STUDI IDROGEOLOGICI E GEOFISICI

Le indagini geologico-ingegneristiche sono una fase fondamentale prima dell’inizio di qualsiasi costruzione, poiché forniscono informazioni esaustive sulla struttura geologica del terreno, sulle proprietà fisico-meccaniche dei suoli e sul regime idrogeologico. Senza questi dati è impossibile calcolare e progettare correttamente una fondazione affidabile, che risponda ai carichi portanti della costruzione e ne garantisca la durabilità. Secondo il ДБН В.2.1-10:2018 «Basi e fondazioni di edifici e strutture», l’esecuzione di indagini geologico-ingegneristiche è obbligatoria per tutti i tipi di costruzione.

L’obiettivo principale di queste indagini è determinare: il tipo di terreno (argilla, sabbia, limo argilloso, torba), le sue caratteristiche di resistenza (angolo di attrito interno, coesione) e di deformazione (modulo di deformazione, coefficiente di compressibilità), nonché la presenza e il livello delle acque di falda e la loro aggressività nei confronti dei materiali da costruzione. Ciò consente non solo di scegliere il tipo ottimale di fondazione — a nastro, a plinti, a platea o su pali — ma anche di determinarne la profondità di posa, le dimensioni e la struttura.

Ad esempio, nei terreni con un elevato livello di acque di falda o con suoli soggetti a gelività, tipici di molte regioni dell’Ucraina, in particolare della regione di Kyiv e delle zone settentrionali, è necessario prevedere misure speciali. Ciò può includere la realizzazione di sistemi di drenaggio, l’applicazione di fondazioni a profondità elevata o l’uso di isolamento termico per la protezione dal sollevamento da gelo. Senza un’analisi tempestiva e di qualità di questi fattori, i rischi di incidenti e di perdite finanziarie significative crescono in modo esponenziale. Gli esperti sottolineano che il costo di indagini geologico-ingegneristiche di qualità rappresenta solo una piccola parte (0,5-2%) del preventivo complessivo di costruzione, ma il risparmio in questa fase può portare a costi aggiuntivi che raggiungono il 30-50% del valore dell’intero progetto nella fase di correzione delle conseguenze di decisioni errate.

Per una comprensione più dettagliata del ruolo della fondazione nella struttura complessiva dell’edificio, si consiglia di consultare l’articolo sui tipi di fondazione e la loro scelta.

Il processo di indagine geologico-ingegneristica è complesso e comprende diverse fasi consecutive, ciascuna con la propria specificità e con l’uso di strumenti specifici. La fase iniziale consiste nella raccolta di materiali d’archivio, mappe topografiche e fotografie aeree, che consente di ottenere un quadro preliminare delle condizioni geologiche del terreno. La fase successiva è costituita dai lavori sul campo, che sono i più impegnativi e informativi.

I lavori sul campo comprendono: la perforazione di pozzi geologico-ingegneristici, la prova penetrometrica statica e dinamica, le prove con piastra di carico. La perforazione dei pozzi viene eseguita per prelevare campioni di terreno (monoliti) a diverse profondità, nonché per misurare il livello delle acque di falda. La profondità e il numero dei pozzi sono determinati secondo il ДБН В.1.1-1:2009 «Protezione dai processi geologici pericolosi. Requisiti generali» e il ДБН В.2.1-10:2018, in base alla categoria di complessità delle condizioni geologico-ingegneristiche del terreno e alle dimensioni della futura costruzione.

La prova penetrometrica statica (CPT) consente di ottenere un profilo continuo delle caratteristiche di resistenza e deformazione dei terreni mediante un cono che viene infisso nel suolo. Questo metodo è rapido, economico e fornisce dati altamente precisi, particolarmente utili per i terreni eterogenei. La prova penetrometrica dinamica (DPT) viene utilizzata per valutare la densità dei terreni sabbiosi e la consistenza di quelli argillosi. Le prove con piastra di carico, sebbene costose, garantiscono la determinazione più precisa del modulo di deformazione del terreno direttamente sul campo, il che è di importanza critica per gli oggetti di grandi dimensioni e di particolare responsabilità.

Le analisi di laboratorio dei campioni di terreno comprendono la determinazione della composizione granulometrica, degli indici di plasticità (per i terreni argillosi), della densità, dell’umidità, nonché l’esecuzione di prove di compressione per determinare il coefficiente di compressibilità e la resistenza al taglio. Tutti questi dati costituiscono la base per il calcolo della capacità portante del terreno e del cedimento della fondazione. L’applicazione di moderni metodi geofisici, come il georadar (GPR) o la prospezione elettrica, consente di ottenere informazioni aggiuntive su disomogeneità nascoste, cavità carsiche o vecchi impianti, senza la necessità di interventi distruttivi.

