Introduzione generale
La progettazione di opere in terra, ovvero strutture realizzate utilizzando terre sciolte, ha come obiettivo principale la creazione di costruzioni che rimangano stabili nel tempo, garantendo adeguati margini di sicurezza. Le prestazioni richieste variano in base al tipo di opera: ad esempio, per una diga in terra o un argine fluviale è essenziale assicurare l'impermeabilità idraulica, mentre per rilevati stradali o ferroviari si deve garantire una percorribilità sicura.
In generale, nella costruzione di rilevati stradali, si predilige l'uso di materiali che naturalmente possiedono caratteristiche di idoneità. Non si considerano invece quei materiali che, pur non conformi in origine, potrebbero essere resi adatti attraverso trattamenti con additivi. Attualmente, le normative riguardanti la progettazione e la costruzione dei rilevati prescrivono l'uso di materiali che rispettano specifici requisiti naturali, senza considerare le modifiche meccaniche ottenibili attraverso processi di lavorazione o trattamento. Questo pone una sfida, poiché è spesso complesso reperire terreni selezionati e di qualità per la costruzione di rilevati, rendendo necessario ottimizzare al massimo il movimento di terra.
Il movimento di terra fa riferimento al trasporto dei materiali dalla cava al cantiere in cui verranno utilizzati. Per ridurre i costi legati a queste operazioni, le normative stanno gradualmente evolvendo per consentire l'uso di materiali non conformi, che in passato erano considerati di scarto. Questi materiali, dopo essere trattati con additivi e sottoposti a compattazione, possono migliorare le loro proprietà meccaniche e diventare idonei all'uso nei rilevati stradali.
Caratteristiche geometriche
La figura una sezione trasversale schematica di un rilevato standard.
Un rilevato stradale si compone dei seguenti elementi strutturali:
•Piano di fondazione;
•Corpo del rilevato (nucleo centrale);
•Sottofondo stradale;
•Sovrastruttura o pavimentazione.
Piano di fondazione
Il piano di fondazione di un rilevato stradale rappresenta il punto di contatto tra il rilevato stesso e il terreno naturale sottostante. La preparazione di questa superficie ha l'obiettivo di ridurre al minimo i problemi che potrebbero derivare dalle caratteristiche del terreno di base. Per limitare i cedimenti, è previsto, indipendentemente dall'altezza del rilevato, l'intervento di rimozione della vegetazione arborea e arbustiva, così come l'asportazione dello strato superficiale di terreno vegetale, generalmente molto compressibile e dalle scarse proprietà meccaniche. Il terreno ricco di humus, una volta rimosso, viene sostituito da materiale a grana grossa, con funzione drenante e anti-capillare, che viene poi compattato. Talvolta, uno strato di "tessuto non tessuto" viene inserito tra il materiale di riempimento e il corpo del rilevato per separazione.
Questa procedura è standard nella maggior parte dei casi, poiché non è possibile determinare con esattezza la profondità dello scavo prima dell’inizio dei lavori, anche se sono state condotte indagini preliminari, le quali, per quanto dettagliate, rimangono limitate a determinate aree. L'eliminazione completa del terreno vegetale è sempre una necessità imprescindibile. Nel caso in cui, dopo la rimozione dello strato superficiale, vengano rilevati materiali nel sottosuolo con bassa consistenza, eccessivamente deformabili o compressibili, sarà necessario effettuare ulteriori interventi di consolidamento del terreno fino a una maggiore profondità.
Corpo rilevato
I terreni selezionati per la costruzione del corpo del rilevato devono essere posati in strati, il cui spessore viene determinato in base alla qualità dei materiali stessi. È inoltre importante mantenere delle pendenze trasversali adeguate, che, dopo la compattazione, favoriscano un corretto interblocco granulometrico e permettano il rapido deflusso delle acque meteoriche, prevenendo così l’infiltrazione nel rilevato.
Una volta completata la compattazione, i terreni che costituiscono il corpo del rilevato devono garantire valori adeguati di densità e compressibilità, come specificato nei capitolati tecnici e nelle normative di riferimento.
La pendenza delle scarpate del rilevato dipende dalle caratteristiche dei materiali utilizzati. Per i terreni comunemente impiegati, una pendenza con un rapporto altezza/larghezza di 2/3 è generalmente sufficiente per garantire la stabilità del corpo del rilevato rispetto a potenziali superfici di scorrimento. Tuttavia, in terreni incoerenti con un basso angolo di attrito, come le sabbie fini, potrebbero sorgere problemi di instabilità superficiale a causa dell'erosione provocata dalle acque meteoriche. In questi casi, una copertura vegetale sulla scarpata può essere sufficiente a limitare l'azione erosiva degli agenti atmosferici. Ridurre semplicemente la pendenza della scarpata, senza una protezione superficiale adeguata, non risolve il problema, se non ricorrendo a pendenze molto basse.
