Rev. 4 del 14/05/2012 Composizione pagine totali nr. 63

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1 1 Via Arni, Castelnuovo di Garfagnana (LU) DEL TERRENO IN SITO CAMPO SPERIMENTALE PRESSO LOCALITA BOTTACCI (LUCCA) DI UNA TECNICA INNOVATIVA PER IL CONSOLIDAMENTO DEGLI ARGINI E DEI METODI DI ANALISI AVANZATI DELLA STABILITA DEI CORPI ARGINALI. RELAZIONE TECNICA DESCRITTIVA Emissione : Castelnuovo di Garfagnana, lì 14/05/2012 Redatto Firme Intersonda srl Rev. 4 del 14/05/2012 Composizione pagine totali nr. 63

2 INDICE 2 1. INTRODUZIONE APPLICAZIONI E VANTAGGI SVANTAGGI DELLE ANALOGHE TIPOLOGIE DI LAVORAZIONE ORGANIZZAZIONE DEL CANTIERE, MACCHINE E MATERIALI SEQUENZA DI REALIZZAZIONE CONTROLLI DURANTE LE LAVORAZIONI UBICAZIONE CAMPO SPERIMENTALE PRESSO LOCALITA BOTTACCI (LUCCA) VERIFICHE ESEGUITE SUI TERRENI E SUI MATERIALI PRIMA, DURANTE E DOPO L APPLICAZIONE ELENCO DELLE PROVE a. Indagini prima delle lavorazioni b. Controlli sul lavoro eseguito SISTEMA DI MONITORAGGIO PROTOTIPO E ANALISI PRELIMINARI

3 3 1. INTRODUZIONE

4 Perché è stata sviluppata questa tecnica? La Provincia di Lucca ( Ing. Gennarino Costabile e Geol. Giorgio Mazzanti) a seguito di eventi calamitosi del dicembre 2009, ha effettuato un estesa campagna di indagini geotecniche e geognostiche e analisi convenzionali ed in condizioni di moto vario per analizzare/verificare le condizioni di stabilità dei rilevati arginali del fiume Serchio. Breccia arginale a monte della bretella autostradale Lucca Viareggio Rotta arginale in loc. Nodica Il sifonamento a campagna costituisce il principale pericolo per la stabilità e la sicurezza delle arginature di contenimento.

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6 Perché questa soluzione? Sono diversi gli strumenti di controllo della filtrazione attraverso i terreni di fondazione, per evitare i problemi di sifonamento. I diaframmi impermeabili oltre ad essere ritenuti come sistema più efficace per bloccare la filtrazione al di sotto del rilevato arginale risultano essere anche tra i più economici se realizzati con cemento Perché con questa tecnologia? La tecnologia di miscelazione meccanica a secco del terreno in sito utilizzando solo cemento, acqua e terreno riesce a minimizzare se non annullare l inquinamento ed il disturbo delle condizioni ambientali e geometriche del sito. Questa tecnologia si inserisce infatti nel campo del consolidamento dei terreni coesivi teneri mediante una miscelazione meccanica del terreno in sito. Il terreno e il cemento, miscelati tra di loro in presenza di acqua (già presente o aggiunta in modeste quantità), formano un ammasso stabile (plastico e strutturale) a seguito della reazione pozzolanica di idratazione del cemento stesso Perché con questa attrezzatura? Lo sviluppo totale del tratto arginato compreso tra Ponte a Moriano e la foce è di circa 39 km, suddivisibili in diversi tratti che presentano diverse criticità. Questo impone l utilizzo di mezzi ed attrezzature di modesto ingombro.

