Giovanni Vannucchi
2. Attrito negativo sui pali di d i fondazione Come abbiamo già visto nel corso di Geotecnica, le tensioni tangenziali mutue sulla superficie laterale di un palo di fondazione dipendono dallo spostamento relativo dei due mezzi a contatto. Di norma lo spostamento relativo del palo rispetto al terreno in cui è immerso è di abbassamento, per traslazione rigida e per deformazione di compressione elastica. Di conseguenza le tensioni mutue sul palo, che tendono a opporsi a tale movimento, sono dirette verso l’alto. La risultante di tali tensioni per l’intera superficie laterale del palo rappresenta la forza resistente per aderenza e/o attrito Qs. Talvolta può accadere che lo spostamento relativo del palo rispetto al terreno in cui è immerso sia di segno opposto, e che quindi le tensioni mutue sul palo siano dirette verso il basso, producendo un incremento dello sforzo normale nel palo. Tale fenomeno è detto “attrito negativo” e si verifica in presenza di terreni coesivi molli e molto compressibili in fase di consolidazione (Figura 2.1).
Figura 2.1 – Meccanismo di attrito negativo (da Picarelli e Sapio, 1976)
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Giovanni Vannucchi Sebbene l’attrito negativo sia sempre dovuto alla consolidazione di uno strato di terreno coesivo molle e molto compressibile, le tensioni tangenziali negative sono trasmesse anche dagli strati so prastanti, trascinati in basso dal cedimento dello strato che consolida. Il fenomeno assume particolare rilevanza nel caso in cui il palo si attesti in uno strato molto rigido, ed abbia quindi moto di traslazione rigida trascurabile e solo piccoli cedimenti di compressione (Figura 2.2). In genere però da una certa profondità in poi si ha un’inversione dello spostamento relativo e quindi delle tensioni tangenziali mutue d’interfaccia, per cui lo sforzo normale nel palo inizia a decrescere. Il punto di inversione delle tensioni e di massimo dello sforzo normale è detto “punto neutro”(Figura 2.1). La profondità del punto neutro dipende dalla successione stratigrafica, in particolare dalla profondità e dallo spessore dello strato compressibile e dalla rigidezza del terreno in cui si attesta la punta del palo. Inoltre la profondità del punto neutro varia e si accresce nel tempo, con il procedere della consolidazione. Le cause che possono indurre la consolidazione dello strato coesivo molle, e quindi innescare il fenomeno di attrito negativo nei pali di fondazione, possono essere: -
l’applicazione di un sovraccarico in superficie, quale ad esempio il peso della rampa di accesso alla spalla di un ponte oppure il peso di materiali depositati in prossimità di un capannone industriale,
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l’abbassamento del livello di falda per cause naturali o antropiche,
la dissipazione della sovra-pressione interstiziale generata dall’infissione di pali a percussione, -
le vibrazioni in genere.
L’attrito negativo può determinare una forte riduzione della Figura 2.2 – Attrito negativo per capacità portante utile del palo, e quindi del coefficiente di uno strato di sabbia sovrastante lo sicurezza rispetto alla rottura, sia a causa del carico aggiunstrato che consolida tivo trasmesso dal terreno che si aggrappa al palo, sia per la riduzione della superficie laterale resistente, sia anche per la riduzione delle pressioni litostatiche alla base del palo che determina una riduzione anche della ca pacità portante di punta. Con riferimento agli schemi di Figura 2.3, a parità di cedimento dello strato di argilla NC e di carico applicato in testa, il cedimento del palo è minimo nel caso C. Quindi il cedimento relativo terreno palo (e di conseguenza l’attrito negativo) è massimo nella situazione C. Pertanto a un maggiore attrito negativo corrisponde un minore cedimento del palo; viceversa la situazione A con minore attrito negativo è quella con maggiore cedimento del palo (più problematica la verifica SLE) A causa dell’attrito negativo possono verificarsi cedimenti rilevanti dell’intera palificata con conseguenti danneggiamenti alle strutture in elevazione. La stima quantitativa delle tensioni di interfaccia di attrito negativo è di norma eseguita con un metodo semi-empirico analogo al metodo β per la stima della capacità portante di attrito laterale in termini di tensioni efficaci. Si assume che il punto neutro coincida con il limite inferiore dello strato più compressibile, e si stima la tensione tangenziale media di attrito negativo per lo strato i-esimo sovrastante il punto neutro con l’equazione (Figura 2.4):
