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RELAZIONE TRA ESECUZIONE DEI PALI E LORO COMPORTAMENTO
Alessandro Mandolini
Dipartimento di Ingegneria CivileSeconda Università di Napoli
Innovazione tecnologica e gestione innovativa di
sistemi geotecnici complessi
tempo
IV a
.C.
“An African Tribe, the Peonions, lived in dwellings erected on a lofty piles driven into a lake bed.The piles were driven under some kind of communal arrangement but after a time a law had been made that when a man wished to marry, he had first to drive three piles.Since the Tribe was polygamous, the number of piles installed was considerable.”
Primo riferimento storico: Erodote (IV a.C.)
tempo
XVIII d
.C.
XVI d
.C.
X d
.C.
IV a
.C.
VIII d
.C.
XX d
.C.
Di fatto la situazione è rimasta immutata fino agli inizi del secolo scorso, allorquando la disponibilità di attrezzature più potenti, di tecniche per il sostegno del foro (tubazioni di rivestimento, fanghi bentonitici) e di nuovi materiali (calcestruzzo), ha reso possibile l’esecuzione anche di pali mediante l’asportazione del terreno (pali trivellati).
E’ stato inoltre possibile realizzare pali a spostamento di terreno (battuti) non solo prefabbricati (acciaio, legno) ma anche gettati in opera.
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COSA OFFRE OGGIIL MERCATO DEI PALI ?
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I TIPI DI PALO (fonte GEOFORUM della Swedish Geotechnical Society)
Alpha Pile, Atlas Pile, Bade System, Benoto System, Brechtl System, Button-bottom Pile, Casagrande System, Compressol Pile, Continuous Flight Auger (CFA) System, Daido SS Pile, Delta Pile, Drill-and-drive Pile, Franki Composite Pile, FrankiExcavated Pile, Franki Pile, Franki Pile with casing top driven, Franki VB Pfahl, Fundex Pile, Held-Franke System, Hochstrasser-Weise System, Hollow precast concrete pile with timber/steel core, Icos Veder System, Jointed Concrete Pile, Lacor Pile, Large diameter bored pile, Lind-Calweld Pile, Lorenz Pile, Mast System, Millgard Shell Pile, Mini pile, Monierbau Pile, Multiton Pile, MV-pile, Omega Pile, Pieux Choc, Precast Concrete Pile, Precast Reinforced Concrete Pile, Pressodrill, Prestcore, Prestressed Concrete Pile, Raymond Pile, Rolba Pile, Sheet Pile, Simplex System, Small diameter bored pile, Soilex System, Starsol Pile, Steel Box Pile, Steel pile, Steel Tube Pile, Steel-concrete (SC) Composite Pile, Steel-H Pile, SVB Pile, SVV Pile, Timber Pile, Tubex Pile, Westpile Shell Pile, Vibrex Cast-In-Situ Pile, Wolfholz System, X-pile, Zeissl System, ………….
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LA CONFUSIONEREGNA SOVRANA !!!!!!!
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Geoforum
.com
SISTEMI DI CLASSIFICAZIONE DEI PALI
1. Metodo di installazionetrivellato, trivellato a elica continua, battuto, infisso, avvitato
2. Spostamento prodotto nel terrenogrande, piccolo, assente
3. Materialecalcestruzzo, acciaio, legno, combinazioni
4. Costruzionein opera, prefabbricato, combinazioni
5. Supporto durante la costruzioneassente, temporaneo, permanente, fanghi bentonitici/polimerici, ecc.
6. Geometriapiccolo diametro, medio diametro, grande diametro, a base allargata, ecc.
L
0
2b
bs 4
dqdzzqdQ
Equilibrio alla traslazione verticale:
COSA ACCADE AD ELEVATI VALORI DEL CARICO E/O DEL CEDIMENTO ?