La capacità portante del terreno è la sua capacità di sopportare i carichi trasmessi dalla fondazione dell’edificio senza deformazioni eccessive o cedimenti. Questo parametro è uno dei più importanti nella progettazione delle fondazioni. La determinazione della capacità portante del terreno si basa sulle caratteristiche fisico-meccaniche ottenute dalle indagini geologico-ingegneristiche, secondo il ДБН В.2.1-10:2018. Gli indicatori chiave sono l’angolo di attrito interno (φ), la coesione specifica (c), il modulo di deformazione (E) e la densità del terreno (ρ).

Le formule per il calcolo della capacità portante sono complesse e tengono conto sia delle proprietà del terreno sia dei parametri geometrici della fondazione e della sua profondità di posa. La formula generale per il calcolo della pressione limite sul terreno sotto la base della fondazione (P_rp) tiene conto di diversi coefficienti, che dipendono dalla forma della fondazione, dalla profondità di posa, dall’inclinazione del carico e da altri fattori. Per le fondazioni a nastro, ad esempio, il calcolo include spesso la verifica delle tensioni sotto la base della fondazione secondo la condizione di resistenza e deformazione. Secondo i ДБН, la pressione ammissibile sul terreno [R] viene calcolata come una frazione della pressione limite, tenendo conto dei coefficienti di affidabilità relativi al terreno e alla classe di responsabilità della struttura.

Ad esempio, per i terreni sabbiosi la capacità portante dipende in gran parte dalla loro densità e umidità, mentre per quelli argillosi dagli indici di plasticità e consistenza. Le sabbie compatte possono sopportare carichi significativi, mentre le sabbie sciolte o i limi argillosi saturi d’acqua richiedono un notevole aumento della superficie della fondazione oppure l’uso di soluzioni su pali. Il ДСТУ Б В.2.1-2-96 (ГОСТ 25100-95) «Terreni. Classificazione» è il documento fondamentale per l’identificazione dei terreni e la loro successiva analisi.

Gli errori tipici nei calcoli sono spesso legati alla sottovalutazione della disomogeneità del massiccio di terreno o all’ignoranza delle variazioni stagionali di umidità. Ad esempio, per le case leggere a telaio su terreni compatti può essere sufficiente una fondazione a nastro poco profonda, mentre per le costruzioni massicce in mattoni su terreni deboli sono necessarie fondazioni a platea o su pali. Un calcolo corretto della capacità portante è fondamentale per prevenire cedimenti irregolari, crepe nelle strutture portanti e il collasso dell’edificio. Ciò influisce anche sugli impianti tecnologici dell’edificio, quindi vale la pena prestare attenzione agli impianti tecnologici nella progettazione generale.

Il livello delle acque di falda (LAF) è uno dei fattori più critici che determinano la struttura e la profondità di posa della fondazione. Un LAF elevato o le sue notevoli variazioni stagionali possono causare una serie di problemi, tra cui la riduzione della capacità portante dei terreni, il sollevamento da gelo, la risalita capillare dell’umidità nelle strutture della fondazione e nei locali interrati, nonché la corrosione dell’armatura e il deterioramento del calcestruzzo.

La determinazione del LAF viene effettuata mediante osservazione a lungo termine in pozzi idrogeologici appositamente perforati. È importante registrare non solo il livello attuale, ma anche le sue variazioni stagionali, in particolare durante le piene primaverili e le piogge autunnali, poiché è il LAF massimo a essere utilizzato nei calcoli. Secondo il ДБН В.2.1-10:2018, se il LAF si trova al di sopra della base della fondazione, è necessario prevedere una serie di misure di impermeabilizzazione e drenaggio. Ciò può includere l’impermeabilizzazione esterna della fondazione con materiali in rotoli o spalmabili, un drenaggio perimetrale o a strato per allontanare le acque di falda dalla base dell’edificio.

Il sollevamento da gelo dei terreni è l’aumento di volume del terreno durante il congelamento dell’acqua nei suoi pori, che provoca il sollevamento e la deformazione della fondazione. Questo fenomeno è più caratteristico dei terreni sabbiosi fini, limosi e argillosi con elevata umidità. In Ucraina, in particolare nelle regioni settentrionali e centrali, la profondità di gelo del terreno può raggiungere 0,8-1,5 m, a seconda della regione e del tipo di terreno. Per prevenire il sollevamento da gelo, è necessario posare la fondazione al di sotto della profondità di gelo normativa del terreno, oppure applicare speciali fondazioni isolate a bassa profondità (УШП), tenendo conto dei calcoli termotecnici.

