CONSOLIDAMENTO DELLE FONDAZIONI DI RILEVATI STRADALI E FERROVIARI. Giuseppe Modoni Università di Cassino

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1 CONSOLIDAMENTO DELLE FONDAZIONI DI RILEVATI STRADALI E FERROVIARI Giuseppe Modoni Università di Cassino

2 Croce P., Modoni G. (2010). Consolidamento delle fondazioni di rilevati stradali e ferroviari, Rivista Italiana di Geotecnica, vol.4/2010, pp

3 CONSOLIDAMENTO DELLE FONDAZIONI DI RILEVATI STRADALI E FERROVIARI 1. INTRODUZIONE 2. TECNICHE DI CONSOLIDAMENTO 3. ANALISI E PROGETTAZIONE 4. MONITORAGGIO 5. CONCLUSIONI

4 TERRENI MOLTO COMPRIMIBILI E POCO RESISTENTI (Argille N.C. o poco O.C., Terreni Organici ) POSSIBILE INSTABILITÀ Terzaghi e Peck (1967) Halibarton et al. (1978)

5 TERRENI MOLTO COMPRIMIBILI E POCO RESISTENTI (Argille N.C. o poco O.C., Terreni Organici ) CEDIMENTI ELEVATI E PROTRATTI NEL TEMPO Approccio alle spalle di ponti e viadotti w (m) tempo (giorni) Ampliamento di rilevati esistenti

6 SOLUZIONI TECNICHE Controllo della consolidazione: precarico dreni verticali.. Controllo dei cedimenti : alleggerimento dei rilevati consolidamento dei terreni di fondazione rinforzo dei rilevati (stabilizzazione a calce, inserimento di geosintetici etc.) K v K h Rinforzo con elementi colonnari (Column Supported Embankments)

7 differente rigidezza PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO interazione colonna - terreno interazione rilevato palo - terreno

8 RINFORZO MEDIANTE INSERIMENTO DI ELEMENTI COLONNARI Pali battuti Pali in calcestruzzo Pali costruiti fuori opera I primi tipi caratteristici Pali in legno Palo Hennebique Palo Considère Pali in acciaio Palo Bignel Pali ad H Palo Zublin Pali tubolari I tipi moderni Altri tipi di pali in acciaio Palo Scac Pali offshore I piloti SCAC Piloti in più elementi Piloti lubrificati Pali cilindrici ad elementi Pali gettati in opera con tubo forma recuperabile Palo Simplex Palo Franki Pali Express Pali Vibro Pali VibroTrevi Pali gettati in opera con lamierino a perdere Palo Lacor Palo SIMPLEX Palo Trevicor Palo MULTITON PRESSATO Palo Multiton Palo SIMPLEX Battipalo Giovanni Grevembroch Palo LACOR.. (Freeman & Parsons, 1950) (XVIII secolo). Palo FRANKI resistenza e rigidezza molto elevate (armatura) resistenza e rigidezza molto elevate (armatura) controllo piuttosto accurato del prodotto controllo piuttosto accurato del prodotto forte addensamento dei terreni circostanti forte addensamento dei terreni circostanti

9 Pali trivellati ad elica continua resistenza resistenza e e rigidezza rigidezza elevate elevate (armatura) (armatura) discreto discreto controllo controllo del del prodotto prodotto trivellazione trivellazione e e getto getto contribuiscono contribuiscono ad ad addensare addensare il il terreno terreno circostante circostante

10 DADO IN TESTA (pile cap) (2-3)*d d Tangenziale di Forlì (2006) Lord Delaware bridge, Virginia - U.S.A.(Hoppe e Hite, 2006)

11 Pali battuti Pali ad elica continua (Han & Gabr, 2002) (Raithel et al. 2008)

12 Jet Grouting Monofluido: disgregazione e cementazione mediante boiacca di cemento. Bifluido: disgregazione e cementazione mediante aria e boiacca. Trifluido: disgregazione mediante acqua e aria + cementazione mediante boiacca.

