Jet Grouting IL JET GROUTING STORIA PRINCIPI DEL METODO ESEMPI DI APPLICAZIONI. ROCK-SOIL TECHNOLOGY AND EQUIPMENTS

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1 ROCK-SOIL TECHNOLOGY AND EQUIPMENTS STORIA PRINCIPI DEL METODO ESEMPI DI APPLICAZIONI IL JET GROUTING - 1

2 Sommario 1. Introduzione. p Evoluzione storica della metodologia. p Principi base della tecnologia. p Principali sistemi.. p Mono-Fluido. p Bi-fluido. p Tri-fluido. p Una metodologia particolare: il Clou-jet p. 24 Introduzione. p. 24 Attrezzature e modalità esecutive. p. 24 Vantaggi della tecnica. p. 26 Dimensionamento del progetto. p Procedure da adottare in fase di esecuzione. p. 32 Conclusioni p Introduzione. Il è una tecnica d iniezione per il consolidamento del terreno; essa viene utilizzata per stabilizzare, rinforzare od impermeabilizzare i terreni direttamente in-situ mediante l iniezione, ad elevatissima velocità, di una miscela legante. I campi di applicazione del si estendono praticamente a tutte le tipologie di terre ed ad alcuni tipi di rocce tenere. Sviluppato in Giappone alla fine degli anni 60, introdotto in Europa qualche anno più tardi (primi anni 70), la metodologia si è poi largamente diffusa in tutto il mondo. Le applicazioni sono svariate e comprendono tra l altro la realizzazione e la ripresa di fondazioni profonde, la stabilizzazione di versanti (Ferlesh, 1990), il consolidamento preventivo per lo scavo di gallerie in terreni sciolti (Bienfait, 1994; Fredet, 1997; Richard, 1991), l impermeabilizzazione di dighe in terra (Guastini et al, 2000; Nishi et al, 2000), il ripristino dello schermo impermeabile profondo di vecchie dighe soggette a fenomeni di liquefazione, la realizzazione di bulbi per tiranti ad elevata capacità sia attivi che passivi, la realizzazione di tappi di fondo tra paratie e/o pozzi per lo scavo di linee metropolitane sotto falda, ecc. La versatilità del ed il dimensionamento piuttosto ridotto delle attrezzature necessarie alla sua realizzazione, ne fanno apprezzare la scelta, soprattutto per la realizzazione di opere in zone urbane e/o di difficile accesso. l evoluzione del dalla nascita sino ad oggi; le varie tecniche attualmente utilizzate; le modalità esecutive del ; vari casi di applicazioni sia a livello teorico sia a livello pratico (lavori eseguiti). 2 3

