"Terre rinforzate: principi generali, progettazione e realizzazione"
Articolo pubblicato sulla rivista “ll Geometra Bresciano (2008/1)”
Prefazione
Si può affermare che i sistemi di rinforzo dei terreni abbiano superato un periodo almeno ventennale di “tirocinio”, durante il quale sul territorio italiano sono stati messi alla prova in migliaia di situazioni complesse dal punto di vista geologico-tecnico (aspetti geomorfologici, geotecnici, idrogeologici) e dal punto di vista realizzativo. Solo in provincia di Brescia si contano almeno 10 opere già eseguite di altezza superiore a 15 m, con pendenza massima pari a 80° (Angolo Terme) ed altezza massima pari a 35 m (Lumezzane).
Tra questi sistemi, per la provata efficienza ed economicità e le conseguenti numerose realizzazioni, spiccano le terre rinforzate; considerate a lungo genericamente come opere di ingegneria naturalistica, sono state classificate per la prima volta tra le “Opere di sostegno a struttura mista” , nel D.M. 14/09/2005, Norme Tecniche Costruzioni, Paragrafo 7.3.2. (nella revisione approvata per decreto ad inizio 2008, ma non ancora pubblicata sulla G.U., le Opere di sostegno sono state invece inserite al Paragrafo 6.5)
A giudizio degli scriventi il successo delle Terre Rinforzate è dovuto alla notevole adattabilità all’ambiente in cui vengono inserite. La flessibilità del paramento e la capacità di assorbire sensibili cedimenti del piano d’appoggio, senza che ciò comprometta in modo irreparabile la stabilità e la funzionalità del paramento stesso e del retrostante rilevato, ne permettono l'inserimento anche in contesti nei quali un muro tradizionale potrebbe avere problemi di resistenza (stato limite ultimo di resistenza della struttura “STR”); si pensi ad esempio ad opere di consolidamento o di sostegno posizionate a mezza costa.
Fig. 1 - Terra rinforzata rinverdibile H=20.00m per il sostegno del piazzale antistante una stazione di arrivo di una seggiovia (Livigno)
Molto incoraggianti sono poi gli studi sperimentali ed i rapporti post evento sismico, a partire dai casi ben documentati analizzati durante il terremoto di Kobe del 1999, relativi al comportamento delle terre rinforzate sottoposte a carichi dinamici anche molto intensi.
Principi Generali
Il concetto di terreno rinforzato, già conosciuto ed applicato nell'antichità dagli Assiro-Babilonesi e dai Romani, è stato riscoperto e modernizzato nel 1963 in Francia dall'ing. Henry Vidal, ideatore di “Terre Armée” (da qui l'utilizzo comune anche di “terra armata”, termine che non dev'essere però esteso a tutti i sistemi di rinforzo dei terreni, in quanto legato ad uno specifico brevetto).
Si basa sul principio di migliorare le caratteristiche meccaniche del terreno mediante l'inserimento di elementi sintetici o metallici dotati di elevata resistenza a trazione e bassa deformabilità, a breve e lungo termine (Creep: deformazione a carico costante). Altre caratteristiche richieste all'elemento di rinforzo sono le seguenti: una struttura che garantisca un'efficace interazione col terreno, un'adeguata resistenza al danneggiamento meccanico in fase di compattazione, una buona inerzia agli agenti chimici e biologici.
Le tecniche di rinforzo sono state sviluppate nella realizzazione di strutture con funzione di sostegno, di consolidamento e di contenimento, anche assecondando esigenze di salvaguardia ambientale e di corretto inserimento paesaggistico.
Nella pratica comune i campi applicativi da segnalare sono i seguenti:
- realizzazione di strade, piazzali, giardini, valli paramassi e fermaneve, barriere fonoassorbenti,
- consolidamento di frane.
I principali aspetti che hanno contribuito al successo tecnico-amministrativo delle terre rinforzate sono poi legati alla possibilità di:
- “armare” il fronte dell'opera contemporaneamente alla realizzazione del rilevato retrostante,
- utilizzare i terreni in posto anche se dotati di caratteristiche geotecniche mediocri; un'ulteriore possibilità è di miscelarli con terreni provenienti da cava,
- rinverdire questo tipo di opere.
Quest'ultimo aspetto, a parere degli scriventi, è stato il più trascurato dalle imprese di costruzione e dalle direzioni lavori; e' sicuramente vero che in qualche anno la natura provvede a “metterci una pezza” ma, in particolare nei lavori eseguiti in contesti residenziali, è necessaria ed auspicabile una maggiore cura.