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Figura 2.3 – Possibili casi di attrito negativo
(2.1) in cui: è la tensione verticale efficace media dello strato i-esimo, compreso l’eventuale incremento dovuto al sovraccarico esterno, β i è un coefficiente empirico per il quale Broms (1976) consiglia i seguenti valori: β = 0.40 β = 0.35 β = 0.30 β = 0.20
riporti di ghiaia sabbie e ghiaie limi e argille normalmente consolidate di media e bassa plasticità (IP < 50%) argille normalmente consolidate di elevata plasticità (IP > 50%)
Figura 2.4 – Tensioni di interfaccia e schema di calcolo dell’attrito negativo
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Giovanni Vannucchi Dopo avere stimato la profondità del punto neutro e i valori delle tensioni tangenziali per tutti gli strati sovrastanti, la forza risultante di attrito negativo si ottiene per sommatoria Il metodo sopra descritto è basato su ipotesi cautelative. Infatti alcune sperimentazioni su pali battuti in acciaio e su pali trivellati in calcestruzzo, in argilla, hanno individuato il punto neutro ad una profondità dal piano campagna prossima al 75% dello spessore dello strato compressibile. Per quanto riguarda il coefficiente empirico β, dati sperimentali indicano, nel caso sia di attrito positivo sia di attrito negativo, valori di β decrescenti all’aumentare della lunghezza del palo (Meyerhof, 1976) probabilmente per fenomeni di rottura progressiva lungo il palo con conseguente riduzione delle tensioni tangenziali dal valore di picco a quello residuo. Inoltre, valori di β mediamente inferiori per attrito negativo che per attrito positivo, possono trovare giustificazione con la riduzione delle tensioni efficaci nel terreno all’interfaccia con il palo dovuta al fenomeno stesso (Brinch Hansen, 1968). Infine l’eq. (2.1) sottintende che si siano verificati spostamenti relativi palo-terreno tali da mobilitare per intero la resistenza di attrito laterale.
Nel caso di un gruppo di pali collegati in sommità da una struttura rigida la forza risultante d’attrito negativo può essere calcolata con riferimento alla superficie laterale del blocco e ripartita equamente fra i pali del gruppo. Le Nuove Norme Tecniche per le Costruzioni (D.M. Infrastrutture 14.01.2008) prescrivono che l’effetto dell’attrito negativo debba essere incluso fra le azioni permanenti e valutato con il valore γ M = 1 dei coefficienti parziali per i parametri geotecnici del terreno. Le NTC-08 non precisano in quale stato limite debba essere incluso l’attrito negativo. La capacità portante del palo non è influenzata dall’attrito negativo, poiché a rottura il cedimento del palo supera quello del terreno, pertanto l’attrito negativo -
non deve essere considerato nella verifica geotecnica allo stato limite ultimo (SLU GEO),
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deve essere considerato nella verifica strutturale a compressione eo pressoflessione allo stato limite ultimo (SLU STRU),
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deve essere considerato nella verifica geotecnica allo stato limite d’esercizio (SLE GEO), ovvero nel calcolo dei cedimenti della palificata.
RIFERIMENTI BIBLIOGRAFICI Brinch Hansen J. (1968) – A theory for skin friction on piles. The Danish Geotechnical Institute, Bulletin No 25, pp- 5-12 Broms B.B. (1976) – Piles foundations – Pile groups. Gen. Rep. to VI ECSMFE, Vienna, v. 2.1, pp. 103-132 Meyerhof G.G. (1976) – Bearing capacity and settlement of pile foundations. Journ. of the Geotechn. Eng. Div., ASCE, GT3, pp. 196-228 Picarelli L. e Sapio G. (1979) – L’attrito negativo su di un palo trivellato in terreni prevalentemente organici. Rivista Italiana di Geotecnica, No 2/79, pp. 137-154
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