DETERMINAZIONE DELLA CAPACITÀ PORTANTE DEL TERRENO

La determinazione della capacità portante del terreno inizia con la sua corretta classificazione. Diversi tipi di terreno presentano proprietà fisico-meccaniche uniche, che influenzano direttamente la scelta dei metodi di indagine e l’interpretazione dei dati ottenuti. I terreni sabbiosi, come le sabbie fini, medie e grosse, si caratterizzano per un’elevata permeabilità all’acqua, una bassa comprimibilità e una capacità portante relativamente stabile in condizioni di umidità ottimale. Tuttavia, la loro resistenza dipende in modo sostanziale dalla densità: le sabbie sciolte possono presentare cedimenti significativi sotto carico. Per le sabbie si utilizzano spesso metodi che misurano la resistenza alla penetrazione, come la prova penetrometrica statica a cono (CPT) o la prova penetrometrica dinamica standard (SPT).

I terreni argillosi (limi argillosi, sabbie limose, argille propriamente dette) mostrano un comportamento del tutto diverso. Sono coesivi, hanno una bassa permeabilità all’acqua, un’elevata plasticità e una notevole dipendenza della capacità portante dall’umidità. Ad esempio, le argille dense e asciutte possono avere un’elevata resistenza, mentre se inumidite perdono bruscamente la propria capacità portante a causa della riduzione dell’angolo di attrito interno e della rottura dei legami strutturali. Per i terreni argillosi sono di importanza critica le prove di laboratorio a taglio (taglio diretto, compressione triassiale) e le prove di compressione edometrica per determinare il modulo di deformazione e il coefficiente di comprimibilità. In Germania, la classificazione dei terreni è disciplinata dallo standard DIN 18196, che tiene conto della composizione granulometrica, della plasticità e delle impurità organiche per una precisa attribuzione del terreno a una determinata categoria, base per la successiva scelta dei metodi di prova e dei calcoli.

I terreni loessici, diffusi in molte regioni, rappresentano una sfida particolare. Presentano spesso un’elevata porosità e una propensione al cedimento per inumidimento, il che richiede metodi di indagine specifici, come le prove di cedimento in condizioni di laboratorio. I terreni organici, come la torba, si distinguono per una comprimibilità estremamente elevata e una bassa capacità portante, pertanto la loro indagine richiede un approccio particolare, incluso la determinazione del contenuto di sostanze organiche e di valori elevati del coefficiente di filtrazione.

La scelta dei metodi di indagine geologico-ingegneristica si basa sempre su un’analisi preliminare della struttura geologica del sito e del tipo di terreni presenti. Ad esempio, per masse sabbiose omogenee i metodi in sito possono essere sufficientemente informativi, mentre per stratificazioni complesse e multistrato con alternanza di strati argillosi e sabbiosi, o in presenza di depositi loessici, è necessario un approccio integrato che coinvolga sia indagini in sito sia di laboratorio per una valutazione completa delle caratteristiche.

I metodi in sito per l’indagine della capacità portante dei terreni forniscono informazioni preziose direttamente in cantiere, consentendo di valutare le proprietà della massa di terreno nel suo stato naturale. Uno dei più diffusi è la prova penetrometrica statica a cono (CPT – Cone Penetration Test), disciplinata, ad esempio, dallo standard ISO 22476-1. Questo metodo consiste nell’infissione di un cono a una velocità di 2 cm/s e nella misurazione continua della resistenza alla punta (qc) e dell’attrito laterale sul manicotto (fs). Il CPT garantisce un’elevata velocità di acquisizione dei dati e consente di identificare con precisione la stratificazione del terreno, aspetto particolarmente importante per l’analisi completa del sito. In Germania si utilizza ampiamente anche la prova penetrometrica dinamica (DPL, DPH, DPSH – Dynamic Probing Light, Heavy, Super Heavy) secondo la DIN EN ISO 22476-2, che misura il numero di colpi necessari per infiggere il cono a una determinata profondità. Questi metodi sono particolarmente efficaci per valutare la densità di terreni sabbiosi e ghiaiosi di piccole dimensioni.

La prova penetrometrica dinamica standard (SPT – Standard Penetration Test) è un altro metodo in sito fondamentale, spesso utilizzato in combinazione con la perforazione di sondaggi. Il metodo consiste nell’infiggere un campionatore cavo (di dimensioni ASTM D1586) nel terreno mediante un maglio del peso di 63,5 kg, che cade da un’altezza di 76 cm. Il numero di colpi necessari per infiggere il campionatore di 30 cm (dopo un’infissione preliminare di 15 cm) viene indicato come indice N. L’SPT fornisce informazioni sulla densità relativa delle sabbie e sulla consistenza delle argille, e consente inoltre di prelevare campioni rimaneggiati per la successiva analisi di laboratorio. Tuttavia, la precisione dell’SPT può essere inferiore rispetto al CPT e dipende in larga misura dalla qualifica dell’operatore e dalle condizioni dell’attrezzatura.