3 EVOLUZIONE STORICA DELLA METODOLOGIA 4 5

4 2. Evoluzione storica della metodologia. La tecnica è stata utilizzata per la prima volta in campo petrolifero per assicurare il consolidamento delle pareti dei fori per perforazioni profonde (1954). Una delle prime applicazioni è attribuita alla società inglese Cementation Company che realizzò, con successo, una serie di consolidamenti per la realizzazione di dighe in Pakistan. La procedura d iniezione utilizzata all epoca consisteva nell esecuzione di una perforazione fino alla profondità desiderata e nell eseguire un iniezione d acqua attraverso le aste di perforazione in modo tale da rimuovere i fini dal terreno e di farli risalire in superficie. Tutto questo processo avveniva durante la discesa della batteria di aste. Una volta raggiunta la profondità desiderata, l iniezione d acqua veniva sostituita dall iniezione di miscela cementizia; l inezione della miscela provocava la disgregazione ed il dilavamento del terreno attorno al punto d iniezione, causando un allargamento del foro iniziale (da tre a quattro volte il diametro originale). Durante la risalita delle aste d iniezione, la cavità creatasi veniva riempita con un melange suolo-miscela e si realizzava così una colonna fino a quota piano campagna (Fioravante et al, 1997; Kutzner, 1996; Lunardi, 1992; Tornaghi, 1989). Nel periodo immediatamente successivo Yamakado, con lo scopo di rimediare all inefficacia dei metodi tradizionali d iniezione di cemento e prodotti chimici in terreni a bassa permeabilità e granulometria fine, eseguirono delle prove fondamentali di iniezioni ad elevatissima energia e volume controllato, con lo scopo di determinare una metodologia che permettesse la disgregazione ed, in seguito, il trattamento con miscela legante dei terreni sopra citati per migliorarne le caratteristiche tecniche. Le prime applicazioni di ingegneria civile risalgono agli inizi degli anni 70 (Botto, 1985). Il processo utilizzato in Giappone (Chemical Curning Pile) si basava sui tre principi fondamentali seguenti: Tuttavia il trattamento realizzato non otteneva omogeneità a causa del fenomeno di fratturazione idraulica o claquage provocato dall aria compressa iniettata nel terreno unitamente alla miscela legante. Nel 1975, a seguito delle esperienze ricavate dall applicazione delle tecniche precedentemente illustrate (monofluido, Chemical Curning Pile, e bifluido, Jumbo Special Pile), la compagnia giapponese Kajima Corporation mette a punto un nuovo metodo (trifluido -Kajima-). La nuova metodologia prevedeva l iniezione ad una quota superiore di aria ed acqua, attraverso 2 ugelli concentrici, per disgregare ed evacuare parzialmente il terreno. Simultaneamente ad una quota inferiore (30-40 cm) avveniva l iniezione di miscela legante per il consolidamento del terreno in-situ. L impiego del metodo Kajima consentì di raggiungere diametri di circa 2.5 metri con omogeneità di trattamento accettabile. Nello stesso periodo, le prime prove realizzate in Europa (CCP, Italia) su licenza e con attrezzature giapponesi misero in evidenza l impossibilità di applicare le tecnologie Jet su vasta scala, perché i macchinari e gli utensili troppo sofisticati e costosi non permettevano l esecuzione di lavori a costi accettabili e competitivi. Di conseguenza le imprese europee (Keller, Pacchiosi Drill, Rodio, Trevi, ecc,1975) ed alcuni progettisti (C.Luis,Francia; P.Lunardi,Italia) iniziarono lo studio, la sperimentazione e la costruzione di cantieri completi ed automatizzati, che consentissero l applicazione delle tecnologie con costi e prestazioni competitivi. La realizzazione di attrezzature con altissime prestazioni ha consentito lo sviluppo ulteriore delle tecnologie (mono-fluido,bi-fluido e tri-fluido) permettendo l applicazione su vasta scala e la diffusione in tutto il mondo del che viene utilizzato per risolvere, in modo competitivo, i problemi più complessi del sottosuolo nel campo dell ingegneria civile 1. destrutturazione del terreno sotto l effetto dinamico di un Jet a forte energia cinetica; 2. estrazione parziale del terreno disgregato; 3. incorporazione di un melange a base di cemento. Per adempiere alle tre funzioni, il metodo Chemical Curning Pile utilizzava un Jet ad altissima velocità, generato da un ugello solidale all asta di perforazione ed iniezione. Il movimento ascendente, circolare ed uniforme delle aste permetteva la disgregazione del terreno che, sotto l effetto della forte energia cinetica, veniva parzialmente escavato e rimpiazzato dal melange suolo-cemento. Le performances di questa tecnica erano però molto modeste: i diametri dei trattamenti erano limitati a 50 cm circa nelle sabbie ed a 30 cm circa nei terreni argillosi. 6 Sempre in Giappone, con lo scopo di aumentare il raggio d azione del Jet di cemento, si pensò nel 1972 di rivestire il Jet di cemento con un Jet d aria compressa (Jumbo Special Pile): il diametro raggiunse circa 2 metri. 7

5 PRINCIPI BASE DELLA TECNOLOGIA JET GROUTING 8 9

6 3. Principi base della tecnologia. La metodologia è essenzialmente un processo di erosione controllata realizzato tramite l impiego di uno o più getti, d acqua o di miscela cementizia, lanciati ad altissima velocità contro la parete di un foro di piccolo diametro al fine di tagliare, disgregare ed evacuare verso la superficie una Figura 1 parte dei terreni in-situ e, simultaneamente, impastare i terreni rimasti in posto con una miscela a base di cemento. Il principio base del metodo prevede che l energia idraulica, trasmessa dalla pompa ad alta pressione alla miscela d iniezione ed all acqua di disgregazione (Energia = Pressione x Portata), sia trasformata in energia cinetica (Ecin = mv2/2) all uscita degli ugelli di iniezione (Pacchiosi, 1998). Le fasi normali d esecuzione di una iniezione Jet Grouting consistono in un primo tempo nella realizzazione di una perforazione di piccolo diametro (vedi fig.1), generalmente dell ordine di 150 mm, fino alla base del trattamento previsto e, secondariamente, nella fase d iniezione. Questa fase segue immediatamente l esecuzione del foro senza necessariamente dover provvedere al ritiro della batteria di aste in superficie. Dopo l attivazione dei getti d iniezione, la batteria di aste viene estratta lentamente con velocità di rotazione costante (vedi fig.2), permettendo così, in terreni omogenei, la formazione di una colonna di terreno impastato con la miscela cementizia di diametro regolare dalle caratteristiche omogenee (vedi fig.3). Durante l iniezione, viene continuamente evacuato verso la superficie un fluido denso (chiamato riflusso) costituito da miscela cementizia, acqua di disgregazione e da suolo; questo refluo passa tra l esterno della batteria di aste e la parete del foro ed è molto importante che non si blocchi, altrimenti si Figura 2 Figura 3 10 potrebbero generare claquages (fratture orizzontali del terreno generata da sovra-pressioni). Quando queste condizioni sono effettivamente realizzate, la pressione idrostatica in-situ a livello dell iniezione è essenzialmente proporzionale all altezza della colonna del liquido di ritorno 11

