Uso del Light Weight Deflectomer per la valutazione delle caratteristiche prestazionali di sottofondi e fondazioni

Da anni a livello mondiale è cambiato l’approccio alla progettazione delle pavimentazioni stradali: guidati dalla ricerca di sostenibilità, la progettazione non è più basata su norme di carattere prescrittivo, che vincolano rigidamente ogni fase di realizzazione, ma su un approccio più pragmatico, che si basa sul raggiungimento di determinate prestazioni, prescindendo dalla natura e dal confezionamento dei materiali. In particolare, il nuovo approccio progettuale (introdotto a livello normativo dalla IAN73/06), basato come già accennato sulla prestazione espressa in sito dal materiale, e non più su una ricetta da seguire pedissequamente, ha contribuito alla diffusione sempre più ampia del Light Weight Deflectometer come strumento di calcolo della rigidezza degli strati e del grado di compattazione, che sono assunti a livello internazionale come parametri fondamentali nella valutazione finale della performance di una costruzione stradale. Il Light Weight Deflectometer è uno strumento portatile, leggero, che è stato sviluppato per misurare la capacità portante di strati non legati della pavimentazione stradale, come sottofondi e fondazioni, ma è utilizzato anche in strati legati come basi e misti cementati. Il LWD consiste in un dispositivo di carico formato da un maglio battente montato su di una guida con degli smorzatori all’estremità inferiore e un chiavistello all’estremità superiore per mantenere il maglio all’altezza voluta. L’impatto della massa battente, lasciata cadere da una predeterminata altezza, su di una piastra di carico circolare di opportune dimensioni, provoca la nascita di una tensione, che viene trasmessa direttamente al terreno. Lo strumento misura (direttamente o indirettamente) le deflessioni del terreno, dovute alla tensione applicata, e l’intensità del carico stesso, in funzione del tempo, mediante una cella di carico e un geofono posto al centro della piastra a diretto contatto con il terreno. L’obiettivo del LWD è di simulare la tensione, e quindi la deformazione, trasmessa alla pavimentazione, causata dal passaggio di un singolo asse standard da 80~100 kN di un veicolo commerciale che viaggia alla velocità di circa 80 km/h. Generalmente la piastra di carico trasmette una tensione massima di circa 100 kPa per una durata di circa 16-30 msec. Il LWD si è distinto per essere lo strumento che meglio di tutti simula il livello di tensione e l’area caricata da una ruota singola di un veicolo commerciale. Nell’ambito di questa attività di tirocinio è stata posta l’attenzione su di una delle grandezze deformative misurabili direttamente dal LWD, ovvero l’energy loss, il quale sembra assolvere perfettamente il compito di parametro di riferimento per il controllo prestazionale, contenendo potenzialmente molte più informazioni rispetto al solo modulo superficiale. L’energy loss non è altro che l’area del cappio di isteresi relativo a un ciclo di carico e scarico, corrispondente all’energia dissipata in parte sottoforma di calore, che contribuisce a un cambiamento delle proprietà del materiale, e in parte accumulata nel materiale sottoforma di attriti interni tra le particelle. Strati di materiale non legato in una pavimentazione stradale infatti sono soggetti a un gran numero di cicli di carico e scarico durante la vita utile. Lo strato manifesta una combinazione di deformazione elastica, recuperata dopo ogni ciclo di carico, e di deformazione permanente, che si accumula dopo ogni ciclo, causata da scorrimenti e rotture delle particelle. Le deformazioni recuperate e permanenti si manifestano fin da subito, anche per tensioni basse. L’analisi della relazione tra tensione e deformazione, rappresentata da una curva che forma un cappio di isteresi, permette di valutare la quota di deformazione elastica e plastica per ogni ciclo di carico, e la quota di energia persa (energy loss), sotto forma di calore o sottoforma di attriti interni. Il punto di partenza di questo tirocinio è stata la raccolta di dati, mediante misurazioni su campi prova sperimentali appositamente allestiti e compattati. Abbiamo lavorato sui risultati ottenuti da prove effettuate su materiali eterogenei, differenti in natura, caratteristiche meccaniche e fisiche, contenuto d’acqua, tensione applicata, livello di addensamento, temperatura, granulometria. Nel capitolo 4 è descritta l’analisi compiuta sulla grandezza energy loss, mirata alla sua caratterizzazione completa, svolta cercando di capirne a fondo la natura, le eventuali influenze e le caratteristiche principali. Nello specifico è stata approfondita la dipendenza dell’energy loss dalle grandezze deflessione massima, phase lag e offset, anch’esse misurabili tramite un LWD. Per fare questo ho lavorato su diversi campioni di dati, provenienti da analisi sperimentali differenti. I dati sono stati ottenuti da prove effettuate su materiali eterogenei, differenti in natura, caratteristiche meccaniche e fisiche, contenuto d’acqua, tensione applicata, livello di addensamento, temperatura, granulometria. In un secondo momento è stato messo a punto un modello matematico per il calcolo dell’energy loss, che simulasse il comportamento del cappio di isteresi per alcune situazioni deformative volute. È stata simulata una curva di carico rappresentativa e le tre tipologie di curve di deflessione più frequenti (curva di tipo “normale”, curva di tipo “variabile”, curva con “rebound”), mediante espressioni matematiche funzioni delle grandezze