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csm by Bauer

Dr. Ing. Ak. Massimiliano Bringiotti – GeoTunnelDr. Geol. Marco Dossi – GeoTunnelDr. Davide Nicastro – GeoTunnel

Miscelazione profonda dei terreni:

Metodi classici e tecnologie innovative – Csm by bauer

Questa trattazione persegue l’obiettivo di illustrare l’innovativa tecnologia nota come Cutter Soil Mixing (CSM: taglio e miscelazione del terreno) per la formazione di pannelli rettangolari di terreno consolidato, mediante miscelazione in posto con opportuno legante, al fine di realizzare strutture portanti o diaframmi idraulici; tale sistema è stato studiato e realizzato da Bauer Maschinen GmbH nel 2004, unendo le conoscenze del trattamento dei terreni, metodologia nota come Deep Mixing Method (DMM: miscelazione profonda del terreno), con quelle dello scavo di pannelli rettangolari realizzati tramite la tecnologia delle idrofrese (Trench Cutter).I metodi DMM consistono nel realizzare colonne di terreno trattato, mediante utensili collegati a una o più aste che ruotano, tramite una Rotary, e che vengono spinti nel terreno. Le idrofrese realizzano pannelli rettangolari continui tramite l’azione di taglio di opportune ruote provviste di inserti taglienti.L’unità CSM è costituita da due gruppi di ruote fresanti azionate idraulicamente e montate su un telaio dove trovano alloggiamento i motori e vari sensori atti alla misurazione di pressioni, velocità, inclinazioni, ecc.. Tali “teste fresanti” vengono collegate ad un’asta kelly atta a generare la spinta necessaria all’infissione; esiste anche la versione sospesa, dove il supporto delle ruote è un idoneo telaio e l’azione di pressione sul terreno avviene per gravità. Mescolare delle miscele cementizie con il terreno utilizzando la tecnologia CSM è un nuovo ed efficace metodo per realizzare paratie di ritenuta e/o sostegno, diaframmi impermeabili e per il miglioramento delle caratteristiche meccaniche dei terreni, nelle gallerie artificiali, nei parcheggi sotterranei, nelle discariche, ecc.. Queste opere richiedono una paratia competente atta al sostegno degli scavi e/o alla tenuta di liquidi per limitare la migrazione di contaminanti o l’abbassamento della falda ed il suo ripercuotersi sulla stabilità dei terreni e delle costruzioni circostanti. Il metodo CSM offre una nuova valida alternativa ai metodi classici: può essere utilizzato per sostituire diaframmi di varia natura (ad es. plastici), installazioni di palancolate e/o di pali battuti (i quali potrebbero indurre vibrazioni pericolose alle strutture adiacenti), paratie in jet grouting (evitando i pericoli generati dallo scarso controllo

delle pressioni di iniezione), ecc.. Inoltre, è un metodo valido anche per la stabilizzazione di sabbie sciolte e come strumento per mitigare il fenomeno di liquefazione in zone di attività sismica. I metodi DMM (Deep Mixing Methods) sono utilizzati principalmente per il trattamento di terreni teneri (coesivi e non-coesivi). Il metodo CSM, che utilizza la tecnologia delle idrofrese Bauer, estende l’utilizzo anche ai terreni più consistenti ed alle rocce tenere.

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Figura 1.2 Utensile storico

1. DMM – Deep Mixing Method Il miglioramento della resistenza meccanica e delle caratte-ristiche idrauliche dei terreni viene generalmente ottenuto tramite una serie di tecniche che rientrano nella definizione di “consolidamento dei terreni”;§ tra queste enumeriamo la “compattazione dinamica”, il “precarico” associato al ”drenag-

gio profondo”, le “iniezioni di miscele a bassa pressione”, il “jet grouting” e la “miscelazione meccanica profonda” o “deep mixing”. Deep mixing è un termine generico che individua vari metodi di consolidamento in cui i leganti, calce e/o ce-mento, vengono mescolati meccanicamente con il terreno. Questo trattamento è stato ideato nei paesi scandinavi e successivamente applicato in Giappone [Fig. 1.1]. In sintesi, il terreno viene mescolato in sito mediante un utensile rotante formando delle zone che presentano caratteristiche di resistenza, deformabilità e permeabilità migliori del terreno circostante non trattato.

1.1 Cenni storiciSecondo alcuni il principio del metodo ha origine negli Stati Uniti dove, nel 1954, una singola coclea è stata utilizzata per mescolare il legante con il terreno. Tuttavia, questa tecno-logia, nella forma attuale, deriva dallo sviluppo maturato in Giappone ed in Svezia [Fig. 1.2]. Infatti, la tecnica del deep mixing è stata presentata per la prima volta in una conferenza internazionale nel 1975, con un progetto svedese ed uno giapponese. L’utilizzo del me-todo delle colonne di calce in Svezia iniziò nel 1967 ed era basato sulla miscelazione in situ del terreno con calce viva

per formare colonne indurite.Contemporaneamente alla speri-mentazione svedese, la ricerca e lo sviluppo della miscelazione profonda avveniva anche in Giappone sin dal 1967 con prove di laboratorio su modelli a scala ridotta, effettuate allo scopo di mettere a punto un metodo per la stabilizzazione profonda delle argille marine. In Giappone, inoltre, nel 1975, è stato messo a punto il metodo “per via umida”, in cui il legante viene premiscelato con acqua e successi-vamente iniettato nel terreno. Nel 1975 gli ingegneri giapponesi hanno

iniziato lo studio della miscelazione meccanica profonda “a secco”; il primo progetto è stato effettuato nel 1981, con un metodo molto simile a quello svedese della colonna di calce. Il deep mixing ha avuto molto successo in Giappone e dal 1980 il metodo ha visto un veloce sviluppo ed un gran numero di Aziende hanno ideato ed ottimizzato propri processi di miscelazione, elaborando un’ampia varietà di tecniche.

1.2 MetodoDa un punto di vista scientifico, è difficile distinguere la stabilizzazione del suolo superficiale da quella in profondi-tà. Tradizionalmente, la stabilizzazione del suolo a limitate profondità viene collegata ai sottofondi superficiali, per esempio nel campo stradale, mentre il deep mixing riguarda aspetti di bonifica, sostegno e rinforzo del terreno. Secondo la norma UNI EN 14679 (2005) questo metodo concerne il trattamento del terreno ad una profondità minima di 3 m. La maggior parte dei metodi di miscelazione profonda utilizza una pala formata da lame o da coclee montate su uno o più alberi [Fig. 1.3].

Nel 1980 in Giappone sono stati sviluppati alcuni differenti metodi di miscelazione profonda, ognuno dei quali è cono-sciuto con un nome proprio; la principale distinzione si ha tra il metodo di miscelazione per via secca (dry mixing) e per via umida (wet mixing). Oltre alla calce ed al cemento, possono essere impiegati altri agenti quali gesso, cenere volante, scoria di fornace, idrossiallumina e cloridrato di potassio.

1.2.1 Principi che regolano il consolidamento I componenti principali del cemento sono la Silice (SiO

2),

l’ossido di calcio (CaO) e l’allumina (Al2O

3).

Il cemento secco, immesso nel terreno da consolidare, assorbe l’umidità presente formando idrati di cemento e calce spenta: Cemento + H

2O CSH + Ca(OH

2)

dove: C = CaO S = SiO2 H = H

2O

In seguito al processo di ionizzazione, la calce spenta si di-vide in ioni calcio ed in ioni ossidrili; gli ioni calcio, assorbiti dalla superficie delle particelle di terreno, reagendo con la silice e l’allumina (minerali argillosi), producono silicati di calcio idrati ed alluminati di calcio idrati; tale processo é detto di “idratazione”. Da prove di laboratorio, la resistenza

Figura 1.1 Pannelli CSM

eseguiti in Giappone

Figura 1.3 Colonne DMM

riesumate

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a compressione del terreno consolidato in funzione del dosaggio e del tipo di agente consolidante evidenzia come la resistenza risulti superiore utilizzando materiali in polvere piuttosto che malte liquide e come i valori maggiori di re-sistenza siano ottenuti miscelando al terreno cemento in polvere [Fig. 1.4]. Quando una argilla viene mescolata con cemento o calce, si ha un immediato aumento della resistenza, dovuto in parte alla flocculazione dell’argilla ed in parte alla riduzione del contenuto d’acqua. Il fenomeno dell’idratazione della calce viva o del gesso viene ac-compagnato da un rigonfiamento del materiale trattato e da un aumento della temperatura; l’acqua necessaria alla reazione è assorbita dal terreno circostante.

1.2.2 Dry mixing Il presupposto affinché possa avvenire la reazione di idratazione nel dry mixing è che il terreno sia immerso in falda o che comunque presenti un livello d’umidità suffi-ciente. L’attrezzatura è costituita dal gruppo principale di perforazione e trattamento e da un gruppo di stoccaggio ed invio del legante in polvere; se necessario è presente anche un gruppo di alimentazione d’acqua per umidificare eventuali livelli aridi. La perforazione viene realizzata tra-mite una batteria di aste modulari cave, all’estremità della quale è montato l’utensile, con una doppia serie di lame, opportunamente sagomate. Durante la perforazione, eseguita con velocità di avanzamento e rotazione determinate in funzione della consistenza dei materiali da attraversare, le lame disgregano il terreno sino a portarlo ad una condizione prossima al limite liquido. In questa fase l’acqua necessaria per trattare i terreni aridi vie-ne immessa in prossimità delle lame attraverso un’apposita conduttura. Ultimata la perforazione si inverte il senso di rotazione dell’utensile e si procede all’immissione del ce-mento attraverso gli ugelli posti in prossimità della zona di attacco delle lame all’asta. Il cemento viene trasportato da un flusso d’aria compressa utilizzando uno speciale dosatore che permette di immettere la quantità voluta di legante per metro cubo di volume trattato. In questa fase il cemento viene pertanto miscelato al terreno e la conformazione delle lame è tale da assicurare anche un costipamento verso il basso del materiale così miscelato. La qualità del prodotto viene assicurata dal controllo e dalla registrazione continua dei parametri operativi quali la velo-cità di avanzamento/recupero e di rotazione e la quantità di legante inviato per metro lineare di colonna.Le due principali tecniche di miscelazione a secco sono la DJM Dry Jet Mixing ed il metodo della colonna calce-cemento, oggi definite rispettivamente come tecnica “giapponese” e “nordica” secondo la norma UNI EN 14679 (2005).

