Verifiche geotecniche degli scavi secondo le NTC

In generale, oltre una certa profondità, le pressioni interstiziali non risentono dei moti di filtrazione causati da uno scavo; per tali ragioni gli scavi, in terreni coerenti, sono considerati meno delicati di quelli in terreni incoerenti in acqua, il che è vero se le opere di scavo e di sostegno vengono effettuate rapidamente e, in specie se il terreno è interessato solo da frange capillari anziché dalla falda idrica.

Comunque è evidente la necessità di indagini per qualsiasi scavo e tanto più per quelli profondi (fondazioni sotto piani interrati, gallerie, in particolare se eseguite a cielo aperto, bacini portuali, imposte di dighe ecc.). Solo indagini preventive, approfondite almeno 1.5 – 2.5 volte quella dello scavo ed un attento studio geotecnico, possono evitare onerosi danni ed anche infortuni durante i lavori.

Le indagini debbono comprendere l’esame della stabilità d’insieme, In particolare del fondo scavo e della parete per la progettazione delle opere provvisionali, sia di drenaggio che di sostegno, e fornire le prescrizioni sulle modalità ed i tempi costruzione. Lo studio dell’interferenza con eventuali opere vicine completa l’indagine necessaria ad assicurare il buon esito di uno scavo.

D’altra parte vi sono situazioni stratigrafiche che presentano notevoli differenze sia di costo di esecuzione che di sicurezza fra una soluzione e l’altra, come ad es. in presenza di pendii con strati di argilla a “franappoggio”, particolarmente favorevoli a movimenti franosi.

Una coscienziosa ricerca della sicurezza è però sempre ardua e delicata in quanto dominata da esigenze di economia. Si pensi ad es. a lunghi tracciati di scavo per acquedotti o fognature in zone urbane sotto falda d’acqua, per i quali le opere provvisionali possono essere più costose dei manufatti.

Va detto, infine, che spesso ci si trova dinanzi a difficili problemi di scavo a causa di mancanza di pianificazione urbanistica, dal punto di vista geotecnico.

Stabilità delle pareti e del fondo degli scavi

Le tensioni efficaci – Nello studio degli scavi occorre valutare tutti i fattori che ne influenzano il loro esito.

L’analisi delle tensioni totali e delle pressioni interstiziali indotte, che provocano la deformazione delle pareti e del fondo dello scavo, va affrontata unitariamente, come nell’esame della stabilità, in funzione del ruolo delle pressioni interstiziali. Di conseguenza non va trascurato l’esame delle decompressioni dello stato tensionale totale e soprattutto delle deformazioni, come sarà precisato nel paragrafo successivo.

Ad esempio, l’effetto della riduzione delle tensioni locali per l’asportazione di terreno è un aspetto caratteristico delle scarpate artificiali, aspetto che invece è assente nei pendii naturali in frana. In cui tale asportazione manca o è avvenuta in tempi geologici.

Scavi in condizioni non drenate

Le verifiche di stabilità in condizioni non drenate, prescindendo dal tempo e quindi dal lento fenomeno di rigonfiamento, come già accennato inducono a giudicare differentemente le scarpate verticali in terreni coerenti da quelle in terreni incoerenti, per la maggior fiducia che riscuote l’argilla con coesione non drenata.

È vero che possono aversi scarpate verticali “provvisorie” per la presenza della coesione ma di altezza inferiore al valore critico:

(1)

che viene, appunto, dalla condizione di equilibrio limite σ_ha= γ ∙h_crit – 2∙ c_u=0

L’altezza di spinta, teoricamente nulla, può essere doppia della critica se lo scavo è armato, come risulta dalla teoria di Rankine, ossia per la stabilità del fondo dello scavo:

(2)

poiché essendo nulla l’area del diagramma di spinta è anche nulla la risultante delle pressioni.

Teorie che considerano superfici di scorrimento curve (ad es. Fellenius) conducono a valori di h_crit leggermente inferiori.

Se poi si tiene conto della fessurazione e della possibilità che le fessure si riempiano d’acqua, la (2) si dimezza, ossia riprende il valore per scavi non armati (1) cosicché alcuni autori definiscono la (1) altezza critica ridotta di scavi armati.

L’ altezza critica dipende quindi dalla coesione non drenata c_u, parametro che risulta molto influenzato da varie grandezze (disturbo, fessurazione ecc…).

