Consolidamento cavità sotterranee

Il presente contributo tratta approfonditamente di un caso studio relativo al consolidamento di cavità antropiche presenti nel sottosuolo cittadino della città di Napoli. Con taglio operativo, l’articolo spiega come operare il consolidamento di cavità sotterranee nel caso in cui si verifichi il rischio di un cedimento del terreno.

Cenni storici

Il centro storico della città di Napoli è stato partorito dalle sue stesse viscere. Il sottosuolo è stato sempre oggetto di scavo per la presenza di materiali idonei alla costruzione (tufo, pomici, pozzolana e lapilli). Gli scavi e le cavità ottenuti per l’estrazione non furono mai abbandonati ma furono variamente utilizzati come cisterne o depositi.

Il substrato di gran parte del territorio cittadino è costituito essenzialmente da prodotti piroclastici quali tufo giallo caotico di spessore variabile in altezza e profondità, materiali incoerenti sciolti quali lapilli, scorie e pozzolane di spessori variabili. Benché le proprietà fisico-meccaniche dei terreni piroclastici sotto l’azione dei carichi esterni fossero ormai abbastanza conosciute, la varianza di certi loro valori, per problematiche connesse all’interazione con fattori intrinseci ed estrinseci, fanno sì che per qualunque intervento si vada a realizzare sul territorio sia richiesta l’attenzione per uno studio puntuale accurato dei terreni in sito. I tanti eventi d’instabilità nel sottosuolo, con ripercussioni su quanto presente in superficie, che hanno colpito e colpiscono con relativa frequenza le città come Napoli Afragola e Casoria sono quasi sempre provocati da infiltrazione d’acqua al piano più o meno superficiale con alterazione del terreno interessato dalle fondazioni. Questi inconvenienti sono riconoscibili e imputabili prevalentemente a disfunzioni dei sottoservizi, e più precisamente dell’acquedotto e delle fognature, a causa del degrado generalizzato, della vetustà, della manutenzione conservativa insufficiente, dell’aumento di portate rispetto ai loro requisiti di progetto originario. Le perdite d’acqua non controllate, sia per la notevole permeabilità dei terreni sottostanti sia per la presenza delle cavità, trovano vie veloci di scorrimento nascosto, comportando trascinamenti degli stessi materiali in sito con erosioni consequenziali che si evidenziano poi in superficie e con quanto su di essa presente con cedimenti, smottamenti e voragini.

Inquadramento generale

L’area oggetto di studio è sita nel centro storico. Nel sottosuolo sono presenti diverse cavità antropiche utilizzate in passato come cisterne per accumulo d’acqua, come testimoniato dal censimento effettuato dal CIRAM – Centro Interdipartimentale di Ricerca “Ambiente”. La cavità interessata è posta sottostante il civico 40.

Figura 1 - Inquadramento generale dell'area.
Figura 1 – Inquadramento generale dell’area.
Figura 2 - Planimetria della Cavità.
Figura 2 – Consolidamento cavità sotterranee. Planimetria della Cavità.
Figura 3 - Sezione A-A' della Cavità.
Figura 3 – Consolidamento cavità sotterranee. Sezione A-A’ della Cavità.
Figura 4 - Sezione B-B' della Cavità.
Figura 4– Consolidamento cavità sotterranee. Sezione B-B’ della Cavità.

Analisi geognostiche

A seguito di fenomeni di subsidenza che hanno interessato un tratto della sede stradale si è avviata una campagna di indagini geognostiche e geofisiche, al fine di comprendere i volumi interessati dal dissesto e l’eventuale interferenza tra questo e le strutture poste in adiacenza alle aree di interesse. Le indagini effettuate e commissionate sono consistite in:

  1. Sondaggi geognostici a distruzione di nucleo;
  2. Videoispezioni nei fori realizzati;
  3. Prove penetrometriche dinamiche pesanti tipo DPSH;
  4. Prove con Georadar;
  5. Tomografie elettriche;
  6. Apposizione di capisaldi di riferimento;
  7. Installazione di deformometri digitali a lettura continua;
  8. Misure di livello;

Al fine di determinare le caratteristiche meccaniche dei terreni in oggetto, sono state effettuate prove penetrometriche dinamiche superpesanti denominate DPSH. La prova DPSH consiste nella misura della resistenza alla penetrazione di una punta conica di dimensioni standard, infissa per battitura nel terreno, per mezzo di un idoneo dispositivo di percussione.