1.2.3 Wet mixing La tecnica di miscelazione per via umida consiste nella mescola-zione in sito del terreno con una miscela a base di legante idraulico. L’attrezzatura è costituita da una macchina operatrice con una torre di perforazione costituita da una o più aste attrezzate con porzioni di spirale (terreni incoerenti) o lame (terreni coesivi). Ogni batteria termi-na con un utensile di perforazione provvisto di ugelli che consentono la fuoriuscita della miscela acqua-cemento necessaria. L’impianto di confezionamento e pompaggio prevede un agitatore dal quale la miscela viene inviata alle batterie di

perforazione. Un sistema di rilevamento registra in continuo i seguenti parametri: pressione del circuito idraulico della mac-china, velocità di rotazione, profondità, volume progressivo del fluido iniettato, portata e pressione dell’iniettore. La realizzazione degli elementi consolidati avviene facendo penetrare nel terreno la batteria di attrezzi disgregatori sino alla quota di fine colonna; contemporaneamente alla discesa, dagli ugelli, viene iniettata la miscela cementizia ed è in questa fase che il terreno viene smosso e mesco-lato al legante. Terminata la perforazione, si inizia la fase di risalita invertendo il senso di rotazione della batteria ed eventualmente iniettando ulteriore miscela (eseguendo con ciò un’azione di compattazione del volume già trattato). La tecnica giapponese Cement Deep Mixing (CDM), o “per via umida” (wet method), è stata sviluppato nella metà degli anni ‘70 e rappresenta il più grande gruppo delle tecniche di miscelazione per via umida.

1.3 Processo di miscelazione Il processo di miscelazione nel deep mixing è molto comples-so e comprende varie fasi. Lo scopo è diffondere il legante nel terreno in modo da creare le condizioni migliori affinché avvengano le reazioni chimiche di idratazione [Fig. 1.5].

Figura. 1.4 Diagramma della resistenza a compressione del terreno consolidato in funzione del dosaggio e del tipo di agente consoli-dante

Figura1.5 Impianto MAT di miscelazione nel cantiere CSM di Avigliana (Cipa SpA & Injectosond Srl)

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è importante quindi che la diffusione del legante sia il più possibile uniforme nel volume di materiale trattato, sia in direzione longitudinale che trasversale, al fine di ottenere ovunque le medesime caratteristiche. Il processo esecutivo del deep mixing può essere diviso in tre fasi principali: 1) penetrazione dell’utensile di miscela-zione alla profondità richiesta; 2) dispersione del legante; 3) diffusione molecolare.

1.3.1 Penetrazione dell’utensile di miscelazione Nella prima fase del processo l’utensile rotante viene guidato nel terreno alla profondità voluta. Gli attrezzi di miscelazione esistenti sono costituiti da pale inclinate generalmente di un piccolo angolo sull’orizzontale.

1.3.2 Processo di dispersione Il processo tramite il quale il legante viene disperso nel terreno può essere diviso in quattro fasi: a) incorporazione e diffusione del legante; b) umidificazione delle particelle; c) disaggregazione degli agglomerati; d) distribuzione. a) Incorporazione e diffusione del legante è molto im-portante che l’utensile di miscelazione sia progettato in modo da spargere il legante uniformemente nella sezione trasversale della colonna. Ciò evita variazioni significative di concentrazione e la formazione di grandi agglomerati (grumi). L’incorporazione e la diffusione del legante spin-to dall’aria compressa è già di per sé un meccanismo di miscelazione, poiché produce il movimento relativo tra terreno e legante. b) Umidificazione delle particelle solide Quando il legante viene mescolato con il terreno, gli agglomerati di polvere contengono aria intrappolata che deve essere evacuata e sostituita con acqua presente nella terra, al fine di consen-tire la reazione di idratazione. Il processo di umidificazione risulta facilitato dall’azione mescolante dell’utensile che genera elevate sollecitazioni di taglio e compressione nel terreno. Nella miscelazione a secco, specialmente nei terreni con limitato contenuto d’acqua, i problemi propri dell’umi-dificazione, congiuntamente ad una miscelatura meccanica inadeguata, possono portare alla formazione di agglomerati e di sacche d’aria nelle colonne. Una soluzione è premiscelare il legante con acqua; questo metodo, conosciuto come “per via umida”, viene usato principalmente con il cemento. Nel consolidamento di terreni con un indice di liquidità superiore all’unità, il metodo per via umida può avere un effetto nega-tivo sul processo di miscelazione, poiché le parti di terreno possono venire trascinati dalla miscela senza subire un’azione significativa dall’utensile di miscelazione. c) Disaggregazione degli agglomerati Una volta che il legante è stato miscelato, gli agglomerati che si sono formati dovreb-bero essere spezzati prima che inizino le reazioni chimiche di idratazione. Se le particelle non sono disperse uniformemente, si formeranno grandi aggregati con conseguenti variazioni di concentrazione della miscela. La disgregazione dei grumi

viene effettuata con un’azione tagliante o generando grandi forze di compressione, sempre tramite gli utensili di miscela-zione. L’azione disaggregratrice è facilitata da condizioni di moto turbolento per le quali sono necessarie elevate velocità di rotazione, in quanto alle basse c’è il rischio che l’utensile sposti soltanto gli agglomerati senza romperli. d) Distribuzione La distribuzione è il processo tramite il quale gli agglomerati disgregati vengono sparsi nella miscela; generalmente ciò avviene contemporaneamente al processo precedente. Se il legante non è stato diffuso adeguatamente durante le fasi precedenti si renderanno necessari lunghi tempi di miscelazione, poiché risulta difficoltosa la generazione del movimento in tutti i tipi di terreno quando sia iniziata la reazione d’idratazione poiché tale fenomeno comporta il progressivo indurimento dell’impasto.

Diffusione molecolare Dopo l’esecuzione della colonna, il processo di miscelazione continua tramite diffusione molecolare; qualora ci siano variazioni di concentrazione di legante, nel tempo queste tenderanno a diminuire sino ad annullarsi. I leganti oggi maggiormente utilizzati sono la calce ed il cemento che differiscono nelle loro proprietà di diffusione. Quando la calce reagisce con acqua, produce idrossido di calcio, che si diffonde nell’agglomerato migliorando così il grado di miscelazione. Il cemento, d’altra parte, reagisce con acqua generando prodotti che induriscono ed otturano i pori interstiziali del terreno, per cui la diffusione molecolare è un meccanismo di miscelazione secondario per il cemento.

1.4 Fattori che influenzano il processo di miscelazioneIl processo di miscelazione nel deep mixing dipende da molti fattori: la reologia del terreno e del legante, la pressione nel terreno, la pressione e la quantità d’aria utilizzata, la geome-tria dell’utensile di miscelazione, l’energia di miscelazione, la velocità di rotazione e di recupero dell’utensile, la tensione di consolidamento, l’energia di compattazione, la temperatura e la quantità d’acqua.

1.4.1 Energia di miscelazione E’ oggi ben noto che lo sforzo efficace ha influenza sul processo di miscelazione e sui relativi risultati: un tempo di miscelazione maggiore aumenta lo sforzo efficace tra-smesso e la diffusione del legante nella miscela. Sia le linee guida giapponesi (CDIT, 2002) che la norma europea (EN 14679) correlano l’intensità di miscelazione al numero di giri dell’utensile, mentre lo sforzo efficace trasmesso alla miscela viene correlato alla velocità di recupero. Nei paesi scandinavi il valore di recupero (mm/giro) dell’utensile viene utilizzato come misura del tempo di miscelazione, mentre l’intensità di miscelazione è funzione della velocità di rotazione. Nel Giappone, invece, il tempo di miscelazione è misurato in termini di velocità di penetrazione, velocità di recupero e di rotazione.

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Per fornire una misura del tempo di miscelazione questi parametri sono correlati nel termine T (giri/m) (Yoshizawa 1997):

T = ∑M(Nd/Vd + Nu/Vu)dove: ΣM è il numero di pale dell’utensile; Nd è la velocità di rotazione dell’utensile durante la penetrazione [giri/min]; Nu è la velocità di rotazione dell’utensile durante il recupero [giri/min]; Vd è la velocità di penetrazione dell’utensile [m/min]; Vu è la velocità di recupero dell’utensile [m/min].In Giappone parte del legante è spesso immesso appena l’utensile viene infisso nel suolo, in particolare quando si adotta il metodo per “via umida”, aiutando così il mescola-mento del terreno. Per calcolare il tempo di miscelazione, considerando il fatto che soltanto parte del legante è im-messo durante l’inserzione dell’utensile, può essere usata la seguente espressione (Hayashi & Nishikawa 1999):

T = ∑M(Nd/Vd + Nu/Vu + Wi/Wt )dove: Wi è la quantità di legante immesso durante la penetra-zione [kg]; Wt è la quantità totale di legante immesso [kg]. In Svezia, invece, per la misura del tempo di miscelazione viene utilizzata la velocità di recupero (mm/giro) dell’utensile. Il tempo T può essere calcolato come:

T = ∑M 1/s 1000 dove: ∑M è il numero di pale dell’utensile; s è la velocità di recupero dell’utensile [mm/giro]. Una serie di prove di laboratorio hanno dimostrato che il grado di miscelazione ed il numero di giri rivestono impor-tanza fondamentale per la resistenza finale.Nei paesi scandinavi si utilizza generalmente il metodo “per via secca” e l’immissione del legante avviene solo durante la fase di recupero. La miscelazione potrebbe essere migliorata immettendo il legante già durante la fase di perforazione del terreno, tuttavia questo non viene praticato in quanto il mescolamento diventa difficoltoso quando il legante inizia a reagire con il terreno; un rimedio consiste nel modificare la reologia del legante a mezzo di additivi ritardanti. Si è osservato comunque che la velocità di rotazione influenza sia lo sforzo efficace che il grado di miscelazione, poiché un incremento della velocità di rotazione riduce i tempi di miscelazione a parità di risultati. A riguardo la geometria dell’utensile riveste un’importanza fondamentale in quan-to da essa dipendono tutti gli altri parametri visti. Un’idea comune dei ricercatori per aumentare la resistenza e mi-gliorare la qualità della miscela è quella di dotare l’utensile di numerose lame o pale in modo da realizzare più lavoro di miscelazione. Nei paesi scandinavi oggi la velocità di rotazione è normalmente di 150÷200 giri/min mentre in Giappone è di 20÷60 giri/min.

1.4.2 Tipo e quantità di legante Non vi è dubbio sul fatto che la quantità di legante influenzi significativamente la resistenza di terreno stabilizzato, co-munque importante è anche la distribuzione del legante

nel volume trattato e la dispersione dei valori di resistenza. Asano (1996) ha studiato come cambiano la resistenza a compressione ed il coefficiente di dispersione al variare della quantità di legante per tre tipi di leganti. I risultati hanno mostrato che, riguardo alle miscele di cemento, il coefficiente di dispersione passa da circa il 40% al 20% con il raddoppio della quantità di legante.

1.4.3 Geometria dell’utensile di miscelazione L’influenza della geometria dell’utensile di miscelazione è stata oggetto di studi sin dagli anni ‘70, in Giappone ed in Svezia, che sostanzialmente hanno confrontato geometrie differenti. E’ noto che uno dei rischi della miscelazione in situ riguarda la possibilità che il legante indurisca ed ostacoli la rotazione dell’utensile. Nella metà degli anni ‘80, sono stati presentati degli utensili dotati di “alette antirotazione” che, rimanendo ferme, impediscono al materiale mescolato di ruotare solidalmente all’attrezzo. Altre soluzioni, ad esem-pio, vedono l’utensile dotato di lame di miscelazione che ruotano nei sensi opposti.

