Le soluzioni leggere con argilla espansa Leca (I parte)

In collaborazione con Laterlite vengono presentate le varie possibilità di utilizzo dell’argilla espansa Leca nell’ambito della geotecnica.L’argilla espansa Leca è un inerte poroso i cui grani sono caratterizzati da un peso specifico ridotto. La grande quantità di pori presente all’interno del materiale individua due tipi differenti di vuoti:

• intergranulari (fra granulo e granulo),
• intragranulari (dentro i granuli).

Mentre i primi sono interconnessi e vengono saturati facilmente quando il materiale è posto sotto falda, i pori intragranulari si riempiono d’acqua con molta più difficoltà ed alcuni di essi non si satureranno mai.

Le principali grandezze dell’argilla espansa

Pesi specifici*

• Definiamo:
  γ ass = peso specifico assoluto, il peso che avrebbe un metro cubo di Leca privato sia dei vuoti fra granulo e granulo (intergranulari) sia dei vuoti contenuti in ciascun granulo (intragranulari);
• γ app = peso specifico apparente (o peso specifico medio dei granuli); il peso che avrebbe un metro cubo di Leca privato solamente dei vuoti fra granulo e granulo (intergranulari);
• γ m = peso specifico in mucchio, il peso di un metro cubo di Leca non vibrato né compattato in alcun modo.

* Nota: si ricorda che il Peso Specifico (γ) espresso in Kgpeso/m³ è dato dal prodotto della Massa Volumica (ρ) espressa in Kgmassa/m³ per l’accelerazione di gravità (g). Poiché nella pratica si utilizzano indistintamente Kgpeso e Kgmassa, le due grandezze saranno in seguito considerate numericamente uguali.

Fuso granulometrico

Le tipologie commercialmente disponibili di argilla espansa Leca sono:

• 0-2;
• 2-3;
• 3-8;
• 8-12;
• 12-20 (richiedere scheda tecnica e fuso granulometrico).

La miscela appositamente preparata per applicazioni geotecniche (rilevati, consolidamenti e drenaggi) è la 0-30.

Imbibizione

Da una campagna di prove eseguite presso il laboratorio di meccanica dei terreni dell’ISMES (Seriate – BG) nel luglio ‘98 sono stati ricavati i parametri di imbibizione, di resistenza e di deformabilità da una miscela di partenza di Leca 0-30.

La prova di imbibizione (secondo UNI 7549) consiste nell’immergere in acqua un campione di Leca, essiccato e pesato, e tenerlo immerso per il periodo di tempo desiderato (30’, 24 h, 90gg); una volta sgocciolato si procede a pesarlo. La differenza fra le due pesate corrisponde al quantitativo di acqua assorbita.

Quando Leca viene immerso in acqua, i vuoti intergranulari si riempiono rapidamente mentre lentamente si saturano i vuoti intragranulari che spesso sono occlusi e non interconnessi. In tabella è riportato l’andamento nel tempo del coefficiente di imbibizione (rapporto del peso dell’acqua assorbita sul peso di Leca secco).

N.B. In fase di progetto è consigliabile utilizzare cautelativamente un coefficiente di imbibizione pari al 75 % del peso specifico in mucchio.

Prove triassiali

La prova Triassiale è realizzata caricando verticalmente sino alla rottura un campione cilindrico di argilla espansa sottoposto ad una pressione laterale di confinamento. Una serie di prove triassiali drenate con pressioni di confinamento pari a 20, 200 e 600 KPa ha permesso di definire che l’angolo di attrito interno dell’argilla espansa Leca, per le principali applicazioni geotecniche, può essere assunto pari a circa 40°.

Prove su piastra

Per determinare la rigidezza superficiale dello strato di argilla espansa e misto di cava (come illustrato in seguito ad esempio per i rilevati stradali) è disponibile l’andamento del modulo di deformazione Md in funzione della densità relativa.

Il valore asintotico che si consiglia di prescrivere per applicazioni che lo richiedono è ≥ 250 Kg/cm². Tale valore, più volte testato in opera, è ottenibile con i tradizionali sistemi e mezzi per l’addensamento dei terreni, piastre vibranti e rulli pesanti.

La frantumazione dei grani avviene per carichi concentrati decisamente molto elevati pari a circa 0,3 MPa (come certificato nelle prove edometriche), che né durante le fasi di addensamento, né in corso d’opera vengono mai raggiunti.