13 Jet Grouting Caratteristiche Terreni Parametri di Trattamento Diametro Colonna Diametro colonna D (m) incremento dimensioni granelli incremento energia energia del getto E (MJ/m) Terreno Sistema Monofluido Diametro Colonna (m) Sistema Bifluido Sistema Trifluido Resistenza σ c (MPa) Rigidezza E (MPa) Ghiaia Sabbia ghiaiosa Sabbia limosa Limo sabbioso , Argille N.C. (c u <50ka)

14 Jet Grouting Variazione sistematica Variazione casuale D = 0.54*( c' +σ 'tan ϕ) * Js (Croce, Flora & Modoni, 2001) (Croce & Modoni, 2002)

15 Jet Grouting Evidenze sperimentali 0,5 0,4 resistenza resistenza e e rigidezza rigidezza mediamente mediamente elevate elevate controllo controllo del del prodotto prodotto non non eccellente eccellente buona interconnessione tra colonne e terreno 8,00 buona interconnessione tra funnel τ L /τ L WR colonne cylinder e terreno Bzòwka τ L = (2008) 1.35 *τ L WR *( *SF) 6,00 a s 0,08 0,06 τ L (Mpa) 0,3 0,2 0,1 0,0 FEM funnel shape FEM cylindrical Wright & Reese (1977) Bustamante (2002) N SPT a f = *SF Maertens 8 16 e Maekelberg (1999) 40 q c (MPa) Bzòwka SF (2008) Modoni & Bzòwka (2010) τl/τlwr 4,00 2,00 0,00 0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00 1,20 1,40 0,04 0,02 0,00 as

16 Deep Mixing dry mixing w nat > 20% wet mixing miscelazione meccanica con calce e/o cemento Φ = mm L max = 15 m resistenza resistenza e e rigidezza rigidezza mediamente mediamente elevate elevate controllo controllo del del prodotto prodotto discreto discreto limitato limitato disturbo disturbo al al terreno terreno

17 CARATTERISTICHE MECCANICHE DELLE COLONNE CONSOLIDATE frequency Vesuvius Polcevera Fadalto Porto Tolle σ c / σ c Case study Number of data σc (MPa) CV(σc) Vesuvius Polcevera Fadalto Porto Tolle Deep Mixing (Filz e Navin, 2006) Modulo di Rigidezza: Deep Mixing E=300*q u Jet Grouting (Croce e Modoni, 2001) Jet Grouting E=500*q u

18 JET GROUTING San Paolo del Brasile Φ =120 cm Interasse = 300 cm L= 9 m (Alzamora et al., 2000) DEEP MIXING Cina Meridionale Φ=500 mm Interasse = 1100 mm L= 20 m (Lin e Wong, 1999)

19 STONE COLUMNS Φ = mm L max = 25 m resistenza resistenza e e rigidezza rigidezza non non elevate elevate controllo controllo del del prodotto prodotto discreto discreto compattamento compattamento del del terreno terreno circostante circostante capacità capacità di di drenaggio drenaggio TOP FEED BOTTOM FEED

20 COLONNE DI GHIAIA/SABBIA RINFORZATE VIBRO CONCRETE COLUMNS (GEOTEXTILE ENCASED COLUMNS - GEC) (VCC) Effetti: Confinamento Filtro Effetti: Aumento della rigidezza Maggiori dimensioni alla base (bulbo) (Di Prisco et al. 2006) (Bell et al., 1994)

21 STONE COLUMNS Raju e Hoffmann (1996) Malesia Settendrionale Φ =100 cm L= 9 m GEOTEXTILE ENCASED COLUMNS VIBRO CONCRETE COLUMNS (Raithel et al. 2002) - Amburgo Φ =80 cm L= 8-14 m (Bell et al., 1994) - Gran Bretagna Φ =40 cm - L= 6 m