Le prove di carico su piastra (Plate Load Test), disciplinate, ad esempio, dalla DIN 18134, sono uno dei metodi più diretti per determinare la capacità portante. Consistono nel caricare gradualmente una piastra rigida circolare o quadrata (solitamente del diametro di 300 mm) e nel misurare il cedimento a ogni livello di carico. Questo metodo consente di ottenere valori reali del modulo di deformazione del terreno (Ev1, Ev2) e della sua capacità portante limite direttamente alla profondità di posa della fondazione. Nonostante l’elevata precisione, le prove di carico su piastra sono più laboriose e costose, e i loro risultati sono localizzati e potrebbero non rappresentare le proprietà dell’intera massa di terreno. Pertanto, nella prassi tedesca, le prove di carico su piastra vengono spesso utilizzate per confermare i risultati di altre indagini in sito e per il calcolo della scelta del tipo ottimale di fondazione.

Le indagini di laboratorio sono parte integrante del complesso delle indagini geotecniche, fornendo dati di alta precisione sulle proprietà fisico-meccaniche dei terreni sulla base di campioni indisturbati o rimaneggiati. Queste prove consentono di determinare parametri difficili o impossibili da ottenere con i metodi in sito, come l’angolo di attrito interno, la coesione, il modulo di deformazione, il coefficiente di filtrazione, i limiti di Atterberg (limite di liquidità, limite di plasticità) e la densità.

Uno dei test chiave è la compressione triviale (Triaxial Compression Test), che consente di determinare i parametri di resistenza del terreno (angolo di attrito interno φ’ e coesione c’) in condizioni prossime a quelle naturali. Il campione di terreno viene posto in una camera, dove è sottoposto a una pressione laterale (di confinamento) e a un carico assiale fino alla rottura. Questo test può essere eseguito in diverse modalità (consolidato-drenato, consolidato-non drenato, non consolidato-non drenato), che consentono di simulare diverse condizioni di lavoro del terreno. Ad esempio, per la Germania, standard come la DIN 18137 definiscono la metodologia di esecuzione di questi test.

Il taglio diretto (Direct Shear Test) è un altro metodo per determinare i parametri di resistenza. Il campione di terreno viene posizionato in una scatola di taglio e sottoposto a un carico normale, dopodiché una parte della scatola viene fatta scorrere rispetto all’altra. Questo test è più semplice da eseguire, ma non consente di controllare completamente le condizioni di drenaggio come nella compressione triassiale. Le prove di compressione edometrica (Oedometer Test), secondo la DIN 18135, vengono utilizzate per determinare le caratteristiche deformative dei terreni, come il modulo di deformazione e il coefficiente di comprimibilità. Il campione di terreno, in assenza di espansione laterale, viene sottoposto a un carico verticale graduale, e se ne misura il cedimento. Questi dati sono di importanza critica per i calcoli dei cedimenti delle fondazioni.

La determinazione dei limiti di Atterberg (limite di liquidità, limite di plasticità) consente di valutare la plasticità dei terreni argillosi e la loro propensione a variare di volume al variare dell’umidità. Questi indicatori, insieme all’indice di plasticità, vengono utilizzati per classificare le argille e prevederne il comportamento. Indagini di laboratorio di qualità richiedono l’uso di attrezzature ad alta precisione, personale qualificato e un rigoroso rispetto delle metodologie, il che garantisce l’affidabilità dei dati ottenuti per la successiva progettazione.

Il regime di umidità dei terreni è uno dei fattori più critici che influisce direttamente sulla loro capacità portante e stabilità. Una variazione del contenuto di umidità può trasformare radicalmente le proprietà fisico-meccaniche della massa di terreno, in particolare per i terreni a grana fine (argillosi). I terreni coesivi, se saturi d’acqua, perdono la propria resistenza a causa della riduzione della tensione efficace. Il concetto di tensione efficace (σ’) è fondamentale in geotecnica ed è definito come la tensione totale (σ) meno la pressione interstiziale dell’acqua (u): σ’ = σ – u. Un aumento della pressione interstiziale dell’acqua, che si verifica con l’innalzamento del livello della falda freatica o con l’infiltrazione delle precipitazioni, porta a una riduzione della tensione efficace e, di conseguenza, a una diminuzione della resistenza al taglio del terreno e della sua capacità portante.