Con un LAF elevato aumenta anche il rischio di dilavamento delle particelle fini del terreno, che può portare alla formazione di cavità sotto la fondazione e a un suo cedimento irregolare. In queste condizioni, oltre al drenaggio, potrebbe essere necessario il compattamento della base o l’uso di fondazioni su pali, che si appoggiano su strati di terreno più profondi e resistenti. La scelta della soluzione ottimale richiede sempre un’analisi completa dei dati idrogeologici e dei calcoli.

La progettazione della fondazione è un processo ingegneristico complesso, che integra i risultati delle indagini geologiche con le soluzioni architettoniche e strutturali dell’edificio. L’obiettivo principale è garantire la stabilità e la durabilità della costruzione, trasmettendo tutti i carichi (peso proprio dell’edificio, carichi di esercizio, da neve, da vento) alla base del terreno in modo che le tensioni nel terreno non superino la sua capacità portante e le deformazioni rimangano entro i limiti ammissibili.

Sulla base del rapporto geologico, l’architetto e l’ingegnere strutturista scelgono insieme il tipo ottimale di fondazione. Ad esempio, per la costruzione su terreni sabbiosi o ghiaiosi con LAF basso, si scelgono spesso fondazioni a nastro o a plinti poco profonde. Ciò consente di utilizzare i materiali in modo razionale e di ridurre il costo dei lavori. Tuttavia, se il terreno presenta una base disomogenea, soggetta a cedimenti o con LAF elevato, la fondazione a platea o su pali può essere l’unica soluzione affidabile. La fondazione a platea, distribuendo uniformemente il carico su tutta la superficie dell’edificio, funziona efficacemente su terreni deboli e comprimibili, minimizzando i cedimenti differenziali. Le fondazioni su pali vengono utilizzate per trasmettere il carico a strati di terreno più profondi e resistenti, bypassando i terreni superficiali deboli.

Il calcolo della fondazione comprende non solo la verifica della capacità portante della base, ma anche il calcolo del cedimento della fondazione. Il cedimento non deve superare i valori limite ammissibili stabiliti dal ДБН В.2.1-10:2018 (di solito 5-10 cm per gli edifici residenziali, a seconda del tipo di struttura). Il metodo di calcolo del cedimento per strato equivalente consente di valutare le deformazioni del terreno sotto carico. Inoltre, è importante tenere conto dell’influenza degli impianti sotterranei e degli edifici adiacenti sulla base del terreno. Questa è una fase di grande responsabilità, che richiede un’elevata qualificazione e l’uso di moderni pacchetti software per i calcoli, ad esempio sistemi BIM, che consentono di modellare l’interazione «fondazione-terreno». Un architetto esperto tiene sempre conto di questi aspetti.

Ogni tipo di fondazione ha i propri nodi specifici, che devono essere progettati tenendo conto delle condizioni geologiche specifiche del terreno. Esaminiamo in dettaglio le soluzioni chiave per i terreni più diffusi in Ucraina.

1. Fondazione a nastro su terreni stabili (sabbie di media densità, limi argillosi duri):

• **Nodo:** La base della fondazione viene posata al di sotto della profondità di gelo (secondo il ДБН В.2.1-10:2018, per la regione di Kyiv è di circa 1,0-1,2 m). Sotto la base viene predisposto un letto di sabbia con spessore 100-200 mm, per il livellamento e la prevenzione della risalita di umidità.
• **Armatura:** L’armatura orizzontale è composta da 4-6 barre longitudinali di lavoro con diametro 12-16 mm, collegate da staffe con diametro 6-8 mm con passo 200-300 mm. Ciò garantisce la resistenza della fondazione a flessione e trazione.
• **Impermeabilizzazione:** Impermeabilizzazione spalmabile o con membrane adesive delle superfici verticali e impermeabilizzazione orizzontale sul bordo superiore della fondazione per interrompere la risalita capillare dell’umidità.