7 all interno del foro di perforazione. Quando è ben realizzato, il non comporta alcun rischio per gli edifici e le strutture adiacenti al cantiere di lavoro. Figura 5: linear panels Figura 4: partial column Per alcune applicazioni particolari, le aste possono essere fatte risalire senza rotazione o con rotazione parziale per ottenere, come risultato finale, la realizzazione di colonne parziali o di pannelli sottili (vedi fig. 4, 5 e 6). Negli ultimi anni sono state ottenute colonne parziali aventi raggio 2.5 metri (vedi figura 4) e pannelli con lunghezze fino a 8 metri (vedi figure 5 e 6) utilizzati al posto di paratie tradizionali. Figura 6: linear panel 12 13

8 PRINCIPALI SISTEMI JET GROUTING MONO-FLUIDO BI-FLUIDO TRI-FLUIDO CLOU-JET 14 15

9 4. Principali sistemi.. Le tecnologie più utilizzate nel mondo sono le seguenti (Pacchiosi, 1998): Mono-fluido; Doppio-fluido; Triplo-fluido; Clou-jet Mono-Fluido. Il mono-fluido è la metodologia più elementare di. In questo procedimento, la miscela cementizia iniettata con altissima energia cinetica, viene utilizzata per le tre funzioni seguenti: un manicotto nel quale si trova l alloggiamento per una biglia d acciaio. Quest ultima viene inserita una volta terminata la perforazione, per ottenere la chiusura del canale assiale della batteria di aste; così facendo la miscela cementizia non può uscire che dagli ugelli e non più dalla parte inferiore dell utensile utilizzato durante la perforazione. Pochi centimetri più sopra alla sede biglia si trovano gli ugelli d iniezione. Questi sono generalmente collocati ad altezze differenti al fine di trattare due volte la stessa zona (vedi figura 8). Una volta che la batteria di aste si trova alla profondità desiderata, l apparecchiatura è sottoposta al movimento ascendente circolare mentre la pompa assicura l approvvigionamento necessario di miscela alla pressione ed nella quantità volute. Il Jet disgrega il terreno che si mescola con la miscela. Grout bar Figura 8 : sezione che rappresenta la sede biglia e la circolazione dei fluidi all interno delle aste Figura 7: colonna realizzata con monofluido. La risalita si può effettuare in due modi: per scatti oppure in continuo. L applicazione di questo processo è generalmente limitata a colonne di piccolo diametro ( ordine di grandezza 1 metro ) ed a terreni granulari. D altra parte, il mono-fluido, resta la sola possibile metodologia applicabile per la realizzazione di iniezioni orizzontali, correntemente utilizzate per la costruzione di gallerie in terreni sciolti. In figura 9 si vede uno schema che rappresenta un cantiere tipo con tutte le attrezzature necessarie per effettuare il mono-fluido. disgregazione dei terreni in posto per iniezione dinamica; estrazione di una parte del terreno in posto; riempimento ed impasto della miscela cementizia con il terreno rimasto in posto. Le lavorazioni propriamente dette di con la tecnica mono-fluido sono suddivise in più fasi : Le attrezzature necessarie sono una o più perforatrici rifornite di miscela cementizia da una pompa ad alta pressione la quale a sua volta è alimentata da un mescolatore, connesso ad uno o più silos di cemento, che prepara il fluido necessario in modo automatico. Il mono-fluido normalmente viene utilizzato dove non è rilevata la presenza di particellato argilloso. Tuttavia potrà essere effettuato il suo utilizzo in tali terreni a condizione di realizzare un prelavaggio del terreno durante la fase di perforazione. Si realizza, in un primo tempo, un foro classico di piccolo diametro (da 60 a 200 mm) per mezzo di un tricono, trilama o martello fondo-foro. Il diametro del foro dev essere superiore al diametro della batteria di aste per permettere l evacuazione del riflusso generato durante il trattamento. Si utilizzano utensili per la perforazione che abbiano l uscita di acqua (o di miscela cementizia) nella parte inferiore; nella parte superiore di questi monitors viene connesso La resistenza (compressione semplice) ed il diametro della colonna saranno comunque inferiori rispetto a quelli ottenibili in terreni privi di particelle fini di natura argillosa. Comunque resta indicato per tutti i terreni che non presentano argilla. Nelle sabbie fini, nelle sabbie grossolane e nelle ghiaie le colonne realizzate tramite mono-fluido danno delle buone resistenze e vengono realizzate abbastanza facilmente (hanno forma regolare, grande diametro, ecc.) 16 17