Per i terreni argillosi, un’umidità eccessiva può portare a rammollimento, perdita di rigidità e un significativo aumento della comprimibilità, che si manifesta con grandi cedimenti delle fondazioni. Ad esempio, per i limi argillosi, un aumento dell’umidità dal valore ottimale a quello critico può ridurre il modulo di deformazione del 30-50%. Anche il fenomeno del sollevamento per gelo è strettamente legato all’umidità del terreno. L’acqua, congelando nei pori dei terreni a grana fine, si espande, creando lenti di ghiaccio che causano il sollevamento del terreno e deformazioni non uniformi delle fondazioni. Ciò è particolarmente rilevante per l’Ucraina e la Germania, dove i periodi invernali sono accompagnati da cicli di gelo-disgelo.

Il controllo del bilancio idrico del sito è di vitale importanza. Ciò include una corretta organizzazione del deflusso superficiale, efficaci sistemi di drenaggio e l’impermeabilizzazione delle fondazioni. Nella prassi tedesca, la considerazione del regime di umidità è obbligatoria in fase di progettazione. Lo standard DIN 4094, ad esempio, disciplina i requisiti per la determinazione delle proprietà di filtrazione dei terreni. Nella progettazione di fondazioni su siti con falda freatica elevata o terreni saturi d’acqua, è necessario utilizzare coefficienti di riduzione della capacità portante o applicare misure ingegneristiche, come la compattazione dei terreni, la realizzazione di drenaggi o la sostituzione dei terreni deboli, per minimizzare i rischi legati alla variazione del regime idrico.

La scelta tra metodi in sito e di laboratorio per l’indagine della capacità portante dei terreni non è una questione di “aut-aut”, ma piuttosto di “et-et”. Entrambi gli approcci presentano vantaggi e limiti, e la massima precisione si ottiene dalla loro combinazione sinergica. I metodi in sito, come CPT, SPT e le prove di carico su piastra, consentono di valutare le proprietà del terreno “in situ” – nel suo stato naturale e indisturbato. Ciò è particolarmente prezioso, poiché si esclude l’influenza del processo di prelievo e trasporto dei campioni sulla struttura del terreno. Le prove in sito garantiscono una rapida acquisizione di un grande volume di dati in profondità, consentendo di individuare disomogeneità della massa di terreno e la stratificazione. Tuttavia, possono fornire parametri indiretti, successivamente convertiti in caratteristiche fisico-meccaniche mediante correlazioni empiriche, il che può introdurre errori.

I metodi di laboratorio, al contrario, forniscono valori diretti e di alta precisione dei parametri fisico-meccanici (angolo di attrito interno, coesione, modulo di deformazione, limiti di plasticità). Consentono di simulare diverse condizioni di carico e di regime idrico, aspetto critico per comprendere il comportamento del terreno in situazioni ingegneristiche complesse. Nonostante l’elevata precisione, le indagini di laboratorio presentano dei limiti: vengono eseguite su campioni relativamente piccoli, che potrebbero non sempre essere rappresentativi dell’intera massa di terreno, e il processo di prelievo e preparazione dei campioni può alterare la struttura naturale del terreno, in particolare per le argille sensibili e le sabbie sciolte. I requisiti per i laboratori e le prove in Germania sono molto rigorosi, garantendo un’elevata qualità dei dati in conformità con la DIN EN ISO/IEC 17025.

Un programma geotecnico di indagine efficace in Germania include sempre una combinazione di questi metodi. Le indagini in sito vengono utilizzate per una valutazione generale della sezione geologica, l’individuazione di zone deboli e la determinazione di caratteristiche orientative. Le prove di laboratorio vengono quindi eseguite su campioni indisturbati, prelevati dagli intervalli chiave, per la determinazione precisa dei parametri di calcolo. Ad esempio, il CPT può essere utilizzato per l’identificazione rapida degli strati e della loro densità approssimativa, mentre per la determinazione precisa della resistenza degli strati argillosi sono necessarie prove di laboratorio di compressione triassiale. Tale sinergia garantisce il quadro più completo e affidabile delle condizioni geotecniche del sito, base per una progettazione affidabile delle fondazioni e delle soluzioni progettuali in generale.

