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PROCESSI E SISTEMI•BONIFICHE
Bonifiche in situ
Setti impermeabili nel sottosuolo
con l’applicazione del jet­grouting
n di Fabio Ermolli,IgeamS.r.l., Paolo FranzonieGiulianoDonaera,SingeaS.r.l.
Foto su gentile concessione di Palingeo S.r.l. – Carpinedolo (BS)
Il “jet grouting” consiste
nell’iniezione a volumi
e pressioni controllate
di fluidi stabilizzanti
con o senza l’ausilio di
altri fluidi che
disgregano il terreno, al
fine di tagliare e
rimescolare il materiale
in situ ottenendo come
risultato finale una
mescolanza del terreno
con il fluido iniettato al
fine di costituire
elementi consolidati con
caratteristiche di
resistenza meccanica e
permeabilità anche pari
a quelle di un
calcestruzzo. Questa
tecnologia, ormai
matura, è finalizzata
alla realizzazione di
consolidamenti nel
sottosuolo e come
ausilio nelle
applicazioni nel settore
dell’ingegneria
ambientale, come nel
caso di setti
impermeabili nel
sottosuolo di siti
contaminati
La “gettiniezione” o “jet grouting” è una particolare
tecnica di trattamento dei terreni che consiste nell’iniezione
nel terreno di miscele fluide, proiettate ad alta/altissima
velocità nel sottosuolo, in grado di determinare, tramite
un fluido stabilizzante, la contemporanea disgregazione,
miscelazione e permeazione del volume di terreno trattato,
fino a formare elementi di varia forma e dimensione
che possiedono caratteristiche geomeccaniche e idrauliche
migliori rispetto a quelle del terreno originario.
Questa tecnica, che risale agli anni
60’­70’, si è sviluppata inizialmente in
Giappone e, in seguito, rapidamente diffusa
e sviluppata nel resto del mondo per
i notevoli vantaggi offerti in relazione alle
iniezioni convenzionali. Pur essendo nata
nell’ambito dell’ingegneria civile, inizialmente
finalizzata essenzialmente alla realizzazione
di consolidamenti nel sottosuolo,
mediante il miglioramento delle
caratteristiche meccaniche dello stesso,
questa tecnica, in seguito, ha avuto negli
anni recenti un notevole sviluppo finalizzato
alle applicazioni nel settore dell’ingegneria
ambientale, in particolare nella
realizzazione di setti impermeabili nel
sottosuolo di siti contaminati, dimostrandosi
efficace e risolutrice in contesti
ambientali particolarmente critici per
condizioni naturali o condizionati da fattori
antropici.
Le ragioni di questa affermazione risiedono
nel fatto che la gettiniezione, pur avendo
particolari limitazioni legate alla tipologia
dei depositi da trattare:
l è una tecnica particolarmente flessibile;
l si adatta a impieghi molto diversi, strutturali,
geotecnici e ambientali;
l presenta notevoli vantaggi economici
ed ecologici nei confronti delle miscele
chimiche tradizionalmente utilizzate
per i trattamenti di impregnazione ed
impermeabilizzazione.
Si tratta, quindi, di una tecnica innovativa
che, anche se utilizzata da diversi anni,
solo recentemente si è particolarmente
sviluppata e affinata, per le applicazioni in
campo sia geotecnico strutturale che ambientale,
in virtù delle precedenti esperienze
e del background acquisito sperimentalmente
con controlli a lungo termine
sulle opere eseguite.
5Foto 1 – Particolare dell’utensile usato per
la gettiniezione
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FaseA:Perforazione;
FaseB:Iniziojetgrouting;
FaseC:Formazionecolonnainestrazione;
FaseD:Colonnesuccessive.
5Figura 1 – Sequenza delle fasi operative
di jet grouting
Latecnologia
Il jet grouting consiste nell’iniezione a volumi
e pressioni controllate di fluidi stabilizzanti
(miscele acqua e cemento) con o
senza l’ausilio di altri fluidi (aria e acqua)
che servono per il disgregamento del
terreno. I fluidi iniettati a elevate pressioni
tagliano e rimescolano il materiale in
situ dando come risultato finale una mix
di terreno e fluido iniettato al fine di
costituire elementi consolidati con caratteristiche
di resistenza meccanica e permeabilità
anche pari a quelle di un calcestruzzo.