Le misure vengono di norma annotate ogni 20 cm, pertanto il relativo numero di colpi va moltiplicato per 1,5 nel caso si vogliano equiparare alle prove SPT classiche.

L’esecuzione di prove penetrometriche consente, nota la stratigrafia, di rilevare informazioni valide ai fini della ricostruzione dei profili geotecnici, attraverso l’identificazione di parametri quali:

  • Densità relativa;
  • Angolo di resistenza al taglio;
  • Modulo di Young;
  • Modulo edometrico;
  • Peso di volume;
  • Peso di volume saturo;
  • Modulo di Poisson;

La strumentazione utilizzata ha le seguenti caratteristiche tecniche:

  • Peso Massa Battente = 63.50 Kg
  • Altezza Caduta Libera = 0.75 m
  • Peso Sistema Battuta = 0.63 Kg
  • Diametro Punta Conica = 50.46 mm
  • Area Base Punta Conica = 20.00 cm2
  • Angolo Apertura Punta = 90°
  • Lunghezza della Aste = 1.00 m
  • Peso Aste Per Metro = 6.30 Kg
  • Giunzione 1a Asta = 0.80 m
  • Avanzamento Punta = 0.20 m
  • Numero di Colpi Punta = N (20)Relativo ad un avanzamento di 20 cm
  • Rivestimento/Fanghi non è stato utilizzato.

I test, indicati con gli identificativi da Prova 1 a Prova 4, hanno investigato i terreni fino ad una profondità massima, dal locale piano campagna, di circa 16 metri. A seguire si riportano le risultanze delle DPSH dalle quali si evincono alcune curve rappresentative che consentono di individuare dati sul comportamento a rottura e sulla deformabilità dei terreni investigati.

Figura 5 - Ubicazione prove DPSH.
Figura 5 – Ubicazione prove DPSH.
Figura 6 - Risultati delle prove DPSH.
Figura 6 – Risultati delle prove DPSH.

Indagini geofisiche

Al fine di individuare la presenza di vuoti al di sotto del manto stradale integro e apparentemente non interessato dall’assestamento, si sono effettuate indagini indirette consistite in tomografie elettriche e georadar.

Indagine georadar

In corrispondenza e a ridosso dell’area interessata da fenomeni di cedimento della strada sono state eseguite alcune indagini con georadar. Le indagini sono state condotte lungo una serie di direttrici ortogonali all’asse stradale, con cadenza irregolare, superiore ai 10 m. I risultati ottenuti hanno rivelato la presenza di una rete articolata di sottoservizi sulla quale si vanno talora a sovrapporre tracce riconducibili alla presenza di cavità e/o scavernamenti. A seguire i radargrammi più significativi, con breve descrizione interpretativa.

Figura 7 - Risultati delle indagini georadar.
Figura 7 – Risultati delle indagini georadar.

Il profilo di cui sopra, condotto lungo l’asse stradale con direttrice spostata verso il marciapiede occidentale non ha evidenziato profili particolarmente anomali nell’ambito delle profondità investigate. Nell’area interessata dai fenomeni di cedimento, la maglia dei profili, molto più stretta, ha permesso di tracciare con grande precisione alcune anomalie con andamento parallelo all’asse stradale, anch’esse da collegare alla presenza di sottoservizi.

Figura 8 - Risultati delle indagini georadar.
Figura 8 – Risultati delle indagini georadar.

Tuttavia, nonostante il fatto che i profili siano stati accuratamente valutati e suddivisi per profondità differenziate, distinguendo una prima fascia da un orizzonte più profondo, il condizionamento da parte delle linee di servizio, segnatamente di quello fognario, risulta molto forte, soprattutto alle profondità superiori a 80-100 cm. Per la fascia superficiale, in prossimità del cedimento, le mappe evidenziano anomalie localizzate sicuramente associabili al fenomeno, sebbene, data l’immediata prossimità con l’area dello sprofondamento, la loro presenza non aggiunge informazioni sostanziali rispetto alla criticità accertata dallo stato dei luoghi. Non si evidenziano cioè ulteriori pattern focalizzati che permettano di estrapolare un proseguimento dei deficit di massa verso l’interno della strada. L’analisi manuale dei tracciati ha messo in evidenza però riflessioni di intensità subordinata con aspetto non associabile a quello dei sottoservizi, per le quali è possibile ipotizzare invece un possibile legame genetico con il tetto di scavernamenti che non hanno ancora determinato fenomenologie di dissesto verso l’alto.

