Pubblicazioni Keller > Vibrocompattazione profonda

?
I procedimenti di
vibrocompattazione
profonda dei terreni
Prospetto 10 - 02 I
?
Esistono diversi procedimenti
di vibrocompattazione profonda per il miglioramento dei terreni: essi trovano applicazione
sopratutto per la fondazione di
manufatti su terreni dotati di
capacitá portante insufficiente.
Keller ha sviluppato il primo
utensile vibro di profonditá –
Brevetto 1934 –, utilizzandolo
inizialmente per il solo vibrotrattamento di sabbie e ghiaie,
ossia per la compattazione
profonda di terreni incoerenti.
Oggi Keller é in grado di migliorare, attraverso l’utilizzo
di numerosi e diversi tipi di
utensile vibro, nonché attraverso molteplici sistemi di vibrotrattamento, pressoché qualsiasi tipo di terreno sciolto.
Indice
3
Uno sguardo d’insieme
sui procedimenti di
vibrocompattazione
profonda
4
Vibroflottazione
6
Colonne in ghiaia
vibrocompattata
8
Colonne/pali vibrati di
fondazione
10
Varianti dei procedimenti
di vibrocompattazione
11
Controlli
12
Indirizzi
?
Uno sguardo d’insieme sui procedimenti
di vibrocompattazione profonda
Il terreno
Se la relazione geologico-tecnica individua un
terreno non in grado di sopportare i carichi e
le sollecitazioni progettuali, allora puó essere
conveniente migliorare il terreno stesso per
mezzo dei procedimenti di vibrocompattazione
profonda. Essi vengono applicati nei terreni piú
diversi e per le profonditá necessarie.
L’utensile vibro
La forma degli utensili vibro é approssimativamente cilindrica, la loro lunghezza é compresa
fra 3 e 5 m, il loro peso varia a partire da ca. 2 t.
L’elemento caratterizzante il vibro é la presenza di un eccentrico, alloggiato all’estremitá inferiore dell’utensile e mosso da un motore elettrico. Le vibrazioni trasmesse al terreno hanno
una prevalente componente orizzontale.
La batteria di vibrocompattazione é poi completata da appositi profilati sagomati in acciaio,
utilizzati per raggiungere le profonditá volute.
Come macchine operatrici vengono utilizzati
sia escavatori a fune, sia carri cingolati appositamente progettati (Torre-guida).
I procedimenti
I procedimenti di vibrocompattazione si suddividono in tre categorie: discriminanti sono la
reazione del terreno alla vibrazione ed il modello fondazionale prescelto. Il concetto fondazionale definitivo viene pertanto sviluppato da
Keller, in stretta collaborazione con il Geologo
e con l’Ingegnere Strutturista.
Con la Vibroflottazione vengono trattati
terreni granulari in grado di autoaddensarsi
quando sottoposti a vibrazione.
Le Colonne in Ghiaia Vibrocompattate
vengono utilizzate in terreni a prevalente
componente coesiva, ossia caratterizzati da
comportamento non auto-addensante, per
formare nel terreno elementi portanti in
ghiaia ottimamente addensata.
Il principio della
Vibrocompattazione
Il terzo procedimento, Colonne/pali vibrati,
consente, pur in presenza di terreni dotati di
scadenti caratteristiche geo-meccaniche, di
prendere in carico elevate sollecitazioni in
fondazione.
L’esecuzione
L’utensile vibro viene affondato nel terreno
fino alla profonditá voluta; a seconda del procedimento applicato viene poi, sempre dal
basso verso l’alto, o addensato il terreno, o
vibrocompattata una colonna in ghiaia, o, infine, formato un elemento colonnare cementato.
I vantaggi
I vari sistemi di vibrocompattazione sono
molto adattabili alle diverse condizioni; i tempi di esecuzione delle opere sono sempre
ottimizzati. I successivi lavori di scavo e getto
delle fondazioni dirette su terreno migliorato
possono seguire a breve distanza, sia temporale, sia spaziale: da tutto ció deriva l’elevata
economicitá dei sistemi vibro.
