TEMA srl divisione ambiente

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1 TEMA srl divisione ambiente Il drenaggio geosintetico dei terreni mediante l utilizzo di geocompositi drenanti FAMIGLIA PRODOTTI Q DRAIN 16/01/2013 1

2 INDICE 1 PREMESSA 3 2 INTRODUZIONE AI GEOCOMPOSITI DRENANTI COMPONENTE FILTRANTE DI UN GCD COMPONENTE DRENANTE DI UN GCD 10 3 CALCOLO DEL VALORE DI CAPACITA IDRAULICA AMMISSIBILE DI UN GCD 12 4 CALCOLO DEL VALORE DI CAPACITA IDRAULICA DI UNO STRATO DI MATERIALE GRANULARE 14 5 I GEOCOMPOSITI DRENANTI QDRAIN LA SERIE C LA SERIE Z LA SERIE WP LA SERIE SPEEDRAIN 15 6 CAMPI DI APPLICAZIONE 17 7 DISCARICA CONTROLLATA DI RIFIUTI 18 8 GALLERIA 22 9 MURI DI SOSTEGNO IN C.A TERRE RINFORZATE ANALISI SCHEDA TECNICA TIPO DI UN GCD MASSA AREICA SPESSORE RESISTENZA A TRAZIONE E ALLUNGAMENTO A CARICO MASSIMO RESISTENZA A PUNZONAMENTO STATICO E DINAMICO FLUSSO PERPENDICOLARE AL PIANO APERTURA CARATTERISTICA DEI PORI CAPACITA DRENANTE NEL PIANO CRITERI DI PROGETTAZIONE DI UN SISTEMA DRENANTE GEOSINTETICO PARAMETRI IDRAULICI CONDIZIONI DI CARICO DRENAGGIO GEOSINTETICO IN VERTICALE A TERGO DI MANUFATTI IN C.A. DI SOSTEGNO CALCOLO DEL VALORE DI CAPACITA IDRAULICA AMMISSIBILE DELLO STRATO DRENANTE GEOSINTETICO CALCOLO DEL VALORE DI CAPACITA IDRAULICA DELLO STRATO DI INERTE CALCOLO DEL FATTORE DI MERITO FS 38 2

3 1 PREMESSA Ogni qual volta si renda necessaria la progettazione di un opera di ingegneria civile o ambientale, è fondamentale valutare in maniera adeguata il tipo di presidio idraulico che occorre prevedere per il manufatto medesimo. È infatti risaputo che la presenza di acqua può determinare l insorgere di condizioni di instabilità con conseguente perdita di fruibilità e sicurezza dell opera. L obiettivo primario del progettista, quindi, è sicuramente quello di preservare il più a lungo possibile nel tempo l integrità strutturale dell infrastruttura, studiando appositi sistemi per un corretto drenaggio al contorno. Il settore dei materiali geosintetici ha pertanto cercato di assecondare questa richiesta, studiando dei sistemi sintetici che fossero in grado di accogliere le esigenze del mercato delle costruzioni. Si è pertanto arrivati alla definizione ed introduzione sul mercato di nuovi materiali: i geocompositi drenanti. Il geocomposito drenante è un prodotto ottenuto accoppiando dei geosintetici aventi funzioni di filtrazione e separazione con dei geosintetici aventi funzione di drenaggio. Attualmente questi materiali vengono impiegati anche in sostituzione dei sistemi drenanti naturali (ghaia), la dove la disponibilità del materiale naturale è troppo onerosa o logisticamente poco perseguibile. Nel proseguo della monografia si tratteranno i seguenti argomenti: com è fatto un geocomposito a cosa serve un geocomposito dove si applica la famiglia dei geocompositi QDrain la scheda tecnica tipo come si progetto case histories 3

4 2 INTRODUZIONE AI GEOCOMPOSITI DRENANTI Un geocomposito drenante (di seguito indicato con l abbreviazione GCD) è un prodotto tridimensionale, ottenuto dall accoppiamento di due o più componenti sintetiche, la cui funzione prevalente è consentire il drenaggio dei liquidi o aeriformi, presenti all interno della matrice (terreno, rifiuto o altro) in cui è inserito. Le componenti principali di un GCD sono due: Componente drenante interna tridimensionale; Componente filtrante e/o isolante esterna; La prima componente chiaramente ha lo scopo di veicolare lungo il suo piano il fluido intercettato, mentre la componente filtrante (tipicamente rappresentata da geotessili non tessuti termosaldati) consente il transito del fluido ma non quello delle particelle fini di terreno che provocherebbe una precoce perdita di capacità drenante da parte della struttura interna. La componente filtrante dovrà quindi poter garantire: Permeabilità adeguata a gas e liquidi in direzione perpendicolare al filtro. Capacità di ritenzione delle particelle di terreno. Una certa rigidezza per evitare la compenetrazione nel nucleo drenante. Protezione del corpo drenante da eventuale danneggiamento in fase di posa. Evitare più possibile i fenomeni d intasamento. La componente drenante invece una permeabilità adeguata a gas e liquidi in direzione planare alla struttura medesima. 2.1 COMPONENTE FILTRANTE DI UN GCD L elemento filtrante di un GCD è rappresentato nella maggioranza dei casi da un geotessile non tessuto, possibilmente termosaldato. Per poter espletare pienamente la sua funzione filtrante, è fondamentale che siano rispettate alcune caratteristiche fisico meccaniche del geotessile non tessuto impiegato, incentrando particolarmente l attenzione su due proprietà in particolare: Permittività (ψ); Porometria (O 90). La permittività (ψ) costituisce la quantità d acqua che attraversa il geotessile in direzione perpendicolare al piano. Viene misurata secondo la norma UNI EN ISO e si esprime in s -1. k v ψ = [s-1] t 4