2. Fondazione a platea su terreni deboli e comprimibili (limi argillosi plastici, torba):

• **Nodo:** Platea monolitica in cemento armato con spessore 200-400 mm, che funge contemporaneamente da base per il pavimento del piano terra. Sotto la platea viene predisposto un cuscinetto di sabbia compattata (fino a 300-500 mm) e di ghiaia (fino a 100-150 mm), per la distribuzione del carico e il drenaggio.
• **Armatura:** Armatura doppia con rete di barre di lavoro con diametro 10-16 mm e passo 150-250 mm nelle zone superiore e inferiore della platea. Le barre sono collegate da connettori verticali.
• **Impermeabilizzazione e isolamento:** Sotto la platea vengono obbligatoriamente posate una membrana bugnata e polistirene estruso (XPS) con spessore 100-150 mm, per l’isolamento e la protezione dal sollevamento da gelo e dall’umidità. Questa tecnologia consente di realizzare una fondazione altamente efficace, che garantisce un basso valore U/R (trasmittanza/resistenza termica) ed è la base per gli edifici efficienti dal punto di vista energetico.

3. Fondazione su pali in terreni con bassa capacità portante degli strati superiori o con LAF elevato:

• **Nodo:** I pali (trivellati, infissi) con diametro 300-600 mm vengono affondati fino agli strati di terreno resistenti e portanti. Sopra i pali viene realizzato un cordolo di collegamento monolitico in cemento armato, che li unisce in un unico sistema.
• **Armatura:** I pali sono armati con gabbie spaziali di barre longitudinali da 16-25 mm e staffatura a spirale. Il cordolo di collegamento viene armato come una fondazione a nastro.
• **Impermeabilizzazione:** Per i cordoli di collegamento situati al di sotto del LAF, è necessaria un’impermeabilizzazione rinforzata e un drenaggio. Per gli edifici realizzati con tecnologie moderne, come, ad esempio, le strutture in cemento, la scelta corretta della fondazione è di importanza critica.

Una progettazione accurata di ogni nodo, tenendo conto dell’interazione «fondazione-terreno», garantisce la durabilità e l’affidabilità in esercizio dell’intero edificio.

In Ucraina, l’attività di indagine geologico-ingegneristica e di progettazione delle fondazioni è rigorosamente disciplinata da una serie di norme edilizie statali (ДБН) e standard statali (ДСТУ). Questi documenti stabiliscono i requisiti per la metodologia di conduzione degli studi, l’elaborazione dei risultati, i calcoli e l’adozione delle soluzioni progettuali. Il rispetto di queste norme è obbligatorio per tutti i partecipanti al processo edilizio e garantisce la sicurezza e l’affidabilità delle strutture.

I principali documenti normativi di riferimento sono:

• **ДБН В.2.1-10:2018 «Basi e fondazioni di edifici e strutture»**: Questo documento definisce le disposizioni principali per la progettazione di basi e fondazioni, i requisiti per le indagini geologico-ingegneristiche, i metodi di calcolo della capacità portante e del cedimento delle fondazioni, nonché le soluzioni costruttive per i diversi tipi di terreno.
• **ДБН В.1.1-1:2009 «Protezione dai processi geologici pericolosi. Requisiti generali»**: Disciplina le misure di protezione di edifici e strutture da frane, crolli, fenomeni carsici, allagamenti e altri processi geologici pericolosi, che possono influire notevolmente sulla scelta del tipo di fondazione e sulla necessità di rinforzi aggiuntivi.
• **ДСТУ Б В.2.1-2-96 (ГОСТ 25100-95) «Terreni. Classificazione»**: Stabilisce un sistema unificato di classificazione dei terreni in base alla loro origine, composizione, stato e proprietà fisico-meccaniche, che costituisce la base per una corretta interpretazione dei risultati delle indagini.
• **ДСТУ Б В.2.1-12:2009 «Terreni. Metodi di determinazione in laboratorio delle caratteristiche fisiche» e ДСТУ Б В.2.1-13:2009 «Terreni. Metodi di determinazione in laboratorio delle caratteristiche meccaniche»**: Questi standard dettagliano le procedure delle prove di laboratorio sui terreni, garantendo l’affidabilità dei dati ottenuti.

Oltre alle norme nazionali, è importante tenere conto delle particolarità regionali dell’Ucraina. Ad esempio, per la regione di Kyiv e il Polesia sono caratteristici i terreni soggetti a gelività (limi argillosi, sabbie fini) con un elevato livello di acque di falda e una notevole profondità di gelo. Per la Transcarpazia e le regioni carpatiche sono rilevanti i problemi di sismicità, frane e notevoli oscillazioni del LAF. Le regioni meridionali possono incontrare il cedimento dei terreni loessici. Queste particolarità richiedono ai progettisti l’applicazione di soluzioni ingegneristiche specifiche e, in alcuni casi, requisiti rafforzati per le indagini. Considerando la scelta del terreno, è importante anche consultare l’articolo su come scegliere il terreno per la costruzione, per evitare condizioni geologiche complesse.