In sintesi, l’analisi dei radargrammi consente di addivenire alle seguenti considerazione:

  • Le sezioni longitudinali evidenziano (anche alla distanza di 7-8 metri dal cedimento) alcune possibili riflessioni anomale di forma assimilabile alla presenza di meati individuatesi nella stratigrafia del terreno;
  • Lo sprofondamento, non sembra quindi “esaurirsi” in corrispondenza alla zona nella quale visivamente appare il fenomeno, ed interessa, una fascia di sottosuolo non necessariamente superficiale;

Quanto sopra, pur se la forte presenza di materiale imbibito nell’immediato sottosuolo, ha ridotto significativamente la potenzialità della metodologia di indagine.

Tomografie elettriche

Le tomografie elettriche, hanno restituito un quadro sufficientemente chiaro delle aree indagate, pur tuttavia oggettivi impedimenti logistici non hanno consentito di effettuare indagini geofisiche in grado di raggiungere in tutti gli stendimenti, profondità superiori ai 15 m.

Il metodo geoelettrico

Il metodo geoelettrico consiste nella determinazione sperimentale dei valori di resistività elettrica che caratterizzano il sottosuolo; mediante l’uso di appropriate strumentazioni, si invia corrente elettrica nel sottosuolo e si esegue una successione di misure in superficie per mezzo di una serie di elettrodi opportunamente posizionati e infissi nel terreno.

La presenza di fluidi fa si che rocce e terreni, attraversati dalla corrente, si comportino relativamente come buoni conduttori di elettricità, mentre le strutture con scarso contenuto di fluidi, rocce secche, vuoti, quali quelli riferibili a cavità naturali o a tombe, si presentino come dei cattivi conduttori di elettricità, se non addirittura degli isolanti. Pertanto le geometrie sepolte rispondono al flusso di corrente artificiale, immessa con diverse modalità, proprio in funzione del parametro fisico che regola tale comportamento: la resistività elettrica.

La resistività elettrica varia non solo tra diversi tipi di rocce e terreni ma anche fra rocce e terreni dello stesso tipo, questo perché, come descritto prima, è funzione del contenuto di fluido presente.

Acquisizione e tecnica di rilevamento

Sono state eseguite prospezioni geoelettriche con misure multielettrodo di resistività, al fine di determinare le caratteristiche elettriche dei litotipi presenti nell’area di studio e di ricercare e individuare eventuali anomalie di resistività nel sottosuolo. In particolare, l’indagine è stata effettuata con una acquisizione in configurazione Dipolo-Dipolo32, con stendimenti condizionati dalla logistica delle aree da testare. In tutti i test abbiamo utilizzato 32 elettrodi in acciaio inox con spaziatura variabile. Il georesistimetro utilizzato è il modello MAE A6000E che gestisce in automatico le sequenze di misura, l’energizzazione di corrente nel terreno, la misurazione e la memorizzazione dei dati. Dopo aver eseguito il posizionamento degli elettrodi sul terreno, è stato effettuato il test picchetti per verificare le connessioni dei picchetti e la loro aderenza con il suolo; in pratica il test invia corrente tra un elettrodo ed il suo consecutivo, misurandola cosiddetta resistenza di contatto tra gli stessi. Dopo aver verificato il buon contatto elettrico tra gli elettrodi e il mezzo da investigare si è proceduto alla fase di acquisizione secondo una sequenza di misura prestabilita che prevede, per ogni configurazione quadripolare, l’immissione di corrente nel terreno, la misura della differenza di potenziale ed il calcolo della resistività apparente. Ogni misura è stata eseguita in corrente diretta ed inversa per annullare gli effetti dei potenziali spontanei/indotti ed è stata ripetuta per diverse iterazioni, calcolando la resistività apparente e la deviazione standard che ne definisce l’accuratezza. Strumentazione utilizzata Si è utilizzato un georesistimetro MAE modello A600E, un acquisitore digitale per la misura della resistività del terreno con tecnica SEV o multielettrodo. Si ottiene in tal modo una estrema rapidità operativa grazie ai cavi per prospezione geoelettrica ad alta resistenza dotati di 16 prese ognuno con intervalli di 1.00, 2.00 e 3.00 m metri; l’alimentazione è assicurata da una batteria esterna in grado di fornire ampia autonomia di acquisizione; la potenza del generatore interno è di 60 Watt e può essere incrementata fino a 600 Watt con l’utilizzo di un generatore esterno.