5 Considerando che, lo spessore del geotessile non tessuto agugliato risente fortemente dell entità del carico a cui è sottoposto, è intuitivo comprendere che, una volta installato, il suo valore di permittività tenderà a diminuire, in maniera direttamente proporzionale all indice di incremento dello stato tensionale. Fig. 1: Relazione tra lo spessore di un geotessile non tessuto agugliato e la pressione di confinamento (fonte AASHTO NTEP, 2003); In particolare, a seguito di alcuni studi specifici di settore condotti (Kothari and Das, 1992), è emersa l esistenza di una relazione di tipo esponenziale tra le due grandezze, esprimibile mediante la seguente espressione matematica: t t 0 = 1 α *log e P P 0 Dove: t = spessore del geotessile alla pressione massima testata (mm); t0 = spessore misurato a 2 kpa (mm); P = sforzo massimo tetstato (kpa); P0 = sforzo di riferimento pari a 2 kpa (kpa); α = costante (ad.) compresa tra 0,12 e 0,18. Il dato riguardante la permittività, (fonte AASHTO), risulta pertanto essere inversamente proporzionale alla massa areica. 5

6 Fig. 2: Relazione esistente tra la massa areica e la permittività di un geotessile non tessuto agugliato (fonte AASHTO NTEP, 2003); Il secondo parametro è la porometria (O 90). Misurata secondo la norma EN ISO 12958, esprime la capacità del filtro, di condurre a monte, una preselezione sul diametro delle particelle che interagiscono con il geotessile, preservando, quanto più possibile, il rendimento idraulico del GCD. L unità di misura adottata è il micron (µ). Anche per la porometria, sussiste una relazione di proporzionalità inversa con la massa areica. 6

7 Fig. 3: Relazione esistente tra la massa areica e la pirometria di un geotessile non tessuto agugliato (fonte AASHTO NTEP, 2003); Occorre infatti considerare che, nel momento in cui l elemento filtrante (geotessile non tessuto) viene posto a diretto contatto con il terreno, subentrano, nel corso del tempo, dei fenomeni di natura fisica, che tendono a diminuire il suo rendimento. I fenomeni in questione sono: fenomeno del blocking: tale fenomeno si manifesta nel momento in cui le particelle di terreno ricoprono la superficie del geotessile; in questa caso la permeabilità diminuisce e le pressioni interstiziali aumentano. Una possibile conseguenza potrebbero essere la separazione tra il geotessile e il materiale posto alla sua base. Tale fenomeno può effettivamente aver luogo nel caso in cui il rapporto tra il diametro medio delle particelle e l apertura caratteristica del geotessile risulta prossima all unità; fenomeno del clogging: il fenomeno del clogging lo si registra quando le particelle fini di terreno rimangono intrappolate all interno delle aperture del geotessile, ostruendolo. Anche in questo caso si manifesta una diminuzione del valore della permeabilità e conseguentemente aumentano le pressioni interstiziali. Per attenuare gli effetti indotti da tali fenomeni, sono stati studiati ed introdotti una serie di criteri che consentono di valutare, in funzione del tipo di terreno (granulometria) e del tipo di parametro filtrante considerato (permittività o porometria), quali sia il range ottimale dei valori da utilizzare. Tali criteri sono: criterio di ritenzione; criterio di permeabilità; 7

8 Criterio di ritenzione (riguarda la porometria del geotessile): Fornisce il diametro significativo dei pori del filtro Of a partire dalle caratteristiche del terreno (coefficiente di uniformità Cu e densità relativa Dr). Esistono in letteratura numerosi metodi per il dimensionamento di un filtro; in questo frangente viene preso in considerazione il criterio secondo Giroud (2000). Secondo tale approccio, viene innanzitutto eseguita una linearizzazione della distribuzione granulometrica del terreno, con l obiettivo di ottenere una retta di regressione quanto più aderente possibile alla curva caratteristica del terreno. Per ottenere tale approssimazione, Giroud calcolò i parametri caratteristici della retta mediante le seguenti espressioni, adottando il metodo dei minimi quadrati: m = b = R 2 Dove: n* ( x* y) ( x) *( y) n* ( ( x 2 ) ( x) 2 2 ( y) *( ( x ) ( x) *( x* y) ( ( x 2 ) ( x) 2 n* ( x* y) ( x) *( y) = n* x ( x) * n* y 2 [ ] [ ( y) ] m = coefficiente angolare della retta; b = intercetta; R2 = coefficiente di regressione; Fig. 4: distribuzione granulometrica; 8

9 Criterio di ritenzione (C' cu = 3) riferito al caso d' 85S Densità del terreno Indice di densità (I D) Compattazione relativa (R C) Coeff. Lineare di uniformità del suolo (C' u) 1 C' u 3 C' u 3 Sciolto I D 35% R C 86% O F (C' u) 0.3 d' 85S O F (9/C' u 1.7 ) d' 85S Medio denso 35% < I D 65% 86% < R C 92% Denso I D > 65% R C > 92% O F 1.5 (C' u) 0.3 d' 85S O F 2 (C' u) 0.3 d' 85S O F (13.5/C' 1.7 u ) d' 85S O F (18/C' 1.7 u ) d' 85S Criterio di ritenzione (C' cu = 3) riferito al caso d' 50S Densità del terreno Indice di densità (I D) Compattazione relativa (R C) Coeff. Lineare di uniformità del suolo (C' u) 1 C' u 3 C' u 3 Sciolto I D 35% R C 86% O F (C' u) d' 50S O F (9/C' u) d' 50S Medio denso 35% < I D 65% 86% < R C 92% O F 1.5 (C' u) d' 50S O F (13.5/C' u) d' 50S Denso I D > 65% R C > 92% O F 2 (C' u) d' 50S O F (18/C' u) d' 50S Dove: C'u = coefficiente lineare di uniformità del suolo = d' 60S / d' 10S; ID = densità relative o indice di densità del suolo; d'ms = è la percentuale di particelle che passano nel setaccio, aventi dimensioni inferiori a d'ms; RC = compattazione relativa; OF = massima apertura dei pori; Criterio di permeabilità (riguarda la permittività del geotessile): Il criterio di permeabilità riportato di seguito, riflette il metodo proposto da Terzaghi, in base al quale il valore di permeabilità normale del filtro deve risultare essere almeno 16 volte maggiore rispetto a quello del terreno circostante: k f 16* v k terreno con kv (m/s) coefficiente di permeabilità normale del geosintetico e kterreno (m/s) coefficiente di permeabilità del terreno di base. 9