10 4.2. Bi-fluido. Figura 10 : colonna realizzata con bi-fluido.. Concettualmente il bi-fluido è similare al mono-fluido ad eccezione dell utilizzo di aria compressa ( da 6 a 20 bars ) che avvolge il getto di miscela cementizia (vedi particolare in fig.11) permettendo un efficacia maggiore per quanto riguarda la disgregazione e quindi il diametro ottenibile. 18 Figura 9 : cantiere per mono-fluido. In terreni di origine alluvionale le resistenze ottenibili sono buone anche quando l impasto terreno-miscela viene eseguito velocemente. Anche se il mono-fluido è appropriato per le alluvioni, potrà essere rimpiazzato dal doppio-fluido o dal tripplo-fluido, per esempio nel caso in cui, per esigenze di progetto, sia necessario realizzare colonne di maggior diametro o se una parte di terreno presentasse matrice argillosa. Si possono raggiungere diametri di circa 2 metri. Il bi-fluido è efficace anche in terreni debolmente cementati; tuttavia le limitazioni sono piuttosto numerose: il processo bi-fluido non è raccomandato in applicazioni presso edifici od altre strutture sensibili perché, questo metodo, è molto suscettibile a fenomeni di sollevamento dovuti all enorme viscosità dei reflui d iniezione, la cui libera evacuazione verso la superficie si rivela frequentemente difficile. La non perfetta evacuazione dei reflui infatti, rende possibile lo sviluppo di sovra-pressioni nel terreno, facendo aumentare il rischio di claquage idraulico, particolarmente in terreni coerenti; la qualità del trattamento in-situ, generalmente, sarà meno soddisfacente e meno omogenea per i suoli fini e coerenti, sia se la si paragona ad un ipotetico trattamento eseguito con il monofluido, sia soprattutto in paragone al tri-fluido. Conseguentemente, il bi-fluido verrà utilizzato in applicazioni ove sia possibile tollerare variazioni considerevoli della qualità del trattamento; Figura 11: sezione che rappresenta la sede biglia e la circolazione dei fluidi all interno delle aste. 19

11 l applicazione del bi-fluido si rivela particolarmente ostica a profondità eccedenti i 15 metri; ciò è dovuto alla difficoltà sempre maggiore d evacuare efficacemente i reflui d iniezione verso la superficie condizione necessaria alla realizzazione di un trattamento di qualità. Nel caso in cui ciò non avvenga si possono generare claquages (frattura orizzontale del terreno) che potrebbero causare gravi danni strutturali ad edifici, infrastrutture, ecc Tri-fluido. Figura 13: colonne realizzate con tri-fluido. Il tri-fluido è la più evoluta metodologia tra quelle a tutt oggi disponibili. In questo processo, uno o più getti d acqua contornati d aria compressa, sono utilizzati per disgregare il terreno in-situ allorchè, simultaneamente, viene iniettata una miscela cementizia attraverso uno o più ugelli situati alla base della batteria di aste (fig. 14). Questa metodologia necessita dell impiego di aste a tripla parete, che permettono il passaggio simultaneo, in condotti separati, dei tre fluidi necessari al processo in esame. Figura 12: cantiere per bi-fluido. In figura 12 si vede uno schema che rappresenta un cantiere tipo con tutte le attrezzature necessarie per effettuare il bi-fluido. Rispetto al mono-fluido, un cantiere per bi-fluido necessita di un compressore potente per aria, nonché naturalmente di tutte le aste a doppia parete per consentire il passaggio simultaneo e separato dei due fluidi necessari per la realizzazione della metodologia. Con il tri-fluido si utilizzano pressioni alla pompa ed al compressore molto elevate: bars per l acqua di disgregazione; bars per la miscela cementizia; 6-20 bars per l aria La separazione della fase di disgregazione dei terreni dalla fase d iniezione e mescolamento con miscela cementizia, permette di esercitare un controllo migliore sulle caratteristiche finali del terreno trattato agendo sui parametri di controllo (portate, pressioni, composizione della miscela, velocità di risalita, ecc.) Figura 14 : sezione che rappresenta la sede biglia e la circolazione dei fluidi all interno delle aste. delle due sequenze operative in modo indipendente. Generalmente si nota che con il tri-fluido, rispetto agli altri metodi precedentemente illustrati, si ottengono sostituzioni più significative dei terreni in posto

12 Il tri-fluido è la più versatile delle metodologie : si applica a tutte le tipologie di terreni, inclusi i terreni cementati e le argille plastiche; il sistema ottiene risultati eccellenti anche a grandi profondità (alcune applicazioni oltre i 100 metri) ; offre un ottima omogeneità del trattamento; è applicabile nelle vicinanze di edifici e strutture sensibili, perché è poco suscettibile a fenomeni di sollevamento; ciò è dovuto alla continua diluizione dei reflui d iniezione per mezzo dell acqua di disgregazione, facilitando la libera evacuazione dei reflui verso la superficie; permette di ottenere colonne di diametro importante (oltre 4 metri), anche in terreni coesivi; a parità di tipologia di terreno,il tri-fluido è più economico in cemento rispetto al mono-fluido ed al doppio-fluido; ciò è dovuto al controllo separato che si può esercitare sulla fase di digregazione dei terreni e sulla fase di mescolamento con miscela cementizia. In figura 15 si vede uno schema che rappresenta un cantiere tipo con tutte le attrezzature necessari per effettuare il tri-fluido. Le differenze rispetto ad un cantiere per mono o bi-fluido sono poche ma sostanziali: innanzitutto le pompe devono provvedere all approvvigionamento di miscela cementizia (anche per mono e bi-fluido) e contemporaneamente alla fornitura di acqua necessaria per la disgregazione del terreno; le aste di iniezione e la perforatrice sono realizzate appositamente per l esecuzione del tri-fluido (tripla parete per le aste, testa di perforazione per la macchina) i sistemi di registrazione dei dati di perforazione e di iniezione sono più complessi perché devono analizzare più parametri. Figura 15 : cantiere per tri-fluido 22 23