S P
Q
qs
qb
qb = resistenza unitaria mobilitata alla base del palo
qs = resistenza unitaria mobilitata lungo la superficie laterale
Il collasso del complesso palo-terreno avviene come conseguenza di due differenti meccanismi:
1. per scorrimento lungo la superficie laterale
2. per compressione dei terreni posti al di sotto della base
Il meccanismo (1) richiede “modesti” spostamenti relativi tra palo e terreno
0.0
1.0
2.0
3.0
4.0
5.0
0 20 40 60 80
settlement, w [mm]
load
[M
N]
S
L = 24 m; d = 0,80 m
Q
qs
qb
Il collasso del complesso palo-terreno avviene come conseguenza di due differenti meccanismi:
1. per scorrimento lungo la superficie laterale
2. per compressione dei terreni posti al di sotto della base
Il meccanismo (2) richiede valori elevati degli spostamenti, non ben definibili (punzonamento)
0.0
1.0
2.0
3.0
4.0
5.0
0 20 40 60 80
settlement, w [mm]
load
[M
N]
P
L = 24 m; d = 0,80 m
Q
qs
qb
Q
qs
qb
Il meccanismo di scorrimento relativo all’interfaccia tra palo e terreno (superficie laterale) avviene allorquando il valore della tensione tangenziale qs
raggiunge un valore limite qs,lim che dipende dallo stato tensionale agente in direzione ortogonale alla direzione dello scorrimento e al coefficiente di attrito all’interfaccia.
s’vo
s’vo
s’hs’hqs,lim
vovovohlim,s ''tgKtg'Ktg'q ssss
Q
qs
qb
s’vo
s’vo
s’hs’hqs,lim
Il coefficiente K esprime la relazione tra la tensione efficace s’h agente in direzione normale alla superficie laterale del palo (così come modificata a seguito dell’installazione del palo) e la tensione efficace verticale geostatica s’vo agente prima dell’installazione del palo.
Il coefficiente tg è un coefficiente di attrito, dipendente dalla rugosità dell’interfaccia palo-terreno.
vovovohlim,s ''tgKtg'Ktg'q ssss
Q
qs
qb
s’v
s’v
s’hs’hqs,lim
Un palo ad asportazione di terreno PAT (trivellato), se correttamente eseguito, dovrebbe garantire assenza di decompressione del terreno in fase di scavo, il che equivale a dire che:
s’h,dopo l’installazione = s’h,prima dell’installazione = s’ho = Kos’vo
Ko = 1 - sen
vovovohlim,s ''tgKtg'Ktg'q ssss
Q
qs
qb
s’v
s’v
s’hs’hqs,lim
Il coefficiente di attrito tg non può eccedere il valore tg.
Per pali gettati in opera, =
vovovohlim,s ''tgKtg'Ktg'q ssss
Q
qs
qb
s’v
s’v
s’hs’hqs,lim
Pali ad asportazione di terreno (PAT) gettati in opera:
K = Ko = 1 - sen
tg = tg
30.024.04020
'tgsen1''tgKtg'q vovovoohlim,s
ssss
Il coefficiente è praticamente insensibile alla variazione di !!
Q
qs
qb
s’v
s’v
s’hs’hqs,lim
Un palo a spostamento di terreno PST (infisso, in terreni granulari), determina una compressione del terreno in fase di avanzamento dell’utensile, il che equivale a dire che:
s’h,dopo l’installazione >> s’h,prima dell’installazione = s’ho = Kos’vo
K >> Ko = 1 - sen (tipicamente K = (24)Ko
vovovohlim,s ''tgKtg'Ktg'q ssss
PRIMA CONSIDERAZIONE
A parità di ogni altra condizione, è lecito attendersi per i pali PST una resistenza laterale da 2 a 4 volte più grande di un identico palo PAT (L, d, materiale) immerso nello stesso terreno granulare.In terreni coesivi le differenze sono molto più contenute (dell’ordine del 30-40%)
Il collasso del complesso palo-terreno avviene come conseguenza di due differenti meccanismi:
1. per scorrimento lungo la superficie laterale
2. per compressione dei terreni posti al di sotto della base
Il meccanismo (2) richiede valori elevati degli spostamenti, non ben definibili (punzonamento)
0.0
1.0
2.0
3.0
4.0
5.0
0 20 40 60 80
settlement, w [mm]
load
[M
N]
P
L = 24 m; d = 0,80 m
Q
qs
qb
FORMULE STATICHE: valutazione della resistenza alla punta
Qlim
qs,lim
qb,lim
In terreni incoerenti e/o in condizioni drenate si assume c = 0. Pertanto:
qb,lim = NqsvL
Beretzantsev
L’abaco fornisce i valori di Nq
per assegnati valori di e L/d. Ma la tecnologia di esecuzione del palo dove interviene ?