10 2.2 COMPONENTE DRENANTE DI UN GCD La componente drenante è generalmente rappresentata da un elemento geosintetico tridimensionale il cui spessore proprio consente all acqua penetrata attraverso l elemento filtrante di transitare nel suo piano e poter quindi essere convogliata, per gravità, esternamente l area su cui si è applicato il sistema. Ne consegue quindi che la caratteristica principale di un GCD, e nella fattispecie della sua componente drenante, è costituita dalla sua intrinseca capacità di drenare le acque nel suo piano, che in gergo tecnico si traduce in trasmissività idraulica (θ). Tale proprietà idraulica viene calcolata sulla base delle indicazioni riportate nella norma UNI EN ISO Fig. 5: Apparecchiatura di laboratorio per misurare la trasmissività di un geocomposito (da GRI, 2003); Le performance idrauliche calcolate durante i tests, rappresentano sostanzialmente la quantità d acqua che il GCD è in grado di convogliare in direzione planare, nell unità di tempo. Il valore numerico che si ottiene, dipende da due parametri: dalla pressione (P in kpa) di confinamento; dal gradiente idraulico (i) applicato. Dimensionalmente, si tratta di una portata per unità di larghezza (l/s m oppure m2/s). La capacità drenante, misurata lungo il piano del GCD, per ogni step di carico e gradiente prestabilito, è calcolata attraverso la seguente relazione: 10

11 q carico / gradiente = In cui: VR T Wt θ = capacità drenante nel piano per un determinato sforzo e gradiente espressa in (m 2 /s); V = volume medio d acqua misurato (m 3 ) Rt= fattore di correzione per una temperatura dell acqua di 20 C W= larghezza del provino (m) t = tempo (s) Anche nel caso in cui fosse misurata direttamente la portata (Q), risulta comunque necessario eseguire la correzione sul parametro temperatura: q carico / gradiente = QR W T Si parla spesso di trasmissività θ al posto di capacità drenante. In verità, i due concetti apparentemente equivalenti, non sono esattamente la stessa cosa. La trasmissività θ corrisponde alla capacità drenante (o portata specifica) q, solo se le condizioni idrauliche al contorno presuppongono un regime di flusso laminare e il gradiente idraulico è unitario (i = 1). Considerando infatti valida ed applicabile la relazione di Darcy, è possibile impostare la seguente relazione: Q = kia ( t W ) Q = ki Q W = i ( k t) Q = iθ W Dove: Q = portata [m 3 /s]; W = larghezza considerata unitaria del GCD [m]; q = Q / W = portata specifica [m 2 /s]; k = permeabilità [m/s]; 11

12 t = spessore [m]; i = gradiente idraulico [ad.]; Da cui quindi la relazione che correla portata specifica e trasmissività: θ = q/i Oltre ai parametri relativi alla pressione di confinamento, e al gradiente idraulico, la capacità drenante è valutata anche in funzione della natura del contatto. Il GCD infatti, potrebbe essere applicato a contatto con del terreno (contatto morbido M) oppure a ridosso di una superficie rigida (per esempio un muro di sostegno in cls, quindi con un tipo di contatto rigido R). Al fine di ricreare in laboratorio, le condizioni più aderenti possibili alla situazione reale, si utilizzano delle piastre di tipo morbido (neoprene) o rigido (acciaio), al fine di simulare il tipo di contatto previsto. Pertanto, se il sistema dovesse essere utilizzato per drenare le acque a tergo di una struttura in cls (per es. un muro di contenimento), un lato del prodotto avrà un contatto di tipo rigido (lato muro), mentre l altro registrerà un contatto di tipo morbido (lato terreno). In questo frangente, quindi, sarebbe più corretto ragionare con dei dati idraulici associati alla giusta combinazione di piastre. Generalmente però, le case produttrici eseguono le prove di capacità drenante utilizzando l opzione piastre morbide (M/M), per due ragioni sostanziali: nella maggior parte delle applicazioni il GCD viene confinato all interno del terreno, e quindi le condizioni al contorno sono di tipo M/M; è la condizione più conservativa dal punto di vista delle performance idrauliche in quanto registra le performance idrauliche peggiori (si è infatti constatato che in condizioni di piastre M/M i geotessili utilizzati come filtri separatori, necessari a racchiudere l anima drenante, tendono a compenetrare gli spazi utili di drenaggio creati dalla struttura tridimensionale, riducendo quindi il valore di capacità idraulica). 3 CALCOLO DEL VALORE DI CAPACITA IDRAULICA AMMISSIBILE DI UN GCD Nel momento si volesse valutare la possibilità di utilizzare un GCD come sistema drenante, è necessario stabilire innanzitutto quale sarà il valore di trasmissività ammissibile nota che sia il valore della trasmissività nominale, e quindi valutare il valore ammissibile ottenuto in funzione della trasmissività di progetto. Occorrerà quindi introdurre un parametro di merito dimensionale (FS) in grado di esprimere numericamente il reale beneficio che si otterrebbe scegliendo la soluzione geosintetica. q FS = q amm progetto 12