La registrazione e il salvataggio dei dati avviene su memoria disk on module interno o su disk Keyusb.

Caratteristiche tecniche

  • Corrente in uscita: Regolazione automatica (4 step)
  • Intensità massima: 1,2 A a 50V
  • Tensioni di uscita: ±50V, ±100V, ±250V, ±500V nominali
  • Potenza massima: 60W
  • Tempo di immissione: impostabile da 110ms a 30s
  • Precisione della misura: ±38μA
  • Misura di potenziale: Auto range (4 step)
  • Fondo scala massimo: 50V Impedenza di ingresso: 1 MΩ
  • Filtro frequenza di rete: 50 Hz
  • Precisione della misura: massima ±38μV (nel range 0-1,25V), minima ±1,53mV
  • (nel range 5-50V)
  • Riduzione del rumore: con media da 2 a 10 misure
  • Azzeramento automatico del potenziale spontaneo
  • Accuratezza della resistività misurata: ±1%
  • Caricabilità misurata su quattro finestre temporali di durata complessiva di 1,2 sec.
  • Caratteristiche generali:
  • Elettrodi gestibili: 32 senza espansione, 256 con box di commutazione esterni
  • Alimentazione: 12V DC, fornita da power box con batterie da 24Ah.
  • Assorbimento medio: 2A
  • Formati dei dati: TSV, CSV, DAT
  • Interfaccedisponibili: LAN, USB, VGA
  • Display: LCD 10.4” con touch-screen
  • Sistema Operativo: Windows Embedded Standard 2009

Il metodo dipolo-dipolo

Nel dispositivo Dipolo-Dipolo, gli elettrodi di corrente (AB) e di potenziale (MN) presentano la stessa ampiezza e vengono posti ad una distanza indicata come na.

Figura 9 - Dispositivo dipolo-dipolo.
Figura 9 – Dispositivo dipolo-dipolo.

Tale disposizione quadripolare permette di indagare il terreno ed il punto posto a profondità a+na dato dall’intersezione delle 2 semirette, con pendenza 45°, partenti dai centri dei 2 dipoli. Il valore del fattore geometrico K è pari a:

K = pigreco * n * (n+1) * (n+2) * a

Spostando i dipoli in diverse posizioni lungo la linea elettrica, si indagano differenti punti a varie profondità, ottenendo una pseudo sezione del terreno. La profondità d’indagine di questo stendimento dipende dalla spaziatura tra gli elettrodi. In generale questo stendimento ha una minore profondità d’investigazione rispetto al Wenner. In relazione all’andamento quasi verticale delle variazioni di resistività, la profondità media di investigazione per questo stendimento potrebbe portare a sottostimare la profondità delle strutture di un 20-30%. Questo stendimento ha una copertura orizzontale decisamente superiore rispetto al Wenner.

Elaborazione delle misure geoelettriche 2D

I file registrati dallo strumento in campagna, sono stati scaricati su un supporto usb e successivamente importati ed elaborati con software, uno dei programmi di inversione di dati geoelettrici più diffusi e affidabili. Il risultato finale, per ciascun rilievo, e sintetizzato da una tomografia geoelettrica, che rappresenta un modello 2D della resistività del sottosuolo.

Si segnala che la differenza di potenziale misurata dal ricevitore dipende non solo dalla resistività dei materiali presenti nel sottosuolo, ma anche dalla loro disposizione spaziale; il processo di analisi utilizzato, tiene conto di ciò, applicando una serie di elaborazioni matematiche che prendono il nome di inversione.