La Germania è nota per i suoi standard rigorosi e completi nel campo della geotecnica, che garantiscono un elevato livello di sicurezza e affidabilità delle strutture edili. Il documento principale che disciplina la progettazione delle fondazioni è la DIN 1054 “Baugrund – Zulässige Belastung des Baugrunds”, che stabilisce i principi di calcolo della capacità portante e dei cedimenti, nonché i requisiti per le indagini geologico-ingegneristiche. Questo standard unisce i metodi di calcolo tenendo conto degli stati limite e delle deformazioni ammissibili, base per l’approccio moderno alla progettazione.

Oltre alla DIN 1054, esiste tutta una serie di standard specializzati: la DIN 4020 “Geotechnische Untersuchungen für bautechnische Zwecke”, che definisce l’estensione e la procedura delle indagini geotecniche; la DIN 18196 “Erdarbeiten – Bodenklassifikation, Allgemeine Richtlinien für die Ausführung” per la classificazione dei terreni; la DIN 18134 “Plattendruckversuche” per le prove di carico su piastra; la DIN 18137 “Triaxialversuche” per le prove triassiali. Questi standard non solo descrivono i metodi di esecuzione delle prove, ma stabiliscono anche requisiti per le attrezzature, la qualifica del personale e le procedure di controllo qualità, il che minimizza gli errori e garantisce l’affidabilità dei dati.

In Germania si presta particolare attenzione alla redazione della relazione geotecnica (Geotechnischer Bericht o Baugrundgutachten). Questo documento è completo e contiene non solo i risultati delle indagini in sito e di laboratorio, ma anche una descrizione dettagliata della struttura geologica del sito, delle condizioni idrogeologiche, raccomandazioni sul tipo di fondazione, sulla profondità di posa, sui carichi ammissibili, nonché sulle misure di miglioramento dei terreni se necessario. La relazione include inoltre una valutazione dei rischi legati alle condizioni del terreno, come cedimenti, sollevamento per gelo, frane o l’influenza delle acque sotterranee. Anche i requisiti relativi al contenuto e alla redazione della relazione geotecnica sono rigorosamente disciplinati, garantendone la validità giuridica e la completezza tecnica. L’applicazione di questi standard e pratiche garantisce un elevato livello di sicurezza e durabilità degli edifici realizzati in Germania, riflettendo un approccio integrato all’ingegneria geotecnica come parte dei moderni impianti tecnologici.

Dopo il completamento delle prove in sito e di laboratorio, una fase di importanza critica è l’integrazione dei dati ottenuti per lo sviluppo di un progetto di fondazioni razionale e sicuro. L’ingegnere geotecnico analizza tutte le informazioni raccolte, comprese le sezioni geologiche, le caratteristiche fisico-meccaniche dei terreni, le condizioni idrogeologiche e i rischi potenziali. Lo scopo di questa fase non è semplicemente riassumere i numeri, ma interpretarli nel contesto dei carichi previsti dal futuro edificio e dei requisiti normativi. In Germania, secondo la DIN 1054, l’ingegnere deve eseguire i calcoli della capacità portante della base del terreno agli stati limite e verificare il calcolo della fondazione per le deformazioni (cedimenti).

Per il calcolo della capacità portante si utilizzano metodi basati sulla teoria dell’equilibrio limite, tenendo conto dell’angolo di attrito interno, della coesione, della densità del terreno, della profondità di posa e della forma della fondazione. Particolare attenzione è dedicata ai coefficienti di sicurezza, che garantiscono un margine di resistenza e compensano le possibili incertezze nei dati di partenza e negli schemi di calcolo. I calcoli dei cedimenti vengono eseguiti utilizzando il modulo di deformazione del terreno, ottenuto da prove di compressione edometrica o di carico su piastra. Questi calcoli consentono di prevedere l’entità dei cedimenti e la loro possibile natura (uniforme o non uniforme) per prevenire danni alle strutture portanti dell’edificio.

La scelta del tipo di fondazione (a nastro, a plinti, a platea, su pali) dipende direttamente dalla capacità portante dei terreni, dall’entità e dalla natura dei carichi, nonché dalla convenienza economica. Ad esempio, su terreni deboli o con carichi elevati si utilizzano spesso fondazioni su pali, che trasferiscono il carico a strati più resistenti e profondi. Per terreni omogenei e resistenti possono essere sufficienti fondazioni a nastro o a platea poco profonde. L’ingegnere valuta anche possibili misure ingegneristiche, come la compattazione dei terreni, la realizzazione di cuscinetti di terreno, o la stabilizzazione dei terreni mediante cementazione, per aumentarne la capacità portante al livello necessario. L’intero processo di integrazione dei dati e di adozione delle decisioni progettuali è complesso e richiede un’elevata qualifica dell’ingegnere geotecnico e dell’architetto.