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ROCK-SOIL TECHNOLOGY AND EQUIPMENTS

www.pacchiosi.com

IL JET GROUTING

STORIA PRINCIPI DEL METODO ESEMPI DI APPLICAZIONI

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1. Introduzione.Il Jet Grouting è una tecnica d’iniezione per il consolidamento del terreno; essa viene utilizzata per stabilizzare, rinforzare od impermeabilizzare i terreni direttamente in-situ mediante l’iniezione, ad elevatissima velocità, di una miscela legante. I campi di appli-cazione del Jet Grouting si estendono praticamente a tutte le tipologie di terre ed ad alcuni tipi di rocce tenere.

Sviluppato in Giappone alla fine degli anni ’60, introdotto in Europa qualche anno più tardi (primi anni ’70), la metodologia Jet Grouting si è poi largamente diffusa in tutto il mondo.

Le applicazioni sono svariate e comprendono tra l’altro la realizzazione e la ripresa di fondazioni profonde, la stabilizzazione di versanti (Ferlesh, 1990), il consolidamento preventivo per lo scavo di gallerie in terreni sciolti (Bienfait, 1994; Fredet, 1997; Richard, 1991), l’impermeabilizzazione di dighe in terra (Guastini et al, 2000; Nishi et al, 2000), il ripristino dello schermo impermeabile profondo di vecchie dighe soggette a fenomeni di liquefazione, la realizzazione di bulbi per tiranti ad elevata capacità sia attivi che pas-sivi, la realizzazione di tappi di fondo tra paratie e/o pozzi per lo scavo di linee metropo-litane sotto falda, ecc.

La versatilità del Jet Grouting ed il dimensionamento piuttosto ridotto delle attrezza-ture necessarie alla sua realizzazione, ne fanno apprezzare la scelta, soprattutto per la realizzazione di opere in zone urbane e/o di difficile accesso.

• l’evoluzione del Jet Grouting dalla nascita sino ad oggi;

• le varie tecniche Jet Grouting attualmente utilizzate;

• le modalità esecutive del Jet Grouting;

• vari casi di applicazioni sia a livello teorico sia a livello pratico (lavori eseguiti).

Sommario 1. Introduzione. p. 3

2. Evoluzione storica della metodologia. p. 6

3. Principi base della tecnologia Jet Grouting. p. 11

4. Principali sistemi Jet Grouting.. p. 16

4.1. Mono-Fluido. p. 16

4.2. Bi-fluido. p. 19

4.3. Tri-fluido. p. 21

4.4. Una metodologia particolare: il Clou-jet p. 24• Introduzione. p. 24• Attrezzature e modalità esecutive. p. 24• Vantaggi della tecnica. p. 26• Dimensionamento del progetto. p. 26

5. Procedure da adottare in fase di esecuzione. p. 32

Conclusioni p. 39

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EVOLUZIONE STORICA DELLA METODOLOGIA

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2. Evoluzione storica della metodologia.La tecnica Jet Grouting è stata utilizzata per la prima volta in campo petrolifero per assi-curare il consolidamento delle pareti dei fori per perforazioni profonde (1954). Una delle prime applicazioni è attribuita alla società inglese Cementation Company che realizzò, con successo, una serie di consolidamenti per la realizzazione di dighe in Pakistan.

La procedura d’iniezione utilizzata all’epoca consisteva nell’esecuzione di una perfora-zione fino alla profondità desiderata e nell’eseguire un’iniezione d’acqua attraverso le aste di perforazione in modo tale da rimuovere i fini dal terreno e di farli risalire in super-ficie. Tutto questo processo avveniva durante la discesa della batteria di aste. Una volta raggiunta la profondità desiderata, l’iniezione d’acqua veniva sostituita dall’iniezione di miscela cementizia; l’inezione della miscela provocava la disgregazione ed il dilavamen-to del terreno attorno al punto d’iniezione, causando un allargamento del foro iniziale (da tre a quattro volte il diametro originale). Durante la risalita delle aste d’iniezione, la cavità creatasi veniva riempita con un melange suolo-miscela e si realizzava così una colonna fino a quota piano campagna (Fioravante et al, 1997; Kutzner, 1996; Lunardi, 1992; Tornaghi, 1989).