L’applicazione della tecnologia è schematizzata
in:
l fase di perforazione: perforazione
a distruzione di nucleo sino alla profondità
di trattamento richiesta dal progetto
con o senza preforo. La batteria
di aste è provvista, oltre alla testa di
perforazione, di una particolare valvola
eiettrice (monitor) che ha uno o più
ugelli ortogonali all’asse della batteria
dalla quale viene proiettato il fluido in
pressione;
l fase di estrazione e iniezione
programmata: durante la fase di
5Foto 2 – Sonda perforatrice con prolunga
a mandrino per esecuzione jet grouting
estrazione della batteria avviene l’iniezione
a pressione variabile, a seconda
delle necessità, fino a 800 atm. È in
questa fase che, mediante la combinazione
della velocità di rotazione (giri
asta/min), della pressione dell’iniezione
(atm) e della velocità di estrazione (risalita
cm/sec) della colonna di aste, è
possibile ottenere volumi di terreno
trattato della forma e delle dimensioni
desiderate.
Il raggio di azione o volume trattato è
legato secondo l’espressioneR=f(P,t,T,j,
d), in funzione, quindi:
l della pressione di inizione(P);
l del tempo di iniezione(t);
l della resistenza al taglio del terreno da
consolidare(T);
l del diametro degli ugelli(j);
l della densità della miscela(d).
Le varie tecniche di seguito schematizzate
hanno in comune l’impiego di una miscela
cementizia come fluido stabilizzante,
mentre si differenziano per la tipologia del
fluido disgregante (boiacca [1] ­ acqua –
aria o acqua + aria). Possono essere distinte
tre tipologie esecutive:
l metodo monofluido: la disgregazione
del terreno avviene attraverso l’azione
della miscela cementizia, la quale ha
anche la funzione di stabilizzare il terreno
stesso;
l metodo bifluido: l’azione disgregante
è affidata all’acqua o all’aria immessa
preventivamente alla miscela cementizia,
alla quale è solamente affidato il
compito di stabilizzare il terreno disgregato;
il metodo è adatto a terreni coesivi
e genera colonne di diametro maggiore
rispetto al metodo monofluido;
l metodo trifluido: attraverso gli ugelli
situati sulle aste si immette nel terreno
acqua e aria ad alta pressione; ciò provoca
la disgregazione del terreno, immediatamente
seguita dal getto di miscela
cementizia avente l’esclusiva funzione
di compattare e stabilizzare il
terreno; con questo metodo sono ridotte
le fughe di miscela cementizia e si
possono realizzare colonne di diametro
superiore ai 2 metri.
I metodi sopra descritti permettono di
rimuovere la porzione fine del terreno,
sostituendola con materiale con buone
caratteristiche geotecniche. In particolare,
sabbie e ghiaie trattate con questa
tecnica possono raggiungere resistenze a
compressione variabili tra 10­30 MPa. La
medesima tecnica in formazioni limosoargillose
sature, con plasticità medio alta,
permette di raggiungere una resistenza a
compressione che non supera i 2­3 MPa.
Le miscele cementizie utilizzate nel jetgrouting
sono costituite da una sospensione
cementizia con un rapporti cemento/
acqua variabile tra 0,5 e 1,2, in funzione:
l della granulometria;
l della permeabilità del terreno;
l delle proprietà meccaniche che si vogliono
ottenere.
Nel caso sia necessario realizzare un setto
impermeabile o comunque una porzione
di terreno con una minore permeabilità in
terreni granulari, si aggiunge alla miscela
cementizia un prodotto stabilizzante, in
genere bentonite.
[1] Impasto quasi liquido di cemento o di calce che viene utilizzato in edilizia per il fissaggio dei rivestimenti e per il riempimento delle fughe tra le mattonelle o i mattoni e, con
l’aggiunta di antiossidanti (”boiacca passivante”), per il rivestimento protettivo dei tondini in ferro del cemento armato. Viene inoltre utilizzato come parte dell’impermeabilizzazione
nelle coperture (dahttp://it.wikipedia.org/).