Un ulteriore vantaggio é dato dall’utilizzo di
soli materiali naturali, di marcata compatibilità
ambientale. L’estrazione di terreno durante la
lavorazione è, di norma, limitata o assente.
Campi di applicazione dei procedimenti di vibrocompattazione
Argilla Limo
Sabbia
Zona di
transizione
Ghiaia
Ciottoli
100
100
80
80
60
60
Vibrocompattazione
Passante [Peso %]
Vibroflottazione
40
40
20
20
0
0,002
0,006
0,02
0,06
0,2
0,6
2,0
6,0
20
60
Granulometria [mm]
0
3
?
La vibroflottazione (VF):
in terreni incoerenti
Prolunga cava
Giunto
elastico
Adduzione
acqua
o
Attrezzature ed aspetti esecutivi
La compattazione di terreni sabbioso-ghiaiosi
richiede l’utilizzo di utensili vibro a bassa
frequenza, la cui azione induce il miglior grado
possibile di autoaddensamento. Il vibro puó
essere sospeso ad un escavatore a fune o
condotto lungo un mast (torre-guida).
Sia l’infissione, sia la compattazione del terreno, vengono favorite da getti di acqua a portata e pressione regolabile. Il ciclo dell’acqua
viene gestito attraverso pompe e linee dedicate all’interno del vibro.
La compattazione viene eseguita dal basso
verso l’alto, con intervalli di risalita e tempi di
trattamento fissati. Il risultato finale del trattamento é funzione della giusta scelta dell’utensile vibro, adattato al tipo di terreno in posto.
aria
Eccentrico
Punta
Maglia di trattamento
sotto carichi distribuiti
Grado di addensamento del terreno
prima
dopo
h
Maglia di trattamento
sotto plinto
4
Il concetto fondazionale
Il grado di addensamento raggiungibile dipende da molti fattori: Keller dispone della piú
vasta esperienza per poter sviluppare il concetto fondazionale piú adatto alle richieste
progettuali. Spesso l’ottimizzazione del vibrotrattamento viene raggiunta attraverso un
campo prove, atto a testare sia la maglia esecutiva, sia l’intensitá di trattamento necessaria.
In terreni adatti possono essere ripresi carichi
uniformemente distribuiti fino a 1 MN/m²
(10 Kg/cm²).
1 Infissione
Il procedimento
Motore
elettrico
Aspetti geomeccanici
La vibrazione induce un assestamento dei
granuli componenti il terreno: questi si
dispongono in uno stato piú denso.
Il raggio di vibrocompattazione raggiungibile a
partire dall’asse di trattamento dipende dal
terreno, dall’utensile vibro utilizzato e dal
procedimento scelto. In alcuni tipi di terreno
e per elevata intensitá di trattamento si possono constatare riduzioni di volume dell’ammasso fino al 10%.
L’utensile vibro viene affondato
nel terreno con l’ausilio di getti
d’acqua in pressione.
La frazione fine del terreno
viene contestualmente dilavata
e portata in superficie.
Al raggiungimento della profonditá di progetto la quantità
di acqua viene ridotta.
Le verticali di vibroflottazione vengono
distribuite in modo da adattarsi a quasiasi
forma della fondazione. Il collaudo puó
avvenire in modo semplice ed economico
attraverso prove penetrometriche.
?
Le sabbie e le ghiaie, sia naturali, sia sotto forma di ripiene artificiali sono
spesso sciolte e dotate di grado di addensamento variabile; ció le rende
talvolta inadatte a sopportare i carichi di un manufatto. Gli utensili vibro
Keller aumentano ed omogeneizzano il grado di addensamento del terreno,
indipendentemente dalla presenza o meno di falda acquifera.
Profonditá
A
B
0
B
-1
-2
-3
-4
-5
-6
-7
-8
...
-9
3 Riempimento
4 Rifilatura
Il trattamento viene eseguito per
gradini di risalita successivi dal
basso verso l’alto.
