Geotecnica e Fondazioni — Capitolo 6 NTC

Il Capitolo 6 delle NTC 2018 stabilisce che la progettazione geotecnica deve essere basata su una caratterizzazione geotecnica del volume significativo di terreno interessato dall'opera, ottenuta mediante indagini specifiche e adeguate alla complessità del progetto. Le NTC 2018 richiedono tre livelli di approfondimento crescenti: per le costruzioni semplici su terreni noti è sufficiente un'indagine sommaria, per le costruzioni ordinarie sono necessarie indagini dirette (sondaggi) e/o indirette (prove geofisiche), mentre per le opere complesse o su terreni problematici sono richieste indagini approfondite con prove di laboratorio e in situ.

Le indagini in situ più comuni comprendono sondaggi a carotaggio continuo con prelievo di campioni indisturbati, prove penetrometriche statiche (CPT/CPTU) e dinamiche (SPT), prove pressiometriche e dilatometriche (DMT), prove di carico su piastra e indagini geofisiche. La prova SPT (Standard Penetration Test) fornisce il numero di colpi NSPT necessari per l'infissione di 30 cm del campionatore standard e consente di stimare la densità relativa dei terreni granulari e la consistenza dei terreni coesivi. La prova CPT (Cone Penetration Test) misura la resistenza alla punta qc e l'attrito laterale fs e fornisce un profilo continuo delle proprietà meccaniche del terreno.

La determinazione della velocità delle onde di taglio VS,30 è obbligatoria per la classificazione del sottosuolo ai fini sismici (paragrafo 3.2.2 delle NTC 2018). Le prove geofisiche più utilizzate a questo scopo sono la prova Down-Hole (eseguita in foro di sondaggio), la prova Cross-Hole (tra due o più fori) e le prove di superficie MASW (Multichannel Analysis of Surface Waves) e SASW. La VS,30 è la velocità equivalente delle onde di taglio nei primi 30 m di profondità, calcolata come VS,30 = 30 / somma(hi/VS,i), dove hi e VS,i sono rispettivamente lo spessore e la velocità di ciascuno strato.

Le prove di laboratorio completano la caratterizzazione geotecnica con la determinazione dei parametri meccanici e fisici del terreno. Le prove più importanti sono la prova di compressione triassiale (drenata CD e non drenata CU con misura delle pressioni neutre), la prova edometrica per la determinazione dei parametri di consolidazione e la prova di taglio diretto. I parametri geotecnici caratteristici si ottengono dall'interpretazione statistica dei risultati delle prove, tenendo conto della variabilità del terreno e del volume significativo interessato. Le NTC 2018 richiedono che i valori caratteristici siano determinati come valori cautelativi delle proprietà medie del terreno.

Le fondazioni superficiali (plinti, travi di fondazione, platee) sono trattate nel paragrafo 6.4 delle NTC 2018 e devono essere verificate sia allo stato limite ultimo (SLU) per capacità portante, scorrimento e ribaltamento, sia allo stato limite di esercizio (SLE) per cedimenti e distorsioni. La verifica della capacità portante allo SLU richiede che la pressione di contatto di progetto qEd sia inferiore alla resistenza di progetto qRd del terreno di fondazione: qEd <= qRd = qlim / gamma-R, dove qlim è il carico limite del terreno e gamma-R il coefficiente parziale per la resistenza del terreno.

Il carico limite qlim di una fondazione superficiale si calcola con la formula di Brinch-Hansen: qlim = c x Nc x sc x dc x ic x bc x gc + q x Nq x sq x dq x iq x bq x gq + 0,5 x gamma x B' x N-gamma x s-gamma x d-gamma x i-gamma x b-gamma x g-gamma, dove Nc, Nq, N-gamma sono i fattori di capacità portante (funzione dell'angolo di attrito phi), sc, sq, s-gamma i fattori di forma, dc, dq, d-gamma i fattori di profondità, ic, iq, i-gamma i fattori di inclinazione del carico, bc, bq, b-gamma i fattori di inclinazione del piano di posa e gc, gq, g-gamma i fattori di inclinazione del piano campagna. B' è la larghezza efficace della fondazione, ridotta per tenere conto dell'eccentricità del carico.