13 dove: FS = fattore di sicurezza che fornisce il margine operativo su cui è possibile contare, ricorrendo all utilizzo di un GCD; q amm = valore di portata specifica ammissibile del GCD (l/s m); q progetto = valore di portata specifica di progetto (l/s m); Per poter calcolare il valore ammissibile del GCD, è però necessario introdurre alcuni fattori di danneggiamento FSi, in grado di valutare preventivamente l incidenza negativa che tali parametri arrecano al valore nominale denunciato in scheda tecnica del GCD. Pertanto, detta q nom, la portata specifica nominale determinata in laboratorio, occorre introdurre dei fattori di danneggiamento FSi sulla base dei quali, calcolare la portata specifica ammissibile (q amm). La relazione analitica che si potrebbe utilizzare per il suddetto calcolo è la seguente: q amm = q nom FS 1 1 * FS2 * FS3 * FS 4 dove: q nom = portata specifica nominale del GCD calcolata secondo EN ISO (l/sm); FS1 = fattore di danneggiamento che tiene in considerazione il fenomeno dell intrusione del geotessile all interno dell anima drenante; FS2 = fattore di danneggiamento che tiene in considerazione il fenomeno del creep dei materiali polimerici; FS3 = fattore di danneggiamento che tiene in considerazione il fenomeno del clogging di natura chimica; FS4 = fattore di danneggiamento che tiene in considerazione il fenomeno del clogging di natura biologica; La seconda fase del calcolo consiste nel determinare la portata di progetto. I casi che si incontra solitamente sono: La portata da drenare è nota; La portata da drenare è ricostruibile (vedi curve di possibilità pluviometrica); La portata da drenare non è nota e non si posseggono i dati per una eventuale ricostruzione (confronto prestazionale con uno strato noto di materiale granulare). 13

14 4 CALCOLO DEL VALORE DI CAPACITA IDRAULICA DI UNO STRATO DI MATERIALE GRANULARE Per condizioni di flusso laminare, la portata di progetto riconducibile ad uno strato di ghiaia può essere valutata ricorrendo alla relazione di Darcy. Tale relazione analitica permette di calcolare la portata idraulica di uno spessore noto di materiale granulare Q (m 3 /s), noti i valori di permeabilità dei terreni k (m/s), di gradiente idraulico i (ad.) di sezione di flusso A (m2) di spessore t (m) e di larghezza drenante L (m). Q q = k * A * i = k * L * t i [m3/s] ghiaia ghiaia ghiaia * Qghiaia = = k ghiaia * t i [m3/s m] L ghiaia * 5 I GEOCOMPOSITI DRENANTI QDRAIN I geocompositi drenanti QDrain sono ottenuti per estrusione di monofilamenti di PP vergine e quindi successivamente termoaccoppiati ad uno (versione TG) o due geotessili non tessuti termosaldati anch essi in PP. La famiglia dei prodotti QDrain è composta dalle seguenti serie: Serie C Serie Z Serie WP Serie Speedrain Di seguito vengono illustrate nel dettaglio le principali caratteristiche di ciascuna serie. 5.1 LA SERIE C La serie C è dotata di una conformazione geometrica interna a forma di doppia cuspide, che impartisce al GCD uno spessore nominale a 2 kpa di 20 oppure 15 mm. Accoppiando l anima drenante con un solo geotessile si ottiene la serie TG. Le principali famiglie di prodotto appartenenti alla serie C sono le seguenti: spessore Q DRAIN C mm q drain C 20 P NT G NT 20 q drain C 15P NT G NT 15 q drain C 20 P TG NT G 23 q drain C 15 TG NT G 16 14

15 5.2 LA SERIE Z La serie Z invece è dotata di una conformazione geometrica interna a forma sinusoidale o ad onde, che impartisce al GCD uno spessore nominale a 2 kpa di 8 mm. Gli assi relativi ai canali drenanti che grazie alla forma ad onda si conformano, possono essere orientati sia longitudinalmente che trasversalmente. Nel primo caso (caso in cui l asse sia orientato lungo la lunghezza del rotolo) si ha la serie ZW, nel secondo caso si ha invece la serie ZM. Accoppiando l anima drenante con un solo geotessile si ottiene la relativa serie TG. Le principali famiglie di prodotto appartenenti alla serie C sono le seguenti: spessore Q DRAIN ZW q drain ZW 8 14P NT G NT 8 q drain ZW 8 TG NT G 8 Q DRAIN ZM q drain ZM 8 14P NT G NT 8 q drain ZM 8 TG NT G LA SERIE WP La serie WP (waterproofing) invece è caratterizzata dalla presenza di una membrana in poliolefine inserita su un lato del GCD, mentre sull altro un normale geotessile non tessuto termosaldato in PP. In una parte terminale dello strato impermeabilizzante, è inserito un cordolino butilico che consente ai teli contigui di potersi sovrapporre e saldare insieme. Il prodotto con membrana impermeabilizzante può essere realizzato indipendentemente se si tratta di una serie C oppure di una serie Z. 5.4 LA SERIE SPEEDRAIN La serie Speedrain invece è studiata per costituire una valida alternativa alle trincee drenanti classiche in ghiaia e geotessile. Il prodotto presenta 3 larghezze differenti (1,4 2,1 4 m) e la sua struttura drenante è quella del QDrain ZM. Alla base del prodotto è stata ricavata una tasca in geotessile, saldata grazie alla presenza di un cordolino butilico, che consente l alloggiamento di una tubazione drenante al suo interno. Per agevolare l inserimento del collettore, è stata inserita una corda per tutta la lunghezza del rotolo che opportunamente inserita nella testa della tubazione, consente un agevole allestimento del sistema drenante. 15