È EVIDENTE CHE, A PARTIRE DALLO STATO TENSIONALE EFFICACE GEOSTATICO ESISTENTE IN UN TERRENO GRANULARE ALLA GENERICA PROFONDITÀ PRIMA DELL’ESECUZIONE DEL PALO:
- UN PALO A SPOSTAMENTO DI TERRENO DETERMINA UN INCREMENTO DI STATO TENSIONALE EFFICACE E DI ADDENSAMENTO ALLA PUNTA DEL PALO (INCREMENTO DI Nq)
- UN PALO AD ASPORTAZIONE DI TERRENO DETERMINA UNA RIDUZIONE DI STATO TENSIONALE EFFICACE E DI ADDENSAMENTO ALLA PUNTA DEL PALO (RIDUZIONE DI Nq)
SULLA BASE DI DATI SPERIMENTALI DESUNTI DA PROVE DI CARICO SPINTE FINO A ROTTURA SU PALI REALI IN TERRENI GRANULARI REALI, KISHIDA (1967) HA SUGGERITO DI UTILIZZARE UN VALORE CORRETTO DELL’ANGOLO DI ATTRITO DETERMINATO DALLE INDAGINI:
- PER PALI A SPOSTAMENTO DI TERRENO
corretto = ( + 40°) / 2
- PER PALI AD ASPORTAZIONE DI TERRENO
corretto = - 3°
FORMULE STATICHE: valutazione della resistenza alla punta
Qlim
qs,lim
qb,lim
Beretzantsev
Esempio: L/d = 20; = 30°
22
13
58
Riduzione del 40% per PATIncremento del 260% per PST
NqPST/NqPAT = 4,5
È EVIDENTE CHE, A PARTIRE DALLO STATO TENSIONALE EFFICACE GEOSTATICO ESISTENTE IN UN TERRENO COESIVO ALLA GENERICA PROFONDITÀ PRIMA DELL’ESECUZIONE DEL PALO, A CAUSA DELLA RISPOSTA NON DRENATA DI TALI MATERIALI È IMPOSSIBILE CHE SI DETERMININO DEFORMAZIONI VOLUMETRICHE, QUINDI VARIAZIONI DIADDENSAMENTO SIA PER PALI PST SIA PAT
SECONDA CONSIDERAZIONE
A parità di ogni altra condizione, è lecito attendersi per i pali PST una resistenza alla base fino a 4 volte più grande di un identico palo PAT (L, d, materiale) immerso nello stesso terreno granulare.In terreni coesivi praticamente non c’è differenza.
PRIMA CONSIDERAZIONE
A parità di ogni altra condizione, è lecito attendersi per i pali PST una resistenza laterale da 2 a 4 volte più grande di un identico palo PAT (L, d, materiale) immerso nello stesso terreno granulare.In terreni coesivi le differenze sono molto più contenute (dell’ordine del 30-40%).
