Muri Sotterranei a Ningbo: Il Segreto per Non Farli Crollare nel Terreno Soffice!

Ciao a tutti! Oggi voglio portarvi con me in un viaggio affascinante nel mondo dell’ingegneria civile, precisamente nelle viscere della terra, dove costruiamo strutture imponenti in condizioni tutt’altro che ideali. Parleremo di scavi profondi, di muri di sostegno chiamati diaframmi e di un nemico subdolo: il terreno soffice. In particolare, ci concentreremo su una regione specifica, quella di Ningbo in Cina, famosa proprio per i suoi terreni argillosi e limosi, un vero grattacapo per noi ingegneri.

Immaginate di dover scavare una buca enorme, profonda decine di metri, magari per costruire una nuova stazione della metropolitana nel cuore pulsante di una città. Intorno a voi, edifici, strade, infrastrutture. Il terreno sotto i vostri piedi è come una spugna imbevuta d’acqua: molto comprimibile, poco resistente. È facile capire che, senza le giuste precauzioni, scavare lì potrebbe causare un bel disastro: il terreno circostante potrebbe cedere, le strutture di sostegno potrebbero piegarsi come fuscelli e gli edifici vicini potrebbero subire danni.

Ecco, questo è lo scenario tipico nelle aree con terreni soffici. Questi terreni, spesso argille o limi con un alto contenuto d’acqua, hanno una bassa resistenza al taglio e tendono a compattarsi molto sotto carico. Pensate che l’indice di compressione ((C_a)) di queste argille può variare da 1.0 a 2.0, ma in certi casi arriva anche a 10! L’elevato contenuto d’acqua indebolisce la loro struttura e li rende più suscettibili a deformazioni e cedimenti. La loro resistenza al taglio non drenata ((S_u)), un parametro chiave per noi, può essere molto bassa, a volte appena 30 kPa, anche se la media si aggira sui 129 kPa.

Per contrastare questi problemi, negli scavi profondi utilizziamo sistemi di sostegno robusti, come i muri di diaframma in cemento armato abbinati a sistemi di puntellamento interno. Il muro di diaframma funge da barriera laterale contro la spinta del terreno e trasferisce i carichi alle strutture circostanti. Man mano che scaviamo, però, la pressione del terreno sul muro cambia, e l’effetto di “scarico” fa sì che il muro tenda a piegarsi verso l’interno dello scavo. Tipicamente, le deformazioni sono minori in cima e in fondo, e maggiori nella parte centrale. Questo spostamento laterale del muro, a sua volta, provoca l’assestamento del terreno in superficie dietro il muro. È un effetto a catena che dobbiamo assolutamente controllare.

Le sfide sono enormi, ma lo sviluppo sotterraneo è fondamentale, specialmente nelle città densamente popolate. C’è un bisogno costante di nuove infrastrutture sotterranee. Per questo, è cruciale riuscire a prevedere e controllare accuratamente le deformazioni causate dagli scavi. I metodi tradizionali, basati su formule empiriche o modelli numerici deterministici, a volte non bastano, perché non riescono a catturare appieno la variabilità delle proprietà del suolo.

Lo Studio su Ningbo: Cosa Abbiamo Scoperto?

Proprio per cercare di capire meglio questi fenomeni, ho partecipato a uno studio approfondito su 23 casi reali di scavi profondi realizzati per stazioni della metropolitana nella regione di Ningbo. Questa città, situata sulla costa orientale della Cina, è un esempio perfetto di area con terreni soffici estesi, depositati nel corso di millenni da processi fluviali e marini. Pensate che lo spessore di questi strati soffici è notevole!

Abbiamo raccolto una marea di dati: profondità degli scavi (variabili da quasi 16 a oltre 27 metri!), dimensioni delle fosse, spessore dello strato di terreno soffice, caratteristiche dei muri di diaframma (spessore tra 0.8 e 1.2 metri, profondità di infissione sotto il fondo scavo tra 5 e 10 metri) e dei sistemi di puntellamento (da 4 a 8 livelli di supporti in acciaio o cemento armato), e ovviamente, le misure delle deformazioni registrate durante i lavori. L’obiettivo? Trovare delle regolarità, capire quali fattori influenzano maggiormente il comportamento dei muri di diaframma in questo specifico contesto.

Scavare in Profondità: Cosa Succede ai Muri?