22 PROGETTAZIONE Dimensioni e Finalità del Rilevato Caratterizzazione Geotecnica Obiettivi: riduzione cedimenti, incremento stabilità Selezione delle Tecnologie Applicabili Efficienza nelle specifiche condizioni geotecniche Impatto Ambientale (vibrazioni, rumori, materiali di risulta ) Analisi Comparativa: Verifiche di Stabilità Calcolo dei Cedimenti Dimensionamento Soluzioni Alternative: Costi Tempi

23 METODI PER IL DIMENSIONAMENTO E LA VERIFICA Empirici (es. Rathmayer, 1975) Criteri di omogeneizzazione (es. Han & Ye, 2001; Balaam e Booker, 1981; Schweiger e Pande, 1986; Canetta e Nova, 1989) Metodi analitici (es. Priebe, 1988; Chen et al., 2007) Metodi numerici FEM-BEM (es. Poulos, 2007; Raithel e Kempfert, 2000; Plomteux e Spaulding, 2003) Altezza del rilevato (m) Ricoprimento dell area di fondazione (%) Rilevato di rockfill Rilevato di ghiaia Figura 10. >30 Abaco per il calcolo >40 dei cedimenti di rilevati di Cedimenti Analisi in un rilevato della consolidazione diversa Raccomandazioni rinforzato con pali con altezza per (a. un criterio il Abachi rinforzati dimensionamento per omogeneizzazione con il dimensionamento pali infissi ( 300 dei dei mm) rinforzi di con diversa sospesi; b. attestati) dadi (Chen da et porre al., (Han 2007.). in testa & lunghezza Ye, ed dei 2001) pali (Rathmayer, colonne interasse di ghiaia (da Poulos, 1975). (da Priebe, 2007). 1988). >70

24 ELEMENTI COLONNARI pali battuti pali ad elica continua (CFA) jet grouting deep mixing colonne di ghiaia-sabbia (stonesand columns) colonne rinforzate con geosintetici (geotextile encased columns - GEC).. Caratteristiche delle Colonne (dimensioni materiali): a) PALI Calcestruzzo e/o Acciaio Pali Battuti Pali ad Elica Continua (CFA) b) COLONNE CONSOLIDATE Terreno + Cemento/Calce (soilcrete) Jet Grouting Deep Mixing c) STONE COLUMNS Ghiaia e/o Sabbia Colonne di Ghiaia-Sabbia Colonne Rinforzate (con geosintetici)

25 UN ESEMPIO PROGETTUALE B H L S D = 0.60 m B (a) H S D D I/D Variabili I Proprietà delle colonne I (b)

26 UN ESEMPIO PROGETTUALE Schema assialsimmetrico Calcolo FEM (PLAXIS vers. 8.2) Hardening Soil Prove triassiali Prova edometrica q (kpa) p (%) σ' r = 100 kpa σ' r = 200 kpa σ' r = 400 kpa simulazioni FEM ε a (%) Modelli costitutivi εa (%) σ'a (kpa) prova 1 prova 2 simulazione FEM 3.00 ε a (%) γ sat (kn/m 3 ) 21 E ref 50 (kpa) 9796 γ unsat (kn/m 3 ) 16 E ref ed (kpa) 5578 c (kpa) E ref ur (kpa) φ ( ) 19 m 0.85 ψ ( ) 1 ν ur 0.3 K (m/s) p ref (kpa) 100

27 UN ESEMPIO PROGETTUALE Schema assialsimmetrico Calcolo FEM (PLAXIS) Modelli costitutivi Mohr - Coulomb Rilevato: MOHR COULOMB E=100 MPa ν = 0.2 γ nat = 19.5 kn/m 3 φ = 42 c = 0 ψ = 12

28 UN ESEMPIO PROGETTUALE Schema assialsimmetrico Calcolo FEM (PLAXIS) Modelli costitutivi Mohr - Coulomb Colonne A calcestruzzo B Terreno cementato C Ghiaia γ (kn/m 3 ) E (MPa) 1.5* * *10 2 ν c (kpa) 1.25* φ ( ) ψ ( ) K (m/s)

