APPLICAZIONE DI MISCELE COMPATTATE TERRENO CALCE NELLA STABILIZZAZIONE DI UN PENDIO IN FRANA

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1 A.Di.S. Associazione Nazionale Difesa del Suolo "Difesa del suolo. Confronto di esperienze" Manoppello (PE), 2 dicembre 2006 APPLICAZIONE DI MISCELE COMPATTATE TERRENO CALCE NELLA STABILIZZAZIONE DI UN PENDIO IN FRANA Relatore: Dott. Ing. Francesco Massa Un ringraziamento particolare al Prof. Erio Pasqualini dell Università di Ancona e al Prof. Luigi Monterisi del Politecnico di Bari

2 OGGETTO DELLA RICERCA Interventi di consolidamento del versante Montagnolo (Ancona) interessato dal fenomeno franoso del 1982 Tra le opere di stabilizzazione (trincee, paratie e diaframmi) è stata prevista anche la realizzazione di un grosso rilevato di contenimento ( m 3 ) al piede del pendio

3 LA GRANDE FRANA DI ANCONA Edifici lesionati dopo l evento del 1982 Spostamento verso mare della strada e della linea ferroviaria

4 UBICAZIONE DELL AREA Zona dell intervento, interessata da antiche attività di cavatura

5 PROGETTO INIZIALE Realizzazione del rilevato di contenimento tramite materiale arido di cava Tout-venant: granulometria da 30 cm a limo sabbioso Materiale proveniente dalla demolizione degli edifici presenti nell area in oggetto

6 TRATTAMENTO IN SITO DEL TERRENO CON CALCE PROPOSTA DI VARIANTE fondata su due ordini di motivi: A) accresciuti problemi di viabilità connessi sia al trasporto del materiale di cava in cantiere, sia allo smaltimento in discarica del terreno argilloso-limoso presente in sito B) impatto ambientale connesso sia all estrazione dei materiali di cava, sia allo smaltimento in discarica del terreno in sito Necessità di soluzioni alternative, che prevedessero il riutilizzo del materiale presente, opportunamente additivato e compattato

7 TRATTAMENTO DI TERRENI CON CALCE Si ottengono significative economie, pur nel completo rispetto della qualità delle opere. Fino ad oggi in Italia le opere costruite con questa tecnica sono state: Rilevati stradali Rilevati ferroviari Rilevati per piste aeroportuali Opera di tipo massivo Prima applicazione in Italia su un versante in frana

8 LINEE PROGETTUALI Riprofilatura del pendio e riempimento tramite additivazione del terreno in posto con calce ed opportuna compattazione di esso Necessità di uno studio in laboratorio che indagasse sulle prestazioni meccaniche ed idrauliche del terreno additivato

9 OBIETTIVI Ottenere tramite l additivazione il miglioramento delle prestazioni meccaniche ed idrauliche del materiale Incremento del valore della k (conducibilità idraulica) Incremento dei valori di c e φ (resistenza) Elaborazione di un opportuno programma di prove

10 MATERIALI E METODOLOGIA DI RICERCA ANALISI DI LABORATORIO Materiali utilizzati: Terreno prelevato dall area del versante Montagnolo Calce Aerea Idrata Programma di prove: Classificazione del terreno (w n, analisi granulometrica, determinazione LL, LP, IP, determinazione γ s ) Prove di compattazione Prove di conducibilità idraulica Prove di taglio diretto

11 PRIMA SERIE DI PROVE DETERMINAZIONE DELLA QUANTITÀ DI CALCE DA ADDITIVARE OTTIMALE DA UN PUNTO DI VISTA PRESTAZIONALE ED ECONOMICO

12 CLASSIFICAZIONE DEL TERRENO RIASSUNTO GRANULOMETRIE passante (%) diametro (mm) SACCO 1 SACCO 2 SACCO 3 SACCO 4 SACCO 5 SACCO 6 SACCO 7 SACCO 8 Sacco 1-8: Limo con argilla sabbioso