Requisiti di accettazione per il prodotto argilla espansa Leca

Possiamo quindi riassumere che i requisiti di accettazione per il prodotto argilla espansa Leca 0-30 ad uso geotecnico sono:

• Massa volumica secca in mucchio – UNI 7549/4 ≤ 450 Kg/m³
• Analisi granulometrica – UNI 7549/3 (vedi tabella 2)
• Coefficiente di imbibizione – UNI 7549/6 <75%
• Angolo di attrito ~40º
• Modulo di deformazione Md ≥250 Kg/cm²
• Resistenza allo schiacciamento dei granuli UNI 7549/7 >13 Kg/cm²

Per i pesi specifici della miscela Leca 0-30 ai fini del calcolo si consiglia di adottare, per le varie condizioni di esercizio, i seguenti valori cautelativi per miscela con peso specifico in mucchio a secco di 450 kg/m³:

• Peso miscela addensata secca 550 Kg/m³
• Peso miscela addensata sopra falda 650 Kg/m³
• Peso miscela addensata in zona allagabile 800 Kg/m³
• Peso miscela addensata costantemente immersa 1.100 Kg/m³

Come si deduce dai dati seppur indicativi riportati in tabella, il riempimento realizzato con Leca anche nel caso più gravoso, di energico addensamento e di saturazione in immersione, rimane sempre molto leggero.

Poco più 1000 Kg/m³ contro i circa 2000 Kg/m³ della soluzione con materiali tradizionali. Si risparmia dunque una tonnellata per metro cubo!

Rilevati leggeri

La progettazione di nuovi rilevati, o l’allargamento di rilevati esistenti, posti su terreni caratterizzati da scadenti proprietà meccaniche è generalmente assai problematica. Numerosi sono i casi di dissesto che interessano tali opere ed onerosi sono in genere gli interventi finalizzati a prevenirli.

L’utilizzo di Leca può permettere di evitare totalmente o in parte gli oneri di stabilizzazione del terreno di fondazione; sfruttando infatti la notevole riduzione del peso del rilevato è possibile realizzare molteplici interventi con la tecnica della compensazione del carico. Tale tecnica permette di costruire il rilevato senza aumentare (o aumentando assai poco) i carichi sul terreno, mantenendo così invariato lo strato di equilibrio tensionale originale.

Da ormai più di 30 anni Leca è utilizzato in tutto il mondo per la realizzazione di rilevati stradali su terreni gelivi o molli.

Vantaggi

I principali vantaggi di una soluzione a carico compensato sono:

• Al termine della messa in opera e dell’addensamento il rilevato leggero in Leca riduce notevolmente i cedimenti assoluti e differenziali.
• L’utilizzo di Leca incrementa sensibilmente il coefficiente di sicurezza valutato con riferimento allo stato limite ultimo del rilevato.
• La soluzione con carico compensato, per ragioni logistico-tecnologiche, spesso è l’unica realizzabile; non sono infatti, nella maggior parte dei casi, necessarie precariche.
• L’impiego di argilla espansa Leca rende in molti casi inutile il ricorso a tecniche di realizzazione assai più lunghe e costose.

Sono individuabili due categorie:

• rilevati alleggeriti senza compensazione,
• rilevati alleggeriti compensati.

Nel primo caso si sfrutta unicamente l’effetto benefico indotto dal minor peso specifico del materiale che si traduce in un minore carico distribuito sul terreno molle sottostante. Nel secondo caso si sostituisce parte del terreno a scarsa portanza di fondazione in modo da migliorarne le caratteristiche meccaniche e compensare in parte o completamente il sovraccarico dovuto al nuovo rilevato.

Per permettere l’addensamento di Leca è necessario interporre, all’interno del rilevato, strati di misto granulare di cava, sui quale procedere all’addensamento mediante rullatura, e strati di geosintetico quali elementi separatori così da evitare la commistione tra il misto granulare e il Leca stesso.

Lo strato di misto granulare sotto pavimentazione stradale non deve mai essere di spessore inferiore ai 300 mm, per gli evidenti problemi associati ai carichi ciclici/dinamici agenti in superficie (mezzi viaggianti).