29 UN ESEMPIO PROGETTUALE Schema assialsimmetrico Calcolo FEM (PLAXIS) Kf / Kini Modelli costitutivi Interfaccia pali battuti colonne di ghiaia distanza dall'asse / raggio colonna Pali battuti - (Van Weele, 1988; Peiffer & Van Impe, 1993; Viggiani, 1993 Colonne di terreno cementato - (Modoni & Bzòwka, 2010) Colonne di ghiaia - Kirsch (2006)

30 UN ESEMPIO PROGETTUALE Rilevato Transizione I/2 I/2 Terreno Palo CLS Carico assiale colonna A = 100 FR Peso Rilevato Fattore di riduzione dei cedimenti = w o /w r D/2 D/2 10 H H L S = 30 m L,,,,,,,,,,,,,,,,,, 89, , , , , ,993 44, , , ,3343 w468, , , , , ,136 37, , ,6574 0, , , , ,112 44, , , , , , , , , ,349 38, , , ,0354 0, , , ,814 44, , ,2-504, , , ,3 0-1, , ,681 38,49 0, , ,0354 0, , , ,001 44,89 0, ,2-504, , , , , ,007 38, ,5 96, , , , , ,867 44, , , , , , , , ,439 39, ,5 96, , , , , ,892 49, , r w 0-1, , ,02 97,3961 0, , , , , , , , , , , ,706 49, , , , , , , , , ,581 38, , ,0993 0, , , , ,284 54,451 0, , , , , , , , ,288 37, , , , , , , ,222 54, , ,6-521, , , ,4 0-2, , ,336 37, , ,1485 0, , , , ,458 54, , o 0-1,6-521, ,482 98, ,4 0-2, , ,755 35, , , , , , , ,192 54,5132 0, , , , , , , , ,609 35, , , , , , , ,177 54, , , , , , , , , ,945 32, , , , , , , ,893 54, , , , , , , , , ,915 32, , , , , , , ,729 59, , , , , ,8343 0, , , , , , , , , , , ,667 59, , , , , ,5 0-3, , , , , , , , , , ,692 59, , , , , ,5 0-3, , , , , , , , , , ,442 59, , , , , , , , , , , , , , , , , ,257 63, , , , , , , , , , , , ,1497 0, , , , ,66 63, , , , , , , , , , , , ,2 98, , , , , ,018 63, , , , , , , , , , , , , , , , , ,627 63, , ,4-543, , ,6055 0,6 0-3, , , , , , , , , , ,146 67, , ,4-543, , , , , ,017 12, , , , , , ,118 67, , , , , ,135 0, , , , ,9726 0, , , , ,71 67,9938 0, , , , , , ,24-438, , , ,06 99, , , , , ,636 67, , , , , , , ,24-429, , ,5575 1,06 98, , , , , ,145 71, , , , , , , ,48-346, ,2044 7, , , , , , ,639 71, , ,8-545, , , ,7 0-4,48-344, ,5753 7, , , , , , ,128 72, , ,8-545, , , ,7 0-4,72-289, ,0552 5, , , , , , ,047 71, , ,40-2, , , , , , , , , ,822 72, , , , , , , , , , , ,362 72, , , , , , , , , , , ,845 75, , , , , , , , , , ,3 2316,038 75, , ,2-533, , , ,8 99 0, , , , ,045 78, , ,2-533, , , ,8 99 0, , , , ,857 78, , , , , , , , , , , ,287 78, , , , , , , , , , , ,116 78, , , , , , , , , , , ,853 81,1036 0, ,6 L 0(m) -3, , , , , , , , , ,432 81, , ,6-461, , , ,9 99 0, , , , ,379 81, , ,6-461, , ,6315 0,9 99 0, , , , ,741 81, , , , , , , , , , , ,763 81, , , , , ,4591 0, , , , , ,939 81, , , , , , , , , , ,56 83, ,2 0-3, , , , , , , , ,56 83, ,2 99 0, , , , ,099 85, , , , , , ,918 85, , ,8 99 0, , , , ,599 85,1051 0, , , , , ,932 85, , , , , , ,505 85, , , , , , ,359 85, , , , , , ,717 86, , , , , , ,831 86, , , , , , ,703 86,4451 0, , , , , ,066 86, , , , , , ,719 87, , , , , , ,184 87, , , , , , ,273 88, , , , , , ,445 88, , , , , , ,783 88, ,25698 z / L 99 0, , , , ,397 88, , , , , , ,296 88, , , , , , ,004 88,8347 0, , , , , ,081 89, , , , , , ,054 89, , , , , , ,996 89, , I/D = 2 - L = 25 m 99 0, , , , ,044 89,651 0, , , , , ,415 90, , , , , , ,373 90, , , , , , ,179 90, , , , , , ,226 90, , , , I/D -7,49168=-2972, ,412 - L 90,80397 = 25 0,299667m 99 0, , , , ,384 90, , , , , , ,951 90, , I/D = 2 I/D = 3 I/D = 5 A (%) H = 2.5 m H = 5.0 m H = 7.5 m I/D = 2 - L = 4 m I/D = 5 - L = 4 m

