dell’opera in modo da esaurire preliminarmente un’aliquota dei cedimenti

Tecniche di precarico

Jet grouting

Dreni verticali

Costipamento

COSTIPAMENTOTra i metodi di tipo meccanico riveste particolare importanza ilcostipamento.

Def. Il costipamento consiste nell’aumentare artificialmente la densità del terreno, impiegato come materiale per la costruzione di rilevati stradali e ferroviari, argini, dighe in terra, ecc.., attraverso l’applicazione di energia meccanica.


L’obiettivo del costipamento è il miglioramento delle caratteristiche meccaniche del terreno, che comporta, in generale, i seguenti vantaggi:

riduzione della compressibilità (e quindi dei cedimenti),incremento della resistenza (e quindi della stabilità e della capacità portante),

riduzione degli effetti che possono essere prodotti dal gelo, da fenomeni di imbibizione o di ritiro (legati alla quantità di vuoti presenti).

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Tecniche di costipamento

TECNICHE DI COSTIPAMENTO

In sito possono essere usate diverse tecniche di costipamento, in relazione alla natura del terreno da porre in opera ed eventualmente alla tipologia dei mezzi di cantiere disponibili.


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In laboratorio queste possono essere riprodotte attraverso differenti tipi di prova nelle quali il terreno viene disposto in un recipiente metallico di forma cilindrica, a strati successivi, che vengono via via compattati.

L’obiettivo delle prove di laboratorio è quello di determinare il valore massimodella densità secca ottenibile con la tecnica adottata:

g,maxd

max.d

γ=ρ

che è funzione:del tipo di terreno (granulometria, composizione mineralogica, ecc.),del contenuto d’acqua, w,della tecnica di costipamentodell’energia di costipamento.

E che viene poi confrontata con quella effettivamente ottenuta in sito per determinare l’efficienza della compattazione:

100e,maxd

sito,dc ⋅

γγ

=

Tecniche di costipamento

TECNICHE DI COSTIPAMENTO


In particolare, esistono quattro differenti tecniche di costipamento e quindi di tipi di prova:

prove statiche, in cui il terreno è sottoposto ad una pressione costante per un certo periodo di tempo mediante un pistone con area uguale a quella del recipiente;prove kneading, nelle quali il terreno è sottoposto a intervalli regolari ad una compressione mediante un pistone che trasmette una pressione nota;

prove per vibrazione, in cui il recipiente in cui è contenuto il terreno viene fatto vibrare con appositi macchinari;prove dinamiche o di urto, nelle quali il terreno è compattato con un pestello meccanico a caduta libera;Terrenia

granagrossa

Terrenia

granafine

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Collare rimovibile

Cilindro metallico

2

Guida Pestello

Prove Proctor

PROVE PROCTORLe PROVE PROCTOR rientrano tra le prove dinamiche.


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L’attrezzatura è costituita da:

Attrezzatura

un pestello che si muove all’interno di una guidaun cilindro dotato di un collare

removibile

Prove ProctorDr. Dr. Ing.Ing. JohannJohann FacciorussoFacciorussoCorso di Geotecnica per Ingegneria EdileCorso di Geotecnica per Ingegneria EdileA.A. 2010/2011A.A. 2010/2011

La procedura di prova si articola nelle seguenti fasi:

Procedura operativa

i. il terreno viene preventivamente essiccato e bagnato e posto all’interno del cilindro e disposto secondo uno strato;

ii. viene applicato con il pestello un numero prefissato di colpi in una posizione prestabilita;

iii. l’operazione viene ripetuta per un certo numero di strati fino a riempire il cilindro poco al di sopra dell’attaccatura col collare ;

iv. viene rimosso il collare, livellato il terreno in sommità, pesato il tutto (P) e determinato il contenuto d’acqua (w), prelevando una porzione di terreno dal cilindro.