SISTEMI DI CLASSIFICAZIONE DEI PALI
1. Metodo di installazionetrivellato, trivellato a elica continua, battuto, infisso, avvitato
2. Spostamento prodotto nel terrenogrande, piccolo, assente
3. Materialecalcestruzzo, acciaio, legno, combinazioni
4. Costruzionein opera, prefabbricato, combinazioni
5. Supporto durante la costruzioneassente, temporaneo, permanente, fanghi bentonitici/polimerici, ecc.
6. Geometriapiccolo diametro, medio diametro, grande diametro, a base allargata, ecc.
Q
qs
qb
s’vo
s’vo
s’hs’hqs,lim
vovovohlim,s ''tgKtg'Ktg'q ssss
Esclusivamente legato alle proprietà all’interfaccia palo-cake
0 0.4 0.8 1.2
= slim/s'v
bentonite cake < 1 mm
polimeri no cake
bentonite cake 10 mm
Ata e O’Neill (1997)
Effetti sulla resistenza laterale
Pali trivellati in c.a. gettati in opera, terreni granulariD = 0.914 m L = 10 m
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
= slim/Cu
Beaumont clay - OCR = 410 - IP = 2555%D = 0.2730.914 m L = 724 m
trivellato - polimeri
trivellato - bentonite
trivellato – a secco
infisso in acciaio, a punta chiusa
O’Neill (1999)
Effetti sulla resistenza laterale
SISTEMI DI CLASSIFICAZIONE DEI PALI
1. Metodo di installazionetrivellato, trivellato a elica continua, battuto, infisso, avvitato
2. Spostamento prodotto nel terrenogrande, piccolo, assente
3. Materialecalcestruzzo, acciaio, legno, combinazioni
4. Costruzionein opera, prefabbricato, combinazioni
5. Supporto durante la costruzioneassente, temporaneo, permanente, fanghi bentonitici/polimerici, ecc.
6. Geometriapiccolo diametro, medio diametro, grande diametro, a base allargata, ecc.
0
20
40
60
80
100
1984 1985 1986 1987 1988 1989 1990 1991 1992
% o
f pile t
ype
non displ. piles
auger piles
displ. piles
0
20
40
60
80
100
2000 2001 2002 2003 2004
Trevisani, 1992 Mandolini, 2004
PALI TRIVELLATI A ELICA CONTINUA
FASE DI PENETRAZIONE
Velocità di penetrazione, vP
Velocità di rotazione, ωp
Analisi cinematica: allo scopo di non decomprimere il terreno circostante:
VP > VP,CR = P[1-(d0/dN)2]
= passo della vited0 = diametro esterno dell’asta cava
dN = diametro dell’elica
Mt
d0
d
PALI TRIVELLATI A ELICA CONTINUA
Viggiani (1989, 1993)
PALI TRIVELLATI A ELICA CONTINUA
Viggiani (1989, 1993)
FASE DI RECUPERO ELICA
Velocità di estrazione, vR
ωR = 0
In un tempo ΔT:
VC = QC x ΔTΔs = VR x ΔT
diametro medio su Δs:
d =VC/Δs = 1,13x(QC/VR)0,5
Mandolini (2002)
3300 pali (60% dN = 0,8 m; 40% dN = 0,6 m), L = 24 m
Ltotale 80 km, Vtotale 33.000 m3
Due plateerettangolari
Otto plateecircolari
Dueedifici
Strutture diminore importanza
1500CFA piles
1300CFA piles
200CFA piles
300CFA piles
Fondazioni di un grande impianto di depurazionePALI TRIVELLATI A ELICA CONTINUA
0
5
1 0
1 5
2 0
2 5
3 0
0 .0 0 .5 1 .0
CC [-]d
ep
th [
m]
0
5
1 0
1 5
2 0
2 5
3 0
1 0 2 0 3 0 4 0
0
5
1 0
1 5
2 0
2 5
3 0
0 1 0 2 0 3 0
qC [M Pa ]
riporto
terrenialluvionali
formazionedi base
Mandolini et al., 2002
GWL
STAGE 0 – Indagini geotecniche
PALI TRIVELLATI A ELICA CONTINUA
STAGE I – Controllo sistema di monitoraggio pali CFA
Furono installati e poi estratti10 pali di lunghezza ridotta alloscopo di misurare le realidimensioni (L, d)
PALI TRIVELLATI A ELICA CONTINUA
STAGE II – prove di carico su pali pilota strumentati
3 pali pilota (2 pali dN = 0,8 m e 1 palo dN = 0,6 m) furonoinstallati con parametri diversi e strumentati lungo il fusto, quinicaricati fino a 34 volte ilmassimo carico di esercizio QW
PALI TRIVELLATI A ELICA CONTINUA
0.0
1.0
2.0
3.0
4.0
5.0
0 20 40 60 80
settlement, w [mm]
load
[M
N]
0.0
1.0
2.0
3.0
4.0
5.0
0 20 40 60 80
settlement, w [mm]
load
[M
N]
total load
shaft load
base load
@1 - L = 24,0 m @3 - L = 24,1 m
QMAX = 4,08 MNSMAX = 2,81 MNPMAX = 1,55 MNwMAX = 75,6 mm
QMAX = 5,30 MNSMAX = 3,94 MNPMAX = 1,36 MNwMAX = 22,8 mm
Risultati delle prove di carico sui pali CFA dN = 0,8 m
PALI TRIVELLATI A ELICA CONTINUA
??