13 CLASSIFICAZIONE DEL TERRENO campione Wn (%) LL (%) LP (%) IP (%) γ s (g/cm 3 ) % fine Argilla (%) Limo (%) Sabbia (%) sacco sacco sacco sacco sacco sacco sacco sacco Ghiaia (%) Elevata omogeneità del terreno in esame dall analisi analisi dei pesi specifici e delle % dei componenti

14 PROVE PROCTOR STANDARD γ d (g/cm 3 ) 1,70 1,65 1,60 1,55 1,50 CALCE 0% Proctor Standard CALCE 2% Proctor Standard CALCE 3% Proctor Standard CALCE 5% Proctor Standard 1,45 1,40 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 w (-) L additivazione con calce riduce il γ dmax e aumenta il w opt. Non c èc apprezzabile variazione in funzione della percentuale di calce aggiunta

15 PROVE DI PERMEABILITÀ w Calce k 7 (cm/sec) 20,9% 0% 1.2E-07 20,4% 2% 3.3E-06 21,2% 3% 5.6E-06 20,7% 5% 7.1E-06 Rispetto ai materiali di partenza il trattamento con calce induce un aumento della permeabilità. Questo perché la calce reagisce con i terreni fini provocando la flocculazione della frazione argillosa, con conseguente modificazione della granulometria della terra ed aumento dell indice dei vuoti.

16 PROVE DI TAGLIO DIRETTO % calce W di compattazione (%) Permeazione (gg) W iniziale (%) c (kpa) Φ ( ) 0 20,9 7 30, ,4 7 27, ,2 7 26, ,7 7 25, L additivazione con calce induce un incremento delle caratteristiche di resistenza del terreno. Notevoli incrementi della coesione e dell angolo d attrito rispetto al campione di terreno senza calce. La crescita di Φ è risultata più sensibile man mano che aumentano le percentuali di additivazione.

17 PROVE DI TAGLIO DIRETTO tau (kpa) spost trasv (mm) calce=0% calce=2% calce=3% calce=5% L additivazione del materiale con calce induce una variazione del suo comportamento da plastico, tipico dei materiali sciolti, a fragile, tipico dei materiali addensati

18 PRIMA SERIE DI PROVE CALCE 3% SECONDA SERIE DI PROVE : STUDIO DELL INFLUENZA DELL ENERGIA DI COMPATTAZIONE E DELLA STAGIONATURA

19 PROVE DI COMPATTAZIONE Compattazione - Prove Proctor Std, Mod, Rid 1.8 γd (g/cm 3 ) CALCE 0% Proctor Ridotta CALCE 0% Proctor Standard CALCE 0% Proctor Modificata CALCE 3% Proctor Ridotta CALCE 3% Proctor Standard CALCE 3% Proctor Modificata W (-) Le diverse energie racchiudono il range di compattazione applicabile in sito. La calce (3%) incrementa il Wopt e riduce γ dmax indipendentemente dall energia di compattazione

20 PROVE PROCTOR Energia Calce[%] w opt [%] γ dmax [g/cm 3 ] Ridotta Standard Modificata Ridotta Standard Modificata L aggiunta di calce al 3% provoca un aumento del w opt diminuzione di γdmax e una Il confronto per i campioni con energia Ridotta mostra che w opt cresce addirittura del 5% Ciò si traduce in una migliore lavorabilità del materiale additivato

21 PROGRAMMA PROVE DI PERMEABILITÀ ENERGIA Ridotta Standard Modificata CONTENUTO D ACQUA Wopt 4% Wopt Wopt + 4% TEMPO DI STAGIONATURA/PERMEAZIONE Fino a 28gg

22 CONFRONTO VALORI PERMEABILITÀ PER PROCTOR STANDARD Riepilogo Proctor Standard calce 0% e 3% 1,E-04 Calce 3% 1,E-05 k [cm/s] 1,E-06 1,E-07 Calce 0% W=18% W=22% W=26% W=16.5% W=20.5% W=24.5% 1,E-08 1,E tempo [giorni] Si osserva un incremento della conducibilità idraulica rispetto al terreno naturale; la variazione è trascurabile per elevati contenuti d acqua