La scelta del coefficiente di sicurezza η, per ricavare il valore dell’altezza ammissibile della fronte dello scavo:

(3)

va fatta di volta in volta, tenendo conto anche della durata dei lavori di scavo. Tanto maggiore è il tempo in cui resta aperto lo scavo, tanto minore è la fiducia nella conservazione di c_u. Anche in questo caso, quindi, la scelta del valore di h va effettuata con i criteri esposti al cap. 12.

La tabella 1 riporta alcun i valori, dedotti dall’esperienza, orientativi dell’altezza critica in funzione del grado di consistenza, valori generalmente inferiori a quelli ricavabili dalla (1).

Tab. 1 – Altezze critiche di fronti di scavo non armato in terreni coerenti (Tornlinson).

La apparizione della fessurazione, che può riscontrarsi qualche ora od anche qualche giorno dopo eseguito lo scavo, riduce notevolmente i valori indicati.

La Tab. 2 contiene una casistica di scavi eseguiti nelle argille di Londra, per la maggior parte sovraconsolidate fessurate, che può essere indicativa per la valutazione di h_crit. Per argille di analoghe proprietà la degradazione della stabilità nel tempo è sempre constatata.

Similmente alle argille si comportano i terreni cementati, con valori di h_crit anche oltre i 5 m, per i più elevati gradi di cementazione (stiff boulder clay).

Dal rapporto della altezza di scavo, rispetto al valore h_crit dipende la necessità o meno di sorreggere le sue pareti e la attenta scelta del coefficiente di sicurezza dirà se il puntellamento può essere omesso. Naturalmente la sistemazione a scarpa consente di aumentare la profondità di scavo in relazione alla pendenza adottata (v. 2).

Per quanto ovvio va segnalato che se il terreno scavato viene depositato in prossimità del ciglio dello scavo l’altezza critica utile ne è ridotta cosicché, se non si vuole subire tale menomazione, la discarica deve essere convenientemente allontanata.

Analogo effetto sull’altezza critica di un fronte di scavo ha un piano di campagna in pendio poiché il maggior peso di terreno a monte, rispetto a quello di uno scavo con piano campagna orizzontale, ne riduce il valore.

Le moderne tecniche esecutive hanno il pregio di ridurre i tempi di scavo quindi di «conservare» l’effetto reagente della coesione non drenata, ma causano per contro deformazioni della sagoma dello scavo maggiori di quelle che si produrrebbero se lo scavo fosse eseguito per gradi. In definitiva, quindi, si ha lo svantaggio di vedere ridotte le altezze critiche e quindi consentite minori altezze libere di parete. La consuetudine quindi di far procedere lo scavo per campioni gradua l’intervento, così da evitare o ridurre le armature.

L’altezza ammissibile in scarpata libera in terreni coerenti, oltre a dipendere dalle modalità di scavo, dipende anche dall’intercettazione o meno della falda idrica.

Oltre alla verifica delle pareti dello scavo è necessario controllare, tanto più in condizioni non drenate, anche la stabilità del fondo scavo; ma se la parete è verticale e non sostenuta, è sufficiente controllare solo la stabilità della parete poiché se ne verificherebbe per prima il collasso.

Tab.2 – Stabilità di scavi nelle argille di Londra.

Per effettuare poi la verifica di uno scavo armato si considera la superficie di scorrimento più approfondita o d’insieme (base failure) anziché quella delimitante il prisma attivo (slope failure).

Terzaghi ha trattato il problema della stabilità del terreno di fondo di uno scavo nastriforme in similitudine con quello della portanza di una trave di fondazione.

Così per una superficie di scorrimento circolare, tipica nelle argille in condizioni non drenate, considerando il peso complessivo sulla superficie ab ovvero cd della Fig. 1 a risulta la condizione:

(4)

da cui l’altezza limite di rottura, nel caso dell’uguaglianza:

(5)

e per una altezza h il coefficiente di sicurezza:

(6)

Per b = ∞, cioè nel caso di una sola fronte di scavo:

ovvero

ovvero

(7)

Qualora in prossimità del fondo di uno scavo puntellato si rinvenga uno strato di base ovvero la parete puntellata sia approfondita nel terreno (v. fig.3 c), la stabilità migliora.

La fig. 3b fornisce i valori del fattore di stabilità N_s, ricavati da Bjerrum ed Eide, per scavi di dimensione qualsiasi, moltiplicando il fattore N_s (b = ∞) per scavi nastriformi per un coefficiente di forma. il coefficiente di sicurezza più generale viene:

(8)

che differisce dalla precedente per l’effetto di un eventuale sovraccarico q sul ciglio dello scavo.