Verifiche allo sprofondamento

Se si considera un rilevato non compensato realizzato su uno strato saturo di argilla cedevole, poco resistente, di spessore limitato e, a sua volta poggiante su un substrato resistente, due sono i più probabili meccanismi di rottura:

• stato limite ultimo per estrusione del terreno di fondazione;
• stato limite ultimo per rottura globale del sistema rilevato-fondazione.

Un’analisi semplificata condotta confrontando la soluzione alleggerita in Leca con un rilevato realizzato con un tradizionale inerte di cava ha messo in luce che:

• la rottura più probabile, in entrambi i casi, è associata alle condizioni non drenate e ad una rottura per estrusione del terreno di fondazione:
• in tutti i casi considerati, l’utilizzo di Leca permette di innalzare il coefficiente di sicurezza del 20% circa.

Rilevati su pendio

Le problematiche connesse all’alleggerimento dei corpi stradali diventano ancora più determinanti nelle applicazioni su pendii a rischio di frana. Il ripristino o la nuova realizzazione di sedi stradali in terreni soggetti ad attivo o potenziale scorrimento prevedono spesso, oltre al contributo di strutture di rinforzo (come ad esempio muri su pali), che il rilevato sia realizzato con argilla espansa Leca.

La caratteristica di leggerezza, unita alla funzionalità statica (verifica di stabilità interna), consente di sgravare il pendio dei carichi e quindi di evitare l’innescarsi o il riattivarsi di movimenti gravitativi. L’analisi del problema dell’interazione pendio-rilevato e’ molto complessa perché si articola nello studio della stabilità e della durabilità dell’opera.

Ovviamente, trattandosi di un intervento di alleggerimento, va correttamente valutata l’opportunità di utilizzare materiali leggeri in funzione della dislocazione dell’opera sul profilo geometrico del pendio. In pratica andranno sconsigliati interventi di questo tipo in prossimità del piede della scarpata.

Modalità di esecuzione

Le modalità costruttive di un rilevato leggero su pendio sono le stesse citate nel paragrafo MODALITA’ DI ESECUZIONE E POSA IN OPERA per i rilevati su terreni a scarsa portanza.

Si procederà dunque per strati alternati di Leca e misto stabilizzato sul quale procedere alla rullatura. Il geotessile anticontaminante interposto potrà essere abbinato alle geogriglie di rinforzo (a seconda delle sezioni di progetto) nel caso sia prevista una soluzione del tipo a terra rinforzata. Negli altri casi il geotessile non tessuto, senza più compito strutturale, andrà posato per evitare il percolamento delle parti fini nel Leca sottostante.

Particolarmente interessante, specie per gli allargamenti in cresta, risulta l’intervento in terra rinforzata con geogriglie che, oltre a garantire la stabilità dell’opera, consentono il totale ricoprimento a verde e quindi la perfetta integrazione nel paesaggio esistente.

Fondazioni compensate

In caso di terreni poco portanti che svilupperebbero cedimenti differenziali inaccettabili in presenza di fondazioni tradizionali, è possibile realizzare fondazioni compensate con Leca.

Il principio della compensazione dei carichi consiste nel sostituire una massa di terreno naturale con una massa equivalente di Leca, in modo che il peso della nuova costruzione più il peso del riempimento in Leca non siano superiori al peso del terreno rimosso.

Se i parametri di progetto lo consentono tale soluzione può affiancare e in alcuni casi sostituire una fondazione su pali.

Modalità di esecuzione

Le modalità realizzative sono le medesime dei rilevati alleggeriti. Una volta individuata la profondità di compensazione di progetto, sul fondo scavo si stende un geotessile non tessuto (vivamente consigliato in presenza di falda). Si esegue poi un’alternanza di strati di Leca e misto di cava sul quale procedere alla compattazione (vedi paragrafo MODALITA’ DI ESECUZIONE E POSA IN OPERA).

Un geotessile non tessuto va interposto allo scopo di non commistione per percolamento dei fini nel Leca sottostante. Lo spessore massimo degli strati di Leca è di 60 cm al fine di garantire un uniforme addensamento nelle fasi di rullatura. Spessori superiori (fino ad un massimo di 2 metri) sono realizzabili prevedendo ogni 40 cm una serie di passate di costipazione con piastra vibrante.

Gli strati di misto intermedi vanno previsti di almeno 15 cm mentre lo strato finale sarà più spesso (come previsto da progetto).

Preparazione del piano di posa

Dopo aver completato lo sbancamento, si dovrà stendere sul fondo dello scavo un geotessuto con funzione di separatore anticontaminante tra il terreno naturale e il materiale di riempimento.