7 Quali indagini preliminari sono state fatte in sito? Prove penetro metriche per la caratterizzazione geologica e geotecnica del sito; - Prove di miscelazione e compressione condotte in laboratorio su campioni di terreno prelevati in sito per indagare le potenzialità della miscelazione; - Indagini tomografiche per determinazione dell' andamento stratigrafico in 2D e 3D Cosa è stato fatto? La Società Intersonda srl di Castelnuovo Garfagnana (LU) ha realizzato nel periodo di settembre 2011, avvalendosi dei suggerimenti del Dipartimento di Ingegneria Civile dell Università di Pisa (Proff. Ing. Diego Lo Presti e Ing. Nunziante Squeglia), un diaframma plastico impermeabile attraverso una miscelazione meccanica a secco di un tratto arginale in Località Bottacci (LU) [sito messo a disposizione dalla provincia di Lucca] Quali controlli sono stati condotti sul diaframma? Uno scavo meccanizzato a fianco del diaframma realizzato per poter ispezionare la qualità/geometria del trattamento; - Una serie di carotaggi su alcuni pali realizzati che hanno permesso di : effettuare prove down-hole e ricavare campioni su cui condurre prove di laboratorio ( determinazione resistenza a compressione non confinata, determinazione massa volumica apparente ). - La ripetizione delle indagini tomografiche per la determinazione della geometria del trattamento. --- Quali prove sono state fatte per indagare l efficacia del diaframma? --- Intersonda ed il Dipartimento di Ingegneria Civile dell Università di Pisa effettueranno inoltre uno studio per verificare, attraverso un sistema di monitoraggio opportunamente installato ( su due sezioni arginali ), l efficacia del trattamento realizzato.

8 8 2. APPLICAZIONI E VANTAGGI

9 APPLICAZIONI consolidamento opere idrauliche; stabilizzazione e consolidamento terreni di fondazione; 9 consolidamento opere di contenimento esistenti; realizzazione di nuove opere di contenimento; N.B. : è possibile rinforzare strutturalmente il trattamento con l inserimento di armature;

10 VANTAGGI nessun inquinamento condizioni ambientali esistenti; basso rumore; assenza di vibrazioni; assenza durante il consolidamento delle opere idrauliche di momenti in cui viene ridotto il grado di sicurezza dell opera idraulica stessa; assenza di asportazione di materiale ( particolarmente vantaggioso nel caso di terreni contaminati ); la lavorazione non necessita di bentonite ( minerale argilloso necessario per il contenimento delle pareti di scavi in sezione ristretta ma che deve essere trattato come rifiuto dopo l utilizzo); lavorazione con utilizzo di pressioni acqua e cemento molto basse (3-6 bar); utilizzo di macchina operatrice con pesi e dimensioni notevolmente inferiori ad altre macchine per eseguire tipologie di lavorazione analoghe; sfrido pressoché inesistente; possibilità di lavorare anche da piani diversi rispetto al piano su cui è situata la macchina operatrice; non occorrono particolari piste di accesso; il trasporto del materiale secco, dal silos alla perforatrice, può avvenire per distanze molto lunghe ( mt.); risparmio economico notevole dal 20% al 40% rispetto a lavorazioni similari. 10

11 11 3. SVANTAGGI DELLE ANALOGHE TIPOLOGIE DI LAVORAZIONE

12 PALANCOLE METALLICHE: - formazione di piste idonee a sopportare i pesi e gli ingombri delle macchine; - utilizzo di macchine operatrici ingombranti e pesanti; - trasporto delle palancole e loro movimentazione nel cantiere; - produzione di rumore e vibrazioni; - difficoltà nell infissione per la possibile presenza di massi nel terreno; - costo elevato dell acciaio. 12 DIAFRAMMI CON BENNA MORDENTE - formazione di piste idonee a sopportare i pesi e gli ingombri delle macchine; - utilizzo di macchine operatrici ingombranti e pesanti; - necessità di un ampio spazio per la preparazione del cantiere; - maggiori oneri per smaltimento materiale scavato; - maggiori oneri per utilizzo bentonite durante gli scavi e relativo smaltimento a fine lavori; - precarietà degli argini durante le fasi lavorative sino a maturazione del legante; - notevole movimentazione di mezzi per il trasporto del materiale si di scavo che di riempimento del diaframma. JET GROUTING Questa tipologia di lavorazione, nelle modalità di esecuzione, è simile a quella trattata nella presente relazione, la differenza sostanziale consiste nel modo di miscelazione del terreno: - il jet grouting viene eseguito tramite alta pressione di fluidi con cui il volume di terreno trattato viene mescolato; - necessità di molte attrezzature per lo svolgimento delle lavoraioni. - La problematica del jet grouting sta nel fatto che, se non sapientemente effettuato e in dipendenza della conformazione dell opera, l alta pressione utilizzata può creare notevoli danni all opera stessa.