Si compatta un volume di terreno
di forma cilindrica con diametro
fino a 5 m. Il crescente grado di
addensamento si manifesta con
l’incremento di assorbimento di
energia (amperaggio) richiesto
dal motore del vibro.
Intorno al vibro si forma un cono
di materiale decompresso e trascinato verso il basso.
Questo viene riempito con inerte
riportato (A), o con materiale in
posto (B). La volumetria da aggiungere puó valere fino al 10%
del volume di terreno trattato.
Alla conclusione della vibroflottazione il piano di imposta va rifilato e compattato
superficialmente con rullo o
piastra vibrante.
Giá nel 1939 vennero
raggiunti a Berlino i 35 m
di profonditá di trattamento.
Attualmente le profonditá
massime si attestano ad
oltre 50 m.
...
2 Compattazione
-31
-32
-33
-34
-35
Utensile vibro con cono di decompressione
...
Applicazioni particolari
Elementi in acciaio sottili come palancole
o tiranti monobarra possono essere
infissi e bloccati nel terreno sabbioso
con l’ausilio di utensili vibro.
-48
-49
Un’ulteriore applicazione riguarda la
riduzione della permeabilitá del terreno
sia lateralmente, sia al fondo di scavi.
-50
5
?
Le colonne in ghiaia vibrocompattata (CGV):
nei terreni coesivi e misti
Giunto
elastico
Motore
elettrico
Camera di
emissione
ghiaia
Eccentrico
Luce fuoriuscita
ghiaia
Aspetti geomeccanici
Nel caso che nei terreni coesivi e misti sia
ottenibile, attraverso le vibrazioni orizzontali e
lo schiacciamento laterale del terreno, un effetto
di addensamento del terreno, quest’ ultimo vá
valutato secondo i criteri tipici della vibroflottazione. Tale effetto é legato comunque, in primo
luogo, alla presenza di acqua nel terreno.
Le colonne in ghiaia vibrocompattata, nella loro
forma tipica, partono invece dal presupposto che
il terreno non sia disposto ad autoaddensarsi
per vibrazione. Il miglioramento consiste perció
nella maggiore rigidezza, nella maggiore resistenza al taglio e nell’effetto favorevole per la consolidazione fornito dalle colonne stesse.
Abaco di dimensionamento per colonne
in ghiaia vibrocompattata
jS = 45.0˚
7
jS = 42.5˚
6
mB = 1/3
1 Preparazione
2 Riempimento
La torre guida posiziona
il vibro sul punto di trattamento ed aziona gli
stabilizzatori. Una pala
gommata carica la ghiaia in tramoggia.
La tramoggia viene sollevata lungo il mast, il suo
contenuto scaricato nel
valvolone pneumatico.
Dopo la chiusura del
valvolone il sistema viene
messo sotto pressione
pneumatica per spingere
la ghiaia fino alla luce di
fuoriuscita alla punta del
vibro.
jS = 40.0˚
5
jS = 37.5˚
4
jS = 35.0˚
3
2
1
Il procedimento
Profilati cavi
di prolunga
vibro e tubo
di precarica
ghiaia
Fattore di miglioramento
Valvolone
pneumatico
Attrezzature ed aspetti esecutivi
Viene prevalentemente utilizzato il vibro a carica
pneumatica, dove il materiale ghiaioso di apporto fuoriesce, sotto pressione d’aria, alla punta
dell’utensile (Bottom Feed Vibro). Per consentire
l’infissione a secco sono state sviluppate le torriguida, dove la batteria vibro viene guidata lungo
il mast ed infissa in profonditá con l’ausilio di un
tirabasso. L’azione del tirabasso comporta una
ottimale compattazione della colonna in ghiaia
(attivazione) ed una estensione in profonditá
dell’addensamento oltre la massima profonditá
ragiiunta. La colonna viene formata per passi
successivi di estrazione, fuoriuscita e schiacciamento della ghiaia sia verso il basso, sia lateralmente nel terreno. In questo modo si ottengono
elementi colonnari che, interagendo con il terreno, sostengono i carichi.