16 Fig. 6: Immagine dello Speedrain assemblato; 16

17 6 CAMPI DI APPLICAZIONE Il geocomposito drenante trova applicazione nella maggior parte dei settori dell ingegneria civile geotecnica, ogni qual volta si renda necessario individuare delle soluzioni progettuali per il drenaggio delle acque. Nella sottostante tabella si riportano i principali campi di utilizzo del geocomposito, evidenziando il tipo di contatto, la pressione media applicata sul prodotto e il gradiente idraulico (posizione di installazione del prodotto). APPLICAZIONE TIPO DI CONTATTO PRESSIONE GRAD. IDRAULICO Discariche controllate M/M M/M M/R M/R Capping: < 20 kpa Fondo: < 800 kpa 0-0,4 0-0,7 Gallerie M/M M/R < 200 kpa 0-1 Pendii M/M < 50 kpa 0-0,7 Muri di sostegno M/R < 100 kpa 1 Strade M/M M/R < 100 kpa 1 M/M M/R < 200 kpa 0,03 Ferrovie M/M < 100 kpa 1 M/M M/R < 200 kpa 0,03 Giardini campi sportivi M/R < 20 kpa 0,03 Terre rinforzate M/M < 100 kpa 0-0,7 17

18 7 DISCARICA CONTROLLATA DI RIFIUTI In una discarica è possibile prevedere l utilizzo di geocompositi drenanti sia sul fondo che nel sistema di copertura definitivo. Per quanto riguarda il fondo, il geocomposito può essere impiegato come sistema idraulico per la raccolta del percolato prodotto dalla decomposizione dei rifiuti. Per quanto riguarda invece il sistema di copertura finale (capping), QDrain può svolgere una doppia funzione: smaltire la quantità di biogas prodotto dal rifiuto nel corso della sua vita utile e raccogliere il quantitativo di acqua meteorica precipitato per evitare l instaurarsi di battenti idraulici permanenti al di sopra della copertura impermeabile geosintetica (solitamente costituita da una geomembrana in HDPE). Il sistema tradizionale previsto per legge definisce sei strati partendo dal fondo: 1. Corpo dei rifiuti 2. Strato di regolarizzazione, con la funzione di regolarizzare il piano di posa; è costituito da terreno di tipo argilloso, sempre più spesso associato ad un geotessile non tessuto che ne migliora le proprietà meccaniche (resistenza a trazione). 3. Strato drenante del biogas, costituito da 30 cm di ghiaia pulita con una percentuale di fine inferiore al 5%. 4. Impermeabilizzazione, costituita da uno strato d argilla, spesso associato ad un geotessile non tessuto oppure costituito da un geocomposito bentonitico o da una membrana in polietilene. 5. Strato drenante in ghiaia, ha lo scopo di intercettare le acque meteoriche per mantenere lo strato di terreno in condizioni non sature, sia per garantire le condizioni ottimali di vita alla copertura vegetale, sia per evitare scivolamenti in caso di piano inclinato. 6. Strato esterno, costituito da terreno di copertura di riporto di spessore tale da garantire crescita e sviluppo della vegetazione. In presenza di inclinazioni accentuate possono essere utilizzate anche delle geogriglie ad aderenza migliorata (XGrid AM). I geocompositi QDrain possono essere previsti sia per lo strato 3 (biogas), che per lo strato 5 (drenaggio acque meteoriche) rappresentando una valida alternativa alla ghiaia prevista per legge. Rispetto ai materiali granulari, i geocompositi QDrain consentono di risolvere le problematiche di installare cm di ghiaia in corrispondenza di piani fortemente inclinati sia all interno delle vasche che all esterno (soprattutto per il capping). Grazie inoltre alla presenza di geotessili non tessuti posti all interfaccia, garantiscono anche una buona protezione meccanica nei confronti dei teli d impermeabilizzazione che debbono essere i più possibile preservati dal danneggiamenti puntuale. 18

19 Fig. 7: drenaggio biogas previsto sotto la geomembrana in HDPE; 19

20 Fig. 8: drenaggio delle acque meteoriche sopra l impermeabilizzazione mediante GCD Qdrain C 20 P; 20

21 Nota Tecnica Fig. 9: particolare di posa del GCD Qdrain C 20 P ricoperto da uno strato di 1,5 m di terreno vegetale. Il prodotto svolge la funzione di strato drenante delle acque meteoriche; 21

22 8 GALLERIA Anche nelle gallerie sia artificiali che naturali, è possibile prevedere l utilizzo di GCD come strato di captazione delle acque di ruscellamento. Per quanto riguarda le gallerie artificiali il prodotto viene previsto direttamente sopra il geotessile non tessuto utilizzato come strato di protezione della guaina impermabile. In quelle naturali, può essere inserito sotto la guaina per intercettare le acque di infiltrazione. Fig. 10: installazione del QDrain sopra il geotessile protettivo all estradosso di una galleria artificiale; 22

23 9 MURI DI SOSTEGNO IN C.A. Un altra applicazione del QDrain è a tergo dei muri di sostegno, in sostituzione dello stato drenante in ghiaia. Ovviamente alla base del muro occorrerà inserire un collettore drenante per la raccolta delle acque di infiltrazione, evitando dispendiose lavorazioni per la stesa dello strato drenante naturale. Fig. 11: installazione del QDrain a tergo di un muro di sostegno in c.a.; 23