1.4.4 Proprietà reologiche del terreno Le proprietà reologiche dei terreni condizionano molto la scelta sul metodo e sulle tecnologie del deep mixing. La miscelazione con leganti è particolarmente difficoltosa nel caso di terreni fini coesivi con contenuti d’acqua medio-alti; accade spesso infatti di dover trattare limi o argille prossime al limite di liquidità. La reologia del volume trattato cambia rapidamente dopo l’immissione del legante, poiché viene provocato un asciugamento veloce e di conseguenza la miscela diventa più plastica e difficile da miscelare.

1.4.5 Quantità e pressione d’aria Secondo la norma EN 14679 (2005) nel dry mixing la pres-sione d’aria dovrà essere mantenuta bassa quanto possibile per evitare i problemi di trascinamento e movimentazioni di terreno. Da una serie di prove su modelli a scala ridotta è stato individuato che la quantità di aria può influenzare con-siderevolmente l’uniformità e le proprietà di resistenza del terreno trattato. La pressione d’aria deve essere sufficiente per formare cavità sino in superficie per la sua evacuazio-ne dopo la fase di distribuzione del legante. La pressione dell’aria non deve essere comunque troppo elevata perché questo potrebbe causare fratture pneumatiche oltre i bordi della colonna (pressioni elevate di circa 200÷1.000 kPa sono comunemente applicate in Svezia).

1.5 Materiali e miscele In linea generale si può affermare che le proprietà reologiche di una miscela influenzano notevolmente la sua iniettabilità in un determinato mezzo poroso o fratturato. I materiali d’iniezione possono essere classificati, dal punto di vista reologico, in due categorie [Fig. 1.6]: a) Fluidi newtoniani, che seguono la legge di Newton in quanto sono caratterizzati dall’assenza della soglia di taglio (rigidità nulla) e ad ogni istante lo sforzo di taglio è

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proporzionale linearmente alla velocità di flusso tramite la viscosità μ. La relazione lineare di Newton che lega viscosità e scorrimento è: T = μ dv/ dzdove: T è lo sforzo di taglio necessario per produrre una ve-locità relativa dv fra due strati piani paralleli distanti fra loro dz; μ è la viscosità dinamica; dv/dz è il gradiente di taglio. b) Fluidi binghamiani. Per il movimento del fluido è neces-sario il superamento della soglia di taglio, oltre la quale lo sforzo di taglio è direttamente proporzionale al gradiente con viscosità costante come per i fluidi newtoniani. La legge è del tipo: T =T

0+μ dv/ dz

dove: T è sforzo di taglio necessario per produrre una velocità relativa dv fra due strati piani paralleli distanti fra loro dz; T0 è la soglia di taglio o rigidità (yeld value); μ è la viscosità plastica o dinamica; dv/dz è il gradiente di taglio. In senso stretto, un corpo di Bingham non è un liquido ma piuttosto un solido visco-plastico.La viscosità dinamica è un parametro caratterizzante per le miscele ed è espressa in mPa sec o cP, secondo la re-lazione d’equivalenza: 1 mPa sec = 1 cP [Centipoise]; dipende dal tempo e dalla temperatura. La viscosità di fluidi quali le sospensioni di cemento aumenta all’au-mentare della temperatura.

1.5.1 Classificazione delle miscele In base allo schema di comportamento reologico [Fig. 1.7], le miscele possono es-sere raggruppate nelle seguenti classi:a) sospensioni - stabili - instabili

b) soluzioni - colloidali (evolutive) - pure (non evolutive) a) Sospensioni Le sospensioni sono costituite dall’insieme di uno o più prodotti solidi (cemento, argilla …) dispersi in acqua. Una sospensione e detta “stabile” quando la tendenza alla sedimentazione è nulla o trascurabile. A questa classe appartengono: le miscele di cemento con adeguate aggiunte di argilla o bentonite e le miscele di argilla o bentonite trattate con additivi chimici. Il comportamento reologico di questi fluidi può essere definito dalla legge di Bingham. Una sospensione è detta “instabile” se la fase solida tende a sedimentare separando un’apprezzabile percentuale della fase liquida, quando la miscela non è mantenuta in agitazione o in movimento. E’ questo il caso tipico delle sospensioni di cemento puro in acqua, idonee, in generale, per il trattamento d’inie-zione e di riempimento di rocce fessurate ma non per

l’impregnazione di terreni incoerenti e/o riempimento. b) Soluzioni Le soluzioni sono liquidi omogenei costituiti da prodotti chimici. Le soluzioni “colloidali” sono anche dette “evolu-tive” in quanto la viscosità aumenta nel tempo; a questa classe appartengono le miscele a base di silicato sodico. Le sospensioni di bentonite trattata (con additivi deflocculanti e rigidificanti) possono avere una rigidità tanto modesta e lentamente evolutiva da avvicinarsi in pratica allo schema reologico delle soluzioni colloidali. Ai fini dell’uniformità del trattamento e dei limiti di iniettabilità, il vantaggio delle so-luzioni colloidali rispetto alle sospensioni è evidente e si basa su due aspetti fondamentali: l’assenza di rigidità e l’assenza

di una fase solida che può separarsi da quella liquida per effetti di sedimentazio-ne e pressofiltrazione. Le soluzioni “pure” dette anche “non evolutive” presenta-no l’ulteriore importante vantaggio di mantenere costante la viscosità fino al momento della solidificazio-ne. A questa classe reologica appartengono le miscele a base di resine organiche come le resine fenoliche, acriliche e amminiche. Tutte le soluzioni hanno un com-portamento reologico che segue la legge di Newton. 1.5.2 Calce Si distinguono calce aerea CaO (quick lime) e calce idrata Ca(OH)2 (slaked lime).

Figura 1.6 Modello

e diagramma di un fluido

newtoniano a sx e bingha-miano a dx

Figura 1.7 Evoluzione delle

caratteristiche reologiche nel

tempo

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La prima, fornita in polvere, a contatto con l’acqua subisce una violenta reazione esotermica ed espansiva (incremen-to di volume del 100%) che porta alla formazione di calce idrata. La calce idrata, in polvere o in miscela con acqua, è meno reattiva. Miscelando intimamente la calce aerea con le terre compatibili si verificano diversi fenomeni chimico-fisici, descritti in seguito in ordine di tempo: -Riduzione del contenuto d’ acqua naturale delle terre. La calce aerea viva, a contatto con l’acqua contenuta nelle terre da trattare, si trasforma in calce aerea idrata sottraendo una parte di acqua al sistema. -Scambio ionico e flocculazione. Le particelle argillose recano in superficie ioni positivi che attraggono le molecole d’ac-qua. Questi vengono sostituiti dagli ioni calcio e magnesio provenienti dalla dissociazione della calce. In questo modo diminuisce la quantità d’acqua che circonda le singole par-ticelle argillose che si portano reciprocamente a contatto. Avviene così la flocculazione dei minerali argillosi, l’agglo-merazione delle particelle disperse nell’acqua ed il cambio della struttura delle argille. -Reazione pozzolanica/cementazione. Successivamente, a causa degli elevati valori di pH dovuti alla presenza di calce, una parte dei minerali argillosi solubilizza e si combina con il calcio per dare origine a silicoalluminati idrati di calcio stabili, dotati di un forte potere legante. -Carbonatazione. La calce reagisce lentamente con l’anidride carbonica presente nell’aria o nei pori del terreno formando CaCO3, altro cementante stabile nel tempo. La calce è utilizzata soprattutto per le argille (nella quantità 2÷8% del volume di terreno da trattare). Nei terreni granulari può essere usata mescolata con ceneri, prodotti d’alto forno, pozzolana. La maturazione avviene a 28 giorni ma si apprezza un significativo indurimento già a 1÷4 giorni.

1.5.3 Sospensioni Cementizie Sono le più utilizzate per lavori d’impermeabilizzazione o di consolidamento dei terreni. Ogni miscela è caratterizzata dal rapporto ponderale cemento su acqua (C/A) o dal rapporto ponderale materia secca totale su acqua (MS/A). Le proprietà più comuni sono: stabilità e fluidità in funzione del dosaggio e della qualità dei componenti, resistenza alla compressione monoassiale (dipendente dal rapporto C/A), durabilità (di-pendente dalla qualità e quantità dei componenti), facilità di preparazione ed approvvigionamento, economicità e facilità di messa in opera. Il comportamento reologico di questi fluidi segue la legge di Bingham, quindi, teoricamente, viscosità e soglia di taglio non variano durante le procedure. In realtà ciò non avviene e, per ovviare all’aumento dei due parametri, si fa uso d’opportuni additivi la cui azione viene coadiuvata dalla continua agitazione della miscela. Il ruolo dell’acqua nell’alterazione delle sospensioni a base di ce-mento si manifesta soprattutto dal punto di vista chimico, pertanto in prima istanza si ricorre all’addizione di bentonite che riduce la permeabilità della miscela e quindi anche la suscettibilità del cemento alle acque aggressive.Le miscele a base di cemento possono essere distinte in

tre categorie: 1. sospensioni a base di cemento puro; 2. sospensioni a base di cemento e bentonite; 3. sospensioni caricate.

1.5.3.1 Sospensioni di cemento puro Sono ottenute disperdendo polvere di cemento puro in acqua. I dosaggi abituali hanno rapporti ponderali C/A variabili tra 1 e 2.5, le miscele più fluide sono utilizzate nei terreni fini.

1.5.3.2 Sospensioni con cemento e bentonite Si tratta di sospensioni di cemento stabilizzate con bentonite (in percentuale compresa fra 1 e 7% in peso) al fine d’ottenere una miscela colloidale omogenea e con un’ampia gamma di viscosità e resistenza meccanica. La viscosità dipende dal rapporto ponderale C/A e dalla percentuale di bentonite: si presenta costante per le prime 2-3 ore, mentre aumenta rapidamente fino alla presa è necessario distinguere il comportamento di tipo bing-hamiano, delle miscele a base di cemento e bentonite, dall’effetto tixotropico fornito dalla bentonite stessa: a seguito di un gradiente di taglio, in pratica dalla pressione di pompaggio, un composto tixotropico è trasformato dalla condizione di gel a quella di un fluido vero e proprio. Il pro-cesso è reversibile: annullando la pressione, il fluido ritorna ad essere gel e, per mobilizzarlo, occorre nuovamente applicare una pressione superiore al “limite tixotropico”. Al contrario, la soglia di taglio dei fluidi binghamiani non si ripresenta quando la pressione è ridotta al di sotto di tale valore. Ciò è dovuto al tempo trascorso dopo la preparazione della miscela, durante il quale l’acqua viene assorbita dal solido in modo irreversibile.