Si riportano a seguire l’elaborazione delle tomografie realizzate, con contestuale disamina interpretativa.

Figura 10 - Sezione del sottosuolo parallela all'asse risultante della tomografia elettrica.
Figura 10 – Sezione del sottosuolo parallela all’asse risultante della tomografia elettrica.
Figura 11 - Sezione del sottosuolo parallela all'asse stradale risultante della tomografia elettrica.
Figura 11 – Sezione del sottosuolo parallela all’asse stradale risultante della tomografia elettrica.

Per motivi logistici, non è stato possibile effettuare stendimenti elettrici di lunghezza commisurata alle problematiche riscontrate, pur tuttavia, si evidenziano in colore blu – celeste, volumi di terreno saturi di acqua. Si evidenziano in colore blu, volumi di terreno saturi di acqua.

Figura 12 - Sezione del sottosuolo trasversale all'asse stradale risultante della tomografia elettrica.
Figura 12 – Sezione del sottosuolo trasversale all’asse stradale risultante della tomografia elettrica.

Anche in questo caso, per motivi logistici, non è stato possibile effettuare stendimenti elettrici di lunghezza commisurata alle problematiche riscontrate.

Si evidenziano in colore blu – celeste, volumi di terreno saturi di acqua individuati da 1,5 a oltre 4 m dal locale p.c.

Misure di livello e monitoraggio lesioni

Le lesioni sui fabbricati limitrofi sono state monitorate mediante un piano di monitoraggio è consistito nella installazione di:

  • n. 8 Deformometri digitali a lettura continua, collegati a due diverse centraline,
  • n. 5 Basi altimetriche più 2 riferimenti esterni,
  • n. 2 capisaldi a controllo del fabbricato con civico 40.
Figura 13 - Ortofoto con indicazione dei fabbricati e relativi numeri civici.
Figura 13 – Ortofoto con indicazione dei fabbricati e relativi numeri civici.

Controllo del quadro fessurativo

Su 8 lesioni ritenute più significative (4 individuate sul civico 40 e 4 sul fabbricato cui appartiene il civico 33), sono stati installati altrettanti sensori deformometrici ad acquisizione automatica. Le misurazioni sono state effettuate in automatico con un sistema di acquisizione dati tipo LPA, composto da una centralina e da misuratori di giunti monoassiali (deformometri) con corpo cilindrico in alluminio (Tipo PCM 50).

Caratteristiche tecniche

  • campo di misura variabile da 0 a 50 mm;
  • approssimazione: millesimo di millimetro;
  • temperatura di funzionamento: –20° +100°;
  • grado di isolamento IP 65

Il sistema LPA è un apparato di raccolta dati ideale per acquisizioni di lungo periodo, grazie al basso consumo e alla capacità di alimentare e preriscaldare i sensori solo all’occorrenza.

L’elettronica di gestione comprende ulteriori sensori che consentono la lettura della tensione della batteria e la misura della temperatura per mezzo di un sensore NTC.

Il trasferimento dei dati viene effettuato collegando l’esistente porta seriale ad un personal computer.

Il sistema, alloggiato in un contenitore a tenuta IP66, ha una risoluzione di 12 bit per canale e la caratteristica di attivare e disattivare il sensore preriscaldandolo prima della misura e ciò garantisce una maggiore precisione dei controlli; i dati, vengono conservati in una memoria tipo EPROM (non volatile) . Le acquisizioni sono programmate ogni 60 secondi. A seguire grafico riepilogativo “tempo-spostamento”, riferito al periodo monitorato; negli stessi riportiamo:

  • temperatura;
  • data e ora di lettura;
  • spostamenti in mm.
Figura 14 - Grafico riepilogativo "tempo-spostamento"
Figura 14 – Grafico riepilogativo “tempo-spostamento”.

Per quanto attiene il sensore installato sul fabbricato con civico 33 ove si è originato il fenomeno, dei 4 installati, solo uno è rimasto in funzione in quanto gli altri sono stati rimossi per indicazione della committenza.

Misure di livello

Le misure di livello sono state effettuate con un livello ottico Tipo Pentax serie AL-320, dotato di lamina pian parallela. Nel complesso, abbiamo installato n 5 Basi di misura più 2 capisaldi esterni; A seguire, grafico con le acquisizioni al 5 u.s., ed ubicazione in bozza dei capisaldi livellometrici.