Nel periodo immediatamente successivo Yamakado, con lo scopo di rimediare all’ineffi-cacia dei metodi tradizionali d’iniezione di cemento e prodotti chimici in terreni a bassa permeabilità e granulometria fine, eseguirono delle prove fondamentali di iniezioni ad elevatissima energia e volume controllato, con lo scopo di determinare una metodolo-gia che permettesse la disgregazione ed, in seguito, il trattamento con miscela legante dei terreni sopra citati per migliorarne le caratteristiche tecniche.

Le prime applicazioni di ingegneria civile risalgono agli inizi degli anni ’70 (Botto, 1985). Il processo utilizzato in Giappone (Chemical Curning Pile) si basava sui tre principi fon-damentali seguenti:

1. destrutturazione del terreno sotto l’effetto dinamico di un Jet a forte energia cinetica;

2. estrazione parziale del terreno disgregato;

3. incorporazione di un melange a base di cemento.

Per adempiere alle tre funzioni, il metodo Chemical Curning Pile utilizzava un Jet ad altissima velocità, generato da un ugello solidale all’asta di perforazione ed iniezione. Il movimento ascendente, circolare ed uniforme delle aste permetteva la disgregazione del terreno che, sotto l’effetto della forte energia cinetica, veniva parzialmente escavato e rimpiazzato dal melange suolo-cemento. Le performances di questa tecnica erano però molto modeste: i diametri dei trattamenti erano limitati a 50 cm circa nelle sabbie ed a 30 cm circa nei terreni argillosi.

Sempre in Giappone, con lo scopo di aumentare il raggio d’azione del Jet di cemento, si pensò nel 1972 di rivestire il Jet di cemento con un Jet d’aria compressa (Jumbo Special Pile): il diametro raggiunse circa 2 metri.

Tuttavia il trattamento realizzato non otteneva omogeneità a causa del fenomeno di fratturazione idraulica o claquage provocato dall’aria compressa iniettata nel terreno unitamente alla miscela legante.

Nel 1975, a seguito delle esperienze ricavate dall’applicazione delle tecniche preceden-temente illustrate (monofluido, Chemical Curning Pile, e bifluido, Jumbo Special Pile), la compagnia giapponese Kajima Corporation mette a punto un nuovo metodo (trifluido -Kajima-). La nuova metodologia prevedeva l’iniezione ad una quota superiore di aria ed acqua, attraverso 2 ugelli concentrici, per disgregare ed evacuare parzialmente il terre-no. Simultaneamente ad una quota inferiore (30-40 cm) avveniva l’iniezione di miscela legante per il consolidamento del terreno in-situ. L’impiego del metodo Kajima consentì di raggiungere diametri di circa 2.5 metri con omogeneità di trattamento accettabile.

Nello stesso periodo, le prime prove realizzate in Europa (CCP, Italia) su licenza e con at-trezzature giapponesi misero in evidenza l’impossibilità di applicare le tecnologie “Jet” su vasta scala, perché i macchinari e gli utensili troppo sofisticati e costosi non permet-tevano l’esecuzione di lavori a costi accettabili e competitivi.

Di conseguenza le imprese europee (Keller, Pacchiosi Drill, Rodio, Trevi, ecc,1975) ed al-cuni progettisti (C.Luis,Francia; P.Lunardi,Italia) iniziarono lo studio, la sperimentazione e la costruzione di cantieri completi ed automatizzati, che consentissero l’applicazione delle tecnologie Jet Grouting

con costi e prestazioni competitivi.

La realizzazione di attrezzature con altissime prestazioni ha consentito lo sviluppo ul-teriore delle tecnologie Jet Grouting (mono-fluido,bi-fluido e tri-fluido) permettendo l’applicazione su vasta scala e la diffusione in tutto il mondo del Jet Grouting che viene utilizzato per risolvere, in modo competitivo, i problemi più complessi del sottosuolo nel campo dell’ingegneria civile

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PRINCIPI BASE DELLA TECNOLOGIA JET GROUTING

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3. Principi base della tecnologia Jet Grouting.La metodologia Jet Grouting è essenzialmente un processo di erosione controllata re-alizzato tramite l’impiego di uno o più getti, d’acqua o di miscela cementizia, lanciati ad altissima velocità contro la parete di un foro di piccolo diametro al fine di tagliare, disgregare ed evacuare verso la superficie una parte dei terreni in-situ e, simultaneamente, im-pastare i terreni rimasti in posto con una miscela a base di cemento.

