CARATTERISTICHE GEOTECNICHE E COMPORTAMENTO MECCANICO DI TERRENI A GRANA FINA STABILIZZATI MEDIANTE DEEP MIXING
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1 CARATTERISTICHE GEOTECNICHE E COMPORTAMENTO MECCANICO DI TERRENI A GRANA FINA STABILIZZATI MEDIANTE DEEP MIXING Vitale Enza Università degli Studi di Cassino e del Lazio Meridionale e.vitale@unicas.it Papa Raffaele Università degli Studi di Napoli Federico II rafpapa@unina.it Ramondini Massimo Università degli Studi di Napoli Federico II ramondin@unina.it Sommario Nella presente nota si riportano i risultati di un indagine sperimentale condotta su terreni a grana fina stabilizzati mediante la tecnica del Deep Mixing. Lo studio si inserisce in una più ampia attività di ricerca che esamina l efficacia e l affidabilità di tale tecnica di consolidamento mediante la valutazione degli effetti che la stabilizzazione induce sulle proprietà meccaniche dei terreni in termini di caratteristiche di resistenza a taglio e di rigidezza. 1. Introduzione Il miglioramento delle caratteristiche fisiche e meccaniche dei terreni rappresenta, con sempre maggiore frequenza, un aspetto significativo nel campo della progettazione. Lo sfruttamento di aree residuali del sistema urbano, il recupero statico di edifici esistenti danneggiati da cedimenti eccessivi in fondazione, la tutela del territorio nei confronti di dissesti di varia natura (ad esempio, frane) sono solo alcune delle diverse cause che rendono l utilizzo dei terreni migliorati mediante trattamenti in sito un alternativa interessante alle tradizionali soluzioni di intervento. Tra le varie tecnologie esecutive disponibili, il metodo basato sulla miscelazione profonda in situ (DMM) rappresenta oggi un opzione interessante dal punto di vista tecnico ed economico, non solo come tecnica di ground improvement finalizzata al consolidamento dei terreni in sito ma anche in riferimento alle problematiche che si pongono nella progettazione e nella realizzazione di opere edili e nell ambito del risanamento ambientale e della bonifica di siti contaminati. Il trattamento dei terreni mediante Deep Mixing si basa sulla miscelazione di leganti come cemento, calce, ceneri volanti e altri additivi, attraverso l uso di utensili di miscelazione rotanti che consentono di formare colonne di materiale più resistente in virtù delle reazioni che si sviluppano tra legante e suolo. Nella presente nota si presentano i risultati dello studio sperimentale condotto su campioni di terreno naturale e stabilizzato prelevati da due campi prova appositamente realizzati utilizzando attrezzature di dimensioni ridotte appositamente modificate (fig.1), che consentono di operare in condizioni logistiche complesse risolvendo numerosi problemi geotecnici con un impatto ambientale contenuto (Papa e Ramondini, 2011).
2 Fig 1. Attrezzatura adoperata 2. Siti sperimentali Al fine di testare l efficacia e l affidabilità di tale tecnica di consolidamento del terreno è stata condotta una sperimentazione in vera grandezza attraverso l esecuzione di due campi prova situati in due diverse località a Sud dell Italia. Il campo 1 è ubicato a Benevento, in un sito il cui sottosuolo è costituito da terreni a grana fina normalconsolidati, la cui coltre superficiale si presenta alterata, leggermente preconsolidata e dotata di una modesta coesione. Il secondo sito di intervento è ubicato a Sud dell abitato di Montaperto e ricade nel territorio comunale di Montemiletto, in provincia di Avellino. Nel campo 2 i terreni di fondazione sono caratterizzati da una formazione di base a grana medio-fine e da una coltre alterata limo argillosa. In figura 2 sono rappresentati i profili stratigrafici dei campi sperimentali e le curve granulometriche dei campioni di terreno prelevati in sito, mentre in tabella I sono riportate le caratteristiche fisicomeccaniche determinate dalla campagna di indagini condotta prima dell esecuzione trattamento.. Fig 2. Colonne stratigrafiche e fusi granulometrici dei campi sperimentali Tabella I Caratteristiche fisico meccaniche dei terreni prima del trattamento
3 Nei due siti sono state realizzate colonne di terreno consolidate del diametro di 400 mm, disposte con maglia 600x600mm utilizzando una miscela costituita da cemento ed acqua in rapporto A/C=0.5 (fig. 3). Durante la perforazione sono stati iniettati circa 20 litri di boiacca per metro lineare di trattamento di cui 10 litri in fase di avanzamento e 10 litri in fase di risalita. 1) 2) Fig 3. Esecuzione campi sperimentali: a) Campo 1; b) Campo 2 3. Attività sperimentale L attività sperimentale è consistita nel prelievo di una serie di campioni di terreno stabilizzato sottoposti ad un ampia indagine di laboratorio. Il programma della sperimentazione ha previsto l esecuzione di prove triassiali in presenza di carichi monotoni e ciclici, prove di compressione monoassiali e prove di taglio diretto. 4. Risultati Alcuni dei risultati ottenuti dallo studio sperimentale sono riportati nella tabella II, dove sono raccolti i valori delle caratteristiche fisiche e meccaniche più significative dei campioni sottoposti a prove di rottura per i due campi sperimentali. Tabella II Caratteristiche fisico meccaniche dei terreni dopo il trattamento L effetto benefico dell aggiunta di legante nel terreno è chiaramente osservabile dal confronto del comportamento tenso-deformativo di provini di terreno naturale e stabilizzato sottoposti a prove di compressione triassiale. I campioni trattati esibiscono una rottura di tipo fragile, in cui è evidente il raggiungimento di un valore di picco della resistenza ed una successiva diminuzione di quest ultima all aumentare della deformazione. Il comportamento del terreno stabilizzato si riflette anche nel proprio meccanismo di rottura, caratterizzato da un piano di frattura ben definito (fig. 5). In figura 6 le condizioni di rottura del terreno sono state descritte attraverso la classica rappresentazione sul piano di Mohr mediante i corrispondenti cerchi, dai quali sono stati ricavati i parametri di resistenza al taglio del terreno.
