Caratteristiche fisiche meccaniche ed idrauliche dei geosintetici ai fini di una corretta progettazione

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1 Caratteristiche fisiche meccaniche ed idrauliche dei geosintetici ai fini di una corretta progettazione Ing. Domenico Gioffrè - Prof. Ing. Nicola Moraci Dipartimento DICEAM - Università Mediterranea di Reggio Calabria Seminario IMPIEGO SOSTENIBILE DEI GEOSINTETICI NELLE COSTRUZIONI SAIE Bologna, 14 Ottobre 2015

2 SOMMARIO Caratteristiche fisiche meccaniche ed idrauliche dei geosintetici Caratteristiche richieste ai geosintetici con funzione di rinforzo ai fini di una corretta progettazione Caratteristiche richieste ai geosintetici con funzione di drenaggio e filtrazione ai fini di una corretta progettazione

3 CARATTERISTICHE DEI GEOSINTETICI Caratteristiche fisiche massa areica, spessore, caratteristiche geometriche* * importanti in particolare per geogriglie e georeti Caratteristiche meccaniche Caratteristiche idrauliche Caratteristiche di degradazione Compressibilità, resistenza a trazione, rigidezza a trazione, creep a trazione, caratteristiche all interfaccia terreno-geosintetico, caratteristiche di resilienza* * resistenza allo strappo, resistenza al punzonamento statico, resistenza all'urto, resistenza allo scoppio, resistenza a fatica porosità, porometria,permittività, trasmissitivà resistenza all abrasione, degradazione macrobiologica, durabilità

4 FUNZIONI E CARATTERISTICHE RICHIESTE AI GEOSINTETICI Rinforzo resistenza a trazione, rigidezza, caratteristiche all interfaccia terreno-geosintetico, creep, stress relaxation, durabilità Drenaggio apertura caratteristica, trasmissività, spessore, creep a compressione, durabilità Filtrazione apertura caratteristica, permittività, resistenza a punzonamento, durabilità

5 FUNZIONI E CARATTERISTICHE RICHIESTE AI GEOSINTETICI Separazione apertura caratteristica, resistenza a trazione, caratteristiche all interfaccia terreno-geosintetico, durabilità Barriera (fluidi) permittività, resistenza a trazione, resistenza all abrasione, durabilità Protezione resistenza a punzonamento, resistenza allo scoppio, rigidezza, resistenza all abrasione, durabilità

6 CARATTERISTICHE E FUNZIONI Caratteristica Funzioni Rinforzo Drenaggio Filtrazione Separazione Protezione Metodo di prova Resistenza a trazione Allungamento in corrispondenza del carico massimo Punzonamento statico (prova CBR) Resistenza a punzonamento dinamico (prova della caduta del cono) Apertura caratteristica Permeabilità all acqua perpendicolare al piano Capacità drenante nel piano (trasmissività) Durabilità EN ISO EN ISO EN ISO EN ISO EN ISO EN ISO EN ISO EN ISO 13431

7 Caratteristiche richieste ai geosintetici con funzione di rinforzo ai fini di una corretta progettazione

8 RINFORZO DEL TERRENO CON GEOSINTETICI OPERE DI SOSTEGNO SPALLE DA PONTE PENDII RINFORZATI RINFORZO ALLA BASE DI RILEVATI SU TERRENI COMPRESSIBILI Foto gentilmente concesse da Huesker Maccaferri - Tenax

9 RINFORZO DEL TERRENO CON GEOSINTETICI RINFORZO ALLA BASE DI RILEVATI SU TERRENI COMPRESSIBILI IN PRESENZA DI PALI O TRATTAMENTI COLONNARI RINFORZO DI COLONNE DI GHIAIA O SABBIA (GEC)

10 RINFORZO DEL TERRENO CON GEOSINTETICI OPERE DI DIFESA PASSIVA DA FRANE DI CROLLO E DI COLATA ATTRAVERSAMENTO DI CAVITÀ SUPERFICIALI LOCALIZZATE

11 RINFORZO DEL TERRENO CON GEOSINTETICI RINFORZO DI SISTEMI BARRIERA DI COPERTURA E DI SPONDA DI DISCARICHE RINFORZO DI STRADE

12 TIPOLOGIE DI GEOSINTETICI CON FUNZIONE DI RINFORZO GEOTESSILI TESSUTI GEOGRIGLIE monofilamento multifilamento estrusa monodirezionale estrusa bidirezionale a bandelle a struttura orientata saldata tessuta