23 CONFRONTO VALORI PERMEABILITÀ PER 1,E-04 PROCTOR MODIFICATA Riepilogo Proctor Modificate calce 0% e 3% 1,E-05 Calce 3% k [cm/s] 1,E-06 1,E-07 1,E-08 Calce 0% W=11% W=15% W=19% W=10% W=14% W=18% 1,E tempo [giorni] L aumento dell energia di compattazione produce una struttura chiusa sulla quale la calce ha un effetto minore

24 RISULTATI PROVE DI PERMEABILITÀ Energia W% di compattazione k calce 0% k 7 calce 3% k 28 calce 3% Ridotta 23,0 9,84E-07 1,37E-05 3,41E-06 Ridotta 27,0 1,50E-07 1,27E-07 6,75E-08 Ridotta 31,0 1,62E-08 2,71E-08 1,25E-08 Standard 18,0 4,06E-07 2,95E-05 1,28E-05 Standard 22,0 1,64E-07 9,50E-06 4,53E-06 Standard 26,0 1,96E-08 2,55E-08 4,59E-09 Modificata 11,0 6,84E-07 2,10E-06 1,07E-06 Modificata 15,0 4,39E-07 1,01E-06 2,83E-07 Modificata 19,0 1,12E-07 2,09E-07 8,91E-08 Ad alte energie di compattazione l influenza del W% è trascurabile: con una struttura chiusa l incremento di permeabilità è comunque modesto

25 PROVE DI PERMEABILITÀ: VALUTAZIONE EFFICIENZA Si introduce l indice: E k = k( Calce k( Calce 3%) 0%) Permette di valutare quanto è efficace il trattamento dal punto di vista delle prestazioni idrauliche E k > 1 Incremento delle prestazioni idrauliche

26 VALUTAZIONE EFFICIENZA 3.50 Proctor Modificata gg Ek Incremento Prestazioni Idrauliche 28gg W% Ek(7gg) Modificata Ek(28gg) Modificata Ad alte energie di compattazione l incremento di permeabilità o non si verifica o è modesto

27 VALUTAZIONE EFFICIENZA Proctor Standard Ek gg gg Incremento Prestazioni Idrauliche Ek(7gg) W% Ek(28gg) Alle medie energie di compattazione il trattamento risulta efficace anche ad elevati contenuti d acqua e dopo stagionatura

28 RISULTATI PROVE DI PERMEABILITÀ Nei test di conducibilità idraulica si osserva: Tendenza all incremento della conducibilità idraulica, a parità di contenuto d acqua e di energia di compattazione La posa in opera della miscela richiede un attenta valutazione dei contenuti d acqua e dell energia di compattazione: alti w o alte energie di compattazione bassa efficienza idraulica N.B. Il confronto non è significativo per i campioni con energia Ridotta, in quanto i valori di w opt sono molto diversi.

29 PROGRAMMA PROVE DI TAGLIO DIRETTO ENERGIA Ridotta Standard Modificata CONTENUTO D ACQUA Wopt TEMPO DI STAGIONATURA/PERMEAZIONE 7gg e 28gg

30 PROVE DI TAGLIO DIRETTO PROCTOR STANDARD st 28 gg resistenza al taglio di picco (kpa) c' = 14 kpa φ ' = 50 c' = 9 kpa φ ' = 49 c' = 16 kpa φ ' = 27 st 7 gg st nat pressione verticale (kpa) Incremento della resistenza dopo additivazione

31 PROVE DI TAGLIO DIRETTO PROCTOR MODIFICATA mod 28 gg resistenza al taglio di picco (kpa) c' = 56 kpa φ ' = 51 c' = 66 kpa φ ' = 45 c' = 25 kpa φ ' = 27 mod 7 gg mod nat pressione verticale (kpa) Incremento della resistenza dopo additivazione e stagionatura

32 PROVE DI TAGLIO DIRETTO E PERMEABILITÀ INTERPRETAZIONE DEI RISULTATI È possibile ricorrere ad energie di compattazione medie (Proctor Standard) garantendo sia l incremento della conducibilità idraulica sia quello della resistenza. Ad alte energie di compattazione (Proctor Modificata) si ha un incremento della resistenza perdendo però efficienza dal punto di vista idraulico.