1.5.3.3 Sospensioni caricate Sono miscele alle quali vengono addizionati materiali inerti pulverulenti o con lenta presa idraulica, allo scopo di modificare la viscosità. Questa operazione si effettua soli-tamente in casi di forte assorbimento della miscela iniettata o d’importanti volumi da riempire, quando non si richiede particolare resistenza al terreno trattato. I materiali comune-mente utilizzati sono sabbia naturale o ceneri volatili.

1.5.3.4 Sospensioni speciali Sospensioni a presa accelerata e rigidificazione controllata: i cui tempi di presa possono essere ridotti fino a pochi secondi. Per le miscele a base di cemento e bentonite l’accelerante più usato è il silicato di sodio. Sospensioni espansive o ri-gonfianti: che subiscono un aumento di volume superiore al 100%, ottenuto grazie alla formazione d’idrogeno gassoso proveniente dall’azione della calce nel cemento sulla polvere d’alluminio incorporata durante la preparazione. Sospensioni espanse o aerate: il cui volume è stato aumen-tato mediante l’immissione d’aria prima della messa in opera tramite l’agitazione e l’aggiunta di un tensioattivo in quantità inferiore all’1%. L’aumento di volume va dal 30 al

8 Geofluid 2009

50% e le bolle d’aria inclusa hanno un effetto fluidificante. Sospensioni schiumose o gassose: ottenute a partire da una sospensione di cemento mescolata ad una schiuma formata da acqua con tensioattivo; si può raggiungere il triplo del volume iniziale. Sospensioni a penetrabilità migliorata: con-cepite per consentire la penetrazione e la diffusione della miscela in piccoli vuoti intergranulari. Questo scopo può essere raggiunto con: 1. Riduzione della viscosità e della resistenza a taglio: addi-zionando fluidificanti e antiflocculanti; 2. Aumento della resistenza alla pressofiltrazione: siccome la pressofiltrazione aumenta progressivamente la viscosità della miscela a causa della perdita dell’acqua, con l’aggiunta di peptizzanti o di polimeri ritenitori d’acqua si contrasta questo fenomeno; 3. Riduzione della dimensione dei grani solidi in sospen-sione. Sospensioni a resistenza meccanica migliorata: si può raggiun-gere aumentando il rapporto C/A a viscosità costante, utiliz-zando un plastificante riduttore d’acqua oppure modificando il rapporto calce/silicio del cemento con l’utilizzo di additivi silicei reattivi che conferiscono un carattere pozzolanico al cemento. Sospensioni a resistenza al dilavamento migliorata: si usano miscele a rapida rigidificazione o miscele con alcuni millesimi in peso di flocculanti e coagulanti organici.

1.5.3.5 Reazioni del legante con il terreno Generalmente si usa il cemento Portland, in applicazioni mari-ne però è usuale l’impiego di cemento pozzolanico. Reagendo con l’acqua avviene la reazione combinata di cementazione+carbonatazione che porta alla formazione di silicato di calce ed idrati di alluminio. Il processo è rapido (si esaurisce in 7÷28 giorni), è indipendente dal tipo di terreno perché tende ad avvolgere i grani. Occorre comunque prestare attenzione alla presenza di solfati, sali e materiale organico.

1.5.4 Bentonite La bentonite è un materiale costituito da un’argilla del grup-po delle smectiti, la montmorillonite. Il termine bentonite comprende categorie di prodotti differenziati da proprietà fisico-meccaniche e costi d’approvvigionamento, infatti si distinguono: Argille naturali: costituite da silicati idrati d’alluminio e magnesio, da tracce di calce ed ossidi metallici. Hanno una capacità di rigonfiamento, durante l’idratazione, da 1 a 6 volte in rapporto al volume apparente del solido. Bentoniti naturali: sono argille smectitiche, in cui predo-mina la componente montmorillonite, che devono le loro spiccate proprietà colloidali in sospensione acquosa ad una struttura molecolare di tipo lamellare fortemente idratabile a causa della presenza del catione sodio che viene sostitu-ito dall’acqua. Il rigonfiamento varia fra le 3 e le 18 volte. In natura ne sono presenti due tipi: la bentonite calcica, che è l’unica presente in Europa, ha proprietà colloidali modeste ed

una capacità di rigonfiamento da 3 a 7 volte, e la bentonite sodica, presente in quantità sfruttabili solo nel Wyoming (U.S.A.) e presenta un tasso d’idratazione che varia da 12 a 18. Bentoniti artificiali: è possibile produrre artificialmente bentoniti con caratteristiche specifiche: bentoniti permutate: sono bentoniti calciche naturali trasformate artificialmente in bentoniti sodiche per addizione di carbonato di sodio prima dell’essicazione (si ottiene un rigonfiamento da 10 a 15 volte), e bentoniti attivate che sono bentoniti permutate alle quali sono aggiunti dei polimeri per migliorare il rigonfiamento (ottenendo valori variabili fra 10 e 25). Le proprietà della bentonite (montmorillonite), tra le quali l’elevata capacità di scambio ionico, l’espandibilità, la tixotropia, la plasticità e le proprietà impermeabilizzanti, sono dovute alla struttura propria del materiale, che è in grado di assorbire e rilasciare grandi quantità d’acqua con facilità e senza bisogno di grandi scambi di energia con l’ambiente. In conseguenza dell’in-gresso dell’acqua il minerale si dilata, rigonfia, viceversa si ricompatta quando il fluido fuoriesce.

1.5.5 Miscele per diaframmiIn generale la stabilizzazione delle pareti di scavo viene esegui-ta tramite fanghi che possono essere polimerici o bentonitici; l’utilizzo della bentonite, più economico, è il più diffuso. Il fango bentonitico è una soluzione acqua-bentonite al 5÷6% la cui densità può essere incrementata con l’aggiunta di materiali inerti appropriati (deflocculanti o prodotti organici). La norma EN 1538 propone controlli periodici durante l’esecuzione dei lavori sulla bentonite, in merito ai seguenti parametri:

La stabilità dello scavo comporta due aspetti: la stabilità delle particelle di terreno sulla parete e la stabilità globale della parete. La sospensione bentonitica crea, sul bordo dello scavo, un film impermeabile (cake). A tergo di questo cake, il fango bentonitico sviluppa una pressione di tipo idrosta-tico che costituisce pressione di confinamento efficace (al netto della pressione di falda nel terreno) che impedisce la rottura dell’elemento di terreno, alla scala elementare, o del fronte di scavo, alla scala macroscopica. Quando la miscela di bentonite diviene significativamente contaminata da una consistente presenza di detriti, oppure risulta eccessivamente diluita dall’acqua di falda, è necessario sostituirla con ben-tonite fresca o quantomeno ricondizionata. A tale scopo è quindi necessario predisporre in cantiere un impianto che permetta di vagliare e far decantare la miscela in ritorno dalla perforazione e, se del caso, ricondizionare il suo dosaggio con l’aggiunta di nuova bentonite mantenendo le caratteristiche del mix-design appropriate al sito ed alle sue condizioni al contorno.

Fango nuovo Fango ricircolato Prima del getto

Peso dell’unità di volume Viscosità al Marsh Valore di filtrazione pH Contenuto in sabbia

<1,10 g/ml 32-50 s <30 ml 7-11 <3%

<1,25 g/ml 32-60 s <50 ml 7-12 <6%

<1,15 g/ml 32-50 s --<4 %

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2. Il Cutter Soil Mixing - CSMDall’esperienza maturata dagli anni ‘90 con il mescolamento in profondità (deep mixing) e grazie alle possibilità offerte dalla moderna tecnologia di fresatura del terreno, nel 2004 è stata studiata ed ideata nelle officine BAUER Maschinen GmbH di Schrobenhausen (Germania) una nuova tecnolo-gia per la realizzazione di pannelli di terreno consolidato mediante miscelazione in posto con un legante idraulico ed acqua, finalizzata alla realizzazione di strutture portanti o diaframmi adatti a differenti scopi. Questa metodologia abbina la tecnica del deep mixing a quella di scavo a mezzo di idrofresa, che consiste nel realizzare uno scavo a pannelli rettangolari attraverso l’uso di teste fresanti equipaggiate con denti taglianti o (per formazioni molto dure) con cut-ter a bottoni, anzichè utensili montati su uno o più alberi verticali rotanti che producono colonne circolari. L’idea di abbinare le due tecniche ha portato allo sviluppo della tec-nologia CSM. L’intervento di consolidamento eseguito con il CSM è finalizzato alla realizzazione di strutture portanti come diaframmi, pannelli isolati possono essere utilizzati come pali, pannelli secanti tra loro possono formare una paratia con-tinua strutturale oppure, a seconda delle necessità, un diaframma plastico ai soli fini idraulici. Per la realizzazione di opere strutturali si può prevedere l’introduzione di tubi, palancole o putrelle di rinforzo all’interno dei pannelli. I metodi DMM (Deep Mixing Methods) sono utilizzati principalmente per il trattamento di terreni teneri (coesivi e non-coesivi); il metodo CSM, che utilizza la tecnologia delle frese Bauer, estende l’utilizzo del DMM anche ai terreni più consistenti ed alle rocce tenere. I principali vantaggi del metodo CSM sono: • l’alta produttività; • l’utilizzo del terreno stesso come materiale di costruzione; • una produzione di reflusso contenuta (importante nelle zone di terreni contaminati); • il metodo non genera vibrazioni (importante quando si la-vora nei terreni teneri vicino a strutture e servizi esistenti); • la possibilità di raggiungere profondità elevate con le attrezzature sospese su fune. Tale nuova tecnologia verte tuttora in una fase sperimentale avanzata che è iniziata nel 2003 nel campo prove di Aresing (Germania) dove ne è stata dimostrata la realizzazione pratica. A questa sono seguite e seguono tuttora altre sperimentazioni e numerose applica-zioni, sia in Italia e in Europa che in altri paesi (soprattutto Giappone, ma anche USA, Canada ed Australia) che mirano ad ottimizzare la tecnologia ed ad adattarla ai casi specifici in funzione dei vari parametri in gioco.

2.1 Tecnologia La tecnologia CSM fa uso di due set di ruote fresanti che girano su di un asse orizzontale; due sistemi di trasmissione

sono connessi ad uno speciale supporto il quale, a sua volta, viene collegato e con-nesso ad un sistema di prolunga “kelly”. Il kelly è montato sul mast principale della macchina di scavo per mezzo di due slitte che guidano ed estraggono l’utensile e, se necessario, lo ruotano [Fig. 2.1]. In alternativa al kelly può essere utilizzato il sistema sospeso a fune che permette di rag-giungere profondità maggiori [Fig. 2.2]. Durante la fase di discesa delle teste fresanti il terreno viene frantumato e disgregato dalle ruote mentre al contempo la miscela cementizia viene iniettata da un apposito ugello tra le teste stesse; durante la fase di estrazione le teste fresanti ruotano in maniera tale da mescolare il legante con il terreno e formare un pannello rettan-golare.