Il piano di posa dovrà risultare regolare, con il geotessuto ben steso ed aderente al piano di imposta, e con teli di geotessuto integri e regolarmente sovrapposti. Si procederà quindi alla formazione dei riporti.

Modalità di posa in opera

In generale l’argilla espansa Leca è posta in più strati, con interposizione di uno strato di misto granulare il cui spessore dopo compattazione, dovrà risultare non inferiore a 200 mm. Lo spessore degli strati di Leca varia in relazione al tipo di sezione (60 – 80 cm circa). Se per esigenze particolari si è impossibilitati a realizzare strati di

Leca con altezze inferiori ad 80 cm, è possibile aumentare gli spessori operando come segue. Ogni 50 cm massimo, si procederà ad addensamenti con piastra vibrante fino ad uno spessore massimo di 2 metri. Tale lavorazione intermedia sarà completata da un addensamento mediante rullo statico e dinamico.

La posa del primo strato di Leca dovrà avvenire spingendo il materiale in avanzamento con un mezzo cingolato o gommato. I mezzi di trasporto dovranno scaricare Leca in sito o in aree adiacenti appositamente predisposte.

La stesa (o il risvolto) del geotessile non tessuto, specie nelle carreggiate ad ampia larghezza, può essere limitata alle sole fasce laterali. La zona centrale della carreggiata, essendo protetta dal manto bituminoso, non soffre infatti la commistione per percolamento, del misto dagli strati superiori nel Leca sottostante.

Lo strato intermedio di misto granulare verrà steso con modalità analoghe a quelle sopra scritte per Leca scaricandolo dai mezzi di trasporto in sito o in aree adiacenti e spingendolo poi con mezzi idonei per formare lo strato dello spessore prescritto.

L’addensamento dovrà avvenire agendo sugli strati di misto granulare, utilizzando rulli a tamburo liscio, vibranti e non, con caratteristiche di peso e frequenza da definire in funzione dell’altezza dello strato.

Si tenga in considerazione che il corretto addensamento di Leca corrisponde indicativamente ad un calo volumetrico pari a circa il 17% (contro il 25% del misto di cava tradizionale).

Muri di sostegno

Quando si realizza un muro di sostegno a gravità per stabilizzare uno scavo, un pendio artificiale o naturale, si procede necessariamente alla rimozione di una parte del terreno di monte. In alcuni casi può risultare conveniente sostituire tale terreno non con un tradizionale inerte di cava ma con Leca, per garantire alla soluzione leggerezza, ingombro limitato e ridurre le deformazioni.

Si ricorda che è comunque necessario utilizzare per il reinterro a monte di un muro di sostegno un materiale di natura granulare. Eventuali terreni con scarse proprietà drenanti causerebbero problemi di ritenzione d’acqua e conseguente accumulo delle pressioni.

Particolarmente interessante risulta utilizzare Leca per il reinterro dietro muri di sostegno che siano ammalorati, danneggiati o mal progettati. In tutti questi casi intervenire con un materiale leggero drenante e di facile messa in opera può evitare di sostituire l’opera mantenendo comunque alti i coefficienti di sicurezza. Anche nei casi di opere di sostegno che devono essere adeguate alla situazione geomorfologica contingente mediante innalzamento di quota, può risultare utile pompare in opera argilla espansa senza eccessivi dispendi di mano d’opera.

Vantaggi

Utilizzare Leca significa:

• ridurre il peso proprio del reinterro;
• ridurre la spinta che il terreno di monte esercita sul muro;
• ridurre le dimensioni del muro che funge da struttura stabilizzante;
• garantire un dreno continuo (30 % circa di vuoti).

Paratie

Le paratie sono strutture prefabbricate o gettate in opera che vengono utilizzate per sostenere scavi artificiali di natura provvisoria e/o definitiva impedendo il rifluimento del terreno all’interno dello scavo.

In alcuni casi particolari, come nella realizzazione di strutture e infrastrutture portuali e isole artificiali, il terreno che trasmette la spinta instabilizzante sulla struttura di sostegno viene depositato artificialmente.

In questi casi l’impiego di Leca permette di utilizzare paratie a mensola caratterizzate da una ridotta profondità di infissione (D) nonostante l’elevata altezza della parata stessa (H) e quindi un rapporto H/D più elevato (vedi figura).