Il grafico della Fig. 3b mostra l’aumento di stabilità al ridursi del rapporto delle dimensioni in pianta b x a dello scavo, a parità di h, da cui la convenienza di eseguire gli scavi per campioni.

In Fig. 3b è riportato anche il valore del fattore di forma dì N_s., nel passaggio da pianta quadrata a pianta rettangolare od al limite nastriforme (trincee).

Un tipico procedimento, adottato per ampi scavi in argilla, consiste nell’eseguire una trincea armata perimetrale alla zona da scavare in cui si costruisce la parete di sostegno perimetrale definitiva. Si eseguono poi, nel blocco interno di terreno rimasto, degli scavi trasversali a tratti, sul cui fondo si gettano strisce dì platea le quali funzionano sia come puntoni alla base delle pareti sia da zavorra sul fondo scavo. La parete perimetrale può essere costituita da una paratia, eseguita direttamente nel terreno, senza trincea e quindi senza necessità di opere dì sostegno.

Nuova GeoApp Stabilità pareti e fondo scavi

Stabilità pareti e fondo scavi è l’applicativo online che permette di effettuare l’analisi di stabilità delle pareti e del fondo di uno scavo in condizioni drenate (anche in funzione della tipologia del terreno) e non drenate.

Le verifiche a fondo scavo drenate vengono effettuare secondo le NTC 2018 paragrafo 6.2.4.2

Possibilità di salvare il lavoro, caricare e generare un report di calcolo in formato *.docx completo di cenni teorici.

Scavi in condizioni drenate

Le equazioni precedenti prescindono dalle diverse situazioni idrauliche ma queste influiscono soprattutto sull’altezza critica di scavo (1) più che su quella ultima (7). L’andamento delle spinte e delle deformazioni d’esercizio in condizioni non drenate mutano sensibilmente con l’evolversi del drenaggio.

È quindi necessario valutare gli effetti dell’acqua estendendo le verifiche in condizioni non drenate a quelle in condizioni drenate, risultando queste sempre le più svantaggiose per la riduzione della tensione efficace nel tempo ed essendo presenti quantomeno le acque di percolazione piovana. La Fig. 4 descrive due tipiche verifiche in condizioni drenate; la Fig.4a mostra uno scavo con fondo spinto ad uno strato di argilla e pareti laterali in terreno stratificato in falda idrica; la Fig. 4b lo scavo in terreno tutto omogeneo. Nella fig. 4a è segnata la sola linea B, centrale della rete di flusso, mentre nella Fig. 4b la rete di flusso è riportata per intero.

La distribuzione delle pressioni dell’acqua sulla paratia non è la stessa nei due casi; peraltro la rete idrodinamica a causa delle incertezze stratigrafiche non è sempre nota e la valutazione può portare solo al gradienti medi di filtrazione.

L’argilla di Fig. 4a. a causa della rapidità della operazione di scavo in rapporto alla velocità di flusso o dell’acqua, si comporta praticamente in condizioni non drenate così da funzionare, a breve termine sul fondo dello scavo, come una membrana impermeabile.

È allora necessario verificare la stabilità di tale membrana al “galleggiamento” con la formula:

(9)

essendo s lo spessore della membrana., Z la quota piezometrica e Z_γe, la sotto pressione.

In termini di tensioni efficaci risulta analogamente che la tensione efficace, al centro del letto di argilla, deve essere:

(10)

essendo i – h_w/s il gradiente idraulico.

Tale relazione è uguale alla precedente ed introducendo un coefficiente di sicurezza h = s/s_rott al galleggiamento, si ricava lo spessore s necessario del “tampone” d’argilla:

(11)

Di conseguenza si determina la profondità h = Z + z – s (v. Fig. 4a) di scavo.

La scelta del coefficiente di sicurezza va fatta considerando la reale impermeabilità dello strato d’argilla, il coefficiente η deve essere scelto in relazione alle probabilità di variazioni di h_u, sia a causa della oscillazione della falda freatica, sia perchè potrebbe esservi un carico artesiano al disopra del piano di campagna.

Nella fig. 4b lo strato “tampone” è assente, ovvero Z = Z_max per cui s è massimo e, più precisamente, deve effettuarsi la verifica, anziché al galleggiamento, rispetto al sifonamento.