2.2 AttrezzatureLa macchina per il CSM é costituita dai seguenti com-ponenti principali: - il gruppo fresante BCM con quattro ruote dentate; - un sistema di guida e di collegamento del gruppo fresante alla macchina base; - la macchina base. Il sistema è modulare ed i vari “blocchi” possono venire intercambiati per adattare

le attrezzature alle condizioni diverse dei cantieri (terreni, profondità, dimensioni dei pannelli, …).

2.2.1 Gruppo fresante BCM Il gruppo fresante BCM è basato sulle tecnologie delle frese Bauer, con analoghe motorizzazioni e riduttori. I motori idrau-lici sono contenuti in una telaio impermeabile che incorpora anche la strumentazione elettronica [Fig. 2.3].

Figura 2.2 CSM sospeso

Figura 2.3 Schema testa con alloggio strumentazione

Figura 2.1 Corpo fresante e macchina operatrice con kelly

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Per profondità più elevate normalmente l’asta è di sezione rettangolare (anche perché si può utilizzare un idoneo sistema di ripresa della stessa) ed è possibile raggiungere profondità di ca. 35 m. Due carrelli di guida collegano l’asta kelly al mast della macchina base e trasmettono alla fresa le spinte ed i tiri necessari per eseguire i pannelli, oltre a garantire la dire-zionalità dell’asta stessa. L’attrezzatura può venire ruotata +45° e – 90° rispetto all’asse della stessa. L’unità fresante BCM può essere montata su un telaio so-speso ad una fune. Per la stabilità ed il controllo direzionale, una serie di piastre guida (flaps) possono essere azionate idraulicamente; questa azione corregge la direzione della macchina sull’asse y durante la fase di discesa. La velocità relativa delle ruote può essere variata per controllare la verticalità sull’asse x. I sistemi sospesi su fune vengono tipicamente assemblati su gru idrauliche, su macchine base speciali tipo Bauer CBC o sulle macchine da pali della classe BG o RTG. Questi sistemi vengono normalmente utilizzati per tratta-menti di profondità superiori ai 35 m [Fig. 2.6]. Mentre nella versione con prolunga kelly la forza necessaria per la penetrazione viene fornita dalla macchina operatrice che la trasmette tramite l’asta al corpo BCM, nel sistema sospeso su fune è il peso stesso dell’unità fresante che consente di esercitare una pressione sul terreno tale da permetterne la fresatura e la penetrazione. Per raggiungere profondità elevate, > 75 m, è stata sviluppata una nuova attrezzatura sospesa su fune: il “CSM Quattro”. Per non correre il rischio d’incaglio del corpo fresa, dovuto all’indurirsi del terreno soprastante quando lo stesso è ad elevate profondità (dovuto, ad esempio, a fenomeni di disi-

Due gruppi fresanti sono disponibili per coprire un’ampia gamma di applicazioni: - BCM 5, per progetti di media entità o per materiali di media resistenza.

- BCM 10, progettata per i pannelli di dimensioni più grandi e per le maggiori profondità di trattamento. L’alta coppia di-sponibile ed il maggior peso della macchina la rendono ideale per i terreni più difficili o per le applicazioni “sospese”.

Le ruote dentate sono progettate per rompere il terreno e per amalgamarlo con la miscela cementizia; è la natura del terreno che determina se sia necessario favorire la capacità delle ruote a rompere il terreno oppure a miscelarlo. Al fine di coprire la necessità di lavorare efficacemente in terreni

diversi, sono disponibili ruo-te con differenti dentature e geometrie [Fig. 2.4]. Nei sistemi di deep mixing a punta rotante (rotary), l’efficienza di miscelazione è funzione principalmente della velocità di rotazione dell’utensile. Nel metodo CSM, tutto il terreno viene fatto passare attraverso delle lame fisse che lo frantumano e garantiscono un’ottima miscelazione [Fig. 2.5]. La massima profondità rag-giunta con un’asta mono-blocco è di 35 m e la massima profondità raggiunta con il gruppo fresante sospeso su funi è di 75 m.

2.2.2 Configurazioni delle macchine Le macchine base possono montare diverse configurazio-ni di frese CSM in funzione della profondità e del tipo di terreno. L’unità BCM può essere montata su un’asta Kelly mono-blocco tonda. Questa combinazione, quando utilizzata su macchine di taglia “piccola” (tipo BG12), può raggiungere profondità di ca. 12 m.

Figura 2.5 Sistema CSM

con lame fisse

Coppia kNm 0 - 50

Velocità di rotazione rpm 0 - 40

Altezza m 2,35

Lunghezza del pannello L m 2,4

Larghezza del pannello mm 500 - 1000

Peso kg 5100

Coppia kNm 0 - 100

Velocità di rotazione rpm 0 - 35

Altezza m 2,8

Lunghezza del pannello L m 2,8

Larghezza del pannello mm 650 - 1200

Peso kg 7400Figura 2.4 Ruote dentate del

gruppo fresante BCM Ruota da taglio

(standard) Ruota miscelatrice

Ruota combi

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dratazione del volume trattato), sono stati progettati quattro gruppi completi di ruote fresanti, dei quali i due superiori consentono, quando il terreno diventa difficile, di riscavare e miscelare anche in fase di risalita [Fig. 2.7].

- un computer per il dosaggio e la registrazione dei dati dei singoli componenti della miscela.• 2 pompe di alimentazione, controllabili tramite radio-comando dalla cabina della macchina di scavo, delle quali una in uso ed una di riserva. La capacità tipica è di 200÷300 l/min con una prevalenza di 12÷15 bar. •Manichette per inviare la bentonite, miscela cementizia, aria compressa e acqua dall’impianto alla macchina. Tipicamente manichette da: 1”½ o 2” di lunghezze adeguate. • Un escavatore idraulico per la realizzazione del pre-scavo, l’infissione di una eventuale dima, la manutenzione e pulizia del piano di lavoro, la rimozione del materiale di risulta. • Una gru di servizio con vibratore per l’eventuale infissione delle armature e per l’immersione del campionatore per il prelievo dei campioni di prova (nel caso richiesto). • Un vibrovaglio mobile, posizionato vicino alla macchina per la prima separazione del reflusso (nel sistema bifase). • Una pompa peristaltica per pompare il reflusso all’impianto di dissabbiamento (sistema bifase). • Altre attrezzature: vasconi e cisterne acqua, vasche bento-nite, pompe acqua, container-officina, cisterna gasolio, box spogliatoio, box ufficio, compressore (7÷14 bar, 7÷10 m³/min), generatore, varie.

2.4 Procedure di esecuzione 2.4.1 Prescavo ed installazione guida Un prescavo [Fig. 2.8] viene normalmente realizzato lungo il tracciato della paratia (o il diaframma) per raccogliere lo spurgo; le dimensioni del prescavo sono in funzione delle condizioni del sito, si raccomanda comunque una larghezza di 1,5 m ed una profondità di 1,0 m. Non è necessaria la costruzione di muretti guida però è molto utile realizzare un sistema di guida e di referenza per il posizionamento della fresa (putrelle e piastre in acciaio). L’utilizzo di muretti guida (cordolo) può in alcune occasioni aiutare la gestione ed il posizionamento della macchina e delle armature e conseguentemente favorire l’aumento della produttività.

2.4.2 Scavo e miscelazione Il gruppo fresante viene infisso ad una veloci-tà costante; le ruote dentate frantumano il terreno e contempo-raneamente un fluido viene iniettato attraver-so gli ugelli situati fra le stesse. Tale fluido viene miscelato omogenea-mente con il materiale disgregato. La direzione di rotazione delle ruote è preferibilmente verso l’esterno (per favorire la

Figura 2.6 Esempio di configurazioni con cutter sospeso

Figura 2.8 Fasi sequenziali di installazione della guida di referenza per il posizionamento della fresa; al termine delle operazioni la guida viene rimossa (foto campo prove di Cavallino – VE, Dolomiti Rocce Srl)

2.3 Attrezzature ausiliarie La lista seguente indica le attrezzature ausiliarie necessarie per eseguire il lavoro senza interruzioni: • Silos per lo stoccaggio di cemento e bentonite muniti di coclee automatiche. I• mpianto di miscelazione con sistema di dosaggio ponderale manuale, temporizzato e computerizzato. Tale impianto è normalmente costituito da: - un mescolatore tronco-conico; - una pompa di miscelazione elettrica; - un agitatore;

Figura 2.7 Attrezzatura “CSM Quattro”

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miscelazione) ma in ogni sito può essere variata, assieme alla velocità di rotazione, al fine di favorire l’efficienza della lavorazione.Tutto il terreno disgregato dalle ruote dentate passa at-traverso le lame fisse dove è frantumato nuovamente e mescolato con la miscela. La velocità di penetrazione ed il volume della fluido iniettato sono regolati costantemente dall’operatore al fine di garantire un mix terreno/miscela omogeneo e sufficientemente fluido per permettere il facile passaggio della fresa sia in fase di penetrazione che in fase di estrazione. Oltre alla miscelazione del terreno con il composto legante, in ta-luni casi, utilizzando il metodo bi-fase, cioè quando la fase di pe-netrazione e taglio del terreno viene effettuata utilizzando solo acqua o bentonite come elemento veicolante, può essere utilizzata in aggiunta anche dell’aria compressa. Gli effetti dell’aria compressa sono:- Aiuto nella liquefazione del terreno, riducendo il quan-titativo di acqua o bentonite necessario per questa ope-razione.- Nella risalita crea una parziale mescolazione degli strati di terreno nel senso verticale.- Mantiene in uno stato fluido la miscela terreno+acqua (bentonite) lungo tutta la profondità del pannello; questo facilita il passaggio della macchina in fase di risalita e ga-rantisce una buona mescolazione del terreno con la miscela cementizia.Il quantitativo di aria compressa che si utilizza è minimo, normalmente sono necessari meno di cento litri/secondo. L’operatore regola il flusso variandolo nei diversi strati man mano che scende e si basa sulla coppia assorbita dalle ruote. La pressione dell’aria compressa è normalmente 7/8 bar. Tipiche velocità di penetrazione sono 20÷30 cm/min. I cicli di scavo e miscelazione possono essere eseguiti in due modi:

Sistema bi-fase Durante la fase di penetrazione, il taglio, la mescolazione e la fluidificazione del terreno vengono eseguiti iniettando solamente un fango bentonitico. Lo spurgo che risulta può essere condotto ad un dissabbiatore dove sono separati i solidi dalla parte fluida che viene quindi rimessa in circolo. Quando lo spurgo risulta troppo denso per essere pompato,

lo stesso può essere rimosso meccanicamente e fatto passare attraverso un vibrovaglio sgrossatore dove si effettua una prima separazione; la parte più liquida viene quindi fatta passare attraverso un opportuno dissabbiatore [Fig. 2.9]. Al raggiungimento della profondità di progetto il fango bentonitico viene sostituito dalla miscela cementizia e, ge-neralmente, viene invertito il senso di rotazione delle ruote fresanti. Inizia quindi la fase di estrazione della macchina e la mescolazione del terreno con il legante. La velocità di estrazione della macchina ed il volume di miscela iniettata sono regolati per garantire il giusto rapporto miscela cemen-tizia/terreno e per esercitare il necessario costipamento del volume trattato. La fase di estrazione risulta molto impor-tante perché da essa dipende principalmente l’entità della miscelazione conferita al terreno. I principali vantaggi del sistema bi-fase sono: Maggiore sicurezza quando si opera ad elevate profondità o quando il lavoro viene interrotto. Minor consumo delle ruote fresanti e dei denti. E’ il sistema preferito nei terreni difficili, alle profondità elevate e per i diaframmi plastici.