Tecnologie&Soluzioni
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5Figura 2 – Schema di assemblaggio monitor­trilama di perforazione
con vari sistemi di valvola di tenuta
Lemodalitàoperative
ð la tecnica prevede l’esecuzione di
un foro di iniezione eseguito a rotazione
a distruzione di nucleo del diametro
di circa 100 mm, realizzato con
appositaattrezzaturacostituitadasonde
idrauliche, sino alla profondità prevista,cioèallabasedellacolonnachesi
deverealizzare;
ð dopo aver raggiunto la profondità di
progetto, si inizia l’estrazione della
batteriadiaste a velocità predeterminata,
imprimendo contemporaneamenteunmotodirotazioneeiniettando
tramite un dispositivo provvisto di
ugelli disposti orizzontalmente (monitor)
un getto fluido viscoso (ad esempio,
acqua­cemento­bentonite) che
vienecostrettoafuoriuscireinpressione(200­600bar);
ð per effetto della rotazione orizzontale
del getto, il terreno circostante viene
asportato o rimescolato e portato in
superficie e i vuoti creati vengono
riempiti con la sospensione indurente.
Ilcontemporaneomovimentoverticale
dello testata di perforazione conduce
alla progressiva formazione di una
colonna cilindrica cementata che può
avere diametri variabili in funzione dei
parametrioperativi(monofluidomaxF
= 80 cm , bifluido max F = 1500 cm,
trifluidomaxF=2400cm);
ð nelmetodomonofluidovieneiniettata
5Foto3–Carotaggio di controllo integrità
testa colonna jet grouting
la sola miscela
stabilizzante che
agisce contemporaneamente
daagentedisgregatore
e da legante
del terrenorimescolato;
ð nei metodi bifluidoetrifluido
il getto disgregatoreècostituitodaacqua
e/o aria in pressionecheprecedono
l’iniezione
cementizia, in
quanto fuoriescono
da ugelli posti alla sommità del
monitor;
ð il sottostante getto di boiacca penetra
nella massa di terreno gia disgregato e
privatoinpartedellasuacomponente
più fine, impregnandolo in modo uniforme.
Nella zona interessata dall’iniezione
mista di aria e acqua si innesca,
infatti, un meccanismo di air lifting di
risalita, attraverso lo spazio anulare tra
labatteriadiasteeilforo,chesospinge
aboccaforolepartipiùfinidelterreno
disgregato unitamente all’acqua in eccesso
e a una piccola percentuale di
boiacca(spurgo);
ð ripetendo questa procedura a un interasse
inferiore al diametro ottenuto, si
realizza una parziale compenetrazione
tra i fori adiacenti con la formazione di
unacortinacontinuadicolonnesecanti.
Icoefficientidipermeabilitàraggiungibili
dipendonodallecaratteristichedelmateriale
iniettato dall’asse delle perforazioniedaltipodiiniezione;siraggiungono,
tuttavia, coefficienti di permeabilità
dell’ordinedi10 ­7 ­10 ­9 cm/s
ð una variante di questo metodo si basa
sull’iniezione a getto unidirezionale,
che consente, in assenza di rotazione
deldispositivodiiniezione,laformazione
di pannelli (e non di cilindri) impermeabilidellospessoredi5­20cm.
Risultati
Interminigenerali,ilvantaggioassociatoal
sistemadiisolamentoagetto(jetgrouting)
fa riferimento al facile accesso delle attrezzatureeallapossibilitàdiespletamento
delle operazioni anche in zone arealmentelimitate.
La rigidità delle colonne o dei pannelli,
tuttavia, rende questi manufatti piuttosto
sensibili ai cedimenti e alle deformazioni
delterrenocircostante.
Ilcontrollodiqualitàdelprodotto,infase
diesecuzionedeltrattamento,ègarantito
daunmonitoraggiointemporeale:
l dellequantitàdimiscelaimmessa;
l deiparametriditrattamento;
l dellaprofonditàraggiunta,
l mediante registrazione automatica dei
parametridiperforazioneeiniezione.
Lecaratteristichedellecolonnedipendonodallacombinazionedialcuniparametri
principali definiti in fase di progetto che
possono essere registrati in automatico
durantel’iniezione:
l velocità di risalita (temporizzatore automaticoconsteppredeterminati);
l velocità di rotazione della batteria di
perforazione legata alla permanenza
del trattamento alla singola quota di
intervento;
l pressioneeportatadeifluididiiniezione;
l volumediiniezione(solitamenteperml
ditrattamento);
l profonditàraggiunta.
