CARATTERISTICHE GEOTECNICHE E

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
[email protected]
Papa Raffaele
Università degli Studi di Napoli “Federico II”
[email protected]
Ramondini Massimo
Università degli Studi di Napoli “Federico II”
[email protected]
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).
Incontro Annuale dei Ricercatori di Geotecnica 2013- IARG 2013
Perugia, 16-18 settembre 2013
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
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Incontro Annuale dei Ricercatori di Geotecnica 2013- IARG 2013
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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.
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a)
b)
Fig 4. Curve sforzo-deformazione di campioni naturali e trattati- a) Campo1, b) Campo2
Fig 5. Campioni trattati dopo la rottura
a)
b)
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 E50 (valutato a 0.50 qu) in funzione della
resistenza a compressione non confinata perfettamente in linea con i dati di letteratura.
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a)
b)
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
a)
b)
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
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tendono a stabilizzarsi dopo pochi cicli per il campione di terreno stabilizzato.
a)
b)
Fig 10. Prove triassiali cicliche_ Campo 2 a) campione naturale, b) campione stabilizzato
a)
b)
Fig 11. Campo 2: Rappresentazione relazione nel piano E/E0, N di cicli_a) ,e Du 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), 439–444
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, pp111-125
Terashi, M. and Tanaka, H. (1981). “Ground improved by Deep Mixing Method”, Proc. 10th ICSMFE, vol. 3,
pp. 777-780
Van Impe, W. (1989). Soil improvement techniques and their evolution, A.A. Balkema, Rotterdam
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