Una delle prime cose che abbiamo analizzato è lo spostamento laterale massimo dei muri di diaframma (({delta }_{hmax})). I valori che abbiamo trovato variano parecchio, da un minimo dello 0.09% a un massimo dello 0.84% della profondità di scavo (H). In media, si attestano intorno allo 0.36% di H. La maggior parte dei casi si concentra tra i 40 e i 100 mm di spostamento.

Come c’era da aspettarsi, più si scava in profondità, maggiore tende ad essere lo spostamento laterale. È logico: aumenta la spinta del terreno e la pressione dell’acqua interstiziale. Anche con sistemi di supporto molto robusti (fino a 7 livelli di puntelli!), quando la profondità di scavo si avvicina ai 28 metri, la tendenza all’aumento dello spostamento si fa sentire. Questo ci dice che, sebbene puntelli più rigidi e numerosi aiutino a mitigare il problema, non possono annullare completamente la correlazione tra profondità e deformazione.

Confrontando i nostri dati con studi simili in altre città cinesi, abbiamo notato delle differenze interessanti. Il nostro valore medio (0.36%H) è inferiore a quello riscontrato a Hangzhou (spesso sopra lo 0.4%H) e Shanghai (intorno allo 0.5%H), ma superiore a quello di Changzhou (circa 0.20%H) e Pechino (circa 0.10%H). Questo evidenzia come le condizioni geotecniche locali giochino un ruolo fondamentale e come sia importante avere dati specifici per ogni regione.

Il Punto Critico: Dove si Piega di Più?

Un’altra domanda chiave è: dove si verifica lo spostamento laterale massimo lungo il muro? Anche qui, non c’è una regola fissa, dipende dalla profondità dello scavo e dalle condizioni locali. Analizzando i dati, abbiamo però trovato una tendenza: man mano che lo scavo si approfondisce, anche il punto di massima deformazione (({H}_{delta hmax})) tende a scendere più in profondità nel terreno.

Nel nostro campione di Ningbo, la relazione media è risultata essere ({H}_{{delta hmax}} approx H + 0.35). In pratica, in media, il punto di massimo spostamento si trova circa 35 cm sotto il fondo dello scavo. Tuttavia, ci sono casi limite: a volte può trovarsi molto più in basso (fino a H + 4.56 m) o addirittura sopra il fondo scavo (fino a H – 6.81 m).

Analizzando i dati in modo adimensionale (cioè, guardando i rapporti ({delta }_{hmax}/H) e ({H}_{{delta hmax}}/H)), abbiamo notato che la maggior parte dei casi si concentra con uno spostamento massimo che avviene a una profondità compresa tra 1.0 e 1.3 volte la profondità di scavo (H). Questo è un dato molto utile per la progettazione.

Anche qui, il confronto con altre città è illuminante. A Hangzhou, il punto critico sembra essere mediamente più profondo ((H + 2.5)), mentre a Shanghai è molto simile al nostro ((H)). A Changzhou è più profondo ((H + 4)), mentre a Pechino la relazione è proporzionale ((0.85H)), indicando un comportamento diverso. Ancora una volta, emerge l’importanza delle specificità locali.

L’Incubo del Terreno Soffice: Più è Spesso, Peggio È?

Abbiamo poi indagato l’impatto dello spessore dello strato di terreno soffice (({h}_{sw})) rispetto alla profondità totale del muro di diaframma (({H}_{w})). Abbiamo usato un rapporto adimensionale ({h}_{sw}/{H}_{w}) e lo abbiamo messo in relazione con lo spostamento normalizzato ({delta }_{hmax}/H).

I risultati sono stati chiarissimi: all’aumentare del rapporto ({h}_{sw}/{H}_{w}) (cioè, quando il muro è immerso per una porzione maggiore in terreno soffice), lo spostamento laterale massimo ({delta }_{hmax}/H) tende ad aumentare linearmente. La relazione che abbiamo trovato è ({delta }_{hmax}/H approx 1.09% times ({h}_{sw}/{H}_{w})). Questo significa che la presenza di spessi strati di terreno soffice amplifica notevolmente il problema della deformazione. La bassa rigidezza e l’alta compressibilità di questi terreni permettono al suolo dietro il muro di “spremersi” lateralmente durante lo scavo, causando maggiori spostamenti.

Non solo: abbiamo visto che all’aumentare di ({h}_{sw}/{H}_{w}), anche il punto di massimo spostamento tende a verificarsi più in profondità. La relazione trovata è ({H}_{delta hmax}/H approx 0.54 times ({h}_{sw}/{H}_{w}) + 0.84). Quindi, terreni soffici più spessi non solo aumentano la deformazione, ma spostano anche il punto critico più in basso.