Vantaggi

La progettazione di una paratia si basa sul calcolo delle spinte che tendono a farla ruotare intorno ad un ipotetico punto di istantanea rotazione. Riducendo quindi la spinta instabilizzante (spinta attiva) è possibile, a parità di tutte le altre grandezze, diminuire la profondità di infissione (e quindi la porzione di terreno che realizza la contro spinta – spinta passiva) consentendo così al progettista di prevedere paratie di lunghezza inferiore.

Per quanto riguarda le paratie tirantate l’utilizzo di Leca può permettere, in alcuni casi, di evitare questo tipo di soluzione risparmiando quindi la spesso complessa e onerosa realizzazione dei bulbi interrati di ancoraggio.

Rampe di allineamento ad opere d’arte

Nella realizzazione di rampe di accesso a viadotti, svincoli stradali o allineamenti di rilevati ad “opere d’arte”, uno degli inconvenienti che più di frequente si verificano, è la formazione di dislivelli fra le quote dei “manufatti rigidi” (generalmente realizzati in calcestruzzo) e quelle dei riempimenti eseguiti di norma con materiale arido proveniente da cave.

Uno dei fenomeni, spesso causa di tale inconveniente, è l’assestamento progressivo dovuto ai carichi ciclici dei materiali incoerenti costituenti il rilevato, accentuato dalla percolazione delle acque meteoriche e il conseguente variare dell’umidità della massa.

Gli inerti di cava solitamente utilizzati, hanno addensamenti variabili (24-28 %) secondo granulometria, forma, umidità di messa in opera e carichi ai quali vengono sottoposti all’atto del
costipamento.

Vantaggi

Leca ha addensamenti variabili a seconda del fuso granulometrico e del peso specifico previsti in progetto, senza raggiungere mai i valori di un misto di cava tradizionale (-20% circa). L’addensamento, anche se eseguito con i normali mezzi di cantiere, dà alla miscela in Leca una rigidità elevata, riducendo, grazie al basso peso specifico, gli inconvenienti dovuti ad eventuali assestamenti del terreno originale costituente il fondo.

Per evitare difetti di addensamento soprattutto in prossimità della spalla è necessario che le operazioni di compattazione vengano effettuate con macchine più maneggevoli come ad esempio piastre vibranti tipo 40×70 cm (peso ≥ 70 Kg) e su spessori dello strato di Leca mai superiori a 50 cm. Nei casi in cui esiste il rischio di scarso addensamento anche con attrezzatura leggera è consigliabile miscelare l’argilla espansa con cemento al fine di ottenere un impasto con elevate caratteristiche di rigidezza, minimizzando così il rischio di cedimenti.

Caduta massi

I rischi derivanti dalla caduta di massi da pareti in roccia potenzialmente instabili possono essere ridotti con interventi attivi (azioni finalizzate ad impedire il distacco) o passivi (strutture che rallentano o deviano il moto del grave).

Nell’ambito della progettazione di opere di protezione passiva l’impiego di inerti grossolani utilizzati allo scopo di rallentare o arrestare il moto dei massi in caduta è molto diffuso. Tali materiali funzionano infatti come smorzatori, assorbendo parte dell’energia cinetica del masso durante il suo moto.

Vantaggi

Grazie al basso peso specifico dei grani, Leca risulta essere molto deformabile; in esso quindi il grave tende ad affondare e fatica a riemergere.

Ciò risulta evidente se si considera che la quantità di energia cinetica dissipata nell’urto è inversamente proporzionale alla capacità portante del substrato e che la capacità portante di un materiale è funzione diretta del suo peso specifico.

Quindi, a parità di condizioni, Leca è in grado di dissipare più energia di un materiale pesante quale, ad esempio, la ghiaia. Tale caratteristica consente di realizzare strutture in cemento armato, riempite con Leca sfuso, che proteggano sedi stradali, barriere paramassi o gallerie.

Nei calcoli delle strutture in calcestruzzo possono essere valutate sia azioni dinamiche di impatto inferiori (per quanto detto sopra), sia minori carichi permanenti (grazie al basso peso specifico di Leca).

Un’altra applicazione assai diffusa è la realizzazione di valli in depressione e/o in rilievo riempiti con Leca (Figura B). Tali strutture fungono da dissipatori e da bacini di raccolta impedendo che il moto del masso prosegua verso valle.

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