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Consolidamento terreno: le tecniche tradizionali e quelle innovative

Le principali metodologie e tecniche di consolidamento del terreno, da tradizionali a innovative: campi di applicazione, effetti, criticità.

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L’impiego di metodi di consolidamento del terreno alternativi ai pali è più recente ma si sta rapidamente diffondendo con l’obiettivo di ridurre costi e tempi degli stessi. Ogni tecnologia è basata su diverse azioni applicate nel sottosuolo tramite le tecniche e l’introduzione di vari materiali, riportate in tabella 1.

Ogni tecnica determina effetti diversi sul terreno circostante in funzione delle proprietà di quest’ultimo e delle azioni applicate conducendo alla formazione di elementi di rinforzo dotati di particolari caratteristiche meccaniche. La forma degli elementi è cilindrica più o meno regolare e costituisce un rinforzo di tipo colonnare. Attualmente, le tecniche di consolidamento più diffuse innovative e tradizionali sono riportate in tabella 2.

Tecnologie azioni applicate

Battitura Trivellazione Iniezione Miscelazione Vibrazione Sostituzione Compattazione

Materiali utilizzati

Boiacca Polvere di cemento Calce Calcestruzzo Ghiaia/ sabbia geotessili Resine

Tabella 1.1 – Tecnologie e materiali utilizzati

Tecniche di consolidamento

Innovative

Tradizionali

Deep mixing Jet Grouting Stone columns Resine espandenti Miscele acqua cemento con additivi fluidificanti Composti silicatici o resine non espandenti

Tabella 1.2 – Tecniche di consolidamento innovative e tradizionali

Le tecniche di trattamento del terreno tramite iniezioni possono a loro volta essere suddivise in:

  • Iniezioni per permeazione (permeation grouting) per ridurre la permeabilità del terreno ed il rinforzo degli stessi;
  • Iniezioni per compattazione (compaction grouting) per l’addensamento in materiali sciolti;
  • Iniezioni per recupero dei cedimenti di edifici o altre strutture (compensation grouting).

Consolidamento terreno: tecniche innovative e tradizionali

Deep mixing

Il deep mixing consiste nella miscelazione meccanica del terreno con calce e/o cemento attraverso l’azione di una trivella dotata di pale rotanti. Calce e cemento possono essere aggiunti in polvere (dry mixing) o premiscelati con acqua (wet mixing). Il dry mixing è generalmente preferito per terreni limo-argillosi saturi, in virtù del loro elevato contenuto d’acqua necessario per sviluppare le reazioni di presa del legante. Il diametro delle colonne di deep mixing è pressoché costante ed essere definito in fase di progetto. Le attrezzature disponibili consentono il raggiungimento di diametri tra 400 e 800 mm e profondità tipiche di 15 m.

Figura 2.1 – Fasi di esecuzione tecnica deep mixing

Jet Grouting

La tecnica del jet grouting consiste nell’iniezione di miscele fluide, proiettate ad alta velocità attraverso uno o più ugelli posti all’estremità di una batteria di aste metalliche cave. I getti fluidi determinano un complesso fenomeno di disgregazione, miscelazione e/o permeazione del terreno, seguito da una fase di presa e indurimento. Si produce così un elemento di terreno cementato, di forma approssimativamente cilindrica, con diametro e proprietà che dipendono sia dai parametri di iniezione che dalle proprietà dei terreni [CROCE et al., 2004]. I procedimenti esecutivi attualmente in uso possono essere classificati in tre categorie principali: monofluido, bifluido e trifluido.

  • Nel sistema monofluido la boiacca di cemento assolve alle funzioni di rimaneggiamento permeazione e cementazione;
  • Nel sistema bifluido, ciascun ugello permette l’iniezione contemporanea di miscela cementizia ed aria compressa, migliorando l’efficacia erosiva dei getti. Si ottengono così generalmente diametri della colonna consolidata maggiori non raggiungibili con il monofluido;
  • Il sistema trifluido consente di incrementare il raggio di trattamento, separando le azioni di disgregazione e cementazione del terreno. L’azione disgregante viene prodotta da getti coassiali di acqua ed aria, proiettate attraverso ugelli. La boiacca, iniettata a minore velocità tramite un ugello posto al di sotto dei precedenti, non ha una funzione disgregante ma di miscelamento con il terreno precedentemente rimaneggiato.
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Figura 2.2- tecnologia jet-grouting

Leggi anche Indagini sismiche su terreni di fondazione: le prove penetrometriche a cono