Sistema mono-faseLa miscela cementizia viene iniettata nel terreno in fase di penetrazione-taglio ed in fase di estrazione-miscelazione; normalmente si inietta circa il 70% del totale della miscela in fase di penetrazione. Lo spurgo viene raccolto nel prescavo, può essere steso in cantiere per creare i piani di lavoro o venire convogliato in un pozzo di raccolta dove è lasciato indurire prima di venire rimosso. Con questo sistema la velocità di estrazione è elevata in quanto la maggior parte della miscela cementizia viene iniettata nel terreno nella fase di penetrazione e taglio. I maggior vantaggi del sistema mono-fase sono: • Non servono impianti ausiliari per dissabbiare. • Alta velocità di estrazione. •Maggiore produttività. E’ preferito per terreni facili, per profondità <20 m e per la costruzione di paratie di sostegno. Durante la fase di estrazione e recupero dell’attrezzatura è necessario eseguire una opportuna pulizia delle tubazioni, della prolunga kelly e dell’unità fresante (eventualmente del telaio se il CSM è sospeso). Tale operazione viene ese-

guita o tramite un sistema automatico installato sulla macchina oppure ma-nualmente a mezzo di idropulitrice a pressione.Per quanto riguarda un esempio rela-tivo alle fasi esecutive si rimanda alla Fig. 2.10.

2.4.3 Formazione di una paratia continua Una paratia continua è formata ese-guendo una serie di pannelli primari che sono quindi intersecati da pannelli

Figura 2.9 Schema in pianta del cantiere per la

procedura con siste-ma bi-fase: lo spurgo denso viene rimosso

meccanicamente e passato al vibvrova-glio prima dell’invio

al dissabbiatore

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secondari di chiusura. Se i pannelli secondari vengono ese-guiti quando i primari presentano ancora uno stato fluido il metodo si chiama “fresh to fresh”; viceversa, se i pannelli secondari vengono eseguiti una volta che i primari sono in

una fase di maturazione avanzata (pertanto sono induriti) il metodo si chiama “fresh to hard” (ad esempio quando vi sono interruzioni nella continuità del lavoro) [Fig. 2.11]. A seconda del metodo utilizzato si adottano sovrapposi-zioni diverse in relazione alla maggiore o minore fluidità dei primari. Infatti, con il metodo “fresh to hard” è possibile realizzare paratie continue con sovrapposizioni minori tra gli elementi, essendo la fresatura all’estremità del pannello indurito più precisa di quella sul “fresh”. La tecnica CSM consente di realizzare anche tratti in curva.

2.4.4 Inserimento dell’armaturaElementi di armatura, necessari per ragioni strutturali, pos-sono essere infissi nei pannelli appena completati. Materiali tipici di armatura possono essere rappresentati da travi, pu-trelle, palancole o tubi in acciaio; tramite opportuni sistemi sono anche inseribili particolari gabbie di armatura. Questi elementi, fino a piccole profondità penetrano nor-malmente sotto il proprio peso, oltre possono essere infissi tramite l’ausilio di un escavatore o di un piccolo vibratore [Fig. 2.12]. La densità dell’armatura viene calcolata secondo i carichi imposti e la resistenza caratteristica della miscela terreno/cemento.

2.5 Controlli e verifiche 2.5.1 Prima dell’esecuzioneE’ fondamentale la buona conoscenza del tipo di terreno e delle sue caratteristiche. I fattori che, in generale, influenzano i risultati del trattamento dei terreni con i sistemi DMM e CSM sono: il tipo di ter-reno, la consistenza del terreno (SPT o CPT), il peso specifico, la granulometria, il contenuto d’acqua, i limiti di Atterberg e le proprietà chimiche del terreno.Prima di iniziare un trattamento in terreni nuovi è essenziale che venga eseguita un’indagine geologica seguita da prove in laboratorio per stabilire i rapporti otti-mali di terreno e miscele cementizie. Prove di laboratorio - Una serie di cam-pioni di terreno vengono mescolati con quantitativi diversi di miscele cemen-

tizie; in seguito sono fatti maturare e quindi sottoposti a prove di compressione e permeabilità. Da questi dati si possono progettare i parametri da utilizzare in cantiere. E’ chiaro che in sito le caratteristiche della miscela terreno/cemento cambieranno al variare della tipologia del ter-reno; si dovrà quindi trovare un compromesso tra qualità/quantità di miscela da iniettare nei vari strati e le resistenze e permeabilità volute. Pannelli di prova - Vanno realizzati in cantiere, se possibile, una serie di pannelli di prova, variando le caratteristiche e quantità della miscela cementizia e la velocità di penetra-zione. Si dovrebbero realizzare 3 o 4 pannelli in una zona e con una predisposizione che permetta lo scavo per esporli, al fine di determinare la loro qualità visiva. Durante l’ese-cuzione dei pannelli di prova vanno prelevati campioni del

Figura 2.10 Fasi di esecuzione

Figura 2.11 Schema di formazione di una paratia continua con pannelli primari (P) e secondari (S)

Figura 2.12 Foto della fase di infissione dell’armatura (putrelle di acciaio) a mezzo di macchina vibrante subito dopo la realizzazione del pannello CSM

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mix legante/terreno che dovranno essere sottoposti a prove di peso specifico, viscosità e resistenza alla compressione. Campioni del reflusso dal pannello vanno altresì prelevati e sottoposti a prove di contenuto di cemento, resistenza alla compressione e trazione. Dopo un periodo di maturazione i pannelli possono essere perforati per prelevare delle carote da sottoporre a prove di laboratorio. Nelle perforazioni si possono eseguire prove di permeabilità. Dai risultati delle prove si prepara un pro-gramma di controllo della qualità da mantenere durante i lavori.

2.5.2 Durante l’esecuzione Durante il processo CSM vanno effettuate le seguenti verifiche al fine di controllare la qualità del lavoro: Controlli di posizione e di profondità di ogni pannello. Prove sulla miscela cementizia seguendo le raccomanda-zioni del programma di controllo qualità. Queste prove includono: - peso specifico- viscosità (valori del Cono di Marsh)- resistenza alla compressioneControllo dei parametri di produzione visualizzati, modificati e registrati dal computer della macchina operatrice: - profondità- deviazioni assi x e y [Fig. 2.13]- velocità rotazione ruote- flusso e quantità totale di miscela- pressione del flusso della miscela - pressione della miscela terreno/legante a vari livelli nel pannello- volume miscela/tempo- volume miscela/profondità- vari altri parametri collegati al funzionamento dell’attrez-zatura (pressioni e portate idrauliche, temperature, …)

Prove sulla miscela terreno/cemento che può essere campionata dal reflusso del pannello in fase di esecuzione o da campioni presi a pro-fondità diverse nel pannello stesso. Questi campioni vanno sottoposti a prove di: - resistenza alla compres-sione

- permeabilitàIl prelievo viene eseguito con un ap-posito campionatore [Fig. 2.14] che viene inserito nel diaframma appena realizzato tramite l’ausilio di una gru; fissato lo strumento sulla fune di ser-vizio, si penetra nel diaframma scavato sino alla profondità richiesta. Le due finestre sono aperte e il materia-le del pannello vi passa attraverso. Quando viene raggiunta la profondità

prevista si recupera lo strumento. Nella fase di recupero la membrana chiude il fondo del campionatore e la parte su-periore rimane aperta; è in questa fase che il campionatore viene riempito dal materiale che si intende campionare.

2.5.3 Dopo l’esecuzioneLe seguenti verifiche possono essere effettuate per con-trollare le caratteristiche geometriche e meccaniche dei pannelli di terreno trattato: Se i pannelli possono venire esposti, vanno ispezionati visi-vamente e si possono prelevare campioni da sottoporre a prove di resistenza e permeabilità. Se i pannelli invece sono profondi e non possono venire esposti, vanno perforati per prelevare campioni da sottoporre a prove di laboratorio. Le perforazioni possono essere realizzate verticalmente in posizioni diverse nei pannelli per verificare l’omogeneità del trattamento. Quando i pannelli sono eseguiti per intersecarsi l’uno con l’altro, le perforazioni possono essere posizionate in corrispondenza dei giunti per verificare lo stato di questi e per verificare che vi sia stata la necessaria lunghezza di intersezione. Tra le prove che possono essere eseguite per verificare il risultato si citano: Prove di carico dinamiche e statiche che possono essere eseguite su quei pannelli progettati per sostenere carichi verticali. Prove soniche per verificare la continuità del trattamento e per misurare il miglioramento delle caratteristiche mec-caniche del terreno trattato.

2.5.4 Documentazione Tutti i parametri di produzione vengono registrati e me-morizzati sul computer di bordo della macchina. Possono essere stampati su formati diversi per produrre un archivio di assicurazione della qualità per ogni pannello. La figura illustrata riporta, a titolo d’esempio, le stampe di stralci di dati e diagrammi rilevati durante il monitoraggio delle fasi di esecuzione di un pannello [Fig. 2.15].

2.6 Materiali

2.6.1 Componenti della miscela di iniezioneI componenti delle miscele di iniezione normalmente utilizzate per la costruzione di paratie CSM sono: cemento,

Figura 2.13 Alloggiamento

dei sensori sul corpo fresante e strumentazione

elettronica della macchina operatrice

Figura 2.14 Foto del

campionatore BAUER

Geofluid 2009 15

csm by Bauer

bentonite ed acqua. E’ possi-bile inoltre utilizzare additivi o polimeri al posto della bentonite (alcuni di questi hanno dato buoni risultati), cementi di altoforno ed altri elementi. La miscela di iniezione viene progettata secondo i seguenti fattori: l’applicazione: diverse sa-ranno le composizioni a seconda dello scopo del trattamento; infatti, diverse sono le proprietà richieste per i diaframmi di tenu-ta (permeabilità, resisten-za, deformabilità, stabilità all’erosione) e per le paratie di sostegno (resistenza, permeabilità, plasticità della miscela fresca, armature);le condizioni del terreno: granulometria, contenuto di fini, contenuto di materiale organico, peso specifico, SPT, porosità, contenuto d’acqua naturale, livello di falda, composizione chimica del terreno e contenuto chimico dell’acqua di falda. Le proporzioni della miscela vanno determinate in seguito a prove di laboratorio prima dell’inizio dei lavori. Di seguito sono riportati alcuni valori delle proporzioni dei componenti delle miscele di iniezione che possono essere utilizzati come riferimento.