0 10
20
[ r .p .m .]
0 25
0
50
0
VP
[m /h ]
0 10
20
[ r .p .m .]
0 25
0
50
0
VP
[m /h ]
0
10
20
30
0 10
20
30
qc [M Pa]
de
pth
[m
]
0
10
20
30
0 10
20
30
qc [M Pa]
de
pth
[m
]
Pile @1
VP < VP,CRIT
lungo tutta la sup. laterale
“BORED” - ND PILES
Pile @3
VP VP,CRIT
su quasi tutta la sup. laterale
“DRIVEN” - D PILES
PALI TRIVELLATI A ELICA CONTINUA
0
10
20
30
0 50
10
0
15
0
QC
[m 3/h ]
de
pth
[m
]
50
15
0
25
0
35
0
VR [m /h ]
0.7
5
0.8
5
0.9
5
d [m ]
0
10
20
30
0 50
10
0
15
0
QC [m 3/h ]
de
pth
[m
]
50
15
0
25
0
35
0
VR [m /h ]
0.7
5
0.8
5
0.9
5
d [m ]
Pile @1dAV > dN
lungo tutta la sup. laterale
dS = 0,82 m; dB = 0,84 m
Pile @3dAV > dN
lungo tutta la sup. laterale
dS = 0,85 m; dB = 0,94 m
PALI TRIVELLATI A ELICA CONTINUA
pile n° 2
pile n° 1
pile n° 3
0
20
40
60
80
0 20 40 60 80
settlement, w [mm]
avg. shear
str
ess, s [kP
a]
_____ corrected
-------- uncorrected
pile n° 2
pile n° 1
pile n° 3
0,0
1,0
2,0
3,0
0 20 40 60 80
settlement, w [mm]base p
ressure
, p [M
Pa]
_____ corrected
-------- uncorrected
pile n° 2
pile n° 1
pile n° 3
0
20
40
60
80
0 20 40 60 80
settlement, w [mm]
avg. shear
str
ess, s [kP
a]
_____ corrected
-------- uncorrected
pile n° 2
pile n° 1
pile n° 3
0,0
1,0
2,0
3,0
0 20 40 60 80
settlement, w [mm]
base p
ressure
, p [M
Pa]
_____ corrected
-------- uncorrected
PALI TRIVELLATI A ELICA CONTINUA
sMAX = S qC,S
pMAX = B qC,B
0.02
0.03
0.04
0.0 1.0 2.0VP/VP,CR
S
0.15
0.20
0.25
0.0 1.0 2.0VP/VP,CR
B
S = 0,026 x (VP/VP,CR) + 0,004 B = 0,115 x (VP/VP,CR) + 0,153
Back-Analysis: Parametri di progetto
PALI TRIVELLATI A ELICA CONTINUA
CONCLUSIONI
È opinione largamente diffusa che nella progettazione dei pali debba tenersi debito conto dell’influenza esercitata dalla tecnologia di palo (ad es., PAT vs PST, con influenza fino a X1 volte sulla resistenza)
È opinione sicuramente meno diffusa che una volta scelta la tecnologia di palo (ad es. trivellato con fango bentonitico) la risposta sia fortemente influenzato da fattori generalmente ritenuti secondari (se non trascurati del tutto) dai progettisti (maggiore tempo di esposizione del fango minore resistenza del palo, fino a X2 volte)
È opinione ancor meno diffusa, per non dire inesistente, che sia importante considerare gli specifici parametri di installazione dei pali (ad es. VP < VP,crit minore resistenza del palo, fino a X3 volte)
tempo
XVIII d
.C.
XVI d
.C.
X d
.C.
IV a
.C.
VIII d
.C.
XXI d
.C.
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.C.