Le NTC 2018 prevedono due approcci progettuali per le verifiche geotecniche allo SLU: l'Approccio 1, che richiede la verifica con due combinazioni di coefficienti parziali (Combinazione 1: A1+M1+R1 con coefficienti prevalenti sulle azioni, e Combinazione 2: A2+M2+R2 con coefficienti prevalenti sui parametri del terreno), e l'Approccio 2, che prevede una sola combinazione A1+M1+R3 con coefficienti prevalenti sulla resistenza globale. Per le fondazioni superficiali, i coefficienti gamma-R per la capacità portante sono: gamma-R1 = 1,0 (Approccio 1, Combinazione 1), gamma-R2 = 1,0 (Approccio 1, Combinazione 2, dove la riduzione agisce sui parametri) e gamma-R3 = 2,3 (Approccio 2).

La verifica dei cedimenti allo SLE è spesso il criterio dimensionante per le fondazioni superficiali, soprattutto su terreni coesivi compressibili. Le NTC 2018 richiedono che i cedimenti assoluti e differenziali siano compatibili con la funzionalità della struttura e degli impianti. Per edifici ordinari, il cedimento differenziale ammissibile è generalmente limitato a L/500 - L/300 (dove L è la distanza tra due punti di fondazione), corrispondente a una distorsione angolare che non provoca danni agli elementi non strutturali. Il calcolo dei cedimenti si effettua con i metodi classici: metodo edometrico per terreni coesivi normalconsolidati e metodo elastico per terreni granulari.

Le platee di fondazione sono la soluzione più diffusa per edifici su terreni di modesta portanza o in zona sismica, poiché distribuiscono i carichi su un'ampia superficie e limitano i cedimenti differenziali. Le NTC 2018 richiedono la modellazione dell'interazione terreno-struttura mediante il modello di Winkler (molle indipendenti con costante kw) o, preferibilmente, mediante modelli più raffinati come il continuo elastico alla Boussinesq. La costante di Winkler non è una proprietà intrinseca del terreno ma dipende dalla dimensione e dalla forma della fondazione, dalla rigidezza della piastra e dalla distribuzione dei carichi.

Le fondazioni su pali sono trattate nel paragrafo 6.4.3 delle NTC 2018 e si utilizzano quando il terreno superficiale non ha capacità portante sufficiente per fondazioni dirette o quando i cedimenti risulterebbero eccessivi. I pali possono essere classificati in base alla modalità di esecuzione in pali infissi (battuti o pressati), pali trivellati (con asportazione del terreno) e micropali (diametro inferiore a 300 mm). La resistenza di un palo è data dalla somma della resistenza di base Rb (per attrito sulla superficie laterale) e della resistenza laterale Rs, con diversi gradi di mobilitazione.

La resistenza caratteristica di un singolo palo si determina con tre approcci: diretto dalle prove di carico su pali di prova, indiretto da correlazioni empiriche con i risultati delle prove in situ (SPT, CPT) e da metodi analitici basati sui parametri geotecnici del terreno. Le NTC 2018 richiedono che, quando si utilizzano correlazioni empiriche, si applichino i fattori di correlazione xi-3 e xi-4 (Tabella 6.4.IV) al valore medio e al valore minimo dei risultati delle indagini, adottando il valore più sfavorevole. Per prove di carico su pali, si applicano i fattori xi-1 e xi-2 (Tabella 6.4.II).

La verifica allo SLU delle fondazioni su pali richiede che la resistenza di calcolo Rd sia maggiore o uguale all'azione di calcolo Ed. La resistenza di calcolo si ottiene come Rd = Rk / gamma-R, dove Rk è la resistenza caratteristica e gamma-R è il coefficiente parziale per la resistenza del palo. Per l'Approccio 2 (il più utilizzato per le fondazioni su pali), i coefficienti gamma-R sono: gamma-base = 1,15 (pali infissi) o 1,35 (pali trivellati) per la resistenza di base, gamma-laterale = 1,15 (infissi) o 1,15 (trivellati) per la resistenza laterale e gamma-totale = 1,15 (infissi) o 1,30 (trivellati) per la resistenza totale.