13 drill 4.4. Una metodologia particolare: il Clou-jet Introduzione. La tecnica di consolidamento del terreno mediante infissione di ancoraggi passivi ( chiodatura dei suoli ), applicata per stabilizzare temporaneamente e permanentemente pendii naturali e scarpate artificiali, richiama un principio fondamentale nel campo della tecnica delle costruzioni: mobilizzare le caratteristiche meccaniche intrinseche del terreno, quali la coesione e l angolo di attrito interno, così che il terreno collabori attivamente all opera di stabilizzazione. Sviluppata tra gli anni 50 e 60 per essere applicata in rocce dure e compatte, la tecnica della chiodatura dei suoli trova attualmente, grazie a un supporto teorico sempre più consistente e a innovazioni tecnologiche sempre più perfezionate, possibilità di esecuzione in un ampia gamma di terreni che varia da quelli granulari, come suoli alluvionali, a quelli coerenti, come argille e marne. Per questo motivo si sta notevolmente ampliando, soprattutto a livello europeo, il campo degli interventi in cui la tecnica è applicata con successo: contenimento di scarpate di trincee a cielo aperto e di rilevati stradali, stabilizzazione di dighe in terra e di argini di fiumi, consolidamento di fondazioni di edifici contigui e di piedritti di gallerie. Si illustreranno le modalità esecutive, i vantaggi e le applicazioni di una particolare tecnica di consolidamento tramite realizzazione di ancoraggi passivi detta Clou-Jet. Tecnologia Clou-Jet: Attrezzature e modalità esecutive. La tecnologia Clou-Jet, sviluppata e commercializzata dall Ing. C.Louis di Parigi e dalla Impresa Pacchiosi Drill S.P.A. di Parma, Italia, prevede speciali tipi di chiodi muniti di dispositivi di iniezione ad alta velocità (), in grado di realizzare bulbi di malta cementizia di grande diametro. In questo modo, viene assicurata la saldatura delle armature al terreno, nonché il miglioramento delle caratteristiche geotecniche del suolo. L iniezione ad alta pressione durante la fase di infissione favorisce inoltre la penetrazione del chiodo stesso mediante la progressiva disgregazione del terreno. La tecnica Clou- Jet prevede che la fase di scavo e la fase d infissione dei chiodi procedano in successione alternata, a partire dalla prima (fig. 16). Dopo l esecuzione di una fase di scavo di altezza tale da mantenere stabile il tratto di parete appena scavata, si procede immediatamente con l infissione e l iniezione di una fila di chiodi Clou-jet: le spinte attive generatesi al momento dello sbancamento nel volume di terreno retrostante la superficie di scavo vengono così immediatamente controbilanciate. Dopo questa seconda fase, la superficie di scavo viene rivestita con spritz-beton armato mediante doppio strato di rete metallica. Tale operazione consente di realizzare una pellicola di contenimento di circa 20 centimetri di spessore, le cui funzioni, oltre a quella di apportare al terreno una leggera pressione stabilizzatce e di proteggerlo temporaneamente dagli agenti esogeni, sono: solidarizzare l azione dei chiodi, assicrando la stabilità locale fra due file di chiodi; contenere un drenaggio superficiale realizzato mediante tessuti drenanti disposti in corrispondenza dell interfaccia parete suolo parallelamente alla superficie di scavo. Il drenaggio è parte integrante del metodo Clou-Jet poiché il regime idraulico, considerato sotto forma di pressioni interstiziali applicate normalmente alle superfici di rottura, influenza direttamente le caratteristiche del sistema. Fasi esecutive della tecnica Clou-jet 1. development of a first excavation terracing step 2. placing of a row of nails with the Cloujet technique 3. lining the excavation by a retaining wall constructed in situ and reinforced with wire mesh 4. next excavation terracing step L acqua drenata, sia mediante tessuto che per mezzo di tubi infissi nel terreno con una determinata inclinazione, confluisce ai piedi del pendio dove viene raccolta da un apposito collettore parallelo alla direzione della parete. E evidente, da quanto sopra esposto, che l approfondimento dello scavo avviene per singoli passi o cicli di avanzamento: ogni ciclo inizia con lo scavo di un tratto di parete e termina con la completa stabilizzazione di questo. L originalità della tecnica sta quindi nel fatto che la parete di confinamento e i chiodi vengono messi in opera già nelle prime fasi del lavoro con una geometria spessore della parete, lunghezza, inclinazione e densità dei chiodi conforme allo stadio finale dell intervento, così da garantire in ogni momento la completa stabilità della scarpata. L azione combinata dello scavo progressivo e dell infissione dei chiodi, saldati al terreno istantaneamente mediante iniezioni ad alta pressione, permette di minimizzare le perturbazioni in modo da sfruttare il più possibile le caratteristiche meccaniche del suolo. Il graduale sviluppo delle spinte attive laterali conseguente all aumento della tensione verticale (σv), dovuta al peso proprio del terreno, viene immediatamente bilanciato e quindi mantenuto entro predeterminati livelli di sicurezza dall azione dei chiodi Clou- Jet che, sollecitati a trazione in funzione delle esigenze del terreno, prevengono fenomeni accentuati di decompressione e quindi di scorrimento lungo potenziali superfici di rottura. Tale sollecitazione a trazione viene trasmessa dal terreno al chiodo mediante il bulbo di malta cementizia consolidata intorno ad esso Figure 16: Operating procedure for the jet-clou technique: 24 25