13 Caratteristiche di progetto Geosintetico con funzione rinforzo

14 PROVE DI TRAZIONE MONOTONE EN ISO HDPE

15 PROVE DI CREEP A TRAZIONE - EN ISO Moraci Montanelli, 1995

16 RESISTENZA A TRAZIONE DI PROGETTO A LUNGO TERMINE RESISTENZA A TRAZIONE T LTD RF CR RF ID TF RF W RF CH FS ISO TR Resistenza a trazione a breve termine T Danneggiamento Durabilità P REf Resistenza a trazione a lungo termine P Field Resistenza a trazione a lungo termine in sito P P Field d = Coeff. sicurezza P d Resistenza a trazione ammissibile Vita di progetto t d Log (tempo)

17 EFFETTI DEL CREEP A TRAZIONE - RF CR 50 Forza di Trazione, (%Fmax) T=20 C 1 Ora 10 Ore 100 Ore 1000 Ore Ore Ore Deformazione Totale, (%) EBGEO (2011)

18 EFFETTI DEL DANNEGGIAMENTO MECCANICO - RF ID Terreni grossolani (soprattutto a spigoli vivi) e mezzi di compattazione pesanti possono danneggiare il geosintetico di rinforzo provocandone un immediata riduzione della resistenza a trazione. Il rapporto tra la resistenza a trazione del geosintetico non danneggiato (vergine) e quella determinata sul provino dopo aver simulato il danneggiamento durante la posa in opera fornisce il coefficiente di riduzione RF ID. GSY Argille limi e sabbie Terreni grossolani arrotondati (d max <150 mm) Terreni grossolani a spigoli vivi (d max <150 mm) s v 55kPa s v >55kPa s v 55kPa s v >55kPa s v 55kPa s v >55kPa BGG 1,0-1,2 1,1-1,4 1,0-1,3 1,1-1,5 1,1-1,5 1,2-1,8 UGG 1,0-1,2 1,1-1,4 1,0-1,3 1,1-1,5 1,1-1,5 1,2-1,8 STW 1,1-1,6 1,2-1,9 1,2-1,7 1,3-2,0 1,2-1,9 1,3-2,2 CG 1,1-1,4 1,2-1,7 1,1-1,5 1,2-1,8 1,2-1,8 1,3-2,1 GT W 1,3-2,0 1,4-2,3 1,3-2,1 1,4-2,4 1,4-2,4 1,5-2,7 BGG = geogriglie estruse bi-orientate; UGG = geogriglie estruse monorientate; STW = geotessili a nastri tessuti; CG = geogriglie tessute rivestite; GT W = geotessili tessuti a maglia Hufenus et al. (2005)

19 EFFETTI DEGLI AGENTI ATMOSFERICI - RF W le prove di durabilità analizzano il comportamento dei materiali esposti alle radiazioni UV, a differenti temperature e in presenza o assenza di acqua (UNI EN 12224). Anche in questo caso il coefficiente di riduzione, RF W, è determinato come rapporto tra la resistenza a trazione determinata sul prodotto vergine e quella ottenuta dopo la procedura di degradazione. Resistenza a trazione dopo degradazione (EN 12224) Periodo massimo di esposizione agli agenti atmosferici consentito prima del ricoprimento col terreno RF W >80 % T F 1 mese T F / T W 60 %-80 % T F 2 settimane 1,25 <60 % T F 1 giorno 1,00 In assenza di prove 1 giorno 1,00

20 EFFETTI DEGLI DEGRADAZIONE CHIMICA - RF CH In assenza di prove chimiche di durabilità e per 4 ph 9 POLIMERO RF CH PET 2.0 HDPE 3.3 PP 3.3 PA 3.3 AR 3.3 PVA 2.0 EBGEO (2011)

21 CONOSCENZE NECESSARIE PER LA PROGETTAZIONE DELLE OPERE IN TERRA RINFORZATA Comportamento meccanico del terreno costituente il blocco rinforzato Comportamento meccanico dei geosintetici a breve e a lungo termine Interazione terreno-rinforzo Metodi di calcolo: condizioni statiche e condizioni sismiche

22 Workshop LA MESSA IN SICUREZZA DEL TERRITORIO URBANO: IL RUOLO DEGLI INGEGNERI E DELLA GEOTECNICA SAIE Bologna, 15 Ottobre 2015 ore Progettazione di opere in terra rinforzata con geosintetici Prof. Ing. Nicola Moraci Dipartimento DICEAM - Università Mediterranea di Reggio Calabria

23 Caratteristiche richieste ai geosintetici con funzione di drenaggio e filtrazione ai fini di una corretta progettazione