13 JET GROUTING - alta pressione 13 DEL TERRENO - bassa pressione

14 14 4. ORGANIZZAZIONE DEL CANTIERE, MACCHINE E MATERIALI

15 Di seguito riportiamo oltre alla foto del cantiere (Fig.5.1) un layout di cantiere (Fig.5.2) dove evidenziamo le varie attrezzature necessarie alle lavorazioni : 15 Fig. 5.1 Foto di cantiere

16 16 Fig Lay-out di cantiere

17 MACCHINA OPERATRICE ( Fig.5.3a - Fig.5.3b - Fig.5.3c ) dotata di slitta su cui scorrono le teste di rotazione con DUE ELICHE installate necessarie alla disgregazione durante la fase di discesa ed alla miscelazione durante la fase di risalita. Per poter disgregare nella prima fase e miscelare nella seconda ogni elica è dotata di un circuito doppio interno capace di fornire ad ogni elica il giusto quantitativo di acqua nella fase di avanzamento e di acqua e cemento nella fase di risalita; 17 COMPRESSORE ed un SILO PER CEMENTO ( Fig.5.4 ) in serie per garantire l approvvigionamento di cemento secco alle eliche durante la miscelazione; CISTERNA D ACQUA ed una POMPA in serie per garantire l approvvigionamento di acqua alle eliche durante la perforazione o la miscelazione. Materiali : ACQUA e LEGANTE SPECIALE PER INIEZIONI ( Fig.5.5 )

18 18 Fig.5.3a Foto e Ingombri in pianta della macchina operatrice

19 19 Fig.5.3b - Ingombri della macchina operatrice

20 20 Fig.5.3c - Ingombri della macchina operatrice

21 21 Fig Ingombri del silo

22 22 Fig.5.5 Legante speciale per iniezioni

23 23 5. SEQUENZA DI REALIZZAZIONE

24 Attraverso la macchina operatrice si procede alla realizzazione del TRATTAMENTO attraverso due fasi principali : 24 I fase TRATTAMENTO COLONNARE SINGOLO DISGREGAZIONE durante la discesa : Il terreno viene disgregato, in fase di perforazione, da eliche rotanti fino alla profondità di progetto, la perforazione può avvenire anche con l uso di acqua per favorire l avanzamento dell utensile di perforazione;

25 MISCELAZIONE durante la risalita : Raggiunta la quota di progetto, si procede alla risalita dell utensile ed il terreno disgregato viene miscelato con cemento in polvere, iniettato a bassa pressione mediante un getto di aria; a seconda del grado di umidità del terreno si deciderà di aggiungere più o meno acqua. 25 Geometria del trattamento colonnare singolo

26 II fase CREAZIONE DELLA PARETE CONTINUA 26 Attraverso la ripetizione del trattamento colonnare singolo appena descritto si procede sovrapponendo una serie di pannelli primari e secondari alla realizzazione di una parete continua di terreno trattato. Sequenza di costruzione della parete continua

27 27 6. CONTROLLI DURANTE LE LAVORAZIONI

28 Durante la costruzione del diaframma plastico al fine di monitorare le lavorazioni sono controllati/registrati i seguenti parametri: 28 FASE DI PERFORAZIONE Profondità di perforazione Velocità di avanzamento utensile Velocità di rotazione elica Dx Velocità di rotazione elica Sx Pressione idraulica coppia elica Dx Pressione idraulica coppia elica Sx Pressione Acqua elica Dx Portata e volume Acqua elica Dx Pressione Acqua elica Sx Portata e volume Acqua elica Sx Pressione Aria elica Dx Pressione Aria elica Sx FASE DI RISALITA Profondità di scavo Velocità di estrazione utensile Velocità di rotazione elica Dx Velocità di rotazione elica Sx Pressione Acqua elica Dx Portata e volume Acqua elica Dx Pressione Acqua elica Sx Portata e volume Acqua elica Sx Portata istantanea miscela secca iniettata misurata alla coclea con misura volumentrica. Controllo e valutazione della quantità di polvere insufflata nell'elica Dx. Controllo e valutazione della quantità di polvere insufflata nell'elica Sx. Misura istantanea del parametro di densità media di polvere iniettata (parametro KAPPA). Risalita automatica in funzione di step e soste programmabili. Eventuale controllo del bypass sequenziale.