Il principio base del metodo Jet Grouting preve-de che l’energia idraulica, trasmessa dalla pom-pa ad alta pressione alla miscela d’iniezione ed all’acqua di “ disgregazione ” (Energia = Pressio-ne x Portata), sia trasformata in energia cinetica (Ecin = mv2/2) all’uscita degli ugelli di iniezione (Pacchiosi, 1998).

Le fasi normali d’esecuzione di una iniezione Jet Grouting consistono in un primo tempo nella realizzazione di una perforazione di piccolo dia-metro (vedi fig.1) , generalmente dell’ordine di 150 mm, fino alla base del trattamento previsto e, secondariamente, nella fase d’iniezione. Que-sta fase segue immediatamente l’esecuzione del foro senza necessariamente dover provvedere al ritiro della batteria di aste in superficie. Dopo l’at-tivazione dei getti d’iniezione, la batteria di aste viene estratta lentamente con velocità di rota-zione costante (vedi fig.2) , permettendo così, in terreni omogenei, la formazione di una colonna di terreno impastato con la miscela cementizia di diametro regolare dalle caratteristiche omo-genee (vedi fig.3).

Durante l’iniezione, viene continuamente eva-cuato verso la superficie un fluido denso (chia-mato riflusso) costituito da miscela cementizia, acqua di disgregazione e da suolo; questo refluo passa tra l’esterno della batteria di aste e la pa-rete del foro ed è molto importante che non si blocchi, altrimenti si

potrebbero generare claquages (fratture oriz-zontali del terreno generata da sovra-pressioni). Quando queste condizioni sono effettivamente realizzate, la pressione idrostatica in-situ a livel-lo dell’iniezione è essenzialmente proporziona-le all’altezza della colonna del liquido di ritorno

Figura 1

Figura 2

Figura 3

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all’interno del foro di perforazione. Quando è ben realizzato, il Jet Grouting non com-porta alcun rischio per gli edifici e le strutture adiacenti al cantiere di lavoro.

Per alcune applicazioni particolari, le aste possono essere fatte risalire senza rotazione o con rotazione parziale per ottenere, come risultato finale, la realizzazione di colonne parziali o di pannelli sottili (vedi fig. 4, 5 e 6) .

Negli ultimi anni sono state ottenute colonne parziali aventi raggio 2.5 metri (vedi figura 4) e pannelli con lunghezze fino a 8 metri (vedi figure 5 e 6) utilizzati al posto di paratie tradizionali.

Figura 5: linear panels

Figura 6: linear panel

Figura 4: partial column

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PRINCIPALI SISTEMI JET GROUTING

• MONO-FLUIDO

• BI-FLUIDO

• TRI-FLUIDO

• CLOU-JET

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4. Principali sistemi Jet Grouting..

Le tecnologie più utilizzate nel mondo sono le seguenti (Pacchiosi, 1998):

•Mono-fluido;

•Doppio-fluido;

• Triplo-fluido;

• Clou-jet.

4.1. Mono-Fluido.Il mono-fluido è la metodologia più elementare di Jet Grouting. In questo procedimen-to, la miscela cementizia iniettata con altissima energia cinetica, viene utilizzata per le tre funzioni seguenti:

• disgregazione dei terreni in posto per iniezione dinamica;

• estrazione di una parte del terreno in posto;

• riempimento ed impasto della miscela cementizia con il terreno rimasto in posto.

Le lavorazioni propriamente dette di Jet Grouting con la tecnica mono-fluido sono sud-divise in più fasi :

Si realizza, in un primo tempo, un foro classico di piccolo diametro (da 60 a 200 mm) per mezzo di un tricono, trilama o martello fondo-foro. Il diametro del foro dev’essere superiore al diametro della batteria di aste per permettere l’evacuazione del riflusso ge-nerato durante il trattamento.

Si utilizzano utensili per la perforazione che abbiano l‘uscita di acqua (o di miscela ce-mentizia) nella parte inferiore; nella parte superiore di questi monitors viene connesso

un manicotto nel quale si trova l’alloggiamento per una biglia d’acciaio. Quest’ultima viene inserita una volta terminata la perforazione, per ottenere la chiu-sura del canale assiale della batteria di aste; così fa-cendo la miscela cementizia non può uscire che dagli ugelli e non più dalla parte inferiore dell’utensile uti-lizzato durante la perforazione.