Stone Columns

Le stone columns sono colonne di sabbia e/o ghiaia che assolvono la duplice funzione di irrigidire il terreno e di accelerare il fenomeno della consolidazione. Sono realizzate mediante una sonda vibrante che penetra nel sottosuolo addensando il terreno circostante. Il foro è successivamente riempito di ghiaia o di sabbia che viene a sua volta addensato. Se il foro rimane stabile per un tempo sufficiente, è possibile immettere il materiale granulare dall’alto (top feed), in caso contrario è necessario immettere il materiale dalla punta della sonda, prima di estrarla dal terreno (bottom feed). In terreni poco consistenti è possibile raggiungere diametri di 0,75 – 1,10 m e profondità  di 25 m [Moseley e Priebe, 1993].

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Figura 2.3 – Colonne di ghiaia

Resine poliuretaniche espandenti

Le resine poliuretaniche sono prodotte dalla reazione esotermica tra un poliolo ed isocionato miscelate in proporzioni volumetriche prestabilite. Durante la reazione si genera un elevata quantità di anidride carbonica, la quale provoca l’espansione volumetrica della miscela e la formazione di una struttura spugnosa in cui rimangono intrappolate le bolle gassose.

In un arco di tempo breve variabile da alcuni secondi/minuti la miscela indurisce passando dallo stato liquido a quello solido. Il tempo di reazione dipende dal tipo di resina e dei catalizzatori ed è influenzato dalla temperatura dei componenti miscelati, controllando quest’ultima è possibile accelerare o ritardare il tempo di reazione. La pressione esercitata durante il rigonfiamento e la densità finale della resina dipendono dalla capacità di espansione del gas contenuto nelle bolle prima dell’indurimento.

Diversi studi condotti in laboratorio da (Favaretti et.al 2004, Di Svaldi et.al 2005, Buzzi et.al 2008/2010, Foti e Manassero 2009), confermano le seguenti risultanze, quali:

  1. La densità della miscela che allo stato liquido è 1070 kg/m3 molto prossima a quella dell’acqua durante il processo di espansione della resina si riduce notevolmente in funzione della pressione di rigonfiamento, il limite massimo di 37 kg/m3 si ottiene in condizione di espansione libera con il volume espanso pari a 30 volte il volume della miscela;
  2. La relazione tra pressione di rigonfiamento e densità e di tipo esponenziale, i risultati di laboratorio affermano che la pressione di rigonfiamento si riduce al diminuire della densità ed all’aumentare dell’espansione;
  3. I risultati ottenuti in b) confermano che il rapporto di rigonfiamento (Volume resina espansa finale ed iniziale iniettata) aumenta al diminuire della pressione di rigonfiamento.

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Figura 2.5 – Pressione di rigonfiamento della resina URETEK in
funzione del peso dell’unità di volume (Favaretti e al. 2004)

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Figura 2.6 – Relazione sperimentale tra il rapporto di

 

I risultati riportati in a-b-c rivestono particolare importanza nella valutazione delle iniezioni di resina nei terreni.Infatti le resine a seguito dei processi di di rigonfiamento ed indurimento, sviluppano caratteristiche meccaniche quali rigidezza e resistenza molto elevate in funzione del peso specifico finale. Orientativamente i parametri fisico meccanici ottenuti con tale trattamento conferiscono :

  • Pesi specifici compresi nell’intervallo di 0.50-3.50 kN/m3;
  • Moduli elastici o di rigidezza compresi tra 10-80 MPa confrontabili con quelli di terreni a grana grossa addensati;
  • Resistenza a compressione uniassiale variabile tra 0.25-6.50 Mpa e conseguente resistenza a taglio non drenata tra 0.125-3.25 Mpa;
  • Riduzione della conducibilità idraulica fino a circa 10-10 m/s.

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Figura 2.7 – modulo di rigidezza in funzione del peso dell’unita di volume finale della resina URETEK

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Figura 2.8 – Resistenza alla compressione monoassiale in funzione del peso dell’unità di volume finale della resina URETEK

 

Iniezioni tradizionali e confronti

Le tecniche tradizionali di iniezioni nel terreno prevedono l’utilizzo di miscele acqua cemento con addittivi fluidificanti oppure resine non espandenti. A parità di caratteristiche reologiche, le tecniche tradizionali consentono il controllo operativo del trattamento solamente attraverso la regolazione della pressione e delle portate all’uscita del sistema di pompaggio.