14 26 Vantaggi della tecnica. In un terreno sciolto, stabilizzato mediante la tecnica della chiodatura, i potenziali scorrimenti si verificano al contatto suolo cemento; per questa ragione, tanto minore è la resistenza al taglio di un terreno, tanto maggiore deve essere la superficie esterna del bulbo, specialmente nel caso di suoli plastici. La tecnica Clou-Jet, grazie all iniezione di cemento ad altissima pressione, permette di interessare volumi di terreno considerevoli in modo da realizzare bulbi di malta cementizia di diametro elevato; questo implica una resistenza all estrazione (T) molto elevata in confronto ai valori di resistenza ottenuti con tecniche di iniezione di tipo tradizionale. Rispetto al metodo classico di chiodatura, che necessita di tempi lunghi e di un attrezzatura ingombrante per l esecuzione delle diverse fasi (realizzazione dei tiranti, getto di calcestruzzo armato e riempimento dietro il muro con elevati rischi di instabilità), la tecnica Clou-Jet permette al chiodo di poter lavorare in tempi molto brevi e, quindi, di accelerare i tempi di realizzazione dell opera, in quanto il passo di avanzamento dello scavo viene imposto dal tempo necessario per la sua stabilizzazione. L altezza del passo di scavo, naturalmente, dipende dal tipo di terreno: tanto migliori sono le sue caratteristiche meccaniche, tanto più elevata è l altezza del passo. E evidente che la tecnica diventa particolarmente vantaggiosa nel caso di terreni sciolti e incoerenti nei quali, a causa della grande instabilità del suolo, la perforazione è particolarmente problematica. Poiché questa tecnica richiede un attrezzatura molto mobile di dimensioni e peso ridotti, essa può essere applicata in quei casi in cui altri metodi di consolidamento non possono essere adottati come, ad esempio, l esecuzione di un taglio in una scarpata il cui margine superiore non è accessibile ad attrezzature pesanti, la stabilizzazione di pendii con andamento in pianta molto irregolare per la presenza di case o vegetazione, l ancoraggio di sottomurazioni e di muri di sostegno sotto edifici contigui. Inoltre, le squadre di scavo, di infissione dei chiodi e di messa in opera dello spritzbeton, lavorano indipendentemente l una dall altra, contribuendo ad aumentare la produttività e a ridurre i tempi di stasi. Nel caso di opere permanenti e in luoghi dove il fattore estetico è molto importante, la tecnica Clou-Jet prevede diversi tipi di rivestimento che nascondono completamente i chiodi e consentono all opera, grazie ad adeguate soluzioni architettoniche, di integrarsi con la vegetazione e le rocce dell ambiente circostante. Svariate sono le possibili soluzioni offerte dalla tecnica per la progettazione e la costruzione delle pareti di rivestimento: esse si basano sostanzialmente sull utilizzo di pannelli in calcestruzzo armato o precompresso, generalmente prefabbricati. Le forme e le dimensioni dei pannelli, i tipi di piante e di materiali naturali o artificiali con cui possono essere combinati e associati sono variabilissimi, così da riuscire ad individuare in ogni tipo di intervento la soluzione architettonica più adeguata. Dimensionamento del progetto. L analisi relativa agli interventi di consolidamento mediante la tecnica Clou-Jet si basa sulla verifica di tre condizioni di stabilità (fig.17): a. la stabilità del volume totale del terreno che verrà armato, considerato come un corpo rigido a forma di parallelepipedo; vengono analizzati i rischi di scorrimento legati alle sollecitazioni laterali e i rischi di basculamento dovute al peso del volume stesso, secondo la teoria della spinta delle terre; b. la stabilità interna del volume entro il quale vengono infissi i chiodi che devono prevenire lo sviluppo di superfici di scorrimento interne rappresentate da cerchi critici associati a determinati coefficienti di sicurezza; la lunghezza e la densità dei chiodi sono funzioni dei risultati di questa verifica; c. la stabilità globale del volume di terreno nei confronti di potenziali superfici di scivolamento esterne al volume armato. I dati inseriti nell analisi di stablità interna del volume armato (fig.18), alfine di determinare le superfici di scorrimento interne sono : altezza e inclinazione della parete; numero dei passi di scavo; caratteristiche geotecniche del terreno; posizione dei chiodi; lunghezza, inclinazione e proprietà intrinseche dei chiodi metallici. a. stabilità del volume monolitico b. stabilità interna del volume monolitico c. stabilità globale del volume monolitico a) b) c) Figura 17 Rotazione Pressione laterale Potenziali supefici di scorrimento interne Potenziali superfici di scorrimento esterne La rappresentazione grafica dei risultati ottenibili col programma Tairen, basato sul metodo di calcolo Bishop, è illustrata in fig.18: la lunghezza utile dei chiodi (lunghezza oltre la potenziale superficie di scorrimento), la resistenza a trazione e la resistenza al taglio mobilizzabili nel terreno dal chiodo, i raggi dei cerchi di scorrimento e la posizione dei 27