33 PROVE EFFETTUATE CON w nat ELIMINAZIONE IN SITO DELLA FASE DI BAGNATURA compattazione W (%) Standard 26,7 Calce (%) γ d (g/cm³) Modificata 26, Standard 26, Modificata 26, preparate. Elevato contenuto d acqua: zona wet of optimum i tratti terminali delle curve di compattazione Standard e Modificata tendono a sovrapporsi.

34 PROVE DI PERMEABILITÀ CON w nat Compattazione % calce Stagionatura (gg) k 7 (cm/sec) Standard 0 * <1.0E-07 Modificata 0 * <1.0E-07 Standard 3 7 <1.0E-07 Modificata 3 7 <1.0E-07 L additivazione con calce non apporta significative variazioni in termini di permeabilità ai campioni compattati: nella zona wet of optimum prevale l effetto dell elevata umidità di costipamento rispetto all additivazione con calce.

35 PROVE DI TAGLIO DIRETTO A w nat Compattazione W di compattazione (%) Calce (%) W iniziale (%) c (kpa) Φ ( ) Standard 26,7 0 28, Modificata 26,3 0 28, Standard 26,5 3 28, Modificata 26,8 3 28, Notevole aumento della coesione e dell angolo d attrito del materiale trattato. Elevato contenuto d acqua di compattazione si perde l effetto dell incremento di energia di costipamento: non ci sono apprezzabili differenze di resistenza tra le serie di campioni additivati.

36 CONCLUSIONI SULL ATTIVIT ATTIVITÀ DI LABORATORIO Le indagini sono state svolte secondo un ampio spettro di situazioni rappresentative della realtà per valutare la fattibilità e l idoneità dell intervento di stabilizzazione. Test di laboratorio dimostrano come il miglior compromesso tra prestazioni idrauliche e meccaniche si ottenga per energie di compattazione medie. Le difficoltà stanno proprio nel riprodurre in sito le condizioni ottimali per garantire l efficienza dell intervento Necessità di verificare i risultati mediante campi prova

37 INDAGINI DI LABORATORIO Compattazione, permeabilità e resistenza al taglio CALCE= 3% CAMPO PROVA

38 CAMPO PROVA Indispensabile per la messa a punto delle modalità esecutive per la miscelazione del terreno in sito con calce e per la sua compattazione In particolare, si è trattato di definire: Spessore dei singoli strati di terreno Numero di passaggi del compattatore Modalità di additivazione della calce al terreno In modo tale da ottenere in sito i valori di resistenza e permeabilità più vicini possibile a quelli ottenuti sui campioni confezionati in laboratorio

39 CAMPO PROVA Per la messa a punto delle fasi di miscelazione e compattazione si è proceduto verificando due diverse procedure. PRIMA PROCEDURA: Strati compattati da 15 cm l uno, fino all ottenimento di 60 cm di materiale lavorato. SECONDA PROCEDURA: Strati compattati da 30 cm l uno. Il campo prova ha interessato un volume di materiale compattato pari a circa 400 m 3, volume notevole e quindi rappresentativo delle modalità esecutive attese in fase di esecuzione dell opera.

40 CAMPO PROVA Stesura del terreno Additivazione del terreno con calce

41 CAMPO PROVA Fresatura della miscela terreno-calce Dimensione zolle dopo fresatura

42 CAMPO PROVA Compattazione Porzione del campo prova destinata al campionamento

43 CAMPO PROVA: Prove di taglio diretto 350 Confronto con i campioni preparati a w nat resistenza di taglio al picco (kpa) Laboratorio - insieme dei campioni con energia Standard e Modificata; Wn=27%; c'=52 kpa; φ'=39 campo prova 3B c'=48 kpa; φ'=36 campo prova 3A c'=50 kpa; φ'=35 laboratorio campo prova 3A campo prova 3B pressione verticale (kpa) campione Stagionatura (gg) w iniziale c (kpa) Φ ( ) In sito + in laboratorio 3A % B % 48 36

44 CAMPO PROVA: Prove di permeabilità 1.8 γd (g/cm 3 ) Mod Std L3 L1 A B L W (-) campione A B L1 L2 L3 k (cm/s) 5.96E E-07 <1.00E-07 <1.00E-07 9,50E-06 La procedura seguita ha consentito di ottenere in sito una buona omogeneizzazione.

