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Investigation on bearing capacity and settlement characteristics of square footings founded on geosynthetic-reinforced rubber–sand mixture

Questo studio dimostra, attraverso prove su modelli in scala ridotta, che il rinforzo con geocell aumenta significativamente la capacità portante e riduce il cedimento di plinti quadrati su miscele di gomma e sabbia, con prestazioni ottimali ottenute attraverso specifiche profondità e dimensioni del rinforzo, in particolare utilizzando granuli di gomma più grandi che beneficiano di un migliore incastro all'interno delle aperture del geocell.

Autori originali: Jithin K M, Renjitha Mary Varghese

Pubblicato 2026-08-12

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CC BY 4.0

Autori originali: Jithin K M, Renjitha Mary Varghese

Articolo originale sotto licenza CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Questa è una spiegazione generata dall'IA dell'articolo qui sotto. Non è stata scritta né approvata dagli autori. Per precisione tecnica, consulta l'articolo originale. Leggi il disclaimer completo

Immaginate il terreno sotto i nostri piedi come un gigantesco materasso invisibile. Quando costruiamo una casa o una strada, abbiamo bisogno che questo materasso sia abbastanza fermo da sostenere il peso senza affondare troppo profondamente, ma a volte il suolo è troppo molliccio. Questo è il mondo dell'ingegneria geotecnica, dove gli scienziati studiano come la terra sostiene le nostre strutture. Un concetto chiave in questo campo è la "capacità portante", che è solo un modo elegante per chiedere: "Quanto peso può reggere questo terreno prima di cedere?". Un'altra idea importante è il "cedimento", che è semplicemente quanto il terreno si schiaccia sotto quel peso. Di solito, gli ingegneri vogliono che il terreno sia rigido e resistente. Ma cosa succederebbe se volessimo rendere il terreno più molliccio apposta? È qui che entra in gioco un materiale strano e nuovo: mescolare la sabbia con gomma sminuzzata da vecchi pneumatici. Sebbene questa "Miscela Sabbia-Gomma" (RSM) sia ottima per assorbire le vibrazioni durante i terremoti, ha un'abitudine fastidiosa: è troppo morbida. Affonda troppo facilmente sotto carichi pesanti. Quindi, la grande domanda per gli ingegneri è: possiamo rendere questo mix di gomma e sabbia riciclata abbastanza forte da sostenere un edificio senza perdere i suoi speciali poteri di assorbimento degli urti?

Questo articolo approfondisce esattamente questo enigma. I ricercatori, Jithin K M e Renjitha Mary Varghese del National Institute of Technology Calicut, hanno deciso di giocare con una versione modello della fondazione di un edificio posta sopra questa miscela di sabbia e gomma. Volevano vedere se potevano "irrobustire" la miscela usando una struttura speciale simile a un nido d'ape fatta di una rete di plastica chiamata "geocell". Pensate a una geocell come a una gigantesca, flessibile piastra per waffle o a un nido d'ape fatto di strisce di plastica. Quando si riempiono i buchi con il terreno, le pareti del nido d'ape stringono il suolo da tutti i lati, impedendogli di espandersi e affondare. Il team ha testato due diverse dimensioni di pezzi di gomma: piccolissimi, grandi quanto i granelli di sabbia, e altri più grandi e grossolani. Hanno anche provato ad aggiungere una rete di plastica piatta (un geogrid) sotto il nido d'ape per vedere se questo strato extra aiutasse.

Ecco cosa hanno scoperto, ed è un po' come un gioco di "Goldilocks" (il gioco del "non troppo, non troppo poco, ma giusto") con la dimensione giusta di gomma e il posizionamento corretto del nido d'ape. Per prima cosa, hanno confermato che aggiungere gomma alla sabbia rende il terreno più morbido. Se si accumula semplicemente la miscela di gomma e sabbia, questa affonda molto di più rispetto alla sabbia normale, specialmente se i pezzi di gomma sono minuscoli. I pezzetti di gomma piccoli agiscono come piccole spugne che si schiacciano insieme, rendendo l'intera miscela molto comprimibile. Tuttavia, i ricercatori hanno scoperto che la struttura a nido d'ape (la geocell) è un supereroe per questo materiale. Quando hanno posto la geocell sotto la fondazione, ha agito come una gabbia, tenendo insieme la gomma e la sabbia in modo che non potessero schiacciarsi così facilmente. Ciò ha aumentato la quantità di peso che il terreno poteva sostenere e ha ridotto quanto affondava.