Le NTC 2018 richiedono prove di carico su pali in determinati casi: per opere di Classe III e IV, per pali di grande diametro (superiore a 800 mm) con carichi di esercizio superiori a 5.000 kN e quando si utilizzano tipologie di pali non consolidate dalla pratica locale. Le prove di carico possono essere assiali (a compressione o a trazione) o trasversali. La prova di carico assiale a compressione viene condotta a gradini di carico fino al raggiungimento del carico di prova, che deve essere almeno 1,5 volte il carico di esercizio. Le prove di integrità (PIT, cross-hole sonico) sono raccomandate per verificare la continuità strutturale dei pali trivellati.

Le opere di sostegno dei terreni sono disciplinate dal paragrafo 6.5 delle NTC 2018 e comprendono i muri di sostegno a gravità, i muri in cemento armato a mensola, le paratie di pali o diaframmi, i muri in terra rinforzata e le opere di sostegno flessibili (palancole). Le verifiche allo SLU includono: ribaltamento, scorrimento sul piano di posa, capacità portante del terreno di fondazione, stabilità del complesso opera-terreno e resistenza strutturale dell'opera. Per le paratie, si aggiungono le verifiche di stabilità del fondo scavo (siphoning e heave) e di sfilamento degli ancoraggi.

La determinazione delle spinte del terreno sulle opere di sostegno si basa sulle teorie classiche di Rankine e Coulomb, integrate dalle formulazioni più accurate di Muller-Breslau per pareti inclinate e per terreni con superficie inclinata. Le NTC 2018 richiedono la considerazione della spinta attiva (condizione di minima spinta, corrispondente a uno spostamento dell'opera verso l'esterno dello scavo), della spinta a riposo (condizione di equilibrio senza spostamenti) e della spinta passiva (condizione di massima resistenza, corrispondente a uno spostamento dell'opera verso il terreno). I coefficienti di spinta attiva Ka e passiva Kp dipendono dall'angolo di attrito del terreno, dall'angolo di attrito terreno-muro e dall'inclinazione delle superfici.

In zona sismica, le spinte del terreno sulle opere di sostegno devono essere incrementate per tenere conto dell'azione sismica, secondo il metodo di Mononobe-Okabe. Questo metodo introduce coefficienti sismici orizzontale kh e verticale kv che modificano i coefficienti di spinta attiva e passiva. Le NTC 2018 definiscono kh = beta-m x amax/g, dove beta-m è un coefficiente di riduzione (da 1,0 a 0,31 in funzione della categoria di sottosuolo e del tipo di opera) e amax è l'accelerazione massima al suolo per il sito. Il coefficiente kv si assume pari a +/- 0,5 x kh.

La stabilità dei pendii è trattata nel paragrafo 6.3.4 delle NTC 2018 e richiede la verifica che il fattore di sicurezza globale (rapporto tra resistenza e azione lungo la superficie di scorrimento critica) sia adeguato. Per le verifiche allo SLU, il fattore di sicurezza si ottiene applicando i coefficienti parziali alle azioni e ai parametri del terreno secondo l'Approccio 1, Combinazione 2 (A2+M2+R2). I metodi di analisi più utilizzati sono il metodo di Bishop semplificato (superfici circolari), il metodo di Janbu generalizzato (superfici qualsiasi) e il metodo di Morgenstern-Price. In zona sismica, l'analisi pseudo-statica richiede l'applicazione di forze inerziali proporzionali ai coefficienti sismici kh e kv.

Le NTC 2018 richiedono particolare attenzione alla stabilità dei pendii in zona sismica e alle condizioni di liquefazione dei terreni sabbiosi saturi sotto azione sismica. La verifica alla liquefazione è obbligatoria per terreni granulari sciolti saturi con falda a profondità inferiore a 15 m dal piano campagna e con accelerazione massima al suolo amax superiore a 0,1g. I metodi di verifica più utilizzati sono quello di Seed e Idriss (basato sui risultati SPT) e quello di Robertson (basato sui risultati CPT), che confrontano la sollecitazione sismica ciclica (CSR) con la resistenza ciclica del terreno (CRR).