Una prassi consolidata per migliorare la stabilità del rilevato consiste nell'interrompere la scarpata con banchi orizzontali ogni 5-6 metri di altezza. Questa tecnica ha due vantaggi principali: da un lato, riduce la pendenza media della scarpata, aumentando così la stabilità della struttura; dall'altro, diminuisce la velocità di deflusso delle acque piovane, contribuendo a mitigare i problemi di erosione superficiale. Tali banche vengono spesso dotate di canali di raccolta e drenaggio delle acque, di solito in terra con sezione rettangolare o trapezoidale e rivestiti in calcestruzzo. La larghezza delle banche non dovrebbe essere inferiore a 2 metri per garantire un'adeguata efficienza.
Banchi di larghezza maggiore sono utili quando il rilevato si trova su terreni con scarse proprietà meccaniche, poiché aumentano la superficie d’impronta e riducono le sollecitazioni trasmesse al terreno di fondazione. Le dimensioni precise delle banche (altezza e larghezza) devono essere stabilite tramite analisi di stabilità del rilevato e del piano di posa, tenendo conto delle proprietà meccaniche dei materiali impiegati e del terreno naturale sottostante. L'obiettivo finale è garantire un coefficiente di sicurezza adeguato, in modo che le forze resistenti superino quelle destabilizzanti.
Sottofondo stradale
Il sottofondo rappresenta lo strato superiore del corpo del rilevato, su cui viene direttamente installata la pavimentazione stradale. In questo strato, le sollecitazioni trasmesse dai carichi dinamici del traffico, anche se si attenuano con la profondità, rimangono ancora rilevanti.
Per garantire un funzionamento ottimale, il sottofondo deve soddisfare alcune caratteristiche essenziali:
•Alta rigidità: deve resistere efficacemente alle deformazioni sotto l'azione dei carichi, sia durante la fase di costruzione della pavimentazione che durante l'uso continuo della strada. Un sottofondo sufficientemente rigido aiuta a contenere le deformazioni provocate dal passaggio dei veicoli, evitando così danni precoci alla pavimentazione.
•Durabilità: le sue caratteristiche meccaniche, in particolare la rigidità, devono rimanere stabili nel tempo.
•Superficie regolare: il piano del sottofondo, ovvero la superficie superiore, deve essere livellato in modo adeguato per permettere la corretta posa della pavimentazione.
Per raggiungere tali obiettivi, i capitolati tecnici indicano:
•L'utilizzo di materiali di qualità superiore rispetto a quelli impiegati nelle parti inferiori del rilevato, con un'alta resistenza e bassa deformabilità.
•Un livello di compattazione più elevato rispetto a quello richiesto per gli strati inferiori del rilevato.
Sovrastruttura stradale
La pavimentazione, o sovrastruttura stradale, è lo strato che si sovrappone al rilevato e che è direttamente esposto all'azione dinamica del traffico veicolare. Lo spessore della pavimentazione può variare a seconda delle esigenze progettuali, e la sua funzione si articola su tre aspetti fondamentali:
•Garantire una superficie di transito regolare e resistente alle deformazioni, così da permettere il passaggio sicuro dei veicoli;
•Distribuire le sollecitazioni provocate dal traffico in modo uniforme sul terreno sottostante, evitando deformazioni pericolose per la sicurezza stradale;
•Proteggere il terreno inferiore dall'azione degli agenti atmosferici, prevenendo danni dovuti a infiltrazioni d'acqua o altre condizioni climatiche.
Le pavimentazioni stradali sono generalmente composte da diversi strati sovrapposti, costituiti da miscele di aggregati e leganti. Tra i leganti più comuni troviamo il conglomerato bituminoso e il calcestruzzo. Le pavimentazioni che utilizzano conglomerato bituminoso sono in grado di tollerare alcune deformazioni sotto carico senza rompersi, e sono note come pavimentazioni flessibili. D'altro canto, le pavimentazioni in calcestruzzo, essendo meno soggette a deformazioni prima della rottura, vengono definite pavimentazioni rigide.
I veicoli generano sulle pavimentazioni sia sollecitazioni verticali, dovute al loro peso, che sollecitazioni orizzontali, tangenti al piano stradale, causate dal movimento del veicolo, come durante la frenata. Queste forze orizzontali creano tensioni tangenziali particolarmente elevate negli strati superficiali della pavimentazione, che tendono a ridursi gradualmente negli strati più profondi. Per questo motivo, sono stati adottati accorgimenti specifici: nelle pavimentazioni flessibili, gli strati superficiali sono composti da miscele e aggregati che offrono un'elevata resistenza al taglio, mentre gli strati inferiori vengono progettati per avere un'alta resistenza alla flessione.