Pochi centimetri più sopra alla sede biglia si trovano gli ugelli d’iniezione.

Questi sono generalmente collocati ad altezze diffe-renti al fine di trattare due volte la stessa zona (vedi figura 8).

Una volta che la batteria di aste si trova alla profondi-tà desiderata, l’apparecchiatura è sottoposta al mo-vimento ascendente circolare mentre la pompa assi-cura l’approvvigionamento necessario di miscela alla pressione ed nella quantità volute. Il Jet disgrega il terreno che si mescola con la miscela.

La risalita si può effettuare in due modi: per scatti oppure in continuo.

L’applicazione di questo processo è generalmente limitata a colonne di piccolo diame-tro ( ordine di grandezza 1 metro ) ed a terreni granulari.

D’altra parte, il mono-fluido, resta la sola possibile metodologia applicabile per la realiz-zazione di iniezioni orizzontali, correntemente utilizzate per la costruzione di gallerie in terreni sciolti.

In figura 9 si vede uno schema che rappresenta un cantiere tipo con tutte le attrezzature necessarie per effettuare il mono-fluido.

Le attrezzature necessarie sono una o più perforatrici rifornite di miscela cementizia da una pompa ad alta pressione la quale a sua volta è alimentata da un mescolatore, connesso ad uno o più silos di cemento, che prepara il fluido necessario in modo auto-matico.

Il mono-fluido normalmente viene utilizzato dove non è rilevata la presenza di particel-lato argilloso. Tuttavia potrà essere effettuato il suo utilizzo in tali terreni a condizione di realizzare un prelavaggio del terreno durante la fase di perforazione.

La resistenza (compressione semplice) ed il diametro della colonna saranno comunque inferiori rispetto a quelli ottenibili in terreni privi di particelle fini di natura argillosa. Co-munque resta indicato per tutti i terreni che non presentano argilla.

Nelle sabbie fini, nelle sabbie grossolane e nelle ghiaie le colonne realizzate tramite mono-fluido danno delle buone resistenze e vengono realizzate abbastanza facilmente (hanno forma regolare, grande diametro, ecc.)

Figura 7: colonna realizzata con mono-fluido.

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Figura 8 : sezione che rappresenta la sede biglia e la circolazione dei fluidi all’interno delle aste

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In terreni di origine alluvionale le resistenze ottenibili sono buone anche quando l’impa-sto terreno-miscela viene eseguito velocemente. Anche se il mono-fluido è appropria-to per le alluvioni, potrà essere rimpiazzato dal doppio-fluido o dal tripplo-fluido, per esempio nel caso in cui, per esigenze di progetto, sia necessario realizzare colonne di maggior diametro o se una parte di terreno presentasse matrice argillosa.

4.2. Bi-fluido.

Concettualmente il bi-fluido è similare al mono-fluido ad eccezione dell’utilizzo di aria compressa ( da 6 a 20 bars ) che avvolge il getto di miscela cementizia (vedi particolare in fig.11) permettendo un’efficacia maggiore per quanto riguarda la disgregazione e quindi il diametro ottenibile.

Si possono raggiungere diametri di circa 2 metri.

Il bi-fluido è efficace anche in terreni debolmente cementati; tuttavia le limitazioni sono piuttosto numerose:

• il processo bi-fluido non è raccomandato in applicazioni presso edifici od altre strutture sensibili perché, questo metodo, è molto suscettibile a fenomeni di sollevamento dovuti all’enorme viscosità dei reflui d’iniezione, la cui libera evacuazione verso la superficie si ri-vela frequentemente difficile. La non perfetta evacuazione dei reflui infatti, rende possibile lo sviluppo di sovra-pressioni nel terreno, facendo aumentare il rischio di claquage idraulico, parti-colarmente in terreni coerenti;

• la qualità del trattamento in-situ, generalmen-te, sarà meno soddisfacente e meno omogenea per i suoli fini e coerenti, sia se la si paragona ad un ipotetico trattamento eseguito con il mono-fluido, sia soprattutto in paragone al tri-fluido. Conseguentemente, il bi-fluido verrà utilizzato in applicazioni ove sia possibile tollerare varia-zioni considerevoli della qualità del trattamen-to;

Figura 10 : colonna realizzata con bi-fluido..