29 29 Strumento utilizzato per le registrazioni

30 Report 1/3 Velocità di avanzamento, giri al minuto e coppia (per ogni elica) 30

31 Report 2/3 Acqua : pressione, litri al minuto, litri totali (per ogni elica) 31

32 Report 3/3 Legante : pressione, Mix Kg al minuto, Consumo Kg/mt (per ogni elica) 32

33 33 7. UBICAZIONE CAMPO SPERIMENTALE PRESSO LOCALITA BOTTACCI (LUCCA)

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35 35 planimetria generale campo prova

36 36 CASSA DI ESPANSIONE TRATTAMENTO CASSA DI ESPANSIONE TRATTAMENTO sezioni di riferimento

37 37 CASSA DI ESPANSIONE planimetria del diaframma realizzato

38 38 CASSA DI ESPANSIONE sezione del diaframma realizzato

39 39 8. VERIFICHE ESEGUITE SUI TERRENI E SUI MATERIALI PRIMA, DURANTE E DOPO L APPLICAZIONE

40 ELENCO DELLE PROVE 40 STUDI PRELIMINARI PRIMA DELL ESECUZIONE DEL DIAFRAMMA 1. Penetrometrie per verificare parametri geologici e geotecnici (CPTU 1 CPTU 2) 2. Tomografie geoelettriche per la costruzione stratigrafica in 2D e 3D (profili P1 P2 P3 P4) 3. Prove di miscelazione del terreno, prelevato durante le prove CPTU 1-2 a diversa profondità, con il prodotto utilizzato eseguite presso lo Stabilimento Austriaco fornitore del legante cementizio ESEGUITO CAMPO PROVA PER DIAFRAMMA 4. Prelievo di campioni di miscela alle diverse altezze e conferite a laboratorio specializzato per analisi di compressione e di permeabilità STUDI POST OPERAM 5. Scavo meccanizzato a fianco del diaframma per verificare geometrie e qualità trattamento 6. Prove sclerometriche su diaframma realizzato 7. Esecuzione di carotaggi continui su tre colonne trattate e consegnate a laboratorio per ulteriori prove di compressione e di permeabilità 8. Prove down-hole entro i tre sondaggi eseguiti per determinare la qualità del trattamento 9. Ripetizione tomografica geoelettrica per la costruzione in 2D e 3D del diaframma realizzato 10. Esecuzione di carotaggi continui (SA SB) e prelievo di fustelle indisturbate tipo Shelby, sulle due sezioni di controllo previste, ed inviate presso il laboratorio dell Università di Pisa per analisi stratigrafiche 11. Esecuzione prove di permeabilità tipo Lefranc su carotaggi SA-SB 12. Predisposizione delle strumentazioni (piezometri) per la fase di monitoraggio che eseguirà l Università di Pisa 13. Esecuzione prove CPT (P1-P2) con installazione di piezometri eseguite dall Università di Pisa in corrispondenza delle sezioni di controllo 14. Installazione dell apparecchiatura di monitoraggio e relativa registrazione dei dati

41 a. Indagini prima delle lavorazioni Prima dell inizio del campo prova sono state condotte indagini necessarie alla caratterizzazione del sito in cui successivamente sono state condotte le prove di miscelazione; in particolare si è proceduto in ordine cronologico a condurre : 41 - Prove penetrometriche : Le prove penetrometriche hanno consentito la caratterizzazione geotecnica dei terreni e la determinazione dell'andamento stratigrafico lungo la verticale di indagine. Planimetria con ubicazione delle prove ( le prove sono state eseguite dalla sommità arginale, considerata a quota 0; l altezza dell argine è 4,8-5,0 m.)