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Prove ProctorDr. Dr. Ing.Ing. JohannJohann FacciorussoFacciorussoCorso di Geotecnica per Ingegneria EdileCorso di Geotecnica per Ingegneria EdileA.A. 2010/2011A.A. 2010/2011

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Misurati:

Interpretazione delle misure

P, wNoto: V

si determina VP

=γ

)w1(wPP

VP

VP

VPP

VP

dddS

SWSWS +γ=γ⋅+γ=⋅+=+

==γ

w1d +γ

=γ egd

d

γ=ρ

Dimensioni del cilindro

Dimensioni del pestello Tipo di

prova Ø

[cm]

H

[cm]

V

[cm3]

Ø

[mm]

Peso

[kg]

Numero degli strati

Numero colpi per

strato

Altezza caduta pestello

[cm]

Energia di costipamento

[kg cm/cm3]

Standard

AASHO 10.16 11.7 945 50.8 2.5 3 25 30.5 6.05

Modificata

AASHO 10.16 11.7 945 50.8 4.54 5 25 45.7 27.5

N.B. Le dimensioni del cilindro e il peso del pestello, così come la procedura di prova sono standardizzate a seconda del tipo di prova (standard o modificata)

Teoria del costipamento

Supponiamo di eseguire la prova Proctor (quindi di impiegare la stessa tecnica di compattazione e la stessa quantità di energia) su alcuni campioni dello stesso terreno (5 o 6) aventi diversi contenuti d’acqua.


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CURVA DI COSTIPAMENTO

Maximum

w [%]

3γd

[kN/m ]Saturazione 100%

90%

Optimum

Se, per ciascun campione, riportiamo in un grafico il valore di γd (o ρd) ottenuto al termine della prova in funzione del corrispondente valore di w, e uniamo i vari punti, otteniamo una curva, detta “curva di costipamento”

N.B. L’andamento della curva, il maximum e l’optimum variano al variare della tecnica o dell’energia di compattazione

γdmax

wopt

[16 kN/m3 ; 20 kN/m3]

[5 % ; 40 %]Valori tipici:

γd,max

wopt

Teoria del costipamentoDr. Dr. Ing.Ing. JohannJohann FacciorussoFacciorussoCorso di Geotecnica per Ingegneria EdileCorso di Geotecnica per Ingegneria EdileA.A. 2010/2011A.A. 2010/2011

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w [%]

Saturazione 100%

90%

Linea dei puntidi optimum

Energiacrescente

3γ

d[kN/m ]

Se per uno stesso tipo di terreno si utilizza la stessa tecnica di costipamento variando l’energia si ottiene una famiglia di curve con andamento simileal crescere dell’energia aumenta la densità secca massima e diminuisce il

contenuto d’acqua optimum; con contenuti d’acqua superiori

all’optimum le diverse curve tendono a confondersi in un’unica linea (curva di saturazione)per contenuti d’acqua bassi un

aumento dell’energia di costipamento risulta più efficace in quanto riesce ad incrementare la densità secca (cosa che può non accadere per valori elevati di w, prossimi alla saturazione).

È possibile tracciare curve corrispondenti a differenti gradi di saturazione, parallele alla curva di saturazione, di equazione:

W

Sr

rSd

wS

S

γγ

⋅+

⋅γ=γ

Sr = costante

Teoria del costipamentoDr. Dr. Ing.Ing. JohannJohann FacciorussoFacciorussoCorso di Geotecnica per Ingegneria EdileCorso di Geotecnica per Ingegneria EdileA.A. 2010/2011A.A. 2010/2011

A parità di energia di costipamento, le curve che si ottengono per differenti tipi di terreno sono molto diverse tra loro:la variazione del contenuto d’acqua influenza la densità secca più per

certi tipi di terreno (1, 2 e3) e meno per altri

terreni in cui prevale la frazione fineraggiungono valori di densità secca più bassi

le sabbie ben assortite presentano valori della densità secca più elevati di quelle più uniformi e gli effetti del costipamento sono molto più marcati

per i terreni argillosi il maximumdecresce all’aumentare della plasticità

contenuto d’acqua, w [%]

linea disaturazione

1

2

3

4

5

01.4

dens

ità se

cca,

[M

g/m

]ρ d

3

1.6

1.8

2.0

2.2

10 20 30

1. Sabbia ben assortita con ghiaia e limo2. Miscela di ghiaia, sabbia, limo e argilla3. Argilla sabbiosa4. Sabbia fine uniforme5. Argilla molto plastica

13/1813/18

Costipamento in sito

Per il costipamento dei terreni in sito possono essere impiegate attrezzature diverse in relazione alle caratteristiche e al tipo di terreno e all’energia richiesta per il costipamento.