Figura 11: sezione che rappresenta la sede biglia e la circolazione dei fluidi all’interno delle aste.

Figura 9 : cantiere per mono-fluido.

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• l’applicazione del bi-fluido si rivela particolarmente ostica a profondità eccedenti i 15 metri; ciò è dovuto alla difficoltà sempre maggiore d’evacuare efficacemente i reflui d’iniezione verso la superficie condizione necessaria alla realizzazione di un trattamento di qualità. Nel caso in cui ciò non avvenga si possono generare claquages (frattura orizzontale del terreno) che potrebbero causare gravi danni strutturali ad edifici, infrastrutture, ecc.

In figura 12 si vede uno schema che rappresenta un cantiere tipo con tutte le attrezza-ture necessarie per effettuare il bi-fluido.

Rispetto al mono-fluido, un cantiere per bi-fluido necessita di un compressore potente per aria, nonché naturalmente di tutte le aste a doppia parete per consentire il passag-gio simultaneo e separato dei due fluidi necessari per la realizzazione della metodologia.

4.3. Tri-fluido.

Il tri-fluido è la più evoluta metodologia Jet Grouting tra quelle a tutt’oggi disponibili.

In questo processo, uno o più getti d’acqua contornati d’aria compressa, sono utilizzati per disgregare il terreno in-situ allorchè, simultaneamente, viene iniettata una misce-la cementizia attraverso uno o più ugelli situati alla base della batteria di aste (fig. 14).

Questa metodologia necessita dell’impiego di aste a tripla parete, che permettono il passaggio simul-taneo, in condotti separati, dei tre fluidi necessari al processo Jet Grouting in esame.

Con il tri-fluido si utilizzano pressioni alla pompa ed al compressore molto elevate:

• 500-600 bars per l’acqua di disgregazione;

• 350-400 bars per la miscela cementizia;

• 6-20 bars per l’aria

La separazione della fase di disgregazione dei terre-ni dalla fase d’iniezione e mescolamento con miscela cementizia, permette di esercitare un controllo mi-gliore sulle caratteristiche finali del terreno trattato agendo sui parametri di controllo (portate, pressioni, composizione della miscela, velocità di risalita, ecc.) delle due sequenze operative in modo indipendente. Generalmente si nota che con il tri-fluido, rispetto agli altri metodi precedentemente illustrati, si ottengono sostituzioni più significative dei terreni in posto.

Figura 13: colonne realizzate con tri-fluido.

Figura 14 : sezione che rappresenta la sede biglia e la circolazione dei fluidi all’interno delle aste.

Figura 12: cantiere per bi-fluido.

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Il tri-fluido è la più versatile delle metodologie Jet Grouting:

• si applica a tutte le tipologie di terreni, inclusi i terreni cementati e le argille plasti-che;

• il sistema ottiene risultati eccellenti anche a grandi profondità (alcune applicazioni oltre i 100 metri) ;

• offre un’ottima omogeneità del trattamento;

• è applicabile nelle vicinanze di edifici e strutture sensibili, perché è poco suscet-tibile a fenomeni di sollevamento; ciò è dovuto alla continua diluizione dei reflui d’iniezione per mezzo dell’acqua di disgregazione, facilitando la libera evacuazio-ne dei reflui verso la superficie;

• permette di ottenere colonne di diametro importante (oltre 4 metri) , anche in terreni coesivi;

• a parità di tipologia di terreno,il tri-fluido è più economico in cemento rispetto al mono-fluido ed al doppio-fluido; ciò è dovuto al controllo separato che si può esercitare sulla fase di digregazione dei terreni e sulla fase di mescolamento con miscela cementizia.

In figura 15 si vede uno schema che rappresenta un cantiere tipo con tutte le attrezza-ture necessari per effettuare il tri-fluido.

Le differenze rispetto ad un cantiere per mono o bi-fluido sono poche ma sostanziali:

• innanzitutto le pompe devono provvedere all’approvvigionamento di miscela ce-mentizia (anche per mono e bi-fluido) e contemporaneamente alla fornitura di ac-qua necessaria per la disgregazione del terreno;

• le aste di iniezione e la perforatrice sono realizzate appositamente per l’esecuzio-ne del tri-fluido (tripla parete per le aste, testa di perforazione per la macchina)

• i sistemi di registrazione dei dati di perforazione e di iniezione sono più complessi perché devono analizzare più parametri.