42 INTERSONDA srl 42 Attrezzatura Strumentazione

43 PENETROMETRIA_1 43 N Prof. SAT c Cu E M 0 K DESCRIZIONE [m] [kn/mc] [kn/mc] [kpa] [kpa] [MPa] [MPa] [m/s] 1 1,7 18,00 18, ,00 30,00 1E-06 Limi sabbiosi 2 5,5 17,50 18,50 0, , ,00 2E-08 argilla 3 9,8 16,00 17,20 0, , ,00 1E-09 Argilla con livelli di limi argillosi 4 10,2 19,50 20, ,00 100,00 1E-06 Limi sabbiosi 5 10,8 20,00 20,80 0, ,00 1E-08 Argilla Tabella 1 TRATTO A - Ricostruzione litostratigrafica e ricostruzione del modello geologico e geotecnico Con peso di volume naturale, SAT: peso di volume saturo, : angolo attrito efficace; c : coesione drenata; Cu: coesione non drenata; M 0: modulo edometrico; E= Modulo di Yong; K: coefficiente di permeabilità PENETROMETRIA_2 N Prof. SAT c Cu E M 0 K DESCRIZIONE [m] [kn/mc] [kn/mc] [kpa] [kpa] [MPa] [MPa] [m/s] 1 2,2 18,00 18,80 0, ,00 1E-07 Argilla con livelli di limi argillosi 2 5,6 16,20 17,50 0, , ,00 1E-07 argilla ,70 17,00 0, , ,00 1E-08 argilla 4 10,5 19,00 19,80 0, , ,00 1E-07 Argilla e limi sabbiosi Tabella 2 TRATTO A - Ricostruzione litostratigrafica e ricostruzione del modello geologico e geotecnico Con peso di volume naturale, SAT: peso di volume saturo, : angolo attrito efficace; c : coesione drenata; Cu: coesione non drenata; M 0: modulo edometrico; E= Modulo di Yong; K: coefficiente di permeabilità

44 - Prove di miscelazione e compressione condotte in laboratorio su campioni di terreno prelevati : 44 Durante le indagini in sito condotte per la caratterizzazione geologica e geotecnica del sottosuolo sono stati prelevati dei campioni di terreno che opportunamente confezionati sono stati spediti in Austria presso lo stabilimento della ditta fornitrice del legante. Questi campioni di terreno sono stati prima sottoposti a miscelazione meccanica con acqua e cemento e successivamente una volta maturati su di essi sono state eseguite prove di compressione.

45 - Indagini tomografiche : Le tomografie geoelettriche hanno consentito la determinazione dell'andamento stratigrafico in 2D e 3D. 45 Ubicazione dei profili geoelettrici [ P1 - P2 - P3 - P4 - P5 (longitudinale) ]

46 46 Tomografia geoelettrica P1 Tomografia geoelettrica P2

47 47 Tomografia geoelettrica P3 Tomografia geoelettrica P4 Tomografia geoelettrica P5

48 INTERSONDA srl b. Controlli sul lavoro eseguito A seguito del completamento delle lavorazioni è stato condotto : - Scavo meccanizzato : Lo scavo meccanizzato a fianco del diaframma realizzato ha permesso di ispezionare la qualità/geometria del trattamento Saggio condotto su una porzione del diaframma Prove sclerometriche condotte sulle colonne trattate 48

49 - Carotaggi : Una serie di carotaggi su alcuni pali pali realizzati ( n ) che hanno permesso di effettuare prove down-hole e ricavare campioni su cui condurre prove di laboratorio ( determinazione resistenza a compressione non confinata e determinazione massa volumica apparente ). 49 CASSA DI ESPANSIONE

50 CASSA DI ESPANSIONE 50 Perforatrice durante i carotaggi

51 51 Campione prelevato sul Palo 2 ( prof. 1,0 mt - 1,2 mt ) Campione prelevato sul Palo 7 ( prof. 3,2 mt - 3,3 mt ) Campione prelevato sul Palo 2 ( prof. 6,1 mt - 6,2 mt )

52 52 Campione prelevato sul Palo 2 ( prof. 6 mt ) Campione prelevato sul Palo 2 ( prof. 7 mt)

53 - Indagini tomografiche : La ripetizione delle tomografie geoelettriche per la ricostruzione delle geometrie in 2D e 3D del trattamento realizzato all interno del corpo arginale. 53