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
Indice di superficie A / A S
La tipologia fondazionale al di sopra di un
terreno cosí migliorato, é quella classica della
fondazione diretta, con capacitá portanti
ammissibili fra 150 e 400 kN/m² (1,5 e 4 Kg/cm²).
1
0,8
1600
900
400
0,6
225
100
64
36
16
9
4
0,4
0,2
1
0
4
8
12
16
24
28
Rapporto di profonditá t/d
* s ¥ = Cedimento di una platea infinita
6
20
Numero colonne in ghiaia
Indice di cedimento s/s ¥ *
Abaco dei cedimenti per plinto isolato
Il concetto fondazionale
Mentre l’autoaddensamento del terreno puó
essere indagato facilmente per mezzo di prove
penetrometriche, l’effetto delle colonne in ghiaia
vibrocompattata si lascia determinare in situ
solo per mezzo di prove di carico. Per questa
ragione Keller ha sviluppato sistemi di calcolo,
riconosciuti a livello internazionale, basati sui
parametri geometrici e geomeccanici del
terreno e della ghiaia vibrocompattata.
?
I terreni coesivi e misti hanno di norma caratteristiche di portanza insufficienti. Inoltre, se la frazione fine eccede il 10–15%, il terreno non é in grado
di autoaddensarsi. In questi casi puó essere applicabile il procedimento delle
colonne in ghiaia vibrocompattata. Il sistema é adatto anche per il miglioramento di terreni di riporto sia grossolani, sia fini o artificiali.
Profonditá
0
-1
-2
-3
-4
-5
-6
-7
-8
...
-9
3 Infissione
4 Compattazione
5 Rifilatura
Il vibro schiaccia lateralmente il terreno fino al
raggiungimento della
profonditá di progetto;
l’infissione avviene grazie
alla spinta del tirabasso,
attivazione, ed alla fuoriuscita di aria in pressione.
Al raggiungimento della
profonditá finale il vibro viene
estratto in modo da consentire la contemporanea fuoriuscita della ghiaia. Il successivo
affondamento dell’utensile
produce lo schiacciamento
della ghiaia nel terreno e la
sua compattazione.
La colonna viene formata per
passi successivi di estrazione ed
affondamento. Il piano di imposta
delle fondazioni verrá poi perfezionato con un compattatore superficiale ed uno strato di ripartizione.
Piano di imposta rilevato trattato con CGV
Le colonne in ghiaia
vibrocompattate, a secco,
vennero sviluppate alla
fine degli anni Cinquanta.
Attualmente, con la torreguida standard e senza
particolari apprestamenti
tecnici, é possibile
lavorare fino a 20 m di
profonditá.
...
Vantaggi della lavorazione con
vibro a carica pneumatica:
• L’inerte fuoriesce alla punta dell’utensile: il terreno lateralmente rimane
sempre sostenuto e la colonna risulta
continua su tutta la lunghezza.
• E’escluso il rifluimento di terreni, anche pessimi e sotto falda, all’interno
del perforo.
• L’infissione avviene in un’unica fase
continua.
• L’utilizzo di mast e slitta-guida della
batteria impedisce le deviazioni dalla
verticale.
• Non viene utilizzata acqua, non si origina quindi fango o rammollimento
dei piani di lavoro.
-14
-15
-16
-17
-18
-19
-20
7
?
Colonne in ghiaia vibrocompattate
cementate (CGVC)
Esecuzione di CGVC
con iniezione di miscela
cementizia
Attrezzature ed aspetti esecutivi
Questi elementi fondazionali vengono eseguiti
con la medesima tecnologia a secco, vibro a
carica pneumatica, come per le CGV.
La cementazione dell’elemento avviene constestualmente alla messa in opera della ghiaia:
o attraverso l’iniezione di miscela cementizia
all’interno del vibro, o utilizzando un premiscelato, dove all’inerte viene aggiunta la quantitá di cemento necessaria per rendere un
prodotto finito di classe 10–15 N/mm². In ambedue i casi, la vibrazione indotta e l’immissione forzata di inerte senza asportazione di
terreno, conducono al medesimo effetto di
compattazione finale del terreno.
