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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.)

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Venezia (VIII d.C.)

VIII d

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Amsterdam (X d.C.)

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Anonimo (XVI d.C.)

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M. Heien (1712 – 1768)

XVIII d

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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 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.


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


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, =


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


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 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%).

Q

qs

qb

s’vo

s’vo

s’hs’hqs,lim


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

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


Viggiani (1989, 1993)


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


STAGE I – Controllo sistema di monitoraggio pali CFA

Furono installati e poi estratti10 pali di lunghezza ridotta alloscopo di misurare le realidimensioni (L, d)


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


d = 0,8 mL = 24 m

d = 0,6 mL = 22,5 m

d = 0,8 mL = 24,1 m

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


??

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


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


dS = 0,82 m; dB = 0,84 m

Pile @3dAV > dN


dS = 0,85 m; dB = 0,94 m


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


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


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



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


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

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XVI d

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X d

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IV a

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VIII d

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XXI d

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XX d

.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

RELAZIONE TRA ESECUZIONE DEI PALI E LORO COMPORTAMENTO

Alessandro Mandolini

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