Le Armi Segrete: Rigidità e Profondità Contro la Deformazione

Cosa possiamo fare, allora, per contrastare queste deformazioni? Lo studio conferma l’efficacia di alcuni parametri progettuali chiave.

* Rigidità del sistema di supporto: Aumentare la rigidità dei puntelli interni aiuta decisamente a ridurre lo spostamento laterale del muro. Sistemi con più livelli di supporto sono generalmente più efficaci. Tuttavia, abbiamo notato che oltre una certa soglia, aumentare ulteriormente la rigidità porta benefici decrescenti. La pendenza della curva che lega rigidità e spostamento non è molto ripida. Questo suggerisce che, da un punto di vista economico, non conviene esagerare con la rigidità dei soli puntelli; è più importante un design complessivo ben bilanciato. Nel nostro studio, per limitare lo spostamento sotto i 50 mm, la rigidità del sistema di supporto doveva superare un certo valore (circa 3837 (EI/{gamma }_{w}{h}^{4})), ma raddoppiare la rigidità non dimezzava lo spostamento.
* Profondità di infissione del muro: Un altro fattore cruciale è quanto il muro di diaframma si estende sotto il fondo dello scavo. Abbiamo analizzato il rapporto di infissione ((H_w – H) / H). I risultati mostrano che aumentare questo rapporto riduce significativamente lo spostamento laterale massimo, in modo non lineare. In pratica, più il muro “affonda” nel terreno sotto lo scavo, più diventa stabile. Nel nostro campione, il rapporto medio era circa 0.99 (cioè, l’infissione era quasi pari alla profondità di scavo). Per limitare lo spostamento sotto i 50 mm, il rapporto doveva essere almeno 1.04; per stare sotto i 40 mm, serviva un rapporto di 1.16; e per non superare i 30 mm, bisognava arrivare a 1.26. Questo perché un’infissione maggiore aumenta l’attrito tra muro e terreno e migliora la capacità del muro di resistere alla spinta laterale alla base.

Dimensioni dello Scavo: Conta Davvero Quanto è Lungo e Largo?

Infine, abbiamo guardato alle dimensioni planimetriche dello scavo, in particolare al rapporto lunghezza/larghezza (L/W). Alcuni studi suggeriscono che scavi più lunghi o più larghi possano portare a maggiori deformazioni. I nostri dati, relativi a scavi con L/W tra 7 e 10.25, mostrano in realtà una leggera tendenza opposta: all’aumentare del rapporto L/W, lo spostamento massimo sembra diminuire leggermente (({delta }_{hmax} = -1.18(L/W) + 55.23)). Questo potrebbe essere legato a come si distribuiscono le tensioni in scavi più “stretti e lunghi” rispetto a quelli più “compatti”. Tuttavia, l’influenza di questo rapporto è apparsa relativamente moderata rispetto ad altri fattori come la profondità di scavo o la presenza di terreni soffici. È un aspetto da considerare, ma probabilmente non il principale driver della deformazione.

Conclusioni: Lezioni da Ningbo

Cosa ci portiamo a casa da questa analisi di 23 scavi profondi a Ningbo?

• Scavare in terreni soffici come quelli di Ningbo è una sfida notevole, e le deformazioni dei muri di diaframma possono essere significative (in media 0.36% della profondità di scavo).
• La profondità di scavo è un fattore dominante: più si scava, più il muro si sposta lateralmente.
• Lo spessore dello strato di terreno soffice ha un impatto enorme: più è spesso, maggiore è lo spostamento laterale e più in profondità si verifica il punto critico.
• Per controllare le deformazioni, è fondamentale agire sulla rigidità del sistema di supporto e, soprattutto, sulla profondità di infissione del muro di diaframma sotto il fondo scavo. Aumentare l’infissione è particolarmente efficace.
• Le dimensioni planimetriche (rapporto L/W) sembrano avere un ruolo più secondario, almeno nei casi analizzati.

Questi risultati forniscono una base quantitativa preziosa per ottimizzare la progettazione dei muri di diaframma e dei sistemi di supporto, aiutandoci a mitigare i rischi associati agli scavi profondi in contesti geotecnici difficili come quello di Ningbo e in altre aree con terreni soffici simili. Spero che questo tuffo nell’ingegneria geotecnica vi sia piaciuto!

Fonte: Springer