15 1 2 3 Stadio finale h1 α Q Superficie critica Curva teorica T = f(lu) Figura 18: Analisi di stabilità loro centri, i fattori di sicurezza relativi a ciascun cerchio (calcolati considerando rispettivamente il masso di terreno senza armatura, il masso di terreno con sovraccarico senza armatura, il terreno con sovraccarico e con armatura tipo Clou-Jet). T = trazione mobilizzata dal chiodo (=σ e x sezione del chiodo) funzione di L u L u = lunghezza utile del chiodo, oltre la superficie di scorrimento α = inclinazione del chiodo h = altezza di una fase di scavo Q = carico della massa di terreno Il progetto esecutivo è realizzato sulla base dei risultati relativi alla superficie critica, corrispondente al coefficiente di sicurezza più basso

16 PROCEDURE DA ADOTTARE IN FASE DI ESECUZIONE 30 31

17 5. Procedure da adottare in fase di esecuzione. Un programma di controllo della qualità, adattato agli obiettivi di progetto, è un elemento fondamentale per la buona realizzazione di un cantiere (Cicognani & Garassino, 1989; Pacchiosi, 1998; Tornaghi, 1993). Il programma comprenderà i seguenti punti: ogni progetto deve prevedere la realizzazione di un campo prove all inizio del cantiere, nel corso del quale verranno verificate le pocedure per la corretta esecuzione dei trattamenti. è di uso comune, nel corso del campo prove, realizzare numerose colonne, facendo variare diversi parametri d iniezione tra i quali, particolarmente, la velocità di risalita, per determinare l influenza sul diametro della colonna ottenuta. nel limite del possibile, le colonne di prova verranno scoperte per ispezionare visivamente e per misurare direttamente il diametro ottenuto. Nel caso in cui non sia possibile l escavazione delle colonne (per esempio profondità elevata), la verifica verrà eseguita con carotaggi e per alcune applicazioni si eseguiranno prove di permeabilità ( Lugeon e/o Lefranc ) ed inoltre potrà essere effettuata un ispezione con telecamera direttamente all interno del foro del carotaggio. prove di laboratorio su campioni recuperati dalle colonne del campo prova permetteranno di verificare le caratteristiche meccaniche (resistenza alla compressione, modello di elasticità, ecc.) e le caratteristiche di permeabilità dei trattamenti in-situ, e di verificare la loro conformità con le esigenze di progetto. un controllo comune durante la produzione consiste nella verifica della regolarità della miscela cementizia utilizzata per l iniezione (densità, viscosità, ecc.). per alcuni progetti, dove la continuità del trattamento è una condizione necessaria alla buona realizzazione dell opera, viene controllata sistematicamente la verticalità dei fori. Alcune imprese hanno sviluppato inclinometri che possono essere inseriti direttamente all interno della batteria di aste, dopo la fase di perforazione, e che permettono di verificare la deviazione ottenuta preliminarmente alla fase d iniezione. Altri sistemi inclinometrici si possono montare direttamente alla base della batteria di aste ma la lettura dei dati, ad oggi, necessita dell estrazione dell intera serie di aste, causando perdite di tempo e costi ingenti. i metodi di verifica delle lavorazioni eseguiti saranno essenzialmente gli stessi che si utilizzano per il campo prove ma, generalmente, applicati a frequenze inferiori. per alcune applicazioni, sarà possibile realizzare ulteriori controlli (prove di pompaggio, fori di controllo orizzontali e/o inclinati, ecc.). l utilizzo di sistemi di registrazione continua ed in tempo reale dei principali parametri di perforazione ed iniezione (profondità, pressioni, portate, velocità di risalita, ecc.) è divenuta pratica corrente per tutte le imprese qualificate che eseguono. Queste apparecchiature permettono la produzione di rapporti dettagliati, i quali illustrano l esecuzione di ogni colonna facilitando notevolmente il proseguimento delle lavorazioni e la verifica della buona esecuzione delle iniezioni, conformemente ai parametri definiti in seguito allo studio dei risultati ottenuti nel campo prove (vedi fig. 19, 20 e 21). In figura 19 si vedono alcuni grafici inerenti ai parametri di perforazione. In blu sono rappresentati i parametri ricavabili durante la perforazione, quali, ad esempio: Velocità di perforazione (Drilling Rate): la velocità di discesa della batteria di aste è inversamente proporzionale alla consistenza del materiale da attraversare; Velocità di rotazione (Rotary Speed): dipende principalmente dal tipo di utensile utilizzato per la perforazione; Pressione sull utensile (Tool Pressure): è la spinta applicata all utensile ed è direttamente proporzionale alla consistenza del materiale da attraversare; Pressione di rotazione delle aste (Rotary Pressure): indica la forza necessaria per far ruotare la batteria di aste e l utensile di perforazione all interno del foro; Pressione fluido di perforazione (Drilling Fluid Pressure); Portata fluido di perforazione (Drilling Fluid Rate). Nel grafico la linea rossa rappresenta l avanzamento in funzione del tempo. All aumentare della pendenza della linea rossa aumenta la consistenza del materiale da attraversare. Figura 19. Grafico perforazione: la linea rossa rappresenta l avanzamento in funzione del tempo