COSTIPAMENTO IN SITO

Le tecniche impiegate possono trasmettere al terreno azioni meccaniche:

di tipo statico (di compressione e/o di taglio),

di tipo dinamico (di urto o vibrazione).

In base al prevalere di uno dei due tipi di azioni le attrezzature per il costipamento si suddividono in due classi costituite rispettivamente dai:mezzi prevalentemente statici (terreni a grana fine)mezzi prevalentemente dinamici (terreni a grana grossa)

14/1814/18


Nei mezzi prevalentemente statici sono compresi:


15/1815/18

i rulli lisci, che compattano per compressione e limitatamente alla parte più superficiale di terreno (2t < peso < 20 t; pressioni trasmesse dell’ordine di 30÷100 kg/cm su una striscia di un centimetro di generatrice).

i rulli gommati, che sono costituiti da un cassone trasportato da ruote gommate e compattano sia con azione di compressione che di taglio per mezzo dei pneumatici (rispetto ai rulli lisci agiscono più in profondità).i rulli a punte , che sono dotati di protrusioni di varia forma o di segmenti

mobili che esercitano nel terreno un’azione di punzonamento e di taglio. La loro azione è limitata alla parte più superficiale di terreno.

Rullo a punteusato per terreni a grana fine


Nei mezzi prevalentemente dinamici sono compresi:


16/1816/18

i rulli lisci vibranti, che sono analoghi a quelli lisci, ma sono dotati di pesi eccentrici che generano forze verticali di tipo sinusoidale che mettono in vibrazione il terreno (sono poco efficaci in superficie)

le piastre vibranti, che sono formate da una piastra di acciaio sulla quale è posto un motore e una serie di masse eccentriche che generano un moto sinusoidale verticale in grado di sollevare, spostare e far ricadere la piastra

le piastre battenti, che consistono in una massa che viene ritmicamentesollevata e lasciata ricadere sul terreno (vengono usate soprattutto per costipare aree di dimensioni ridotte quando non possono essere utilizzati altre tecniche di costipamento)

Rullo liscio vibranteusato per terreni a grana grossa


In sito il costipamento viene eseguito disponendo il terreno a strati successividi qualche decina di centimetri.

Procedura operativa


La scelta dello spessore e della quantità di energia (numero di passaggi con i rulli o di battute con le piastre) dipende dalle caratteristiche del materiale da compattare:

per i materiali a grana fine (A‐4, A‐5, A‐6, A‐7 della classificazione HRB) e per i materiali a grana grossa con percentuale elevata di fine (A‐2) tale scelta è molto legata al valore del contenuto d’acqua;per i materiali a grana grossa (A‐1, A‐3) la compattazione è generalmente

poco condizionata dal contenuto d’acqua.

L’efficienza di compattazione: 100e,maxd

sito,dc ⋅

γγ

=

da prove Proctor,Proctor modificate

deve essere pari ad almeno 85÷90%

17/1817/18

Foglio di polietilene per terren i granulari

b)


18/1818/18

Per determinare la densità secca (o il peso di volume del secco) in sito, il procedimento è articolato nelle seguenti fasi: i. viene scavata una porzione di terreno e determinato il peso P e il

contenuto d’acqua w; ii. viene misurato il volume di terreno scavato, V ;

iii. viene determinato il peso di volume totale:VP

=γ w1d +γ

=γ

Per determinare V si adottano in genere due metodi:

cono

a)

valvolapiastra con foro

sabbia di carat teristiche note

il metodo della sabbia tarata il metodo dell’olio o dell’acqua


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