Il grafico, contiene le risultanze di soli 5 capisaldi.

Figura 15 - Posizionamento capisaldi
Figura 15 – Posizionamento capisaldi.
Figura 16 - Grafico riepilogativo "tempo-spostamento"
Figura 16 – Grafico riepilogativo “tempo-spostamento”.

Esame dei dissesti

Le indagini geognostiche e geofisiche effettuate, ed il monitoraggio strutturale evidenziano che gli accertati fenomeni di dilavamento dei terreni, hanno prodotto i loro effetti sulle strutture limitrofe, ed in particolare su quelle controllate dai capisaldi livellometrici 3, 4 e 5. Fenomeni di allentamento dei terreni cosi significativi, raramente si esauriscono in breve tempo e necessitano quasi sempre di interventi e opere speciali nel sottosuolo aventi lo scopo di ricostruire l’addensamento dei terreni oramai alterato, e/o di trasferire i carichi di fondazione su litotipi più addensati.

Dall’indagine speleologica effettuata si è riscontrato che le cisterne sottostanti i fabbricati erano state utilizzate come discariche per rifiuti edili che venivano immessi nelle stesse tramite “l’occhio di grotta” con conseguente lesione delle volte della cisterna e rischio ambientale per i rifiuti sversati. Inoltre la volta lesionata della cisterna ha favorito il trasporto ed accumulo di terreni degli strati superiori all’interno della cisterna.

Interventi di consolidamento cavità sotterranee

Gli interventi di consolidamento sono rivolti all’adozione di soluzioni progettuali in grado di consentire dell’asse viario, interrotta al transito veicolare dall’epoca del dissesto, nonché la messa in piena sicurezza degli edifici direttamente coinvolti dall’apertura della voragine. Il raggiungimento di questi obiettivi comporta la realizzazione di un insieme conseguente d’interventi, aventi lo scopo di dare nuova continuità all’insieme terreno edificio-cavità ipogee ricreando tuttavia, una via di accesso alle stanze e ai cunicoli sotterranei.

Gli interventi sono consistiti in:

  1. Messa in sicurezza della volta della cisterna sottostante l’edificio.

La volta della cisterna è stata consolidata mediante l’incamiciatura dell’occhio di grotta con tubo in lamiera metallica e realizzazione di un telaio in acciaio a sostegno del rinforzo del’occhio di grotta.

  1. Pulizia della cisterna dai rifiuti.

La pulizia della cavità ha consentito l’eliminazione dei rifiuti edili presenti e quindi del relativo rischio inquinamento con il riutilizzo della cavità.

  1. Opere di riempimento del vuoto degli strati di terreno.

Il riempimento della una cavità interrata è avvenuto mediante pompaggio di argilla espansa a granulometria controllata e successiva iniezione di resina espandente con elevata forza di espansione allo scopo di saturare il volume interno, compattare i grani costituenti il riempimento e consentire un prefissato valore di precompressione sulle pareti.

  1. Consolidamento dell’asse viario.

Il consolidamento dell’asse viario prevede essenzialmente la realizzazione di una soletta in c.a. in corrispondenza dei vani sottostanti. Ciò comporta anche l’esecuzione delle seguenti opere:

  • demolizione della pavimentazione stradale e del massetto sottostante;
  • realizzazione di un cunicolo per l’alloggio delle tubazioni del gas, idrica e fognante;
  • impermeabilizzazione della soletta in c.a. e del cunicolo al fine di impedire l’infiltrazione delle acque meteoriche e delle eventuali perdite dalle tubazioni;
  • ripristino della pavimentazione stradale.
Dissesto idrogeologico e stabilità dei versanti

Dissesto idrogeologico e stabilità dei versanti

Piergiuseppe Froldi, 2015, Maggioli Editore

Il consolidamento dei versanti e dei pendii in terreni non lapidei a mezzo di pali strutturali, costituisce ad oggi il principale e più diffuso sistema di stabilizzazione laddove sono richieste prestazioni di funzionalità, affidabilità e sicurezza caratteristiche delle opere...




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