Fig. 2 - Terra rinforzata rinverdibile H=10,80m per il consolidamento di un pendio franato e per l'allargamento di un giardino privato (Salò)
Da qualche anno si può riscontrare una certa propensione alla progettazione ed alla realizzazione di muri costituiti da blocchi di calcestruzzo ad incastro, rinforzati a tergo con geosintetici per poter raggiungere altezze considerevoli. Nelle versioni più sofisticate l'aspetto finale può essere gradevole in diversi contesti, essendo assimilabile a quello dei muri a secco, e non è necessaria alcuna manutenzione; il costo di realizzazione di questo tipo di terre rinforzate è però normalmente più elevato rispetto a quello della versione rinverdibile ed è richiesta molta cura nella preparzione del piano di fondazione e nel montaggio dei blocchi ad incastro, che devono anche essere riempiti con materiale drenante.
Fig. 3 - Muro a blocchi H=5,00m circa, rinforzato con geogriglie, per il sostegno di un giardino (Asti)
Il mercato propone attualmente molti altri sistemi costruttivi definibiliti terre rinforzate, i quali prevedono l'utilizzo di vari materiali di rinforzo e di contenimento del terreno al fronte; non è possibile analizzarli tutti in questo articolo, che si pone l'obiettivo di definire un quadro di approccio generale a queste tipologie d'intervento, ma specifiche informazioni sono facilmente reperibili nelle riviste specializzate e mediante i consueti motori di ricerca in internet.
Normative
Le modalità di approccio alla realizzazione delle terre rinforzate sono state ampiamente approfondite in una normativa europea poco pubblicizzata identificata come EN 14475/2006 “Execution of special geotechnical works – Reinforced fill”. Questa normativa, recepita dall'UNI con titolo “Esecuzione di lavori geotecnici speciali – Terra Rinforzata”, ma non ancora tradotta in lingua italiana, potrebbe divenire un utile strumento di divulgazione tecnica, soprattutto perchè nel nostro paese non esiste una specifica normativa che affronti i sistemi qui analizzati in termini di metodologie di calcolo e di approccio generale, mentre altri paesi, europei e non, si sono dotati da tempo di questo importante strumento di lavoro. Tra le normative più conosciute e seguite possiamo citare: “BS 8006 (Gran Bretagna), DIN 1054 - EBGEO (Germania), NF P 94-220 (Francia), FHWA NHI-00-043 (Stati Uniti)”.
Come già indicato in prefazione un appiglio tecnico-normativo è rappresentato dalle Norme Tecniche Costruzioni (D.M 14/0902005 e successive modifiche), in cui le terre rinforzate sono state classificate tra le “Opere di sostegno a struttura mista”; a parere degli scriventi questo approccio è però riduttivo, poiché queste opere possono svolgere altre funzioni, si pensi ad esempio al consolidamento di una frana mediante bancate rinforzate sovrapposte o al terrazzamento per l'urbanizzazione di un pendio, opere con pendenza media non paragonabile a quella di un muro. Nel mondo anglosassone si è scelto di porre come “spartiacque” un valore della pendenza media pari a 70°; al di sotto sono da considerarsi “Pendii rinforzati (RSS - Reinforced Soil Slope)”, al di sopra “Muri rinforzati (MSEW – Mechanically Stabilized Eart Walls)”. Per maggiore chiarezza riportiamo la Tabella 1
riepilogativa:
| Pendenza | Classificazione | Verifiche richieste |
|---|---|---|
| i < 70° | RSS – Pendio Rinforzato (Reinforced Soil Slope) | • Scorrimento diretto su ogni rinforzo e sulla fondazione (Spencer (1) e Jambu (1)): (C + B) • Scorrimento rotazionale, anche al di fuori del blocco rinforzato per verificare la stabilità globale del pendio (Bishop (1) e Fellenius (1) ): (C + B) • Capacità portante della fondazione: (B) • Compatibilità dei cedimenti rispetto al tipo di opera: (B) |
| i > 70° | MSEW – Muro rinforzato (Mechanically Stabilized Earth Walls) | • Rottura del rinforzo: (A) • Sfilamento del rinforzo (pullout): (A) • Scorrimento su ogni rinforzo: (A) • Tenuta del sistema di facciata: (A) • Scorrimento rotazionale, anche al di fuori del blocco rinforzato per verificare la stabilità globale del pendio (Bishop (1) e Fellenius (1) ): (C + B) • Capacità portante della fondazione: (B) • Compatibilità dei cedimenti rispetto al tipo di opera: (B) • Ribaltamento del blocco rinforzato: (B) • Scivolamento del blocco rinforzato: (B) |
LEGENDA dei tipi di verifiche: “A”- INTERNE (misura della resistenza offerta dai rinforzi per diversi meccanismi, tra cui quelli riguardanti il sistema di facciata scelto), “B”- ESTERNE (equilibrio limite delle terre rinforzate, viste come corpo rigido e senza presenza di rinforzi, nei confronti di diversi cinematismi), “C”- COMPOSITE (ricerca dei cinematismi di rottura riguardanti l'insieme terreno-rinforzi; negli algoritmi classici (1) viene inserito il contributo di tutti i rinforzi coinvolti e viene verificato lo sfilamento del tratto di rinforzo posto al di fuori della superficie di rottura).