Ma la dimensione dei pezzi di gomma contava molto. La scoperta "Goldilocks" è stata che i pezzi di gomma più grandi (Tipo-II) funzionavano molto meglio con la geocell rispetto a quelli piccoli (Tipo-I). Perché? I ricercatori spiegano che i pezzi di gomma più grandi sono abbastanza grandi da incastrarsi nei buchi del nido d'ape di plastica, un po' come un grosso sasso che si incastra in una recinzione. Questo "incastro" rende l'intera struttura molto più rigida. I piccoli pezzi di gomma, invece, sono troppo piccoli per incastrarsi; scivolano semplicemente attraverso i buchi, quindi il nido d'ape non li tiene con la stessa forza.

Il team ha anche giocato con la posizione del nido d'ape. Hanno scoperto che se si pone la geocell proprio alla base della fondazione, non funziona bene perché il suolo sopra di essa non è abbastanza pesante da spingere verso il basso e far sì che le pareti stringano il terreno. Ma se si seppellisce la geocell un po' più in profondamente (circa il 17% della larghezza della fondazione), funziona perfettamente. Hanno anche scoperto che il nido d'ape deve essere abbastanza alto (circa metà della larghezza della fondazione) per contenere una buona quantità di suolo, ma se diventa troppo alto, potrebbe deformarsi o piegarsi sotto il peso, il che impedisce il suo aiuto.

Infine, per i piccoli pezzi di gomma che erano ancora troppo mollicci, il team ha provato un trucco: aggiungere una rete di plastica piatta (geogrid) proprio sotto il nido d'ape. Questo ha agito come un trampolino o una rete di sicurezza, catturando le particelle di gomma ed evitando che cadessero verso il basso. Questa combinazione di nido d'ape e rete è stata una svolta per la miscela di gomma piccola, aumentando significativamente la sua forza.

In conclusione, lo studio suggerisce che, sebbene la miscela sabbia-gomma sia naturalmente morbida e soggetta ad affondare, può essere trasformata in un materiale di fondazione resistente se si utilizza il rinforzo giusto. La struttura a nido d'ape è la chiave, ma funziona meglio se i pezzi di gomma sono abbastanza grandi da incastrarsi nella maglia. Se si hanno piccoli pezzi di gomma, è necessaria quella rete di sicurezza extra sotto per ottenere i migliori risultati. Questa ricerca fornisce agli ingegneri una tabella di marcia per utilizzare gli pneumatici riciclati in un modo che sia allo stesso tempo ecologico e abbastanza forte da sostenere i nostri edifici futuri.

Sintesi Tecnica: Indagine sulla Capacità Portante e sulle Caratteristiche di Cedimento di Plinti Quadrati su Miscela Gomma-Sabbia Rinforzata con Geosintetici

Problematica
L'aumentante volume di pneumatici fuori uso (ELT) rappresenta una significativa sfida ambientale, rendendo necessari metodi di smaltimento sostenibili. Sebbene le miscele gomma-sabbia (RSM) siano emerse come un geomateriale vitale per applicazioni quali l'isolamento sismico, il riempimento leggero e la costruzione di rilevati, il loro utilizzo come strato di terreno di fondazione diretto pone preoccupazioni geotecniche. L'incorporazione di granuli di gomma in matrici di sabbia generalmente compromette la stabilità meccanica macroscopica, portando a una riduzione della capacità portante e a un aumento della compressibilità rispetto alla sabbia pura. Sebbene il rinforzo con geosintetici (specificamente geocellule) sia stato dimostrato efficace nel migliorare le prestazioni dei terreni granulari, la sua efficacia nel mitigare la compressibilità degli strati di RSM — e come questa efficacia vari con la dimensione dei granuli di gomma — rimane insufficientemente esplorata. Questo studio affronta la necessità di comprendere il comportamento carico-cedimento di fondazioni superficiali su RSM rinforzate con geosintetici e di identificare i parametri di rinforzo ottimali.