24 10 TERRE RINFORZATE Nelle opere di sostegno in terra rinforzata è consigliabile prevedere l installazione del QDrain a tergo del manufatto, sempre nell ottica di prevenire l infiltrazione delle acque all interno del rilevato strutturale. Alla base del fronte di scavo, è necessario prevedere anche l inserimento di un collettore drenante (tipo TPipe F). Fig. 12: installazione del QDrain a tergo di un muro di sostegno in terra rinforzata; 24

25 11 ANALISI SCHEDA TECNICA TIPO DI UN GCD Per poter meglio comprendere le principali caratteristiche tecniche di un GCD, è meglio conoscere nel dettaglio le proprietà che vengono solitamente riportate all interno di una scheda tecnica. Fig. 13: scheda tecnica tipo di un QDrain; 25

26 11.1 MASSA AREICA La massa areica di un geosintetico si misura secondo quanto dettato dalla norma EN 965, pesando provini quadrati o circolari, di dimensioni conosciute, dopo averli tagliati da posizioni distribuite casualmente sull intera larghezza e lunghezza del campione di geotessile o prodotto affine. Si misura in g/m2 ed è richiesta una precisione del mg. Ogni prova va eseguita su non meno di 10 provini SPESSORE Lo spessore di un geosintetico si misura secondo quanto dettato dalla norma EN 964-1, utilizzando lo strumento in figura 5.1. Lo spessore è definito come distanza tra una piastra di riferimento su cui poggia il provino e una piastra di trasmissione del carico, in grado di esercitare una pressione specificata sul provino stesso. Lo spessore è misurato su una superficie di dimensioni definite, all interno di una superficie più ampia del materiale. Il risultato è espresso in mm, in termini di valor medio e coefficiente di variazione ottenuti per ciascuna pressione stabilita. La prova consiste, infatti, nel sistemare il provino tra le piastre di riferimento e di trasmissione del carico, esercitare un carico e misurare lo spessore. Queste operazioni sono ripetute per almeno 10 provini per ogni carico previsto. La prova può essere eseguita in due modi: utilizzando provini diversi per i diversi carichi, oppure trasmettendo un carico incrementale sui singoli provini RESISTENZA A TRAZIONE E ALLUNGAMENTO A CARICO MASSIMO Resistenza a trazione ed allungamento a carico massimo sono i dati che caratterizzano il comportamento meccanico di un geosintetico. Sono misurati tramite una prova, codificata dalla norma EN ISO Il metodo di prova consiste nel sottoporre a trazione il geosintetico finché questo non giunge a rottura. Il valore di resistenza è espresso in kn/m e corrisponde al valore in cui il geosintetico si rompe; l allungamento è espresso in percentuale ed è il valore massimo raggiunto prima della rottura. La prova consiste nel trattenere un provino per tutta la sua larghezza nella macchina di prova e applicargli una forza longitudinale con una data velocità di deformazione (20%/min), fino alla sua rottura. Le proprietà di trazione del provino sono calcolate 26

27 dalle scale della macchina, da dischi di registrazione oppure da un computer interfacciato. Molto importante: i provini devono avere una larghezza maggiore della lunghezza (200 mm contro 100 mm) perché alcuni geosintetici tendono a restringersi sotto carico durante la misurazione di lunghezza. La maggiore larghezza serve proprio per ridurre gli effetti di questo fenomeno. Le misure d estensione sono effettuate tramite un estensimetro che segue il movimento di due punti sul provino, situati sull asse simmetrico dello stesso e distanti tra loro 60 mm. La resistenza a trazione R è data da: R = Ff x c dove: Ff = carico massimo registrato [kn] c = coefficiente correttivo dato da: per geotessili non tessuti e simili c= 1/B (B larghezza del provino); per geogriglie geostuoie e simili c= Nm/Ns (Nm = numero minimo di elementi soggetti a trazione in 1 m di larghezza del prodotto; Ns = numero elementi soggetti a trazione in un provino). La deformazione è misurata direttamente durante la prova. 27

28 11.4 RESISTENZA A PUNZONAMENTO STATICO E DINAMICO Le prove di resistenza al punzonamento si eseguono per tutti quei tipi di geosintetici che svolgono funzione di protezione, e quindi in particolare sui geotessili non tessuti. La prova di punzonamento statico è regolamentata dalla norma EN ISO e consiste nel sottoporre un campione, di dimensioni tali da consentirne l ancoraggio al supporto di prova, a pressione verticale mediante un pistone del diametro di 50 mm e su un area utile circolare del diametro di 150mm. La velocità del pistone è costante e pari a 50 mm/minuto. E misurata la resistenza alla perforazione (in N). Fig. 14: strumento per il calcolo della resistenza al punzonamento; Legenda: 1. Cella di carico; 2. Traversa; 3. Pistone; 4. Anelli di fissaggio; 5. provino; 6. Supporto del modulo CBR; 7. Estremità circolari interne La prova di punzonamento dinamico è codificata dalla norma EN 918. Un campione è bloccato da due flange di ancoraggio; un punzone conico viene lasciato cadere sul provino da un altezza di 500 mm. Viene misurato il diametro del foro prodotto dall impatto (in mm). 28

29 Fig. 15: strumento per il calcolo della resistenza al punzonamento; Legenda: sommità 1. Meccanismo di rilascio alla 2. Asta guida 3. Cono 4. Schermo metallico 5. Schermo 6. Piastre di fissaggio 7. Provino 8. Vite di livellamento 29