Figura 15 : cantiere per tri-fluido

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4.4. Una metodologia particolare: il Clou-jet

Introduzione.La tecnica di consolidamento del terreno mediante infissione di ancoraggi passivi (“chio-datura dei suoli”), applicata per stabilizzare temporaneamente e permanentemente pendii naturali e scarpate artificiali, richiama un principio fondamentale nel campo del-la tecnica delle costruzioni: mobilizzare le caratteristiche meccaniche intrinseche del terreno, quali la coesione e l’angolo di attrito interno, così che il terreno collabori attiva-mente all’opera di stabilizzazione.

Sviluppata tra gli anni ‘50 e ‘60 per essere applicata in rocce dure e compatte, la tecnica della chiodatura dei suoli trova attualmente, grazie a un supporto teorico sempre più consistente e a innovazioni tecnologiche sempre più perfezionate, possibilità di esecu-zione in un’ampia gamma di terreni che varia da quelli granulari, come suoli alluvionali, a quelli coerenti, come argille e marne. Per questo motivo si sta notevolmente amplian-do, soprattutto a livello europeo, il campo degli interventi in cui la tecnica è applicata con successo: contenimento di scarpate di trincee a cielo aperto e di rilevati stradali, sta-bilizzazione di dighe in terra e di argini di fiumi, consolidamento di fondazioni di edifici contigui e di piedritti di gallerie.

Si illustreranno le modalità esecutive, i vantaggi e le applicazioni di una particolare tec-nica di consolidamento tramite realizzazione di ancoraggi passivi detta Clou-Jet.

Tecnologia Clou-Jet:

Attrezzature e modalità esecutive.La tecnologia Clou-Jet, sviluppata e commercializzata dall’Ing. C.Louis di Parigi e dalla Impresa Pacchiosi Drill S.P.A. di Parma, Italia, prevede speciali tipi di chiodi muniti di di-spositivi di iniezione ad alta velocità (Jet Grouting), in grado di realizzare bulbi di malta cementizia di grande diametro. In questo modo, viene assicurata la saldatura delle ar-mature al terreno, nonché il miglioramento delle caratteristiche geotecniche del suolo. L’iniezione ad alta pressione durante la fase di infissione favorisce inoltre la penetrazio-ne del chiodo stesso mediante la progressiva disgregazione del terreno. La tecnica Clou-Jet prevede che la fase di scavo e la fase d’infissione dei chiodi procedano in successione alternata, a partire dalla prima (fig. 16). Dopo l’esecuzione di una fase di scavo di altezza tale da mantenere stabile il tratto di parete appena scavata, si procede immediatamen-te con l’infissione e l’iniezione di una fila di chiodi Clou-jet: le spinte attive generatesi al momento dello sbancamento nel volume di terreno retrostante la superficie di scavo vengono così immediatamente controbilanciate. Dopo questa seconda fase, la super-ficie di scavo viene rivestita con spritz-beton armato mediante doppio strato di rete metallica.

Tale operazione consente di realizzare una pellicola di contenimento di circa 20 cen-timetri di spessore, le cui funzioni, oltre a quella di apportare al terreno una leggera pressione stabilizzatce e di proteggerlo temporaneamente dagli agenti esogeni, sono:

• solidarizzare l’azione dei chiodi, assicrando la stabilità locale fra due file di chiodi;

• contenere un drenaggio superfi-ciale realizzato mediante tessuti drenanti disposti in corrispondenza dell’interfaccia parete-suolo paral-lelamente alla superficie di scavo. Il drenaggio è parte integrante del metodo Clou-Jet poiché il regime idraulico, considerato sotto forma di pressioni interstiziali applicate normalmente alle superfici di rottu-ra, influenza direttamente le carat-teristiche del sistema.