In funzione di questi parametri e delle
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caratteristiche geotecniche e stratigrafichedeiterreni(granulometria,resistenza
meccanica, permeabilità), si ottengono
colonne con differenti caratteristiche geometricheestrutturali(sivedalafoto4).
Geometriadeitrattamenti
La flessibilità del metodo offre una vasta
gamma di applicazioni per il consolidamentoel’impermeabilizzazionedeiterreni,consoluzionigeometrichechepossono
essereriassunteintrecategorieprincipali:
l elementimonodimensionali;
l elementibidimensionali;
l elementitridimensionali.
Traglielementimonodimensionalioa
singola colonna la principale applicazione
èperlarealizzazionedioperedisottofondazionedinuoviedificiodiedificiesistenti
con geometria simile a quella utilizzata
perlefondazioniprofondeopalificate.
Quando, invece, i trattamenti sono tra
loroaffiancatie/ocompenetratisicostituisconoelementibidimensionalidivaria
tipologiadistintitra:
l trattamenticolonnariverticalicontinuisu
unaopiùfileconsviluppolineare(paratie)ocircolare(pozzi),perlarealizzazione
di opere di sostegno, impermeabilizzazioneobarrieramento(diaframmi);
l trattamenti colonnari suborizzontali
(ombrelli) realizzati in avanzamento rispettoalfrontediscavoingallerieperla
realizzazionedisostegniprovvisoridegli
5Foto4–Scavo di osservazione diametro
colonne jet grouting realizzate con
metodo bifluido
scaviingalleria.
Gli elementi tridimensionali si configurano
come una serie di interventi bidimensionalivariamenteaccoppiatitalidacostituirenelcomplessoununicoelementodi
terreno consolidato al quale solitamente
vieneassegnatalafunzionedimigliorareo
lecaratteristichegeotecnicheodicostituireunfronteimpermeabileall’acqua.
Attrezzature
Untipicoimpiantodicantiereperl’esecuzioneditrattamentijetgroutingèorganiz­
Colonne di prova
10:23:05
Cantiere:
Zona: 1
Sonda: C6
Colonna:
Profondità impostata: 6,00 D. foro (mm): 800,00 Descrizione ugelli: 3,5 mm
Tstep (s) 25 Vr (g/min) Press (bar) 500 Q (l/min) 200 Volume (lt) Prf Ora 30 50 P aria (bar) 12
6,00 12:14:31 9,1 22 336 130 40 9
5,88 12:14:54 4,9 8 381 141 13 9
5,76 12:15:09 4,9 6 325 141 11 9
5,60 12:15:29 4,9 10 396 141 13 9
5,48 12:15:44 4,9 12 408 143 11 9
5,36 12:16:02 5,0 9 408 147 11 9
5,20 12:16:22 4,6 14 291 150 11 9
5,08 12:16:47 8,6 20 409 152 22 9
4,96 12:17:41 8,9 12 400 150 22 9
4,80 12:18:16 8,6 15 405 150 22 8
4,68 12:18:46 10,6 13 409 147 29 8
4,56 12:19:19 11,0 19 398 150 26 8
4,40 12:20:15 12,2 11 339 147 37 8
4,28 12:20:41 8,8 20 405 152 22 8
4,16 12:21:13 11,1 22 406 145 29 8
4,00 12:21:49 11,1 14 400 143 4 9
Totale litri foro: 1034
L'esecutore:
La direzione:
DAT instruments, Tel. +39/0331/812755, www.datinstruments.com - JET 4000 AME datalogger
5Figura3–Scheda di registrazione
automatica dei parametri jetting
zatosecondoilseguenteschema(siveda­
noanchelafigura5elafoto7):
ð un impianto di iniezione composto da
un silos per lo stoccaggio del cemento
in polvere associato a un impianto di
miscelazioneautomatico(mescolatore
eagitatore)acontrolloautomaticoper
ilconfezionamentodeifluidodiiniezione,costituitogeneralmentedabiacche
di cemento ed eventuali additivi con
rapporti ponderali tra i vari componenti
precedentemente determinati e
impostati;
5Figura4–Esempi di disposizione
colonne jet­grouting
5Foto5–Impermeabilizzazione e consolidamento terreno con metodologia jet grouting
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5Foto6–Particolare spurgo di perforazione durante esecuzione di
consolidamento terreno con tecnologia jet grouting
5Figura5–Tipico impianto cantiere jet grouting
5Foto7–Impianto cantiere per esecuzione di jet grouting
ð una pompa di iniezione in grado di
raggiungere elevate pressioni di iniezione
(50­60 MPa) in base al metodo di
iniezione utilizzato (monofluido, bifluido
e trifluido);
ð un compressore per l’aria utilizzato prevalentemente
per la perforazione in
avanzamento ed eventualmente per il
metodo trifluido (aria­acqua­cemento);
ð una pompa per l’acqua a elevata pressione
(trifluido);
ð una perforatrice idraulica cingolata
(sonda) con slitta di elevata lunghezza
per eseguire in risalita l’intero trattamento
in continuo, munita di una batteria
di aste cave di diametro esterno
standard compreso tra 60 e 90 mm, alla
cui estremità inferiore è montato solidamente
l’attrezzo di perforazione utilizzato
in avanzamento (bit) e il monitor
utilizzato in fase di iniezione in risalita da
cui fuoriesce la miscela stabilizzante. In
superficie la batteria di aste è collegata
tramite una testina di adduzione a un
tubo flessibile (linea di adduzione) collegato
con la pompa di iniezione.