A differenza di queste ultime le iniezioni con resine poliuretaniche espandenti sono caratterizzate da notevoli proprietà rigonfianti, a seguito della fase di iniezioni e propagazione del terreno in condizioni fluide la resina si espande notevolmente fino al raggiungimento dell’equilibrio dello stato di tensione con il terreno circostante ossia quando la pressione di rigonfiamento della resina eguaglia la pressione media di confinamento del materiale trattato. Questo aspetto fornisce possibilità operative di regolazione e controllo del trattamento. Infine sono poco invasive, riduzione dei tempi di esecuzione e quindi anche meno costosi.

Leggi anche Consolidamento fondazioni: tecnologia Deep Injection e l’uso delle resine

Iniezioni con resine poliuretaniche espansive: campi di applicazione

Negli ultimi anni grazie al perfezionamento della tecnica si stanno diffondendo sempre di più le iniezioni di resine poliuretaniche ad elevata espansione (Manassero, 2009) in diversi campi di applicazione di consolidamento (figura 3.1):

  • Riempimento e stabilizzazione di cavità sotterranee;
  • Spiazzamento dell’acqua e riduzione della permeabilità idraulica;
  • Alleggerimento degli strati terreno sottostante il volume trattato con riduzione dei cedimenti;
  • Consolidamento dei terreni con aumento di rigidezza e resistenza a taglio;
  • Sollevamento di fondazioni o pavimentazioni per il recupero di cedimento superficiali assoluti e differenziali;
  • Riduzione del rischio di liquefazione per aumento di resistenza ciclica a taglio.

Al di là di un buon progetto, tramite le iniezioni di resine espandenti risulta indispensabile uno studio accurato del sito con riferimento alla struttura geologica, gli aspetti geotecnici idrogeologici e le condizioni al contorno.

Figura 3.1 – Applizazioni delle iniezioni con resine poliuretaniche espandenti (Foti e Manassero, 2009)

Riempimento e stabilizzazione di cavità

La stabilizzazione delle cavità sotterranee puo essere effettuata attraverso una prima fase di riempimento totale mediante pompaggio di argilla espansa con granulometria controllata e la successiva iniezione di resina poliuretanica espandente permettendo di risolvere il problema.

Infatti l’elevata espansione della resina consente di riempire completamente il volume interno, compattare i grani di argilla e l’applicazione di una forza di precompressione sulle pareti. Con il riempimento di argilla si evitano possibili crolli in superfici per effetto dei collassi delle pareti, mentre la precompressione della resina espansa previene i cedimenti di superfice dovute alle deformazioni delle pareti stesse. In figura 3.2 si riporta la tecnologia sviluppata dalla URETEK denominata Cavity Filling.

Figura 3.2 – Fasi principali della tecnologia Cavity Filling della URETEK

Riduzione della conducibilità idraulica

La struttura delle resine poliuretaniche espansa è costituita da pori non comunicanti rendendo di fatto il materiale imbibile ed impermeabile. Le iniezioni inoltre possono essere utilizzate per rimpiazzare o eleminare l’acqua dal terreno trattato con conseguente riduzione della conducibilità idraulica.

Prove sperimentali di laboratorio su argille fessurate trattate con resine espandenti hanno permesso la riduzione di un fattore 50 della macro-permeabilità, mentre la permeabilità intrinseca dei terreni iniettati risulta paragonabile a quella matrice argillosa intatta e mediamente 30-100 volte inferiore a quella dell’argilla fessurata. Il fenomeno di riduzione della conducibilità è attribuito alla penetrazione della resina fluida nelle fessure con spessore fino a 1/10 mm e l’interfacci argilla-resina raggiunge spessori con l’espansione variabili da 1-3 mm.

La riduzione di conducibilità idraulica ha inoltre effetti positivi in terreni soggetti a fenomeni di essiccamento e imbibizione, riduce ulteriori variazioni di volume di terreni saturi e il contenuto d’acqua iniziale. Negli interventi di consolidamento delle fondazioni o discontinuità il riempimento delle interfacce terreno fondazione impermeabilizzano quest’ultime.

Alleggerimento strati deformabili

Le iniezioni di resine espandenti sono molto efficaci nell’allegerimento di un terreno molto compressibile quali argille n.c che sono sottastanti strati di terreno a grana grossa in falda (fig.3.3).

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Figura 3.3 – modello geotecnico di riferimento (Manassero, 2014)

In figura 3.3 viene riportato la costruzione di un rilevato al di sopra di una sabbia limosa in falda sovrastante un argilla molto compressibile e sogetta a fenomeni di consolidazione primaria e secondaria a causa dei carichi trasmessi dallo strato sovrastane e dal rilevato stesso. L’iniezioni di resine espandenti con densità inferiore a quella dell’acqua si propagano nel terreno attraverso fenomeni di permeazione, espansione di cavità fratturazione sub verticali e penetrando nei pori spiazziano l’acqua. Il risultato finale è la riduzione del carico trasmesso alle argille n.c e quindi limitarne il cedimento nel tempo.