54 54 9. SISTEMA DI MONITORAGGIO PROTOTIPO E ANALISI PRELIMINARI

55 Il sistema di monitoraggio installato ha come obiettivo la individuazione della linea di saturazione all interno del corpo arginale al verificarsi di eventi di piena. 55 La misura diretta dei livelli piezometrici in appositi piezometri mediante trasduttori di pressione non è facilmente realizzabile all interno del corpo arginale che rimane asciutto o in condizioni di parziale saturazione per periodi molto lunghi. Il corretto funzionamento dei trasduttori di pressione richiede infatti che questi siano continuamente sommersi. Si propone una misura indiretta del grado di umidità attraverso sonde resistive. Sono state predisposte n 2 sezioni di controllo : - Sezione 1 : per il monitoraggio della zona non trattata; - Sezione 2 : per il monitoraggio della zona trattata; per monitorare due distinte sezioni: una in corrispondenza del trattamento effettuato da Intersonda, un altra in una porzione di argine limitrofa alla zona del trattamento ma non influenzata da questo. Il sistema, per il monitoraggio di una singola sezione prototipo, consiste dei seguenti componenti: - 10 sonde umidità terreno (EC 5 Decagon) con cavo da 5 m; - 2 Datalogger (EM50 Decagon); - Pacchetto software datatrack; - 2 chiusini a raso ( I chiusini hanno lo scopo di proteggere la strumentazione).

56 La sezione prototipo con l ubicazione indicativa della strumentazione è illustrata nell allegata figura che è stata prodotta dalla Provincia di Lucca e fa riferimento ad arginature esistenti. 56

57 57 Sez. 2 P2 SB Diaframma realizzato Sez. 1 P1 SA SCHEMA - Posizione delle due sezioni di controllo ( Sez. 1 e Sez. 2 )

58 INTERSONDA srl SA SB 58 P1 P2 Sez. 1 Diaframma realizzato Sez. 2 FOTO - Posizione delle due sezioni di controllo ( Sez. 1 e Sez. 2 )

59 INTERSONDA srl Il Dipartimento di Ingegneria Civile dopo aver eseguito per ogni sezione una prova CPT con punta elettrica (P1 e P2) ha provveduto all installazione di un tubo piezometrico aperto da 1/2 pollice. P1 P2 In corrispondenza della medesima sezione Intersonda srl ha provveduto ad eseguire dei sondaggi a rotazione a carotaggio continuo (SA e SB) sino alla profondità di 15 m con l installazione di un piezometro a tubo aperto con diametro di 2. 59

60 INTERSONDA srl 60 SA sondaggio con pozzetto SB - sondaggio con pozzetto I sondaggi sono stati realizzati per : - installare i piezometri; - avere una stratigrafia diretta del corpo arginale; - prelevare campioni su cui condurre prove di laboratorio;

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62 62 - eseguire quattro misure di permeabilità (Lefranc a carico variabile a profondità indicative di 1.5, e 9.0 m); - inserire una catena di elettrodi per misure di resistività (questa attività viene offerta da SOGET che collabora alla sperimentazione).

63 Descrizione delle attività con sequenza cronologica da adottare nel prossimo periodo: 63 - messa in opera dei sensori (sonde resistive); - messa in opera di due trasduttori di pressione nei due piezometri a tubo aperto con acquisizione in continuo (i trasduttori ed il sistema di acquisizione sono di proprietà della Provincia di Lucca) - messa in opera di due trasduttori di pressione nei due piezometri a tubo aperto da 1/2 pollice con acquisizione in continuo (i trasduttori ed il sistema di acquisizione sono di proprietà del Dipartimento di Ingegneria Civile) - messa in opera dei chiusini per la protezione della strumentazione - innalzamento del livello idrico sino al raggiungimento della sommità della banca. Questa operazione è condotta dalla provincia di Lucca in occasione di eventi piovosi. Il livello idrico innalzato andrebbe mantenuto per almeno 4 ore - misure di resistività e piezometriche durante il periodo di piena. Sulla base dei risultati si possono allungare i tempi di piena ed eventualmente ripetere l esperimento.