18 In figura 20 sono mostrati i grafici inerenti ai parametri d iniezione (metodo tri-fluido) : Pressione acqua alla pompa (Water Pressure); Portata acqua (Water Flow Rate); Densità della miscela cementizia (Slurry Density): è calcolata automaticamente alla stazione di pompaggio da un sistema elettronico montato direttamente sull impianto di preparazione della miscela cementizia; Pressione della miscela cementizia alla pompa (Slurry Pressure); Portata miscela cementizia (Slurry Flow Rate); Pressione aria (Air Pressure). In figura 21 sono mostrati i grafici di altri parametri ricavabili durante l iniezione, quali: Portata aria al compressore (Air Flow Rate); Velocità di rotazione (Rotary Speed). Figura 21. Grafico iniezione (segue fig. 20). Le registrazioni dei parametri di perforazione e di iniezione sono utilizzati dalle imprese che eseguono per controllare la buona esecuzione del lavoro. Nel caso in cui si riscontrino imperfezioni durante la fase di controllo delle colonne, o meglio, già durante la fase di iniezione, con il supporto di questi grafici è possibile risalire alla causa e prendere provvedimenti per evitare questi problemi. Figura 20. Grafico iniezione: la linea in rosso indica la risalita in funzione del tempo

19 CONCLUSIONI 36 37

20 Conclusioni Dall analisi della documentazione consultata si possono trarre le seguenti considerazioni: L evoluzione delle attrezzature e delle tecniche (mono-fluido, bi-fluido, tri-fluido) offre ai progettisti la possibilità di nuove soluzioni raffinate e molto competitive in molti campi dell ingegneria civile. L utilizzo delle varie tecnologie disponobili (mono-fluido, bi-fluido, tri-fluido) consente la realizzazione di consolidamenti e/o impermeabilizzazioni in tutte le tipologie di terre ed in alcuni tipi di rocce tenere. Grazie alla flessibilità della metodologia si può privilegiare, a seconda della necessità, la resistenza e/o la permeabilità dei terreni trattati. Con l utilizzo di questa tecnica si possono prevedere, con relativa precisione, le caratteristiche geometriche e geotecniche che si andranno ad ottenere nelle colonne di terreno consolidato realizzate. La versatilità del ed il dimensionamento piuttosto ridotto delle attrezzature necessarie per la sua realizzazione, consentono di operare in zone di difficile accesso (cantine, zone urbane,ecc.) con metodi poco invasivi anche attraverso strutture esistenti da salvaguardare e/o riprendere (es. sottofondazioni). I campi di applicazione sono svariati e comprendono tra l altro: la realizzazione e la ripresa di fondazioni profonde la stabilizzazione di versanti il consolidamento preventivo per lo scavo di gallerie in terreni difficili l impermeabilizzazione di dighe in terra e/o argini la realizzazione di bulbi di tiranti ad elevata capacità la realizzazione di tappi di fondo antisifonamento tra paratie per la costruzione di metropolitane e/o lo scavo di pozzi sotto falda consolidamenti massivi a prevenzione di cedimenti differenziali e/o differiti consolidamento preventivo a protezione di scavi in adiacenza ad edifici per la realizzazione di metropolitane, parcheggi sotterranei, ecc. consolidamento antiscalzamento per le pile di ponti in alveo fluviale. protection against erosion for the piers of bridges in riverbeds. Le ricerche, lo sviluppo e le sperimentazioni attuali consentono di prevedere che i campi di applicazione della metodologia si amplieranno ulteriormente in futuro. Infatti, la realizzazione di pompe sempre più potenti (inizialmente Cv, attualmente Cv), il continuo miglioramento delle batterie di aste per iniezione, delle teste d iniezione e degli ugelli (diminuzione di perdita di carico con incremento del ren

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