Metodologia
La ricerca ha impiegato test su modelli in scala ridotta (1G) per valutare le prestazioni di una fondazione quadrata poggiata su strati di RSM. L'apparato sperimentale ha utilizzato una vasca di prova in acciaio (750 mm × 750 mm × 750 mm) con un rivestimento interno privo di attrito.

Materiali: Sabbia di fiume (Sabbia scarsamente graduata, SP) è stata miscelata con gomma granulata in una proporzione gravimetrica del 30%. Sono stati testati due distinti tipi di gomma:
- Tipo-I: Granuli da 1–4,75 mm (dimensione media 3,36 mm), comparabili ai grani di sabbia.
- Tipo-II: Granuli da 4,75–12 mm (dimensione media 8,52 mm), significativamente più grandi.
Rinforzo: Geogriglie in polipropilene sono state utilizzate per costruire geocellule con una dimensione dell'apertura di 50 mm. È stata testata anche una combinazione geocellula-geogriglia (geogriglia posizionata alla base della geocellula).
Scaling: È stato adottato un fattore di scala lineare di 10. Il plinto modello (larghezza 150 mm, spessore 20 mm, acciaio) è stato progettato per corrispondere alla rigidezza flessionale di un plinto in calcestruzzo prototipo (larghezza 1,5 m) basandosi sulle leggi di similitudine.
Programma di Test: Sono stati condotti test di carico di piastra per misurare le risposte pressione-cedimento. Lo studio ha variato:
- Spessore dello strato RSM (rapporti $T/B$ di 1, 1,25, 1,5).
- Profondità di posizionamento della geocellula ( $u/B$ da 0 a 0,5).
- Altezza della geocellula ( $h/B$ da 0,17 a 0,67).
- Larghezza della geocellula ( $w/B$ da 1 a 3).
- Tipo di rinforzo (non rinforzato, solo geocellula, e combinazione geocellula-geogriglia).
Metrica di Prestazione: Il Rapporto di Pressione di Portata (BPR) è stato calcolato come il rapporto tra la pressione di portata nel campione rinforzato/RSM e quella della sabbia pura a specifici rapporti di cedimento ( $s/B$ ).