30 11.5 FLUSSO PERPENDICOLARE AL PIANO Consiste nella quantità d acqua che attraversa un campione di geosintetico in senso normale, per unità di tempo e superficie. Questo concetto è legato alle definizioni di permeabilità kv e permittività ψ. La permeabilità esprime la quantità d acqua che può attraversare un materiale in senso perpendicolare alla sua superficie. E definita come: kv = v/i = Q/A*t/ h [m/s] dove: v = velocità [m/s] i = gradiente idraulico = h/t Q = portata [m3/s] A = superficie [m2] t = spessore [m] h = perdita di carico [m] La permittività è, invece, pari alla permeabilità normale al piano divisa per lo spessore del geosintetico: ψ= kv/t [s-1] Questa prova è regolamentata dalla norma EN ISO e consiste nel far attraversare perpendicolarmente il provino da una portata d acqua Q. L apparecchiatura viene caricata d acqua finchè sul provino agisce una perdita di carico h pari a 50 mm. L acqua tenderà a disporsi allo stesso livello dalle due parti e quindi ad uscire in 2. Viene misurato il volume d acqua in uscita e il tempo impiegato per misurare tale volume. Il procedimento è ripetuto per diversi valori di h. Si calcola, quindi, per ogni valore di perdita di carico, la velocità di flusso: Vf=V x RT/A x t dove: V = volume misurato [m3] RT = fattore di correzione per temperature dell acqua diverse da 20 C A = superficie esposta del provino [m2] t = tempo misurato per raggiungere il volume V [s] In genere è sufficiente determinare l indice della velocità di flusso VIH50, ovvero la velocità di flusso corrispondente ad una perdita di carico pari a 50 mm. 30

31 Legenda: a)apparecchiatura orizzontale; 1) Flusso in ingresso; 2) Raccolta del flusso in uscita; 3)Provino; 4) Perdita di carico ( h) APERTURA CARATTERISTICA DEI PORI Per i geotessili non tessuti è molto importante conoscere l apertura caratteristica dei pori O 90, in quanto si collega con la funzione principale svolta da questo tipo di materiali, e cioè la filtrazione. E, infatti, importante conoscere le dimensioni delle aperture del geotessile in relazione alla dimensione delle particelle di terreno. La prova è codificata dalla norma EN ISO 12956, detta anche metodo del vaglio ad umido. La prova consiste nel fissare i provini alla base di setacciatori, e riempirli con terreno a granulometria nota. Si applica poi un getto d acqua e si attiva il dispositivo di setacciatura per un periodo di tempo fissato (600 s). Al termine della prova sono raccolti ed essiccati separatamente sia il materiale passante sia quello trattenuto dal provino. O 90 è pari al d 90 delle particelle che hanno attraversato il geotessile e si esprime in µm. Si ricava con metodi grafici o matematici dalla curva granulometrica del materiale passante. 31

32 Legenda: 1 Approvvigionamento dell acqua 7 Scivolo 2 Ugello/I per spruzzarura 8 Tubi di raccolta 3 Dispositivo di bloccaggio 9 Regolazione ampiezza 4 Materiale granulare 10 Carta da filtro 5 Provino 11 Dispositivo di raccolta 6 Griglia di supporto del provino Legenda: X = diametro in µm Y = passante in % 32

33 11.7 CAPACITA DRENANTE NEL PIANO La capacità drenante nel piano del GCD rappresenta la proprietà più significativa in quanto misura il rendimento idraulico sotto specifiche condizioni al contorno (in termini di gradiente idraulico e pressione di confinamento). Il calcolo della capacità drenante è già stato presentato nelle parti preliminari della presente relazione e per ovvie ragioni non viene di seguito riportato. 12 CRITERI DI PROGETTAZIONE DI UN SISTEMA DRENANTE GEOSINTETICO Per progettare un sistema drenante con un GCD, occorre calcolare le portate ammissibili di un GCD e di progetto e di conseguenza definire il relativo fattore di merito FS. Per poter far ciò, è necessario analizzare le seguenti due categorie di parametri: Parametri di natura idraulica; Parametri relativi ai carichi applicati. I parametri idraulici in ingresso, che occorre conoscere, per procedere con il dimensionamento dell intervento, sono: Il gradiente idraulico (i); La portata di progetto (q progetto). Per quanto attiene invece alla natura dei carichi applicati, è necessario conoscere: Carichi permanenti (W1); Carichi temporanei (W2); Carichi ciclici (W3) PARAMETRI IDRAULICI Le grandezze idrauliche coinvolte sono nella progettazione di un sistema drenante geosintetico sono il gradiente idraulico (i) e la portata di progetto (q progetto). Il gradiente idraulico esprime la caduta di pressione (perdita di carico idraulico h) per unità di lunghezza (L) e si calcola mediante il loro rapporto. h i = L Per quanto riguarda invece la determinazione del valore di portata da intercettare (portata di progetto), esistono sostanzialmente tre casistiche come precedentemente ricordato: La portata da drenare è nota; 33

34 La portata da drenare è ricostruibile mediante i dati di pioggia attraverso la ricostruzione delle curve di possibilità pluviometrica (LSPP); La portata da drenare non è nota e non si posseggono i dati per una eventuale ricostruzione. La portata d acqua che deve essere drenata, può presentarsi in diverse forme: per provenienza (meteorica, sub-superficiale) o per fonte (naturale o artificiale). È possibile quindi discretizzare la portata di progetto, in tre distinte componenti: Apporto idrico dovuto alle precipitazioni atmosferiche (Q1); Apporto idrico dovuto alla falda freatica (Q2); Apporto idrico dovuto ai sistemi di irrigazione (Q3). Il numero di componenti da considerare dipenderà ovviamente dal campo di applicazione trattato CONDIZIONI DI CARICO Il secondo parametro da valutare riguarda la natura e l intensità del carico applicato. Per quanto riguarda la natura del carico, è possibile distinguere tre categorie: Carichi permanenti; Carichi temporanei; Carichi ciclici. In funzione dell applicazione prevista, è possibile considerare tutte o solo una parte delle componenti di carico introdotte. 13 DRENAGGIO GEOSINTETICO IN VERTICALE A TERGO DI MANUFATTI IN C.A. DI SOSTEGNO Il caso trattato nella presente relazione tecnica riguarda la possibilità di intervenire con sistemi geosintetici drenanti (GCD) sostitutivi di sistemi drenanti naturali. Verrà pertanto di seguito definita la portata ammissibile del GCD, in funzione delle condizioni al contorno (fattori idraulici e di carico), la portata di uno strato drenante naturale e quindi il fattore di merito FS associato. 34