Miglioramento delle proprietà meccaniche

L’espansione della resina dopo l’iniezione nel sottosuolo, può essere assimilata all’espansione di una cavità di forma irregolare approsimabile a una cavita sferica o cilindrica dipendente dal tipo di terreno e dalle modalità di esecuzione. L’effetto sul terreno circostante è quello di incrementare due parametri fondamentali dello stato , quali densità e stato tensionale di confinamento, che a loro volta conferiscono il miglioramento delle caratteristiche di rigidezza e resistenza nel volume significativo. In questo caso le iniezioni hanno un effetto compattante.

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Figura 3.4 – Variazione stato tensionale al di sotto della fondazione consolidata
con iniezioni di resine espandenti (da URETEK)

Con riferimento al consolidamento della fondazione in figura 3.4, l’esecuzione delle iniezioni con il sistema Uretek Deep Iniections con distribuzione uniforme (diametri <30 mm ed interasse compreso tra 50 e 150 cm) in pianta a varie profondità permette la creazione di bulbi di consolidamento con migliori proprieta meccaniche, il quale hanno effetto su l’incremento di capacità portante e riduzione dei cedimenti del sistema fondazione-terreno soggetto ai carichi attuali e le eventuali variazioni dovute ad interventi futuri.

Recupero dei cedimenti

A seguito di cedimenti o deformazioni di pavimentazioni rigide o flessibili, fondazioni o fenomeni di subsidenza, pavimentazioni stradali, noto il quadro fessurativo di dettaglio tramite strumentazione con tecnologie avanzate (misure millimetriche di lesioni e cedimenti), effettuate le indagini geotecniche nel volume significativo  dell’intervento è possibile intervenire con l’appropriata tecnica al fine di bloccare l’evoluzione del cedimento e di recuperarne la massima quantià possibile in funzione della tipologia di terreno presente.

La resina iniettata si espande notevolmente fino a provocare il sollevamento della pavimentazione o fondazione tramite il contrasto con il materiale di sottofondo. Il sollevamento deve essere controllato con apposista strumentazione di rilievo laser e deve essere arrestata nel momento in cui si riscontra la planarità delle opere riducendone i cedimenti differenziali.

Nel caso di iniezioni con resine espandenti per il recupero dei cedimenti di fondazioni degli edifici in presenza di terreni a grana con falda poco permeabile, l’intervento deve essere attentamente valutato e progettato in quanto nella fase espansiva si riducono i cedimenti assoluti e differenziali ma l’effetto della pressione di rigonfiamento induce un incremento delle pressioni neutre e successivamente una consolidazione con il verificarsi di ulteriori cedimenti.

Conclusioni

Nel presente articolo sono stati descritte le principali metodologie di consolidamento del terreno tramite il trattamento con varie tecniche da tradizionali a innovative. Sono stati evidenziati i campi di applicazione e gli effetti prodotti individuando le peculiarità e criticità dei metodi.

Maggior risalto è stato dato e queste nuove tecniche con iniezioni di resine poliuretaniche ad alta espansione per la loro efficacia nella risoluzione di problematiche geotecniche e strutturali in quanto oltre a garantire il risultato finale sono poco invasive e facilmente cantierabili, minori tempi di esecuzione e conseguentemente minori costi.

Bibliografia

Dei Svaldi A., Favaretti M., Pasquetto A., Vinco G., 2005. Analytical modelling of the soil improvement by injections of high expansion pressure resin. Atti 6th International Conference on Ground Improvement Techniques, Coimbra 2005, pp. 577-584.

Favaretti M., Germanino G., Pasquetto A., Vinco G., 2004. Interventi di consolidamento dei terreni di fondazione di una torre campanaria con iniezioni di resina ad alta pressione d’espansione. Atti XXII Convegno Nazionale di Geotecnica, Palermo 2004, pp. 357-364.

Maiorano R.M.S., Aversa S., 2004. Modellazione numerica degli effetti prodotti da iniezioni espandenti al di sotto delle fondazioni di edifici in muratura. Atti XXII Convegno Nazionale di Geotecnica, Palermo 2004, pp. 389-393.

Andrea Dominijanni, Mario Manassero, 2014. Consolidamento dei terreni con resine espandenti. Guida alla Progettazione. McGrawHill Education


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