FONDAZIONI

FONDAZIONI (XV, p. 611; App. II, 1, p. 958)

Indagini nel sottosuolo. - L'analisi delle caratteristiche di resistenza delle terre eseguita in laboratorio su campioni estratti con i sondaggi fornisce gli elementi per il calcolo delle fondazioni.

Con sottosuoli fortemente eterogenei, quali gli alluvionali, tali indagini risultano dispendiose essendo necessarie numerose prove, anche per una costruzione di dimensioni limitate, ed allora vi è la tendenza a ricorrere a prove dirette in sito. Queste inoltre consentono una buona valutazione della densità delle terre incoerenti per le quali è difficile l'estrazione di campioni indisturbati.

Scandaglio penetrometrico. - La più diffusa prova in sito è lo scandaglio penetrometrico con il campionatore standard (standard penetration test) della fig. 1.

Il campionatore pesa circa kg 23 e ha il diametro di cm 5. Per saggiare la densità del terreno si conta il numero di colpi di un maglio di kg 63,5, con caduta di cm 76, per produrre l'infissione di cm 30. Si può allora giudicare della compostezza della terra classificandola come terra molto sciolta quando il numero dei colpi risulta compreso tra 0 e 4, terra sciolta tra 4 e 10 colpi, terra mediamente sciolta tra 10 e 30 colpi, terra densa tra 30 e 50 colpi, terra molto densa al disopra di 50 colpi. Terzaghi-Peck hanno fornito anche delle tabelle sperimentali che pongono in relazione, per le terre coerenti, il numero dei colpi con la resistenza ad espansione libera e con la pressione massima ammissibile sul suolo (ad es. per una sabbia fine 14 colpi corrispondono a un carico ammissibile di 2,5-3,00 kg/cm²; per una argilla dura 19 colpi corrispondono a 3-4 kg/cm²).

Fino dal 1917 in Svezia furono adottate delle prove penetrometriche per rilevare la consistenza delle terre argillose, eseguite con un'asta appuntita alla base. La prova è stata poi perfezionata ed oggi viene frequentemente adottata.

L'apparecchio è costituito da un'asta terminante alla base con un cono con apertura di 600 (fig. 2 a). L'asta viene protetta a volte da un tubo (fig. 2 b) in modo da eliminare le resistenze di attrito laterale. L'infissione può essere statica, ed allora si misura la pressione necessaria a provocare un determinato affondamento (di cm 50) ovvero dinamica ed allora si misura il numero dei colpi di un maglio standard (da kg 44 a kg 63) necessarî a provocare l'affondamento di un piede. Quando l'asta è inserita nel tubo si agisce alternativamente sull'asta collegata al cono e sul tubo (fig. 3). Quest'ultimo procedimento è utilizzato anche per stabilire la profondità d'infissione dei pali.

Per le forti profondità il procedimento penetrometrico presenta l'inconveniente di essere sensibilmente influito dal peso delle aste e dall'attrito laterale, se non vi è il contritubo; pertanto i risultati risultano falsati. Inoltre la presenza dell'acqua varia notevolmente il rapporto colpi-densità.

Prova di taglio. - La resistenza al taglio di una terra in sito può valutarsi con un apparecchio costituito da una stella di lamiere, in generale 4 (come indicato in fig. 4 a) saldate intorno ad un'asta (scissometro).

L'apparecchio viene infisso nel suolo dopodiché si applica un momento torcente, per mezzo dell'asta, crescente fino ad ottenere la rotazione del cilindro di terra impegnato dalle lamiere. Una semplice relazione di equilibrio fornisce la resistenza tangenziale della terra dalla conoscenza del momento di rottura. La fig. 4 b mostra la relazione fra il momento torcente e la rotazione.

Metodi geofisici. - Altri metodi di esplorazione del sottosuolo sono quelli geofisici più adatti però per lo studio di estese zone, quale si richiede ad esempio per l'impostazione del progetto di una diga, che nnn per l'esame particolareggiato del sottosuolo di fondazione. Essi sono i metodi gravimetrico, elettrico e dinamico.

Stabilizzazione del suolo. - I procedimenti di stabilizzazione del suolo si prestano a consolidare masse di terra a bassa resistenza di taglio conferendogli una maggiore stabilità sotto l'azione dei carichi. Con la stabilizzazione a cemento si conseguono elevate resistenze ma il procedimento può applicarsi a masse terrose relativamente superficiali ed è costoso. Stabilizzazioni si ottengono anche mediante iniezioni di prodotti chimici.

La stabilizzazione per aumento di densità di terre sciolte si può conseguire mediante la vibrazione ma anche questo procedimento ha un'azione superficiale mentre per la stabilizzazione in profondità si può ricorrere alla infissione di pali.

La stabilizzazione consiste a volte nel togliere l'acqua dal terreno. Ciò può farsi abbassando la falda con drenaggi normali ed oggi frequentemente, con terre fine, con il cosiddetto sistema Well Points: si inseriscono nel terreno tubi drenanti collegandoli con una rete di tubazioni ad una o più pompe. Trattasi di un mezzo d'opera applicabile anche con terre scarsamente permeabili argillose fino a 0,01 mm con il sistema del vacuum.