Contributi Chiave e Risultati

Impatto della Dimensione della Gomma e dello Spessore dello Strato:
- L'introduzione di granuli di gomma ha ridotto la pressione di portata e aumentato il cedimento rispetto alla sabbia pura.
- Tipo-I (granuli più piccoli) ha mostrato una riduzione più pronunciata della capacità portante (fino al 40% di riduzione a bassi cedimenti) a causa dell'aumento del contatto gomma-gomma, che ha indotto una compressibilità di tipo gommoso.
- Tipo-II (granuli più grandi) ha mostrato una minore riduzione della capacità portante (<10% a bassi cedimenti) perché i vuoti più grandi sono stati riempiti dalla sabbia, mantenendo le catene di forze sabbia-sabbia.
- L'aumento dello spessore dello strato RSM ha aumentato la compressibilità. È stato identificato uno spessore di strato ottimale equivalente alla larghezza del plinto ( $T/B = 1$ ).
Efficacia del Rinforzo con Geocellula:
- Il rinforzo con geocellula ha migliorato significativamente il Rapporto di Pressione di Portata (BPR) per entrambi i tipi di RSM, fornendo confinamento passivo attraverso le pareti delle celle e mobilitando la resistenza per attrito.
- Profondità di Posizionamento Ottimale: Una profondità di $u/B = 0,17$ ha prodotto il BPR più elevato. Posizionare la geocellula direttamente sotto il plinto ( $u/B=0$ ) ha ridotto l'efficacia a causa del carico di copertura insufficiente per la mobilitazione dell'attrito, mentre un posizionamento più profondo ( $u/B > 0,33$ ) ha portato a un'eccessiva compressione dell'RSM sovrastante, riducendo l'efficienza del confinamento.
- Altezza Ottimale: L'aumento dell'altezza della geocellula da $0,17B$ a $0,5B$ ha migliorato significativamente il BPR. Ulteriori aumenti fino a $0,67B$ hanno offerto guadagni marginali a causa del buckling (instabilità per carico verticale) delle pareti della geocellula sotto carico verticale. Pertanto, $h/B = 0,5$ è stato determinato come ottimale.
- Larghezza Ottimale: Una larghezza della geocellula corrispondente alla larghezza dell'RSM ( $w/B = 3$ ) ha fornito le migliori prestazioni. Le geocellule più strette facevano affidamento sull'RSM comprimibile per il contenimento laterale, mentre la geocellula a larghezza completa era contenuta lateralmente dalla sabbia circostante più rigida, agendo come uno strato di dispersione del carico omogeneo.
Influenza della Dimensione delle Particelle sul Rinforzo:
- L'RSM di Tipo-II ha costantemente raggiunto valori di BPR più elevati rispetto al Tipo-I. I granuli di gomma più grandi (Tipo-II) si sono incastrati più efficacemente con le aperture della geogriglia (6 mm) e le pareti delle celle, potenziando la resistenza passiva.
- L'RSM di Tipo-I ha mostrato un'efficienza di incastro inferiore a causa delle dimensioni delle particelle più piccole rispetto alle aperture della geogriglia.
Combinazione Geocellula-Geogriglia:
- L'aggiunta di una geogriglia alla base della geocellula ha ulteriormente migliorato le prestazioni, in particolare per l'RSM di Tipo-I.
- Ad alti rapporti di cedimento ( $s/B \approx 20\%$ ), la combinazione geocellula-geogriglia ha migliorato il BPR del 17% per il Tipo-I e del 7% per il Tipo-II rispetto al solo rinforzo con geocellula.
- La geogriglia basale ha agito come una membrana di tensione, limitando il movimento verso il basso delle particelle di gomma più piccole e migliorando il confinamento, un meccanismo meno critico per il Tipo-II dove l'incastro delle particelle era già dominante.
Deformazione Superficiale (Rigonfiamento):
- Gli strati di RSM hanno mostrato un rigonfiamento superficiale significativamente ridotto (riduzione del 58–70%) rispetto alla sabbia pura, grazie al riempimento dei vuoti da parte delle particelle di sabbia durante lo stress laterale.
- Il rinforzo geocellula-geogriglia ha ulteriormente ridotto il rigonfiamento fino all'86% rispetto alla sabbia pura, indicando un cambiamento nel meccanismo di rottura.

Significatività e Rivendicazioni
Lo studio conclude che il rinforzo con geosintetici è una strategia efficace per utilizzare l'RSM come materiale di fondazione, bilanciando la duttilità del materiale con la necessaria capacità di carico. La ricerca evidenzia che le prestazioni dell'RSM rinforzato dipendono fortemente dalla dimensione dei granuli di gomma rispetto alla geometria del rinforzo. Nello specifico:

Il rinforzo con geocellula è essenziale per mitigare l'alta compressibilità dell'RSM.
I granuli di gomma più grandi (Tipo-II) beneficiano maggiormente del normale confinamento della geocellula grazie al superiore incastro delle particelle.
I granuli di gomma più piccoli (Tipo-I) richiedono l'effetto aggiuntivo della membrana di tensione di una geogriglia basale per ottenere un confinamento e un controllo del cedimento ottimali.
Le conclusioni suggeriscono che per l'RSM utilizzato nei sistemi di isolamento sismico geotecnico, la combinazione di geocellula e geogriglia può gestire efficacemente il compromesso tra la duttilità richiesta per la dissipazione dell'energia e i limiti di cedimento richiesti per l'operatività strutturale.

Il documento non propone nuovi modelli teorici o applicazioni future oltre l'ambito di questi test su modelli, concentrandosi invece sull'instaurazione di parametri di progettazione empirici (profondità, altezza e larghezza ottimali) per sistemi di fondazione su RSM rinforzati.

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