Fig. 4 - Verifica allo scorrimento rotazionale (Bishop) con individuazione della superficie con Fs minimo passante all'interno del blocco rinforzato (C)
Fig. 5 - (SX) Verifica allo scorrimento rotazionale (Bishop) con individuazione della superficie con Fs minimo passante all'esterno del blocco rinforzato (B) - Losine. (DX) Verifica allo scorrimento su uno degli strati rinforzati (Spencer) con individuazione della superficie con Fs minimo(C) - Lumezzane.
Un'ulteriore particolarità di queste opere è che ogni singolo rinforzo può svolgere contemporaneamente due funzioni:
- strutturale, in prossimità del fronte, impedendo la rottura del blocco di terreno più esterno (in altre parole, l'insieme terreno/rinforzi svolge la stessa funzione di un muro),
- di contributo all'azione resistente, da una certa distanza dal fronte, nella definizione della stabilità globale (in altre parole, ogni rinforzo svolge la stessa funzione di un tirante passivo o di una chiodatura). Questa peculiarità ha contribuito a rendere le terre rinforzate un “animale strano”, ed ha dato la possibilità a diverse figure professionali di approfondire la loro conoscenza. Attualmente non è indicato in nessun documento ufficiale quali siano gli ordini competenti per questo tipo di opere; diversi geologi, tra cui gli scriventi, hanno assunto compiti di progettazione e di direzione lavori in ambito pubblico e privato, spesso in collaborazione con altri professionisti. L'auspicio è che negli anni a venire vengano riconosciute le competenze acquisite fino ad ora e si affidi il compito di verificare l'affidabilità di un tecnico alle assicurazioni che coprono il rischio professionale (così come avviene nel mondo anglosassone).
Progettazione
Questi tipi di interventi hanno una grande versatilità applicativa e sono dotati di un paramento molto flessibile, che può assumere anche forme irregolari, ma necessitano di spazio a tergo, (almeno la metà del valore dell'altezza); si ritiene pertanto fondamentale avere a disposizione sin dalle prime fasi di studio un rilievo topografico di dettaglio. Per provare poi ad inserire l'opera nel progetto generale in modo da sfruttarne tutte le potenzialità, e per definire le sezioni tipo più rappresentative da sottoporre alle verifiche indicate nella Tabella 1, sono necessari i seguenti elaborati:
- relazione geologica, idrogeologica ed idraulica (vedere paragrafo 6.2.1 - Norme tecniche costruzioni),
- modello geotecnico relativo ad un volume di terreno di estensione adeguata all'importanza dell'opera (vedere paragrafo 6.2.2 - Norme tecniche costruzioni),
- descrizione delle condizioni al contorno: carichi eventuali, permanenti o accidentali (vedere paragrafo 2.6 - Norme tecniche costruzioni), presenza di altri tipi di strutture,
- studio dell'azione sismica (vedere paragrafi 2.4.3, 3.2, 7.11.6 ed Allegati A e B - Norme tecnichce costruzioni); si consiglia a questo proposito la lettura dell'articolo inerente la“Pericolosità sismica in provincia di Brescia” pubblicato su questa rivista (n° 6/2007 - pag. 46), a firma del dott. Massimo Compagnoni.
Una volta verificata la stabilità di tutte le sezioni tipo è importante immaginare come l'opera si inserisca nel terreno in posto, con la definizione della vista frontale e dello spazio occupato nella direzione ortogonale al fronte stesso; si deve cioè determinare un insieme di più sezioni di larghezza nota, costituite a loro volta da più strati sovrapposti identificati con i seguenti parametri (vedere esempio WinSol):
- altezza, da porsi pari alla spaziatura dei rinforzi
- profondita inferiore e superiore dello strato
- pendenza della facciata anteriore e posteriore dello strato
- lunghezza del rinforzo alla base e del risvolto superiore
- caratteristiche prestazionali del rinforzo
- altri particolari costruttivi
Fig. 6 - Vista del prospetto frontale di una terra rinforzata con suddivisione in blocchi tipo “lego”
A parere degli autori lo sforzo di immaginare l'opera come una costruzione in “lego” permette di prevenire molti problemi realizzativi ed una migliore definizione dei computi metri estimativi e del quadro economico; metterà inoltre a disposizione della D.L e dell'impresa esecutrice un efficace strumento per la comprensione e la realizzazione dell'idea progettuale.
Fig. 7 - Vista in sezione di una terra rinforzata (Sistema Steel Wire Grid, Tavola C.8 _ EN 14475:2006) con suddivisione in blocchi tipo “lego.