Il primo strato al di sotto di quello superficiale è chiamato strato di base e ha il compito di distribuire le forze verticali provenienti dal traffico sul terreno sottostante. Solitamente, questo strato è costituito da una miscela di materiali lapidei legati con bitume, eccetto che per le strade di minore importanza. Al di sotto dello strato di base si trova lo strato di fondazione, generalmente realizzato con materiale granulare non legato, il cui scopo principale, oltre a contribuire alla distribuzione dei carichi, è quello di fornire una superficie regolare su cui posare lo strato di base.
Nel caso di strade con traffico pesante, lo strato di base e gli strati superiori possono essere soggetti a frequenti deformazioni, il che, nel tempo, può causare fessurazioni nella pavimentazione dovute a fenomeni di fatica. Per ridurre questo rischio, si inserisce spesso uno strato supplementare di misto cementato tra la base e la fondazione. Questo strato, composto da una miscela di materiale granulare e cemento, fornisce una maggiore rigidità, riducendo la deformabilità complessiva della pavimentazione e aumentandone la resistenza alla fatica, prolungandone così la durata.
Stabilità e cedimenti
La stabilità dei rilevati, come per altre opere in terra, è strettamente legata all'interazione con il terreno di fondazione. I carichi trasmessi dal rilevato al terreno possono raggiungere diverse decine di tonnellate per metro quadrato, influenzando strati di terreno anche molto profondi. Se il piano di posa è inclinato, può aumentare il rischio di scivolamento. Su terreni con buone caratteristiche meccaniche (ad esempio rocce o terreni granulari cementati), la stabilità del rilevato dipende principalmente dalla sua struttura. Tuttavia, se costruito su terreni deboli, occorre valutare il rischio di instabilità e considerare i possibili cedimenti, sia immediati che nel tempo, dovuti alla compressione del terreno.
L’instabilità del rilevato può verificarsi quando il terreno di fondazione ha una bassa resistenza. Il cosiddetto "carico limite" è il punto oltre il quale il terreno non può più sostenere il peso del rilevato, causando una rottura generale, caratterizzata da una superficie di scorrimento nel terreno che cede sotto il peso del rilevato. La stabilità si valuta con metodi geotecnici e richiede un coefficiente di sicurezza stabilito dal progettista.
I terreni argillosi saturi non consolidati sono particolarmente vulnerabili a fenomeni di scivolamento, soprattutto nelle prime fasi di costruzione del rilevato, a causa delle pressioni interne che impiegano molto tempo a dissiparsi. In questi casi, i rimedi comuni includono la riduzione dell'altezza del rilevato, l'addolcimento delle scarpate o la costruzione di contrappesi laterali.
Un altro problema è rappresentato dai cedimenti, che possono verificarsi dopo la costruzione del rilevato a causa della compattazione del materiale, delle vibrazioni del traffico e del cedimento del terreno di fondazione. Fattori come un compattamento inadeguato o l’uso di materiali non idonei possono causare deformazioni eccessive, compromettendo la pavimentazione stradale.
Il fenomeno del consolidamento del terreno di fondazione può provocare cedimenti che si manifestano in periodi variabili, da pochi mesi a molti anni, a seconda delle caratteristiche del terreno e dell'altezza del rilevato. Quando i cedimenti non sono uniformi, possono danneggiare la sovrastruttura stradale. In tali casi, è necessario:
•Analizzare accuratamente le caratteristiche del terreno e prevedere i cedimenti;
•Decidere se accelerare i cedimenti per stabilizzare il rilevato o cercare di ridurli.
Le soluzioni più comuni per gestire i cedimenti includono:
•Aumento del sovraccarico: costruire il rilevato con un'altezza maggiore del necessario, per poi ridurla una volta stabilizzati i cedimenti. È una tecnica economica ma lenta.
•Sistemi drenanti: installare dreni verticali o orizzontali per facilitare la fuoriuscita dell’acqua dal terreno, riducendo i tempi di consolidamento. I dreni verticali, realizzati con pali di sabbia, sono i più utilizzati.
In presenza di terreni altamente compressibili, è possibile ridurre i cedimenti impiegando materiali leggeri per la costruzione del rilevato. Questi materiali devono avere un basso peso specifico, buone resistenze meccaniche e la capacità di essere facilmente compattati (ad esempio, argille espanse o polistirene espanso).
In terreni particolarmente deboli, come quelli con torba o alti contenuti di acqua, è necessario adottare misure particolari per costruire rilevati, anche di dimensioni ridotte. Quando deviare il tracciato non è possibile, si ricorre a costose tecniche di miglioramento del terreno per rendere possibile la costruzione.
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