24 FUNZIONE DI DRENAGGIO La funzione di drenaggio si riferisce al flusso di acqua, o altri liquidi, lungo il piano del GSY (trasmissività o permeabilità nel piano) Possono essere definite due categorie di drenaggi: DRENAGGI A GRAVITÀ (es. chimney drains, drainage of tunnel constructions, drainage of retaining walls, landfill drainage systems, etc ) DRENAGGI A PRESSIONE (es. vertical drains cohesive soils under earth embankment) to accelerate consolidation of

25 FUNZIONE FILTRO Tale funzione è caratterizzata da due requisiti apparentemente in disaccordo: 1) il filtro deve trattenere il terreno di base; il che implica che la porometria e le aperture del filtro devono essere minori di determinati limiti ( criterio di ritenzione ); 2) il filtro deve essere molto più permeabile del terreno di base in modo tale da non generare impedimenti al flusso; il che implica che la porometria e la porosità del filtro devono essere maggiori di determinati limiti ( criterio di permeabilità ).

26 Esempi di applicazioni dei geosintetici con funzione filtro e/o drenaggio in ingegneria geotecnica e ambientale

27 ESEMPI DI APPLICAZIONI DEI GEOTESSILI CON FUNZIONE FILTRO Trincee drenanti Diga in terra Rivestimenti di sponde Protezioni di fondo

28 ESEMPI DI APPLICAZIONI DEI GSY: DRENAGGIO A GRAVITA

29 ESEMPI DI APPLICAZIONI DEI GSY: DRENAGGIO A PRESSIONE

30 GEOSINTETICI PER FILTRAZIONE GEOTESSILI CON FUNZIONE FILTRO GEOTESSILI TESSUTI GEOTESSILI NONTESSUTI a) b) c) d)

31 GEOSINTETICI PER DRENAGGIO GEOCOMPOSITI Georeti + Geotessili Geospacer + Geotessili PV dreni Geomat + Geotessili

32 GEOSINTETICI PER DRENAGGIO GEOTESSILI NONTESSUTI GEOTESSILI NONTESSUTI

33 Caratteristiche di progetto Geosintetico con funzione filtro

34 FUNZIONE FILTRO (GEOTESSILI) 1. Trattenere le particelle fini del terreno di base CRITERIO DI RITENZIONE 2. Garantire il flusso libero del fluido attraverso il piano del geotessile CRITERIO DI PERMEABILITA 3. Garantire la stabilità a lungo termine del filtro PRESTAZIONI A LUNGO TERMINE DISTRIBUZIONE DEI PORI APERTURA CARATTERISTICA DI FILTRAZIONE SPESSORE PERMEABILITA SUL PIANO NORMALE AL GEOSINTETICO SPESSORE e POROSITA PROVE DI FILTRAZIONE DI LUNGO TERMINE

35 CRITERIO DI RITENZIONE (GEOTESSILI) APERTURA CARATTERISTICA DI FILTRAZIONE DISTRIBUZIONE POROMETRICA

36 Criterio di ritenzione Apertura caratteristica di filtrazione O R D F R n R R O F = apertura caratteristica di filtrazione del geotessile (generalmente O 95 o O 90 ) = Rapporto di ritenzione dipende dal criterio utilizzato D n = diametro indicativo delle particelle del terreno di base (generalmente D 85, D 30 )

37 Criterio di ritenzione Apertura caratteristica di filtrazione Prove in grado di determinare solo il diametro delle particelle più grandi che possono passare attraverso il geotessile Setacciatura a secco (Dry Sieving - ASTM D4751) Setacciatura umida (Wet Sieving - EN ISO 12956) Filtrazione idrodinamica (Hydrodynamic Sieving - CNR ; CAN/CGSB )

38 Criterio di ritenzione Apertura caratteristica di filtrazione Prove in grado di determinare la distribuzione porometrica del geotessile Porometria ad intrusione di mercurio (Mercury Intrusion Porosimetry - ASTM D4404) Porometria con flusso capillare (Capillary Flow o bubble point test - ASTM D6767) Analisi di immagine + approccio probabilistico (Image Analysis + Probabilistic Approach - Aydilek et al )

39 Distribuzione porometrica del geotessile Porometria ad intrusione di mercurio - Mercury Intrusion Porosimetry Method (ASTM D-4404) L' intrusione di mercurio richiede pressioni molto elevate, che possono falsare in modo significativo la struttura dei pori del geotessile nontessuti. Porometria con flusso capillare - Capillary Flow Porometry (ASTM D ) La pressione richiesta è di un ordine di grandezza inferiore a quella richiesta per intrusione di mercurio in modo che la distorsione della struttura dei pori del geotessile non è significativa. Analisi di immagine + approccio probabilistico - Image Analysis Method Il metodo di analisi di immagine è sensibile all'intensità luminosa. Un aumento di luminosità può provocare una distorsione dei risultati (dimensioni dei pori del geotessile più grandi).