Al disotto delle dimensioni dei grani di 0,01 mm si può ricorrere al processo di elettro-osmosi consistente nell'inserire nel terreno saturo un catodo costituito da un tubo tipo Well Points e un anodo a conveniente distanza. La corrente facilita l'espulsione dell'acqua di capillarità creando una corrente dall'anodo al catodo ove viene estratta.

Stabilità delle fondazioni. - Terre argillose. - È noto che il carico limite di una fondazione diretta dipende dalle caratteristiche di attrito e coesione della terra.

Per le argille nelle quali il contenuto in acqua non ha il tempo di variare all'applicazione del carico, ossia con intervento delle pressioni interstiziali, l'attrito è praticamente nullo e la stabilità allo scorrimento è offerta dalla sola coesione c. Poiché la direttrice della superficie di scorrimento è un cerchio, risulta per fondazioni continue (v. App. II, 1, p. 960, fig. 11) p_olim = 5,70c e per le circolari p_olim = 7,4c. Si adotterà un coefficiente di sicurezza 3 per il carico ammissibile.

Terre particolarmente cedevoli. - I terreni alluvionali di origine recente composti da argille detritiche, limi, torbe, ecc. intrise d'acqua, quali si rinvengono nelle colmate di valli di erosione, spesso in prossimità dei corsi d'acqua, sono pessimi terreni di fondazione che richiedono un accurato studio delle soluzioni strutturali.

I fabbricati subiscono cedimenti a volte di decine di centimetri con gravi dissesti se i cedimenti sono differenziali. I cedimenti differenziali possono essere dovuti o a forte eterogeneità del sottosuolo, o, più frequentemente, all'influenza di carichi applicati nelle vicinanze. Infatti tali terreni sono sensibilissimi a mutamenti del loro stato di tensione. Sono sufficienti riporti di terra, quali i rilevati stradali, da un lato di un fabbricato, a produrre inclinazione di questo; anche la costruzione di un fabbricato vicino può produrre analoghi fenomeni. Pertanto occorre che tutti i movimenti di terra vengano eseguiti prima di iniziare la costruzione.

In tali terreni si dà la preferenza alle palificate ma queste, essendo necessariamente del tipo sospeso, in tale massa fluida, offrono scarsa portanza nel tempo. Unico accorgimento efficace è di costituire una rigida struttura scatolare, come in fig. 5, costruendo in cemento armato le pareti dello scantinato. In tal modo le strutture in elevazione vengono protette da deformazioni per cedimenti differenziali pur non potendosi evitare inclinazioni del fabbricato.

Calcolo dei pali. - La portata dei pali può prevedersi con le formule dinamiche se sono infissi, ovvero con le formule statiche. Le prime sono applicabili con terreni già assestati e sono suscettibili di fondate critiche per la difficile valutazione dell'energia dissipata nell'urto del maglio e per l'intervento delle caratteristiche elastiche del palo stesso. Sono preferite le seconde e la tendenza odierna è di analizzare separatamente la resistenza alla punta e per attrito laterale potendo l'una prevalere nettamente sull'altra a seconda della natura del terreno e del tipo di palo.

Ad esempio un palo gettato in opera previa perforazione del terreno (palo del tipo detto trivellato) che poggi alla punta su un terreno solido non desta resistenza d'attrito laterale non avendosi apprezzabili cedimenti. Inoltre nei terreni non ancora assestati l'attrito laterale può anche agire in senso inverso.

Un palo infisso in un terreno omogeneo di sabbia sciolta resiste principalmente per attrito laterale e questo si può considerare che aumenti linearmente con la profondità mentre nella sabbia densa una parte apprezzabile del carico viene portata alla punta (da 1/4 ad 1/3 del totale).

Resistenza alla punta. - La portata della punta P₁ può esprimersi con la formula

dove ω è l'area della base del palo, A è un coefficiente che dipende dall'attrito interno della terra alla punta, C dalla coesione e p è la pressione al piano di appoggio (p = Σl_iΓ_i, essendo l_i la potenza degli strati attraversati e Γ_i il loro peso specifico ridotto della sottospirata per terre immerse in acqua).

La formula di Caquot e Kerisel porta per il coefficiente A l'espressione

e per il termine C che compare con le terre coerenti:

dove c è la coesione.

Il coefficiente di sicurezza è η₁ = 3.

Resistenza laterale. - La portata per attrito laterale può esprimersi con la formula

essendo −ω il perimetro del palo, l la sua lunghezza e B un coefficiente dipendente dalla resistenza di attrito ed aderenza fra palo e terra. Alcuni autori fanno variare il coefficiente B in relazione alla profondità, altri la considerano costante.