Fango bentonitico (per la fluidificazione del terreno - si-stema bi-fase): 40 ÷ 80 kg di bentonite per m³ di fango (latte di bentonite) 400 ÷ 700 l di fango per m³ di terreno

Miscele di iniezione (proporzioni tipiche):

2.6.2 Caratteristiche del terreno trattato Le caratteristiche di resistenza, permeabilità e composizione del terreno trattato variano a seconda dei casi specifici e vengono determinate con prove in sito ed in laboratorio. Si riportano di seguito alcuni range di valori indicativi dei parametri di terreni trattati con la tecnologia CSM. Caratteristiche del terreno trattato (valori indicativi).

2.7 Vantaggi della tecnica CSM Una peculiarità del Cutter Soil Mixing è quella di consentire il trattamento non solo dei terreni teneri (coesivi e granulari) ma anche di quelli più consistenti e delle rocce tenere. Il metodo offre una serie di vantaggi rispetto alle tradizionali tecnologie in uso fra cui: • Utilizzo dello stesso terreno trattato come materiale di realizzazione dell’opera. • In condizioni litografiche omogenee, il sistema CSM con-duce alla realizzazione di pannelli di terreno consolidato con caratteristiche costanti. In condizioni stratigrafiche eterogenee, i pannelli potranno ottenere caratteristiche meccaniche similari variando i parametri volumetrici di immissione nel terreno della miscela legante. • Il sistema CSM consente di ottenere una geometria dei pannelli regolare (rettangolari) e predeterminata attraverso

la dimensione e la posizione delle ruote fresanti. • La metodologia non genera significative vibrazioni (importante quando si lavora nei terreni teneri vicino a strutture e servizi esistenti). • Nel terreno ghiaioso/sabbioso, anche impiegando grossi volumi di miscela, non si verificano fenomeni di rifluimento. La lavorazione, in questo tipo di terreno, può dunque essere considerata “pulita”.

Operando in terreni limoso argillosi si verifica invece un rifluimento di materiale dell’ordine del 20% rispetto al volume di terreno trattato.

Diaframmi plastici Paratie di sostegno

Cemento 400 - 550 kg/m³ miscela 1.000 – 1.200 kg/m³ miscela

Bentonite 15 – 30 kg/m³ miscela 15 – 30 kg/m³ miscela

A/C 1,5 - 2,0 0,5 - 0,6

Diaframmi plastici Paratie di sostegno

Resistenza alla compressione 0,5 – 2,0 MPa 5,0 – 15,0 MPa

Permeabilità circa 1x10-8 m/sec

Contenuto di cemento 100 - 200 kg/m³ terreno 200 - 450 kg/m³ terreno

Figura 2.15 Diagrammi stampati dalla macchina operatrice durante l’esecuzione di un pannello

16 Geofluid 2009

• L’iniezione dei materiali impiegati durante le fasi di per-forazione e trattamento avviene senza asportazione di terreno. Questo consente di operare anche in prossimità di ma-nufatti, riducendo eventuali fenomeni di cedimento del terreno circostante. Poiché il volume di materiale immesso nel terreno è molto ridotto e le pressioni di iniezione sono estremamente basse, i possibili fenomeni di sollevamento diventano nulli o trascurabili. Con le attrezzature sospese su fune si possono raggiungere grandi profondità (> 80 m). Possibilità di impiego in situazioni particolari (ad esempio in presenza di sottoservizi [Fig. 2.16]).

2.8 Confronto CSM – Deep mixing a rotazione Rispetto alle realizzazioni deep mixing con tecniche rotary tradizionali, con il CSM si ottengono direttamente paratie e diaframmi strutturali di geometria regolare evitando gli elevati sfridi classici delle tecniche a rotazione.I pannelli rettangolari, se comparati con una serie di colonne contigue o intersecanti, offrono un buon numero di vantaggi: sul piano strutturale, comparando la sezione rettangolare del pannello con una serie di colonne contigue o intersecanti di diametro equivalente allo spessore del pannello, constatiamo

che la forma rettangolare è molto più efficiente; le aree di terreno trat-tato in compressione e tensione sono maggiori ed il braccio di leva dei pannelli rettangolari è superiore; questo implica un maggiore momento di resistenza.Quando consideriamo un

muro di colonne secanti, i diametri delle colon-ne devono essere più grandi dello spessore del pannello rettangolare per produrre una sezione di larghezza equivalente. Questo significa che quando usiamo la tecnica CSM tratteremo una quantità minore di terre-no per ottenere lo stesso effetto; chiaramente questo significa risparmiare energia e materiale [Fig. 2.17].Inoltre, riguardo i diaframmi idraulici nei quali è

di fondamentale importanza la corretta realizzazione dei giunti ai fini della tenuta, la tecnologia CSM permette la realizzazione di elementi continui con adeguate sovrappo-sizioni dei pannelli senza particolari problemi. Nei diaframmi di colonne intersecanti, invece, ottenere la continuità risulta più difficoltoso essendo maggiori il numero di giunzioni presenti a parità di estensione del diaframma. Se progettiamo dei pannelli da utilizzarsi come muro di ritenuta, il singolo pannello in CSM è continuo per 2.400 mm (2.800 mm) della sua lunghezza, mentre un muro equivalente di pali secanti ha per lo meno tre giunzioni. Ovviamente il rischio di perdite attraverso un pannello costruito con la tecnica CSM è molto più limitato.Un’altra possibilità del Cutter Soil Mixing è quella di per-mettere il posizionamento dei profilati di armatura nelle paratie strutturali, a seconda delle esigenze, sia al centro del pannello che in prossimità del bordo. Nei trattamenti rotary invece, i profilati trovano collocazione esclusivamente in asse alle colonne [Fig. 2.18]. Quando è richiesto una resistenza addizionale al momento flettente il muro in CSM può essere rinforzato efficace-mente attraverso l’inserimento di travi ad H o di gabbie; la forma rettangolare del pannello permette di ottimizzare la progettazione della struttura in acciaio da inserire nel pannello stesso.Ci sono altri vantaggi che il metodo CSM e le macchine impiegate per attuarlo offrono quando comparate con le tradizionali eliche o pale rotanti, ad esempio: con il metodo CSM, le uniche parti in movimento sono le ruote fresanti, il che permette di montare all’interno del gruppo di trasmissione strumentazioni elettroniche che forni-scono informazioni in tempo reale sulla situazione alla quota di scavo quali verticalità, deviazioni, sovrapressioni interstiziali generate nel terreno, ecc. ed, inoltre, poichè l’asta monoblocco non ruota, non sono presenti perdite di energia dovute all’attrito tra asta e terreno trattato come nei tradizionali metodi DMM.

3. Alcuni cantieri CSM eseguiti in Italia

3.1 Avigliana (TO)Realizzazione dell’accesso a un sottopasso stradale alla linea ferroviaria, con muri di contenimento eseguiti con sistema CSM [Fig. 3.1].

Figura 2.16 Superamento dei

sottoservizi

Figura 2.17 Confronto CSM

con DMM: paratie strutturali e muri

di ritenuta

Figura 2.18 Possibilità di posizio-namento dei rinforzi nelle colonne Rotary

e nei pannelli CSM

Geofluid 2009 17

csm by Bauer

Le paratie sono state rinforzate tramite idonee putrelle in acciaio [Fig. 3.2]. I lavori sono stati finanziati dal Comitato Olimpico 2006 ed eseguiti da un Consorzio tra la Cipa S.p.A. e la Injecto-sond S.r.l..

Macchinario: BG 15H – BCM 3Profondità: 12 mSpessore: 500 mmArea totale: 4.000 mqTerreni: limi sabbiosi a nord e ghiaie e sabbie a sudData realizzazione: 2005

3.2 Vittorio Veneto (TV)Realizzazione di una palestra avente un piano interrato con falda a piano campagna. I muri di contenimento, rinforzati con putrelle e tirantati, sono stati eseguiti tramite la tecnica CSM. Sono stati realizzati anche pannelli singoli di ancoraggio della soletta di fondo per contrastare le sottospinte idrauliche. I lavori sono stati eseguiti da Dolomiti Rocce S.r.l. [Fig. 3.3]

Macchinario: BG 15 – BCM 3Profondità: 10 mSpessore: 500 mmArea totale: 2.400 mqTerreni: limi sabbiosi e argillosiData realizzazione: 2005

3.3VercelliIl lavoro a Vercelli ha previsto la realizzazione di vari pozzi per fondazione di pile per un viadotto stradale Anas. La tecnica del CSM è stata introdotta al fine di superare le problematiche che si erano poste utilizzando le metodolo-gie di progetto, le quali prevedevano una cortina di pali in jet grouting finalizzata alla cinturazione al fine di garantire l’impermeabilità dei costruendi pozzi.

Figura 3.1 Cantiere di Avigliana

Figura 3.2 Fase di inserimento delle putrelle di rinforzo

Figura 3.3 Cantiere di Vittorio Veneto terminato

18 Geofluid 2009

Essendo il materiale da trattare una ghiaia an-che decimetrica, spesso non legata ed in alveo al fiume Sesia, i sistemi di perforazione classici non avevano funzionato (a causa delle elevate deviazioni delle aste di perforazione, provocate dalla non omogeneità del materiale) così come i sistemi di iniezione (per consistenti perdite di fluidi di iniezione). Il CSM ha risolto brillante-mente il problema, sia dal punto di vista prettamen-

te operativo (con la macchina posizionata in asse al pozzo [Fig. 3.4], realizzando la serie di pannelli “circolari” dallo stesso punto di lavoro) che dal punto di vista dei risultati, ottenendo dei pozzi praticamente impermeabili … in alveo

ad un fiume [Fig. 3.5]!Il lavoro è stato eseguiti da Vipp Lavori S.p.A..

Macchinario: RG 19T – BCM 10Profondità: 18 mSpessore: 650 mmArea totale: 8.000 mqTerreni: ghiaie localmente cementateData realizzazione: 2006

3.4 Priolo (SR) Questo cantiere ha visto la prima applicazione “massiccia” di tale tecnologia in Italia; ben 3 macchine hanno qui lavorato contemporaneamente.In questo lavoro sono stati realizzati diversi diaframmi impermeabili [Fig. 3.6] finalizzati al contenimento di in-quinanti costituiti da idrocarburi; in pratica si è prevista la cinturazione di un sito inquinato (Raffineria), per cui la tenuta idraulica dei diaframmi ha rappresentato una delle caratteristiche fondamentali per la riuscita di questa opera di bonifica ambientale.Anche tale cantiere è stato eseguito da Vipp.