Applicazioniambientalicon
funzionedibarriera
Tra le varie tipologie e finalità di intervento
si sta recentemente diffondendo l’utilizzo
del jet grouting in campo ambientale
con la creazione di elementi con funzione
di tenuta idraulica, in particolare diaframmi
e “tamponi” di fondo per l’arginamento
e il contenimento di terreni e acque
contaminate.
Nello specifico, il diaframma ha funzione
primaria di costituire una barriera impermeabile
ed è, quindi, necessario che sia
continuo e che la permeabilità raggiunta
in seguito al trattamento in sito dei terreni
sia ridottissima. Per questa ragione i singoli
elementi (colonne) vengono realizzati
tra loro accostati e compenetrati con interasse
minore del diametro delle colonne,
secondo una sequenza continua ripetuta
su una o più file.
Tra gli aspetti di maggior rilievo per la
buona riuscita dell’opera vanno ricordati i
controlli in operam che consentono di
visualizzare eventuali difetti costruttivi,
quali ad esempio la deviazione delle colonne
dall’asse teorico della perforazione
(non verticalità) e la variazione del diametro
delle singole colonne .
Questi difetti impedisono, infatti, la compenetrazione
delle colonne per tutta la
lunghezza del diaframma e non garantiscono
la perfetta tenuta idraulica.
L’altra tipica applicazione recente del jet
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5Foto8–Scavo di fondazione appoggio cavalcavia perimetrato e impermeabilizzato con
colonne secanti in jet grouting monofluido
groutingèlacreazionedeicosiddetti“tamponi”
di fondo. In questo caso, si tratta di
realizzare uno strato di fondo continuo e
impermeabile di spessore variabile costituito
mediante la compenetrazione spazialedicolonnesingolecompenetrategeneralmentediridottaprofondità.
Conclusioni
La tecnica del “jet grouting” ha ormai acquisito
carattere di tecnologia matura finalizzata
non solo alla realizzazione di
consolidamentinelsottosuolo(sivedano
le foto 5, 6 e 8), ma anche di ausilio nelle
applicazioni nel settore dell’ingegneria
ambientale, in particolare nella realizzazionedisettiimpermeabilinelsottosuolo
disiticontaminati.
La flessibilità di uso e di modulazione in
funzione delle caratteristiche sito specifiche
(profondità di interesse da trattare,
litologia, zone ad elevata presenza di infrastrutture
sepolte, ecc.) determina un
ventaglio di applicazioni molto articolato,
ditipostrutturali,geotecnicieambientali.
Siriscontrano,inoltre,significativivantaggi
economiciedecologicineiconfrontidelle
miscele chimiche tradizionalmente utilizzate
per i trattamenti di impregnazione e
impermeabilizzazione, nonché la possibilità
di eseguire setti impermeabili, sia di
tipo verticale che orizzontali, laddove altre
soluzione più tradizionali non sono
praticabili. La tecnica si sta, in particolare,
dimostrando efficace e risolutrice in contesti
ambientali particolarmente critici,
percondizioninaturaliofortementecondizionati
da fattori antropici, quali infrastrutturesepolteesottoservizi,comeisiti
industriali complessi con il sottosuolo
contaminato.
l
Tecnologie&Soluzioni
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