45 CAMPO PROVA: RISULTATI FINALI In conclusione, dall esame dei risultati è scaturito quanto segue: a) la resistenza meccanica del terreno additivato col 3% di calce è risultata confrontabile con quella ipotizzata in progetto per il toutvenant di cava (c' = 50 kpa e Φ =35 a fronte di c' = 0 e Φ = 35 ); b) la permeabilità è risultata essere più bassa di quella ipotizzata in progetto e richiesta dal capitolato (k = cm/s a fronte di 10-5 cm/s).

46 BUONI ESITI DEL CAMPO PROVA Approvazione della variante di progetto Permeabilità minore del tout-venant del progetto originario Realizzazione di un sistema drenante

47 OPERAZIONI DI CANTIERE: FASI ESECUTIVE DI REALIZZAZIONE DEL RILEVATO A CALCE E PROVE DI CONTROLLO IN CORSO D OPERAD

48 SEZIONE DELLA RIPROFILATURA MISCELA COMPATTATA TERRENO-CALCE FASI DI REALIZZAZIONE DEL RILEVATO: scavo del ripiano e riempimento con miscela compattata terreno-calce posta in opera a strati finiti di 30 cm

49 STRATO DRENANTE TRINCEA DRENANTE COLLETTORI STESA STRATO DRENANTE

50 RACCOLTA DELLE ACQUE SUPERFICIALI CUNETTA DI GUARDIA LUNGO LA BANCA FOSSO DI GUARDIA PERIMETRALE

51 FASI ESECUTIVE 1) stesa di uno strato di terreno proveniente dagli scavi di sbancamento; eliminazione delle impurità

52 FASI ESECUTIVE 2) stesa di uno strato di calce pari al 3% in peso secco con spandicalce semovente

53 FASI ESECUTIVE 3) prima fresatura della miscela: disgregazione delle zolle e miscelazione con la calce

54 FASI ESECUTIVE 4) bagnatura (quando necessaria) con autobotte

55 FASI ESECUTIVE 5) seconda fresatura della miscela: ripartizione uniforme dell umidità lungo lo strato

56 FASI ESECUTIVE 6) compattazione con rullo dotato di protrusioni: 2 passaggi A/R in modalità vibrante; 1 A/R statico

57 PROVE DI CONTROLLO IN CORSO D OPERAD IN LABORATORIO: - Granulometria e limiti di Atterberg (d<0.002 mm : tra 25% e75% ; IN SITO: d>0.02 mm : minore di 30%) ogni 5000 m 3 - Prove di taglio diretto (Φ >35, c >0) ogni m 3 - Contenuto d acqua naturale (25%<w<30%) ogni 5000 m 3 - Densità in sito ( γ>1.90 g/cm 3 ; γ d >1.45 g/cm 3 ) ogni 5000 m 3 - Prova di carico su piastra (M d >200 kg/cm 2 ) a completamento di ogni gradone del rilevato

58 PROVE DI CONTROLLO IN CORSO D OPERAD RESISTENZA AL TAGLIO DI PICCO (kpa) TAGLIO DIRETTO PRESSIONE VERTICALE (kpa) prescrizioni di capitolato c' = 0 kpa φ' = 35 Ottima rispondenza dei valori ottenuti alle richieste di capitolato

59 PROVE DI CONTROLLO IN CORSO D OPERAD 1,800 1,700 1,600 DENSITÀ IN SITO γ d (g/cm 3 ) 1,500 1,400 1,300 1,200 1,100 prescrizioni di capitolato 1,000 29/05/ /07/ /09/ /10/ /12/ /02/2002 GIORNI Ottima rispondenza dei valori ottenuti alle richieste di capitolato, tranne che in una prima fase di messa a punto delle modalità