35 Fig. 16: sezione tipo drenaggio sintetico a tergo di manufatto in c.a.; Fig. 17: esempio di drenaggio in verticale a tergo di un manufatto di sostegno in c.a.; 35

36 13.1 CALCOLO DEL VALORE DI CAPACITA IDRAULICA AMMISSIBILE DELLO STRATO DRENANTE GEOSINTETICO Condizioni idrauliche: l applicazione del prodotto a tergo dell opera di sostegno coincide con un valore di gradiente idraulico pari ad 1 (applicazioni di drenaggio verticale). Condizioni di carico: per applicazioni in verticale, si considera generalmente solo l apporto dei carichi di natura permanente. La valutazione della sollecitazione a cui il prodotto sarà sottoposto, viene calcolata, considerando la spinta esercitata dal terreno, secondo la teoria di Rankine. Detta H la profondità massima a cui il sistema drenante verrà posizionato, per calcolare lo sforzo orizzontale massimo di confinamento, occorre conoscere le caratteristiche dei terreni, in termini di peso specifico γ(kn/m3), angolo di attrito φ( ), e coesione c (kpa). σ = γ * H * [kpa] h k A Con K A coefficiente di spinta attiva del terreno k = tan 2 45 φ A [ad.] 2 Nel caso fossero previsti dei sovraccarichi (temporanei o permanenti) in prossimità della trincea, è necessario correggere il valore dell altezza massima della trincea, mediante la seguente equazione: γ H + q H ' = * γ [m] Dove q [kpa] è il valore del sovraccarico considerato in prossimità della sede della trincea Sulla base del valore corretto dell altezza della trincea (H ), andrà valutata la sollecitazione massima. σ = γ * H * ' ' h k A [kpa] 36

37 Nel caso specifico avremo pertanto le seguenti grandezze: Dati di input considerati CASO A muro di contenimento alto 3 m peso specifico del terreno γ(kn/m3): 20; angolo di attrito φ( ): 30; coesione c (kpa): 0; altezza H (m): 3; 1 step: calcolo spinta attiva dei terreni k = tan 2 45 φ A 2 k A = 0,33 2 step: calcolo sollecitazione orizzontale statica σ h = A γ * H * k = 19,8 CASO B muro di contenimento alto 7 m peso specifico del terreno γ(kn/m3): 20; angolo di attrito φ( ): 30; coesione c (kpa): 0; altezza H (m): 8; 1 step: calcolo spinta attiva dei terreni k = tan 2 45 φ A 2 k A = 0,33 2 step: calcolo sollecitazione orizzontale statica σ h = A γ * H * k = 46 Valore di trasmissività idraulica nominale: dato il valore di gradiente idraulico (i=1) e massima sollecitazione applicata alla base del GCD pari a 20 kpa, il valore di trasmissività idraulica riportata in scheda tecnica del GCD tipo QDrain C 20 P è 3,99 l/s m (valore nominale) per il caso A e 1,44 l/sm per il caso B 37

38 Valore di trasmissività idraulica ammissibile: il valore di trasmissività ammissibile lo si ottiene dividendo il valore nominale per i fattori di danneggiamento FSi. q amm = q nom FS 1 1 * FS2 * FS3 * FS 4 dove: FS1 = fattore di danneggiamento che tiene in considerazione il fenomeno dell intrusione del geotessile all interno dell anima drenante (1,1); FS2 = fattore di danneggiamento che tiene in considerazione il fenomeno del creep dei materiali polimerici (1,3); FS3 = fattore di danneggiamento che tiene in considerazione il fenomeno del clogging di natura chimica (1,1); FS4 = fattore di danneggiamento che tiene in considerazione il fenomeno del clogging di natura biologica (1,1); Complessivamente i fattori di danneggiamento forniscono un FS totale pari a 1,73. Il valore ammissibile risulta quindi pari a: 2,3 l/s m per il caso A (muro alto 3 m) e 0,83 l/sm per il caso B (muro alto 7 m) CALCOLO DEL VALORE DI CAPACITA IDRAULICA DELLO STRATO DI INERTE Per calcolare il rendimento idraulico di uno strato di materiale inerte drenante a tergo del muro, occorre introdurre le seguenti grandezze: permeabilità dei terreni k (m/s): 10-3 gradiente idraulico i (ad.) : 1 spessore t (m) : 0,3 larghezza drenante L (m): 1 Q q = k * A * i = k * L * t i [m3/s] ghiaia ghiaia ghiaia * Qghiaia = = k ghiaia * t * i = 0,3 l ms [m3/s m] L ghiaia / Il quantitativo di acqua che uno strato drenante di ghiaia è in grado di drenare è pari a 0,3 l/s m CALCOLO DEL FATTORE DI MERITO FS Il rendimento idraulico che il prodotto selezionato è in grado di garantire è circa 8 volte superiore per il caso A (2,3 / 0,3 = 7,6), e circa 3 per il caso B (0,83/0,3 = 2,76). 38

39 Q _GCD Q _ghiaia FS Caso A (H = 3 m) 1,73 0,3 8 Caso B (H = 7 m) 0,83 0,3 3 39