Aspetti geomeccanici
L’azione esplicata dalle CGVC é assimilabile a
quella di un palo.
Il concetto fondazionale
Le colonne in ghiaia vibrocompattate cementate, sono un sistema certificato ufficialmente
secondo la normativa DIN.
In sede di dimensionamento progettuale viene
assunta la capacitá portante verfificata sulla
base di numerosissime prove di carico da noi
eseguite seconda la norma DIN 1054.
A seconda del terreno e delle caratteristiche
del legante utilizzato, si raggiungono valori
ammissibili fino a 600 kN/CGVC.
Per necessitá particolari, sia la rigidezza, sia la
permeabilitá delle CGVC possono essere regolate, combinando porzioni di colonna ce-
mentata – al piede o alla testa della colonna –
con porzioni non cementate. In questo caso
la definizione é: Colonne in Ghiaia Vibrocompattate parzialmente Cementate (CGVpC).
Sbulbatura al piede
Infissione
Torre-guida
CGVC scavata
Spinta con tirabasso attivazione
Miscela
cementizia
da impianto
Vibro con tubo
di carica e linea
miscela cementizia
Terreno non portante
Terreno portante
8
Carica inerte
Luce fuoriuscita miscela
Piede sbulbato
Formazione del fusto
cementato e vibrocompattato
?
Vengono utilizzate quando i terreni non garantiscono un’adeguato confinamento laterale alla ghiaia: terreni fini molli o plastici, frazioni organiche
sottoposte a perdite di volume o di consistenza nel tempo. Quando vengono
richieste elevate capacitá portanti ammissibili.
Colonne vibrate in calcestruzzo (CVC)
Attrezzature ed aspetti esecutivi
Le CVC vengono messe in opera pompando,
su tutta la lunghezza, calcestruzzo di categoria
25 N/mm². Anche in questo caso si opera
sbulbando dapprima, con ripetuti cicli di affondamento – estrazione, il piede della colonna
in modo da elevarne la portanza; il fusto viene
poi formato risalendo in modo controllato e
continuo.
Aspetti geomeccanici
Il modello statico delle CVC rinuncia
all’addensamento del terreno circostante la
colonna ma, cosí come per le CGVC, tiene
conto del raggiungimento di un elevato miglioramento del terreno al piede dell’elemento. In questo modo si possono ammettere
elevate capacitá portanti, con ridotti livelli di
deformazione.
Esecuzione delle CVC
Il concetto fondazionale
Anche le colonne vibrate in calcestruzzo, sono
un sistema certificato ufficialmente secondo
la normativa DIN.
Il fusto delle CVC é di dimensioni piú ridotte
– diametro compreso fra 40 e 60 cm –
rispetto alle altre tipologie di palo vibrato.
Il carico ammissibile,fino a 800 kN, dipende
dal terreno e, sopratutto, dalle caratteristiche
dell’immorsamento (sbulbatura al piede).
CVC scavata
CVC in sezione
Infissione e sbulbatura
al piede
Preparazione
all’infissione
Formazione
del fusto
Spinta con tirabasso attivazione
Torre-guida
Pompa calcestruzzo
Vibro con
tubo getto
coassiale
Terreno non portante
Terreno portante
Betoniera
Luce fuoriuscita cls
Piede
9
?
Varianti dei sistemi di
vibrocompattazione
Vibro multiplo e compattazione
subacquea
Miglioramenti del terreno con vibroflottazione
su grande scala, sia a terra che offshore,
possono essere eseguiti con utensili vibro
multipli.
Prescavo e ripiena
con sabbia
Argilla, limi
Arenaria
La vibrocompattazione subacquea con colonne in ghiaia, per esempio per la fondazione di
banchine portuali o pile di ponti, viene di norma eseguita stendendo
uno strato di ghiaia sul
fondo e vibrandolo in
profonditá nel fondale.