31 UN ESEMPIO PROGETTUALE Rilevato Transizione I/2 Terreno Colonna 100 D/2 FR 10 H L 1 \ L (m) colonna A B C I/D = 2 I/D = 3 I/D = 5

32 UN ESEMPIO PROGETTUALE Rilevato Terreno Transizione Colonna I/2 D/2 100 Carico assiale colonna A = Peso Rilevato H L FR 10 A (%) , , ,4-1295, ,268-41, ,35 0-1, , , , , , , , ,5-44, , , , ,6-1378, ,363-43, ,4 0-1, , , , , , , , ,393-44, , , , ,6-1378, ,358-43, ,4 0-1, , , , , , , , ,136-44, , , , ,8-1460, ,879-46, ,45 0-1, , , , , , , , ,432-44, , , , ,8-1461, ,383-46, ,45 0-1, , , , , , , , ,28-44, , , , , ,037-48, , , , , , , , , ,282-44, , , , , , , , , , ,49-98, , , , , ,276-49, , , , ,2-1635, ,217-51,5148 0,55 0-1, , , , , , , , ,091-49, , , , ,2-1635, ,146-51, ,55-2, , , , , , , , ,478-53, , ,766 0, ,4-1711, ,807-53, ,6-2, , , , , , , , ,156-53, , , , ,4-1711, ,698-53, ,6 0-2, , , , , , , , ,368-53, , , , ,6-1784, ,226-56, ,65 0-2, , , , , , , , ,072-53, , , , ,6-1784, ,227-56, ,65 0-2, , , , , , , , ,105-54, , , , ,8-1852, ,543-58, ,7 0-2, , , , , , , , ,044-54, , , , ,8-1852, ,443-58, ,7 0-2, , , , , , , , ,649-58, , , , , ,283-59, ,75 0-2, , , , , , , , ,553-58, , , , , ,295-59, ,75 0-3, , ,844-99, , , , , ,351-62, , , , ,2-1967, ,779-61, ,8 0-3, , , , , , , , ,663-62,6785 0, , , ,2-1967, ,762-61, ,8 0-3, , , , , , , , ,912-62, , , , ,4-2016, ,011-62, ,85 0,20-3, , , , , , , , ,707-62, , , ,3 0-3,4-2015, ,961-62, ,85 0-3, , , ,2328 0, , , , ,144-62, , ,6514 0,3 0-3,6-2074, ,565-64, ,9 0-3, , , , , , , , ,432-62, , , , ,6-2074, ,765-64, ,9 0-3, , , , , , , , ,598-67, , , , ,8-2115, ,103-65, ,95 0-3, , , , , , , , ,648-67, , ,4505 0, ,8-2129, ,15-66, ,95 0-3, , , , , , , , ,378-70, , , , , ,15-66, , , , ,9713 0, , , , ,283-70, , ,8774 0, , , , ,3639 1, , , , ,032-71, , , , , , , ,3767 1, , , , ,029-71, , ,975 0, , , , , , , , , ,665-71, , , ,9755 0, , , , , , , , , ,687-71, , , , , , , ,346 1, , , , ,583-74, ,953475,241-98, , , , , , , , , , ,727-74, , , ,4 0-4, , , , , , , , ,843-74, , , ,4 0-4, , , , , , , , ,385-74, ,956504,872-98, , , , , ,3061 1, , , , ,917-77, , , , , , , , , , , , ,135-77, , , , , , , , , , , , ,076-78, ,043312,673-98, , , , , , , , , , ,161-78, , , , ,60-5, , , , , , , , ,361-80, , , , , , , , , , , , ,239-80,3338 