deformative fondamentali, e, facendo variare ad arte i valori delle suddette grandezze, sono state simulate situazioni deformative più disparate. Queste simulazioni hanno permesso di capire molto più a fondo la dipendenza dell’energy loss e il comportamento della forma del cappio di isteresi. Successivamente, sfruttando le espressioni analitiche ottenute grazie al modello matematico, è stato messo a punto un algoritmo di calcolo dell’energy loss, funzione delle tre variabili deflessione massima, phase lag e offset, che permette di stimare il valore reale di tale grandezza, con però precisi limiti di applicabilità. Sarà uno strumento utilissimo per comprendere il livello di influenza di ciascuna delle tre variabili sul valore finale di energy loss, ossia per quantificare il peso di ciascuna variabile. Nel capitolo 5 gli sforzi sono concentrati nella ricerca di una valida corrispondenza tra le grandezze misurate dal LWD, in particolare modulo superficiale e energy loss, e il livello di addensamento. L’importanza di un corretto addensamento degli strati non legati di una pavimentazione è evidente: il costipamento dovrebbe assicurare che gli strati non legati saranno capaci di resistere alle applicazioni di carico ripetute che si verificheranno durante la vita utile della pavimentazione, fornendo allo stesso tempo una sufficiente durabilità. Il costipamento è generalmente valutato mediante il grado di compattazione, che è il rapporto tra la densità misurata in sito e la densità massima di laboratorio calcolata mediante prove Proctor con energia AASHTO modificata. livello di compattazione=〖γ'〗_d/〖γ'〗_(d max) ∙100 Dove: 〖γ'〗_d=densità del secco in sito 〖γ'〗_(d max)=densità massima del secco La densità in sito può essere calcolata tramite il tradizionale volumometro a sabbia, il nuclear density gauge, e metodi basati sulla misura della impedenza del terreno. Il volumometro a sabbia nella maggioranza dei casi fornisce una misura affetta da errori non trascurabili e la misurazione può durare diversi giorni, inoltre fornisce un valore puntuale e non rappresentativo di tutta l’area indagata; il nuclear density gauge è complesso da gestire, può essere pericoloso e il suo utilizzo è vietato in molti paesi; i metodi basati sulla misura della impedenza del terreno devono essere ancora completamente validati. Lo svantaggio più grosso che accomuna questi metodi di misura tuttavia è la necessità di riferirsi alla densità massima di laboratorio, calcolata mediante prove Proctor con energia AASHTO modificata, su provini che siano sufficientemente rappresentativi del materiale in sito. Inoltre, durante il processo di compattazione, il materiale subisce delle modifiche nella sua composizione granulometrica, rendendo la prova Proctor, e quindi la misura del livello di addensamento, ancora meno affidabile. Una procedura per il controllo della compattazione basata sull’uso del LWD, permette di avere a disposizione con un’unica misurazione e praticamente in tempo reale, il valore di due parametri fondamentali come la capacità portante e il livello di addensamento, bypassando il calcolo del contenuto d’acqua. Confrontata con le metodologie classiche di determinazione del livello di compattazione, la procedura per la stima del livello di addensamento mediante LWD presenta degli indiscutibili vantaggi: semplicità e velocità di esecuzione; possibilità di indagare l’intera area compattata, e non solo pochi punti non rappresentativi; confronto con la massima densità Proctor non è richiesta; calibrazione con i metodi classici di misura del livello di compattazione non è richiesta; risultati sono disponibili in tempo reale; per ogni punto sede del test è disponibile la misura del livello di addensamento e una misura della portanza tramite il valore del modulo elastico superficiale; possibilità di bypassare il calcolo del contenuto d’acqua del terreno, identificando in breve tempo aree carenti in compattazione e ivi concentrare gli sforzi aumentando lo sforzo di compattazione. La procedura LWD consentirebbe infatti di evitare, almeno in parte, i problemi connessi al contenuto d’acqua. A tale scopo, nel capitolo 5 sono illustrate alcune delle procedure più significative per stimare, dai valori misurati mediante il LWD, il livello di addensamento in sito. In particolare si è seguito una metodologia standard, basata su un concetto fondamentale: il confronto tra il valore della grandezza considerata, ottenuta su uno stesso punto, prima e dopo una serie di cadute intermedia, effettuata a tensioni elevate, che simula gli effetti della compattazione in sito. La serie di cadute intermedia ad elevate tensioni ha l’obiettivo di mettere in luce, mediante il confronto tra i valori ottenuti prima e dopo la compattazione, lo stato dello strato di pavimentazione indagato. Infine, ma non per questo meno importante, in questo lavoro di tirocinio si è studiata l’influenza di diverse configurazioni di buffer, o smorzatori, in uno stesso apparato LWD. In altri termini l’obiettivo è stato quello di capire in che misura e in che modo load pulse length differenti influiscono su di uno stesso materiale, testato nelle stesse condizioni e con gli stessi strumenti deflettometrici. È noto in letteratura che l’uso di configurazioni di buffer più rigidi restringe la durata dell’onda di carico, ma è ancora ignota la conseguenza dell’uso di configurazioni più o meno rigide, pur essendo tuttavia un problema conosciuto, dato che è alla base delle differenze nei valori del modulo superficiale, e non solo, che si ottengono utilizzando un LWD e un FWD