40 CONFRONTO TRA I DIFFERENTI METODI Porometria con flusso capillare (o bubble point), setacciatura umida e prove di filtrazione idrodinamica hydrodynamic sieving

41 CRITERIO DI PERMEABILITA (GEOTESSILI) PERMEABILITA NORMALE AL PIANO DEL GEOSINTETICO SPESSORE E POROSITA

42 CRITERIO DI PERMEABILITA Valutazione della permeabilità normale al piano del geosintetico K gn l K s K gn = permeabilità normale al piano del geotessile PERMEABILITY (EN ISO 11058) VELOCITY AND HEAD INDEX (EN ISO 12958)

43 CRITERIO DI PERMEABILITA Permittività (ASTM D4491) ψ gn l * K s Y k t gn g I geotessili nontessuti utilizzati per la filtrazione sono spessi e compressibili, per questo motivo a volte lo spessore è incluso nel coefficiente di permeabilità e si utilizza la permittività y. dove: Y = permittività K gn = permeabilità sul piano normale al geotessile t g = spessore geotessile

44 SPESSORE GEOTESSILE (ASTM D5199 ISO 9863) In alcune applicazioni, è importante conoscere lo spessore del geotessile e la sua variazione con la pressione verticale applicata. Lo spessore viene misurato come la distanza tra le superfici superiore ed inferiore del geosintetico soggetto ad una pressione di 2,0 kpa. Il metodo del test secondo le norme ISO 9863 permette di selezionare il valore della pressione.

45 PRESTAZIONI DEL GEOTESSILE A LUNGO TERMINE PROVE DI FILTRAZIONE DI LUNGO TERMINE

46 PROVE DI FILTRAZIONE DI LUNGO TERMINE STATI LIMITE DEI SISTEMI FILTRANTI Erosione (piping) Accecamento (blinding) Intasamento (clogging) Terreno di base Terreno di base Geotessile Geotessile Gli stati limite dei sistemi filtranti possono essere valutati con prove di filtrazione di lungo termine

47 PROVE DI FILTRAZIONE DI LUNGO TERMINE FLUSSO UNIDIREZIONALE Apparecchiatura per prove di filtrazione in condizioni di carico idraulico costante. Moraci (1992)

48 PROVE DI FILTRAZIONE DI LUNGO TERMINE FLUSSO UNIDIREZIONALE INTASAMENTO (clogging) CF=100 (K N/K N ) OCCLUSIONE ALL INTERFACCIA (blinding) BF=I CZ /I S

49 Caratteristiche di progetto Geosintetico con funzione di drenaggio

50 FUNZIONE DI DRENAGGIO Garantire il libero flusso del liquido lungo il piano geosintetico q q amm amm q richiesto q test FS FS FS FS SCB CR CC BC FS SCB = fattore di riduzione per intasamento o accecamento FS CR = fattore di riduzione per il creep a compresione FS CC = fattore di riduzione per intasamento chimico FS BC = fattore di riduzione per intasamento biologico IN PLANE WATER FLOW EN ISO TRASMISSIVITA ASTM D4716 SPESSORE EN ISO 9863 CREEP A COMPRESSIONE ISO Il geosintetico con funzione di drenaggio deve essere un filtro per il terreno a contatto con esso (vedi slides con funzione filtro per le caratteristiche richieste)

51 FATTORI DI RIDUZIONE Koerner, 2005

52 DETERMINAZIONE DELLA TRASMITTIVITÀ TENAX TNT E-03 HYDRAULIC FLOW RATE, [m²/sec] k t p G Q / iw 1.0E-04 HYDRAULIC GRADIENT i = 1.00 i = 0.50 i = E COMPRESSIVE STRESS, [kpa] ASTM D4716 ISO 12958

53 CREEP A COMPRESSIONE - EN ISO

54 Come i fattori che generalmente vengono trascurati nella progettazione influenzano il comportamento del geosintetico con funzione filtro? Pressione verticale efficace Effetto della deformazione di trazione Intasamento parziale (partial clogging) Tipo di contatto Tipo di fluidi..