1, , , , , , ,406 1, , , , ,02-80, ,130098,302-98, , , , , , , , , , ,368-80, , , , , , , , , , , , ,228-80, , , , , , , , , , , , ,231-80, , , ,5 0-6, , , ,2899 1, , , , ,245-82, , ,693-98, ,5 0-6, , , ,2113 1, , , , ,242-82, , ,032-99, , , , , , , , , , ,251-84, , , , ,80-6, , , , , , , , ,09-84, , , , , , , , , , , , ,534-84,4836 1, , , , , , ,2161 1, , , , ,698-84, , , , , , , , , , , , ,782-85, , , , , , , , , , , , ,257-85, , , , , , , , , , , , ,192-86, , ,515-99, , , , , , , , , , ,101-85, , , , I/D=2 0-7, , , , , , , , ,457-85, , , , , , , , , , , , ,483-86, , , ,6 0-7, , , , , , , , ,386-87, , INCREMENTI , ,6 0-7, ,0378 DELLE 485, , , TENSIONI 0, , , ,354-87, , , , , , , , , , , , ,325-88, , , , , , , , , , , , ,759-88, , , , , , , , , , , , ,032-88, , , , I/D=3 z / L 0-7, , , , , , , , ,911-88, , , , , , , ,0826 2, , , , ,867-89, , , , , , , ,0397 2, , , , ,772-89, , , , EFFICACI -8, , , , , , , , ,114-89, , , , , , , , , , , , ,241-89, , , , I/D = 2 - L = 25 m 0-8, , , , ,15708 I/D = 0, , L -2905,163 = 42739,616 m-89, , , , , , , , , , , , ,638-89, , , , , , , , , , , , ,021-89, , ,3445 0, I/D=5 0-8, , , , , , , , ,017-89, , , , , , , , , , , , ,856-90, , , , I/D = 5 - L = 25 m 0-9, , , , , , , , ,81-90, , ,611-99, , , , , , , I/D = 0, , L -2960,223 = 42777,861 m-90, , ,3504 0, , , , , , , , ,896-90, , , , , , , , , , , , ,156-90, , , , , , , , , , , , ,977-90, , , , I/D=5 con 0-9,734513dado -729, , ,98163 (3D) 2, in 0, , testa -2981, ,542-90, , , , , , , , , , , , ,764-90, , , , I/D = 5 - L = 25 m con 0-9, , ,7324 in -98,96749 testa 2, , , , ,462-91,2946 1, , , , , , , , , , , ,087-91, , , , , , , , , , , , ,533-91, , L (m)

33 UN ESEMPIO PROGETTUALE Sezione di monitoraggio Altezza rilevati [m] 8 wmax (m) w(m). 01/01/2002 0,12 0,1 0,08 0,06 0,04 0,02 0 0,00 01/04/ AP AP3 asse inclinometro Lunghezza tempo colonne (gg) (m) FEM asse duna FEM asse unghia 30/06/ /09/ /12/ /03/ /06/2003 colonne A (I/D=3) B '' C '' 23/09/ /12/ /03/2004 unghia A (I/D=5) rilevato + DADO 19/06/ /09/ w (m) AP3 AP2 Inclinometro orizzontale Tubo inclinometrico orizzontale 0,05 0,10 terreno naturale colonne tipo C colonne tipo A

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