Legenda colori: rosso (cassero metallico a perdere), giallo (geosintetico di ritenzione del terreno al fronte), nero (geogriglia di rinforzo), blu (profilo del pendio originario), azzurro (sistemi di captazione dell'acqua d'infiltrazione)
Per completare il progetto esecutivo sono inoltre necessarie le seguenti azioni:
- definire e classificare il terreno di riempimento (in base alle caratteristiche di resistenza al taglio utilizzate in fase di verifica e delle caratteristiche di deformabilità ritenute necessarie per il tipo di opera, ad esempio il modulo elastico nelle condizioni di esercizio)
- scegliere il tipo di struttura (tipo di paramento e di rinforzo), e defininire i particolari costruttivi e le modalità di posa
- decidere le opere accessorie (captazione delle acque d'infiltrazione e/o raccolta delle acque di ruscellamento superficiale)
- elaborare il computo metrico estimativo ed il quadro economico
- disporre un piano di sicurezza specifico.
Realizzazione e Direzione Lavori
Per una corretta realizzazione dell'opera è necessario che l'impresa presenti alla D.L., prima dell'inizio dei lavori, la documentazione relativa agli elementi di rinforzo ed al terreno di riempimento. Potrà essere accettato dalla D.L. l’utilizzo di tutti i riforzi caratterizzati da caratteristiche meccaniche analoghe a quelle indicate nel capitolato speciale d'appalto; tali caratteristiche, secondo l’esperienza degli scriventi, dovrebbero essere garantite da una certificazione rilasciata da un ente indipendente dal produttore, nella quale devono essere riportati, oltre alle resistenze nominali, tutti i coefficienti di sicurezza necessari per la determinazione della tensione ammissibile in condizioni di esercizio a lungo termine (coefficienti per danneggiamento meccanico, per comportamento a creep e per attacchi ambientali).
L'elemento di rinforzo dev'essere messo in tensione il più possibile durante le fasi di posa ed è importante evitare che si “accartocci” quando viene coperto dal terreno di riempimento; naturalmente anche quest'ultimo deve possedere caratteristiche granulometriche e geotecniche adeguate a quelle richieste in capitolato e, se proviene da un altro cantiere e non da cava, deve essere accompagnato da una certificazione che giustifichi il codice CER 170504 “Terra e roccia da scavo” : si consiglia a questo proposito la lettura dell'articolo pubblicato su questa rivista (n° 5/2007 - pag. 110), a firma del dott. Paolo Perfumi.
Un aspetto a volte trascurato è la qualità della compattazione; per quanto le terre rinforzate siano opere deformabili, che si adattano facilmente a nuovi regimi tensionali, una compattazione inadeguata può provocare nel tempo, come per altre strutture più tradizionali, una perdita di funzionalità dell'intera struttura o di opere accessorie (tubazioni, pozzetti, opere di regimazione idraulica). Il terreno dev'essere compattato per strati di spessore massimo pari a 30cm, ed i mezzi meccanici utilizzati devono sviluppare un'energia sufficiente a movimentare una resistenza al taglio a lungo termine ed un modulo elastico non inferiori a quelli previsti in progetto: il controllo in corso d'opera si può effettuare mediante prove di carico su piastra e/o prove di densità in sito da confrontarsi con prove standardizzate di tipo Proctor eseguite sullo stesso tipo di materiale.
Fig. 8 - Sezione tipo di una terra rinforzata. Lavoro H=26,60m in esecuzione (Lumezzane)
Qualsiasi tipo di sistema sia stato scelto, la zona in prossimità del fronte è sicuramente la più delicata; non si può infatti utilizzare un'energia di compattazione troppo elevata, per non danneggiare i sistemi di contenimento al fronte, ma il terreno dev'essere il più aderente possibile al paramento stesso (casseri a perdere in rete elettrosaldata, blocchi in calcestruzzo, gabbionate in rete a doppia torsione, altri tipi di moduli prefabbricati). Per il primo metro dal fronte si possono utilizzare compattatori vibranti di varie dimensioni e/o, in particolare per terreni con una consistente matrice fine, compattatori “a piede di montone”.
Per concludere il nostro percorso non si può tralasciare qualche accenno alla sicurezza in cantiere: gli aspetti più specifici da considerare sono la stabilità dei fronti di scavo a breve termine e, trattandosi di opere in elevazione con elevata pendenza del fronte, la caduta nel vuoto degli operatori e dei mezzi. Non è questa la sede per un'analisi approfondita di tutti gli aspetti operativi ma non si può nascondere l'importanza dell'argomento.
Come piccolo contributo presentiamo, nella Fig. 9 qui sotto, una possibile soluzione da adottarsi per le terre rinforzate con casseratura a perdere.
Dott. Mauro Piazza
Dott Marco Venturini
Prove di carico su piastra