Ghiaia/Frantumato
Fango
Sabbia
Colonne in ghiaia vibrocompattate
senza vibro a carica pneumatica
In terreni adatti le CGV possono essere eseguite a secco o con acqua, senza utilizzare il
vibro a carica pneumatica. Nei paesi anglosassoni tale procedura é conosciuta anche come
“vibroreplacement”. L’acqua o l’aria compressa servono a mantenere aperto il cavo, ad ottenere un maggiore diametro della colonna
ed a velocizzare l’infissione.
10
?
Controlli in corso d’opera
Tutti i procedimenti di vibrocompattazione
possono essere tenuti sotto controllo strumentale per garantirne e documentarne
l’omogenea ed accurata esecuzione.
Terminale ed unitá centrale dell’attrezzatura
M4
L’attrezzatura di misura
I parametri di vibrotrattamento possono
essere registrati, salvati elettronicamente e
stampati, anche in tempo reale, per ogni singola colonna; ció consente: una appropriata
gestione del processo produttivo ed una corretta quantificazione dell’eseguito.
L’attrezzatura di misura si compone di:
• terminale all’interno della cabina
operatore,
• unitá centrale con disco rigido e
• PC con stampante in ufficio di cantiere.
Programma:
Matricola: 9130517
Lotto costr.:
0
Data:
15.09.96
Massa vol.: 1.5 kN/m³
Legenda:
0
Sett.: Ricerca e
sviluppo
400
0
0
50
100
150
[A]
200
Energia
[bar]
-40
-20
0
20
40
Spinta
[m/min]
10
Avanzamento
[m ]
15
Profonditá
0
[s]
5
Tempo
Vibrotrattamento profondo (3.0.0)
Cantiere:
1234173
Punto:
241 Nr.:
15
Tempo:
05:10:47 Intervallo
misura:
4 sek
1
Le prove di carico a
scala reale sono il
sistema principale per
verificare il miglioramento del terreno
500
1000
1500
2000
2
Fase
Nr. Tipo
Definizione
Ora
Pro- Energia Consumo
fonditá elettrica miscela
hh:mm:ss [m] [kVAh]
[m³]
Peso
netto
[t]
Peso
totale
[t]
01 09
02 10
Inizio tratt.
Fine tratt.
05:10:47
05:45:08
2.98
2.79
2.98
5.77
Durata punto: 34.33 min
0.1
0.1
0.00
21.03
0.00
0.00
Prof. max.: 10.00 m
Inclinazione Inclinaz.
dx/sx
ant/post
[°]
[°]
-0.2
-0.4
+0.3
+0.2
Massa rel.: 0.58 t/m
I parametri
Durante la vibrocompattazione vengono
registrati in automatico diversi parametri.
I valori di tempo, profonditá, avanzamento,
spinta e assorbimento di energia (amperaggio)
possono inoltre essere stampati in forma di
grafico. Se necessario puó essere registrato
anche il consumo generale di energia.
11
?
Keller Fondazioni S.r.l.
Verona - Sede centrale
Via della Siderurgia, 10
I- 37139 Verona
Tel. +39 045 8186811
Fax +39 045 8186818
E-mail: [email protected]
www.keller-fondazioni.com
Regione Nord-Ovest
Via Lombardia, 11
I-10071 Borgaro Torinese (TO)
Tel. +39 011 4702621
Fax +39 011 4503242
E-mail: [email protected]
Alto Adige / Südtirol
Löwecenter
Via Isarco, 1 / Eisackstraße, 1
I-39040 Varna / Bressanone (BZ)
I-39040 Vahrn / Brixen (BZ)
Tel. +39 0472 201909
Fax +39 0472 201914
E-mail: [email protected]
Certificato di Qualità
DIN EN ISO 9001 : 2000
DQS-No : 5388
Arabia Saudita · Austria · Bahrain · Croazia · Egitto ·
Emirati Arabi Uniti · Filippine · Francia · Germania ·
Gran Bretagna · Indonesia · Malesia · Messico ·
Paesi Bassi · Polonia · Portogallo · Repubblica Ceca ·
Repubblica Slovacca · Singapore · Slovenia · Spagna ·
Svezia · Svizzera · Ungheria · USA
Keller Fondazioni è una società
del Gruppo Keller plc