60 PROVE DI CONTROLLO IN CORSO D OPERAD CARICO SU PIASTRA incremento di carico 2-3 kg/cm2 incremento di carico 3-4 kg/cm2 M d (kg/cm 2 ) NUMERO BANCA prescrizioni di capitolato Ottima rispondenza dei valori ottenuti alle richieste di capitolato

61 INTERVENTO DI RINFORZO MEDIANTE SOIL-NAILING Prova di taglio con valori inferiori a quelli previsti dal capitolato esecuzione di ulteriori prove di controllo. Ritardo di restituzione dei risultati della prova di taglio (necessaria fase di maturazione dei provini ed effettiva durata della stessa) non è stato possibile effettuare altri campionamenti indisturbati sullo strato in questione, in quanto nel frattempo si era proceduto nella costruzione del rilevato.

62 INTERVENTO DI RINFORZO MEDIANTE SOIL-NAILING È stata prevista l esecuzione di 9 prove penetrometriche statiche (distanziate di 15 m l una dall altra) lungo tutta la banca di quota +15,5 m s.l.m., in grado di fornire indicazioni sugli strati di terreno sottostanti.

63 INTERVENTO DI RINFORZO MEDIANTE SOIL-NAILING verticale 8 - q c verticale 9 - q c q c (kg/cm 2 ) q c (kg/cm 2 ) z (m) ZONA NON CONFORME z (m) Difficoltà delle macchine di operare al meglio nelle zone di bordo

64 INTERVENTO DI RINFORZO MEDIANTE SOIL-NAILING Valutazioni a base dell intervento: volume di terreno non conforme: spessore di circa 3 m e larghezza pari alla banca; in direzione longitudinale si è verificato che la zona di terreno non conforme si estendeva per circa 25 m, a cavallo delle prove CPT n.8 e 9; limitato volume totale non conforme rispetto al totale (<1%). Rinforzo mediante chiodatura del riempimento non conforme, dimensionato in modo tale da sopperire alla carenza di resistenza meccanica evidenziata dalle prove di controllo

65 INTERVENTO DI RINFORZO MEDIANTE SOIL-NAILING Perforazione: Φ 140 mm ; profondità 12 m ; inclinazione di 15 rispetto alla verticale; Posizionamento di una barra di acciaio ad aderenza migliorata; Iniezione di malta cementizia; Posizionamento di una piastra e pretensionamento a 28 giorni Disposizione planimetrica delle 55 chiodature, a maglia 2 m x 3 m

66 INTERVENTO DI RINFORZO MEDIANTE SOIL-NAILING :: FASI ESECUTIVE Fasi di perforazione e posa in opera dell armatura

67 INTERVENTO DI RINFORZO MEDIANTE SOIL-NAILING :: FASI ESECUTIVE Iniezione della malta

68 INTERVENTO DI RINFORZO MEDIANTE SOIL-NAILING :: FASI ESECUTIVE Piastre di serraggio L intervento ha permesso di ripristinare in maniera non distruttiva la resistenza della zona non conforme

69 RINVERDIMENTO DELLE SCARPATE Posa in opera di uno strato di 20 cm di terreno vegetale sottoposto ad idrosemina

70 PIANO DI MONITORAGGIO DEL VERSANTE - Inclinometri (60 m); - Piezometri (20 m); - Capisaldi GPS

71 CONCLUSIONI (I) L additivazione del terreno in sito con calce ha consentito la soluzione di un problema che avrebbe avuto un notevole impatto sul traffico e sull ambiente La rispondenza delle prove di controllo ai valori di capitolato ha testimoniato la correttezza delle modalità operative messe in atto e la validità della soluzione di variante progettuale proposta

72 CONCLUSIONI (II) Soluzioni di questo tipo devono basarsi su: studio iniziale di laboratorio allestimento di un campo prova in vera grandezza Il successo dell intervento è correlato alla stretta osservanza delle procedure operative e da un accurato controllo in corso d opera