I TIPI DI PALO (fonte GEOFORUM della Swedish Geotechnical Society)
Alpha Pile, Atlas Pile, Bade System, Benoto System, Brechtl System, Button-bottom Pile, Casagrande System, Compressol Pile, Continuous Flight Auger (CFA) System, Daido SS Pile, Delta Pile, Drill-and-drive Pile, Franki Composite Pile, FrankiExcavated Pile, Franki Pile, Franki Pile with casing top driven, Franki VB Pfahl, Fundex Pile, Held-Franke System, Hochstrasser-Weise System, Hollow precast concrete pile with timber/steel core, Icos Veder System, Jointed Concrete Pile, Lacor Pile, Large diameter bored pile, Lind-Calweld Pile, Lorenz Pile, Mast System, Millgard Shell Pile, Mini pile, Monierbau Pile, Multiton Pile, MV-pile, Omega Pile, Pieux Choc, Precast Concrete Pile, Precast Reinforced Concrete Pile, Pressodrill, Prestcore, Prestressed Concrete Pile, Raymond Pile, Rolba Pile, Sheet Pile, Simplex System, Small diameter bored pile, Soilex System, Starsol Pile, Steel Box Pile, Steel pile, Steel Tube Pile, Steel-concrete (SC) Composite Pile, Steel-H Pile, SVB Pile, SVV Pile, Timber Pile, Tubex Pile, Westpile Shell Pile, Vibrex Cast-In-Situ Pile, Wolfholz System, X-pile, Zeissl System, ………….
Poulos et al., 2001 – SOA Report at ICSMGE Instanbul
It is very difficult to recommend any single approach as being the more appropriate for estimating axial bearing capacity of a single pile.
X1, X2, X3, ……………………………………………………………, Xn
Mandolini et al., 2005 – SOA Report at ICMSGE Tokyo
The most reasonable approach seems to be that of developing regional design methods combining the local experiences of both piling contractors and designers.The reliability of such methods depends on the quantity and quality of available evidence, particularly:
- detailed installation parameters- well-conducted and well-interpreted load tests
X1, X2, X3, ……………………………………………………………, Xn
P. Medawar (1960), premio Nobel per la Medicina:
“La verità non si trova in natura in attesa di manifestarsi, e non ci è dato sapere quali osservazioni saranno significative e quali no.Il compito quotidiano della scienza non è quello di andare alla ricerca di fatti, ma di valutare delle ipotesi. E’ l’ipotesi che guiderà lo scienziato verso determinate osservazioni e gli suggerirà particolari esperimenti.”
P. Medawar (1960), premio Nobel per la Medicina:
“La verità non si trova in natura in attesa di manifestarsi, e non ci è dato sapere quali osservazioni saranno significative e quali no.Il compito quotidiano della scienza non è quello di andare alla ricerca di fatti, ma di valutare delle ipotesi. E’ l’ipotesi che guiderà lo scienziato verso determinate osservazioni e gli suggerirà particolari esperimenti.”
………
“Se andiamo in campagna dicendo a noi stessi << Oggi voglio osservare la natura e fare esperimenti per scoprire nuove cose ed elaborare nuove teorie >>, probabilmente torneremo a casa senza aver trovato niente. Se invece ci diciamo << Oggi voglio verificare se i nidi degli uccelli hanno un orientamento spaziale in qualche modo collegato col campo magnetico terrestre >>, ecco che partendo con una certa ipotesi (o teoria) abbiamo più probabilità di scoprire qualcosa. O di smentire una precedente teoria.”
L’auspicio è e deve essere che Università e Industria accomunate dalla necessità di produrre Ricerca, Sviluppo e Innovazione, ognuna con la propria e rispettabile finalità ma al contempo con le proprie specificità.
Non ha senso procedere in maniera essenzialmente empirica (tipico dell’Industria nel nostro settore) come non ha senso procedere in maniera essenzialmente teorica (tipico dell’Università, forse un po’ meno nel nostro settore dove l’avere a che fare con l’oggetto terreno rende spesso evidente la necessità di indagare volta per volta)
In tutti quei casi in cui Universitàe Industria hanno virtuosamente
messo a sistema le proprie risorse, si è sempre prodotta una ottima ricerca, con conseguente
sviluppo di idee che hanno consentito l’introduzione sul
mercato di prodotti innovativi