55 INFLUENZA DELLA PRESSIONE VERTICALE EFFICACE Un aumento della pressione verticale efficace produce in un geotessile nontessuto una diminuzione dello spessore del geotessile e una diminuzione della dimensione della apertura caratteristica di filtrazione O F. (Gardoni et al. 2000) Mentre, in un geotessile tessuto ad un aumento della pressione verticale efficace, non è associato ad una corrispondente variazione della dimensione della apertura caratteristica di filtrazione. Inoltre, la permeabilità sul piano normale al geotessile può essere ridotta di circa 10 volte variando la pressione compresa tra 0 e 200 kpa.

56 INFLUENZA DELLA DEFORMAZIONE DI TRAZIONE SULL APERTURA CARATTERISTICA Woven Geotessile tessuto Apparent Opening Size, AOS (mm) oz* 8 oz* 12 oz* 18 oz* * nonw oven Palmeira and Gardoni (2002) Geotessile nontessuto Strain (%) La deformazione a trazione ha un effetto diretto sulla apertura caratteristica di filtrazione dei geotessili tessuti mentre non ha quasi nessuna influenza sui geotessili nontessuto.

57 INFLUENZA DELL INTASAMENTO PARZIALE L intasamento parziale può essere quantificato, secondo Palmeira, da un paramentro l l M M M s = la massa di particelle di terreno intrappolata nei vuoti del geotessile s f M f = la massa del filtro di geotessile Permeabilità del geotessile normale al piano in funzione della tensione normale applicata per differenti quantità di impregnazione di terreno l. (Palmeira and Gardoni 2002)

58 INFLUENZA DELLA CONTINUITÀ DI CONTATTO ALL'INTERFACCIA Rappresentazione schematica del diverso tipo di contatto in rivestimenti di sponda con terreni di base granulari sciolti Geotessile tessuto Geotessile nontessuto Rappresentazione schematica del diverso tipo di contatto in rivestimenti di sponda con terreni di base granulari densi Geotessile tessuto Geotessile nontessuto

59 CONSIDERAZIONI SULLE CARATTERISTICHE RICHIESTE AI GEOSINTETICI CON FUNZIONE DI RINFORZO Modelli costitutivi di tipo elasto-visco-plastici (Liu e Ling, 2006, 2007; Hirakawa et al., 2003; Kongkitkul et al., 2004; Peng et al., 2010) validi in assenza di agenti degradanti (chimici, fisici, meccanici e biologici) che a rigore però bisognerebbe introdurre. Se si utilizzano i metodi di calcolo semplificati (metodi dell equilibrio limite globale, metodi ibridi di tipo cinematico) è necessaria la conoscenza della resistenza e della rigidezza a trazione di lungo termine del geosintetico e dei parametri di attrito equivalente rappresentativi del comportamento dell interfaccia terreno - rinforzo.

60 CONSIDERAZIONI SULLE CARATTERISTICHE RICHIESTE AI GEOSINTETICI CON FUNZIONE DI RINFORZO Le conoscenze acquisite sulla durabilità dei geosintetici e le tecniche sperimentali sviluppate consentono di prevedere la resistenza a lungo termine degli stessi considerando gli effetti di tutti i fattori che possono comportarne una riduzione nel tempo (creep, danneggiamento meccanico, degradazione chimica e ambientale)

61 CONSIDERAZIONI SULLE CARATTERISTICHE RICHIESTE AI GEOSINTETICI CON FUNZIONE FILTRO E DRENAGGIO La valutazione di O F e della distribuzione porometrica del geotessile sono parametri fondamentali per la progettazione del geotessile con funzione filtro. I risultati per la valutazione della dimensione dei pori ottenuti con prove di porometria con flusso capillare (o bubble point test), di setacciatura umida e di filtrazione idrodinamica sono in buon accordo. La permeabilità e la permittività del geotessile con funzione filtro possono essere accuratamente valutate attraverso prove sperimentali. Fattori che generalmente vengono trascurati nella progettazione (pressione verticale efficace, deformazione di trazione, intasamento parziale, tipo di contatto, etc.) influenzano il comportamento del geosintetico con funzione filtro.

62 Caratteristiche fisiche meccaniche ed idrauliche dei geosintetici ai fini di una corretta progettazione Ing. Domenico Gioffrè Prof. Nicola Moraci Dipartimento DICEAM Università Mediterranea di Reggio Calabria Seminario IMPIEGO SOSTENIBILE DEI GEOSINTETICI NELLE COSTRUZIONI SAIE Bologna, 14 Ottobre 2015