Macchinari: BG 15 /BG 28 / RG 19T – BCM 3 / 5 / 10Profondità: 16/18 mSpessore: 500/650 mmArea totale: 40.000 mqTerreni: calcarenitiData realizzazione: 2007

3.5 Bocca di Lido Treporti, progetto Mose (VE) Per la difesa completa di tutti gli abitati lagunari dalle acque alte è stato elaborato un sistema integrato di opere

che prevede dighe mobili e schiere di paratoie da realizzare alle tre bocche dei porti di Chioggia, Malamocco e Lido; tale sistema deve essere in grado di isolare la laguna dal mare durante gli eventi di alta marea. Alle bocche di porto di Lido e Chioggia sono previsti dei porti rifugio e piccole conche di navigazione che consenti-ranno il ricovero ed il transito delle imbarcazioni da diporto, dei mezzi di soccorso e dei pescherecci anche con le paratoie in funzione.La realizzazione del porto rifugio di Treporti prevede la costruzione di riempimenti a terra ed a mare, la risagomatura della linea di costa e la costruzione di due dighe frangiflutti. Inoltre, i bacini lato nord e sud saranno

Figura 3.4 Posizionamento

CSM a Vercelli

Figura 3.6 Fasi di

lavoraziona Priolo

Figura3.5 Lavoro eseguito

(si noti la pila già gettata)

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csm by Bauer

collegati da un sistema di chiuse per consentire il passaggio delle imbarcazioni. In fase provvisionale, il bacino nord sarà confinato lato mare da una tura al fine di rendere agibile un’area di cantiere per la costruzione dei moduli delle

dighe mobili. L’area di cantiere avrà un piano-base alla quota -8.50 m s.l.m.; l’agibilità a questo piano sarà garantita, oltre che dalle opere di sconfinamento meccanico [Fig. 3.7], anche

Figura 3.8 Panoramica cantiere

Figura 3.7 Planimetria e sezione della lavorazione con CSM

20 Geofluid 2009

mediante un sistema di dewatering che rimarrà attivo per tutta la durata dei lavori di realizzazione dei moduli delle dighe mobili. Il diaframma perimetrale di cinturazione è stato realizzato con palancole metalliche nella sponda lato mare e con la tecnologia CSM nella sponda lato terraferma [Fig. 3.8], garantendo un livello di impermeabilità dell’opera quasi inatteso [Fig. 3.9]! Tale lavoro è stato eseguiti da Dolomiti Rocce S.r.l..

Macchinario: BG 28 – BCM 10 sospeso su fune Profondità: 28 mSpessore: 650 mmArea totale: 14.000 mqTerreni: sabbie, limi sabbiosi e argillosiData realizzazione: 2007

3.6 Stazione AV BolognaPer la nuova stazione AV di Bologna Centrale, sono state eseguite massicce lavorazioni con tecnica CSM. Tali inter-venti si sono resi necessari per fornire un’adeguata “guida” ai successivi pannelli da realizzare con tecnica tradizionale (a benna mordente) e per fornire un ulteriore sostegno alle pareti di scavo, da realizzare in prossimità degli edifici affacciati su via Dè Carracci e della linea ferroviaria esistente sul lato opposto.Il progetto e la Direzione Lavori sono di Italferr S.p.A., l’ap-paltatore è Astaldi S.p.A., con diverse ditte specializzate in qualità di subappaltatori (Eurogeo, Vipp, Trevi, SGF, …).Superate le fasi di accordi e contratti, tra dicembre 2007 e gennaio 2008 sono arrivate in cantiere le macchine Bauer necessarie alle lavorazioni suddette; in particolare il “parco macchine” per l’esecuzione delle lavorazioni CSM è stato

costituito da [Fig. 3.10]:- Bauer BG 28H con BCM 5 di proprietà Astaldi gestita da Eurogeo - Bauer RTG RG 25S con BCM 5 di proprietà Astaldi gestita da Europeo- Bauer BG 28V con BCM 10 di proprietà e gestione da Vipp LavoriSono stati presenti tre impianti MAT di miscelazione e stoccaggio per la bentonite ed il cemento da utilizzare durante le fasi del trattamento.Inizialmente la BG 28H è stata utilizzata in configurazione con fresa sospesa, successivamente è passata alla confi-gurazione con asta Kelly, soluzione maggiormente perfor-mante in questa tipologia di terreni (argille relativamente consistenti).Per via del regolamento ASL di Bologna, particolarmente severo, tutte le macchine sono state dotate di copertura insonorizzante per abbattere i rumori prodotti in area urbana a livelli inferiori ai 100 dB.Il sistema utilizzato per la lavorazione CSM è bifase, con stadio di discesa utilizzando bentonite (con un flusso di 150-200 l/min e pressione di iniezione di 6-10 bar) ed aria compressa, e risalita con iniezione di miscela cementizia (con una quantità di cemento di 350-400 kg/mc ed un flusso attorno ai 200-250 l/min).Il progetto, molto articolato, ha previsto la realizzazione del trattamento CSM a “voltine” intervallate da “puntoni” al fine di creare un effetto “grotta” nelle pareti della stazione da realizzare. Come guida per la testa fresante sono stati utilizzati blocchi di cls giustapposti [Fig. 3.11].La stratigrafia della zona di lavoro ha mostrato come fossero predominanti i terreni fini (limoso-argillosi), relativamente consistenti; a tal proposito la scelta della miscela ha com-portato uno studio abbastanza severo al fine di ottimizzare

Figura 3.9 Lavorazione

terminata

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csm by Bauer

i rapporti acqua/cemento e le conseguenti portate dei flussi di iniezione.La produzione si è attestata su 4-5 pannelli medi al giorno per ogni macchinario, per profondità attorno ai 24 m.Le velocità di avanzamento in discesa sono dovute es-senzialmente alla resistenza del terreno, valori comuni sono 30/40 cm/min in terreni sciolti e 15/20 in quelli più compatti, mentre in risalita la velocità dipende da diversi fattori quali le portate e le pressioni di iniezione ed il grado di omogeneizzazione e mescolazione che si è voluto ottenere.Le deviazioni dalla verticale dei pannelli realizzati è risultata nel complesso contenuta, con valori di qualche cm.

Macchinari: BAUER BG 28V– BCM 10, BG 28H – BCM 5, RTG RG 25S – BCM 5Profondità: 23 mSpessore: 800 mmArea totale: 90.000 mqTerreni: limi sabbiosi e argillosiData realizzazione: 2008

Figura 3.10 Macchine al lavoro a Bologna

Figura 3.11Blocchi guida

3.7 Ponte sull’AddaL’Ufficio di Geotecnica del Polo di Geoingegneria della Spea Ingegneria Europea S.p.A. ha recentemente redatto una proposta progettuale finaliz-zata all’esecuzione delle pile del futuro viadotto sull’Adda, opera inquadrata nel nuovo collegamento autostradale di connessione tra le città di Brescia e di Milano (BreBeMi) [Fig. 3.12].Al fine di poter realizzare all’asciutto gli scavi sotto falda per l’esecuzione dei plinti di fondazione di pile in terreni sabbiosi f ini mediamente addensati (NSPT = 30-40 col-pi/piede) è stata prevista la realizzazione di una coronella esterna mediante pannelli

22 Geofluid 2009

realizzati con la tecnologia “cutter soil mixing”. Nel caso specifico, è stata prevista l’adozione di pannelli con sezione 2,20x0,80 m della lunghezza di 10 m, da quota intradosso plinto, ed un trattamento dei terreni all’interno della coronella mediante iniezioni con cementi microfini eseguite da tubi in VTR o PVC valvolati. Questo trattamento, oltre alla funzione impermeabilizzante, unitamente all’esecuzione di alcuni pannelli di CSM a rag-

giera interni [Fig. 3.13], ha anche la funzione di aumentare il modulo di deformazione medio al fine del controllo dei cedimenti della fondazione.

ConclusioniIl metodo Cutter Soil Mixing, CSM, è una tecnica innovativa per il Soil Mixing profondo; è già stata largamente testata e molti cantieri sono già stati eseguiti in tutto il mondo portando una casistica decisamente interessante. Possia-mo ora affermare che il metodo è cognito ed ampiamente testato.Bauer ha attuato, inoltre, una ulteriore campagna di test per migliorare le macchine; ha preparato prove e modifi-che per realizzare teste fresanti di diversa geometria con nuove lame e pale mescolatrici atte a rendere il lavoro più veloce e produttivo e ridurre i consumi; alcune Imprese stanno già applicando questo metodo in suoli differenti, così da ottimizzare le procedure costruttive ed i parametri di concentrazione dei fanghiIl metodo offre indubbiamente notevoli vantaggi rispetto alle normali tecniche di soil mixing che usano gli utensili rotanti standard.Basti pensare alla sostituzione del classico jet grouting; è suf-ficiente analizzare uno schema geometrico sovrapponendo la sezione resistente di una serie di colonne jet ad un pannello eseguito tramite il CSM. L’utilizzo del CSM, in sostituzione del jet grouting, potrebbe apportare notevoli vantaggi, sia in termini di qualità che di costo, quali ad esempio:Notevole maggior produttività (il tempo che serve per sca-vare un pannello è circa quello necessario per effettuare una colonna jet grouting, parliamo pertanto della possibilità di

Figura 3.13 Schema

fondazioni viadotto Adda

Figura 3.12 Planimetria

viadotto e fondazioni

Geofluid 2009 23

csm by Bauer

raggiungere produzioni superiori dell’ordine del 200%).Notevole minor consumo in cemento (a causa dell’assenza di sovrapposizioni e zone periferiche iniettate non col-laboranti, fenomeni inevitabili utilizzando le colonne jet grouting: il risparmio in cemento potrebbe raggiungere valori pari al 50%).Assenza del pericolo dei coni d’ombra, fenomeno che può frequentemente accadere utilizzando il principio della mi-scelazione idraulica (jet grouting) in formazioni geologiche che presentano materiali resistenti alla pressione di iniezione (non può succedere con il CSM, essendo una miscelazione meccanica).Possibilità di armare il pannello eseguito (con putrelle o gabbie eventualmente vibrate).Minori giunti, per cui minori pericoli di perdite.Possibilità di effettuare giunti “fresh on fresh”.Progettisti ed Imprese di tutto il mondo stanno sfruttando tale tecnologia in differenti applicazioni e, possiamo dirlo, l’Italia è stato il paese maggiormente “ricettore” di questa novità a livello europeo, rimanendo però il Giappone il maggior utilizzatore a livello mondiale.

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RingraziamentiIng. C. Bernardini, Ing. A. Danese, Ing. G. Fratini, - Astaldi

Ing. F. Bellone – Cipa

Per. Min. F. Baldassi, Ing. Dell’Andrea, Dr. R. Sonzogni - Dolomiti Rocce

Geom. S. Molin - Eurogeo

Ing. M. Poggio - Injectosond

Ing. Filippo Rettondini - Vipp Lavori

Ing. T. Collotta, Ing. P. Bangio - Spea

Ing. F. Miotto … complimenti per la tesi!

Ing. R. Fiorotto, Ing. A. Dalle Coste – Bauer Italia

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