4 Fig 4. Curve sforzo-deformazione di campioni naturali e trattati- a) Campo1, b) Campo2 Fig 5. Campioni trattati dopo la rottura c) Fig 6. Condizione di rottura nel piano di Mohr: a)-b) Campo1: Coltre e Formaz.di base, c) Campo2: Coltre La relazione di Mohr-Coulomb è altresì esprimibile in termini equivalenti mediante la relazione lineare tra gli invarianti q e p come riportato in fig 7. Dall analisi dei risultati ottenuti si può notare come a seguito dell addizione del cemento, il terreno manifesta, in condizione di picco, un marcato incremento della resistenza a taglio sia in termini di coesione che in termini di angolo di attrito. Si può inoltre notare come l incremento dei valori di resistenza a taglio non avvenga in maniera uniforme in tutti gli strati del terreno, ma sia influenzato dalle proprietà fisiche e chimiche del terreno originario. In particolar modo con riferimento al campo 1, un significativo miglioramento della resistenza si riscontra nello strato superficiale a seguito di una migliore omogeneità di trattamento ottenibile a fronte di proprietà meccaniche del banco più scadenti. Il comportamento meccanico dei terreni è stato esaminato anche in termini di rigidezza. In figura 9a) è rappresentata la relazione tra il modulo elastico secante E 50 (valutato a 0.50 q u ) in funzione della resistenza a compressione non confinata perfettamente in linea con i dati di letteratura.
5 c) Fig 7. Condizione di rottura nel piano q,p : a)-b) Campo1_Coltre&Formaz.di base, c) campo2_ Coltre Fig 8. Campo1_Inviluppi di rottura nel piano q-p dei terreni stabilizzati Fig 9. Relazione Modulo di elasticità secante resistenza dei terreno_campo1 A partire dai dati sperimentali ottenuti sono state inoltre ricavate analoghe relazioni per campioni di terreno naturali e stabilizzati sottoposti a prove triassiali. Anche in questo caso si è evidenziato il marcato incremento di rigidezza esibito dai campioni stabilizzati a seguito del trattamento (fig. 9b). Analogo comportamento è stato evidenziato dai provini sottoposti a carichi ciclici. I risultati sperimentali riportati in fig 10 a),b) evidenziano come nei terreni trattati il degrado ciclico risulti ritardato rispetto a quanto accade nei terreni naturali. A seguito del trattamento, i campioni stabilizzati evidenziano un incremento del modulo di elasticità secante rispetto a quanto osservato per quelli naturali. All aumentare del numero di cicli si osserva in entrambi i casi una riduzione della rigidezza legata al degrado ciclico, ma nei terreni trattati l effetto risulta meno pronunciato (fig 11a). Il miglioramento che il trattamento induce sul comportamento meccanico dei terreni può essere ben osservato dagli andamenti delle sovrappressioni interstiziali in funzione del numero di cicli riportati (fig. 11b), in cui si può notare come in presenza di carico ciclico le sovrappressioni tendono ad aumentare significativamente per il campione di terreno naturale mentre
6 tendono a stabilizzarsi dopo pochi cicli per il campione di terreno stabilizzato. Fig 10. Prove triassiali cicliche_ Campo 2 a) campione naturale, b) campione stabilizzato Fig 11. Campo 2: Rappresentazione relazione nel piano E/E 0, N di cicli_a),e D u N_ b) per campioni naturali e stabilizzati 5. Osservazioni conclusive La sperimentazione eseguita è stata mirata a verificare l efficacia e l affidabilità della tecnica del DMM attraverso l analisi del comportamento meccanico dei terreni stabilizzati in presenza di carichi statici, sia monotonici che ciclici prelevati da due campi prova in terreni a grana fina. L analisi dei risultati ottenuti mette in luce il marcato effetto che il trattamento induce sul miglioramento delle caratteristiche meccaniche dei terreni, modificandone in maniera sostanziale la risposta meccanica. Il significativo incremento delle caratteristiche di resistenza a taglio e della rigidezza dei terreni stabilizzati e il drastico cambiamento nella tipologia della curva sforzodeformazione, a seguito trattamento, fanno ipotizzare una modifica della microstruttura del terreno legata all addizione di cemento che molto probabilmente porta alla formazione di aggregazioni di particelle di argilla in macro-elementi resistenti, cementati, con comportamento fragile. Tale ipotesi rappresenta un interessante aspetto da approfondire nel prosieguo della sperimentazione. Bibliografia Horpibulsuk, S., Miura, N., and Nagaraj, T. S. (2003). Assessment of strength development in cement admixed high water content clays with Abram s law as a basis. Geotechnique, 53(4), Larsson S. (2005), State of Practice Report Execution, monitoring and quality control. Deep Mixing 05, volume 2. Papa R., Ramondini M. (2011). Il consolidamento dei terreni mediante Fast Deep Mixing. XXIV Convegno Nazionale di Geotecnica Porbaha, A. (2000) State-of-the-art in deep mixing technology: design considerations. Ground Improvement, Vol. 4, pp Terashi, M. and Tanaka, H. (1981). Ground improved by Deep Mixing Method, Proc. 10th ICSMFE, vol. 3, pp Van Impe, W. (1989). Soil improvement techniques and their evolution, A.A. Balkema, Rotterdam
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