Nella prima ipotesi, per un terreno omogeneo

essendo f il coefficiente di attrito palo-terra, Γ il peso specifico della terra e λ il coefficiente di spinta compreso fra il valore attivo e passivo. Tale formula può adottarsi con terre sabbiose sciolte. Per terreni stratificati la precedente si trasforma in una sommatoria. Con terreni compatti per B si assume l'aderenza media r fra palo e terra che per le argille consolidate può assumersi pari alla coesione c; per le sabbie compatte r = 10 tonn./m². La fig. 6 mostra una schematizzazione della resistenza d'attrito nei casi a) di terreno omogeneo, b) di terreno incoerente stratificato, c) di terreno coerente uniforme. Il coefficiente di sicurezza η₂ deve essere non inferiore a 3. La formula si applica anche ai pali tesi con il coefficiente di sicurezza 4. Nella figura 7 sono schematizzate, per un palo, le forze in equilibrio: carico applicato P; carico trasmesso alla punta P₁, carico trasmesso lateralmente P₂ e peso del palo P_p per alcuni sottosuoli caratteristici, anche con intervento dell'attrito negativo (v. di seguito).

Attrito negativo. - Va sotto il nome di attrito negativo l'azione trasmessa al palo dal terreno circostante in fase di assestamento. Il fenomeno che si produce un certo tempo dopo l'esecuzione del palo si verifica in terreni fortemente cedevoli che si assestano sia sotto il peso proprio, sia sotto carichi applicati alla sua superficie nella zona circostante al palo stesso.

Nel grafico della figura 8 sono riportati i cedimenti assoluti degli strati di terra alle varie profondità e quello del palo ad un certo tempo t₁. All'altezza del punto B i cedimenti assoluti sono uguali (cedimento relativo nullo) e quindi non si desta azione di attrito fra terra e palo (detto da Terzaghi punto neutro). Al disopra di esso, essendo maggiore il cedimento del terreno, l'azione tangenziale sul palo è diretta verso il basso, al disotto, essendo maggiore il cedimento del palo, è diretta verso l'alto. Se la punta del palo va ad appoggiarsi su un terreno fortemente resistente (palo portante alla punta) il cedimento di questo è minimo ed altrettanto avviene di quello del palo. Se il palo è caricato dal carico P e P2′ è la risultante dell'attrito negativo esso sarà sottoposto in effetti al carico P + P2′, equilibrato dalla resistenza alla punta ed anche dall'attrito positivo nel caso di pali sospesi (fig. 7). Di qui la necessità di applicare sul terreno i carichi (in generale rilevati) molto tempo prima dell'esecuzione dei pali altrimenti questi vengono trascinati nell'assestamento generale del sottosuolo.

La determinazione della risultante P2′ dell'attrito negativo è incerta essendo difficile prevedere i cedimenti del terreno e del palo. Essa può porsi nella formula

essendo B il coefficiente visto precedentemente per l'attrito positivo ed α un coefficiente dipendente dal grado di assestamento del terreno e dal carico applicato.

È evidente che con argille già consolidate per il peso proprio, la risultante dell'attrito negativo non può superare il carico applicato in superficie che compete al palo, né la resistenza totale di aderenza lungo il palo. L'ipotesi di Terzaghi che sia α = 1 e B = c è un caso limite che certamente non si raggiunge. Si suggerisce di assumere α variabile da 0,3 a 0,8 con i valori maggiori quanto meno consolidato è il terreno attraversato, quanto maggiore la resistenza alla punta, quanto maggiore l'intensità e l'estensione del carico applicato alla superficie del suolo e quanto minore la lunghezza del palo.

Pali speciali. - Pali di grande diametro. - È recente la realizzazione di pali di fondazione di grande diametro. Tali pali di diametro fino ad 1,80 m costituiscono delle vere colonne che riportano il carico alla base e sostituendo frequentemente, in presenza d'acqua, le più onerose fondazioni ad aria compressa con il vantaggio di poter raggiungere forti profondità. L'esecuzione è simile a quella dei pali trivellati con la differenza che il tubo forma è costituito da tronchi, in generale saldati l'uno all'altro e che l'affondamento viene eseguito con una macchina che imprime un movimento di rotazione di senso alterno. Quando il palo raggiunge uno strato impermeabile è possibile eseguire a mano un allargamento alla base, come indicato nella fig. 9, aumentando sensibilmente la superficie di base. In presenza d'acqua il corpo del palo si esegue con un getto di ghiaia che viene successivamente iniettata (da basso verso l'alto) con malta cementizia, agevolando l'iniezione con un fluidificante. Con pali di tale tipo si conseguono portate superiori alle 600 t.

Pali di piccolo diametro. - È pure recente l'uso di pali di piccolo diametro (10 cm) detti pali radice, particolarmente adatti per opere di sottofondazione. Tali pali vengono costruiti mediante una perforatrice a rotazione che può attraversare la muratura di fondazione dei fabbricati e quindi raggiungere il terreno solido. Eseguita la perforazione si introduce nel foro un'armatura e quindi si inietta della malta cementizia ad alta pressione venendo a costituire un efficace costipamento del terreno attraversato.