Tale verifica, se le perdite di carico non sono concentra te in uno strato meno permeabile, si conduce valutando il gradiente all’uscita della linea di flusso A di Fig. 4b. La rete idrodinamica caratterizzata dai fattori di forma, n_c ed n_f, rispettivamente di carico e di flusso, consente di ricavare il gradiente:

(12)

Calcolo del gradiente critico secondo le NTC 2018

Secondo le NTC 2018 paragrafo 6.2.4.2 la verifica a sifonamento avviene applicando il coefficiente parziale γ_R come segue:

1. nel caso di frontiera di efflusso libera, la verifica a sifonamento si esegue controllando che il gradiente idraulico i risulti non superiore al gradiente idraulico critico i_c diviso per un coefficiente parziale γ_R = 3, se si assume come effetto delle azioni il gradiente idraulico medio, e per un coefficiente parziale γ_R = 2 nel caso in cui si consideri il gradiente idraulico di efflusso;
2. in presenza di un carico imposto sulla frontiera di efflusso, la verifica si esegue controllando che la pressione interstiziale in eccesso rispetto alla condizione idrostatica risulti non superiore alla tensione verticale efficace calcolata in assenza di filtrazione, divisa per un coefficiente parziale γ_R = 2.

In tutti gli altri casi il progettista deve valutare gli effetti delle forze di filtrazione e garantire adeguati livelli di sicurezza, da prefissare e giustificare esplicitamente.

Il gradiente critico sarà pari a:

γ’/γ_sat

con γ’ peso efficace dell’unità di volume del terreno e γ_w peso specifico dell’acqua.

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Nella prima parte del corso (primo modulo) vengono trattati gli aspetti normativi relativi al D.Lgs. 81/2008 e smi. In particolare quelli riportati nel Titolo I “Principi comuni” con particolare riferimento alla gestione della prevenzione nei luoghi di lavoro.
Nella seconda parte sono affrontati gli aspetti normativi, con risvolti pratici, della gestione della sicurezza nei cantieri temporanei o mobili (Titolo IV del D.Lgs. 81/2008 e smi) anche in riferimento a scavi, movimenti terra, indagini geognostiche con accenni ai cantieri stradali.
Nella terza ed ultima parte vengono affrontati aspetti giuridici, in ambito penale, legati ad incidenti ed infortuni avvenuti in cantiere correlati ad aspetti geotecnici.

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Deformazione delle pareti e del fondo degli scavi

Deformazioni in condizioni drenate e non drenate. – La previsione della deformazione delle pareti degli scavi è problema complesso in quanto gli spostamenti dipendono ovviamente oltre che dal tipo di terreno, dalla posizione della falda idrica, dalla rigidezza dell’opera di sostegno ed anche dai sovraccarichi insistenti sul ciglio.

Se poi gli scavi interferiscono con altre opere limitrofe, al progettista interessa conoscere la correlazione delle deformazioni delle pareti di sostegno dello scavo con quelli di tali opere.

Peraltro va detto che la previsione delle deformazioni in campo elastico è utile specie se tarata su misure dirette in opera, tramite assestimetri disposti sul fondo dello scavo ed inclinometri sulle pareti. Meglio se si possono controllare le deformazioni nei primi scavi campione così da avere la possibilità di rivedere il dimensionamento previsto, se i risultati non sono soddisfacenti.

Nell’analisi delle deformazioni si debbono distinguere quelle immediate “non drenate”, di tipo elastico, e localmente anche plastico, in particolare vicino agli angoli dello scavo, da quelle «drenate» nel periodo ili rigonfiamento.

Vengono analizzate le variazioni dello stato tensionale efficace in due elementi posti, rispettivamente, a metà altezza parete ed al centro del fondo scavo che deve essere minore di quello critico oltre il quale s’innesca il moto turbolento, per cui decade anche l’ipotesi base della legge di Darcy.

Qual ora la verifica non soddisfi, è necessario approfondire la paratia o ricorrere a sistemi di abbattimento della falda negli strati permeabili.

Specie in presenza di sabbie fini in acqua va considerato che le palancole sono praticamente inutili ai fini della stabilità al sifonamento ed allora è necessario far ricorso a getti di conglomerato in acqua ed, in casi particolari, ad iniezioni.

Ugualmente dicasi per il fondo dello scavo qualora si instaurino moti di filtrazione sensibili o turbolenti (piping), specialmente in presenza di falda artesiana.