Fasi esecutive della tecnica “Clou-jet”

1. development of a first excava-tion terracing step

2. placing of a row of nails with the “Cloujet” technique

3. lining the excavation by a re-taining wall constructed in situ and reinforced with wire mesh

4. next excavation terracing step

L’acqua drenata, sia mediante tessuto che per mezzo di tubi infissi nel terreno con una determinata inclinazione, confluisce ai piedi del pendio dove viene raccolta da un appo-sito collettore parallelo alla direzione della parete. E’ evidente, da quanto sopra esposto, che l’approfondimento dello scavo avviene per singoli passi o cicli di avanzamento: ogni ciclo inizia con lo scavo di un tratto di parete e termina con la completa stabilizzazione di questo. L’originalità della tecnica sta quindi nel fatto che la parete di confinamento e i chiodi vengono messi in opera già nelle prime fasi del lavoro con una geometria -spes-sore della parete, lunghezza, inclinazione e densità dei chiodi conforme allo stadio finale dell’intervento, così da garantire in ogni momento la completa stabilità della scarpata.

L’azione combinata dello scavo progressivo e dell’infissione dei chiodi, saldati al terreno istantaneamente mediante iniezioni ad alta pressione, permette di minimizzare le per-turbazioni in modo da sfruttare il più possibile le caratteristiche meccaniche del suolo. Il graduale sviluppo delle spinte attive laterali conseguente all’aumento della tensione verticale (σv), dovuta al peso proprio del terreno, viene immediatamente bilanciato e quindi mantenuto entro predeterminati livelli di sicurezza dall’azione dei chiodi Clou-Jet che, sollecitati a trazione in funzione delle esigenze del terreno, prevengono feno-meni accentuati di decompressione e quindi di scorrimento lungo potenziali superfici di rottura. Tale sollecitazione a trazione viene trasmessa dal terreno al chiodo mediante il bulbo di malta cementizia consolidata intorno ad esso.

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Figure 16: Operating procedure for the “jet-Clou” technique:

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Vantaggi della tecnica.In un terreno sciolto, stabilizzato mediante la tecnica della chiodatura, i potenziali scor-rimenti si verificano al contatto suolo-cemento; per questa ragione, tanto minore è la resistenza al taglio di un terreno, tanto maggiore deve essere la superficie esterna del bulbo, specialmente nel caso di suoli plastici. La tecnica Clou-Jet, grazie all’iniezione di cemento ad altissima pressione, permette di interessare volumi di terreno considerevoli in modo da realizzare bulbi di malta cementizia di diametro elevato; questo implica una resistenza all’estrazione (T) molto elevata in confronto ai valori di resistenza ottenuti con tecniche di iniezione di tipo tradizionale.

Rispetto al metodo classico di chiodatura, che necessita di tempi lunghi e di un’attrez-zatura ingombrante per l’esecuzione delle diverse fasi (realizzazione dei tiranti, getto di calcestruzzo armato e riempimento dietro il muro con elevati rischi di instabilità), la tecnica Clou-Jet permette al chiodo di poter lavorare in tempi molto brevi e, quindi, di accelerare i tempi di realizzazione dell’opera, in quanto il passo di avanzamento dello scavo viene imposto dal tempo necessario per la sua stabilizzazione. L’altezza del passo di scavo, naturalmente, dipende dal tipo di terreno: tanto migliori sono le sue caratteri-stiche meccaniche, tanto più elevata è l’altezza del passo.

E’ evidente che la tecnica diventa particolarmente vantaggiosa nel caso di terreni sciolti e incoerenti nei quali, a causa della grande instabilità del suolo, la perforazione è parti-colarmente problematica.

Poiché questa tecnica richiede un’attrezzatura molto mobile di dimensioni e peso ri-dotti, essa può essere applicata in quei casi in cui altri metodi di consolidamento non possono essere adottati come, ad esempio, l’esecuzione di un taglio in una scarpata il cui margine superiore non è accessibile ad attrezzature pesanti, la stabilizzazione di pendii con andamento in pianta molto irregolare per la presenza di case o vegetazione, l’ancoraggio di sottomurazioni e di muri di sostegno sotto edifici contigui. Inoltre, le squadre di scavo, di infissione dei chiodi e di messa in opera dello spritzbeton, lavora-no indipendentemente l’una dall’altra, contribuendo ad aumentare la produttività e a ridurre i tempi di stasi.

Nel caso di opere permanenti e in luoghi dove il fattore estetico è molto importante, la tecnica Clou-Jet prevede diversi tipi di rivestimento che nascondono completamente i chiodi e consentono all’opera, grazie ad adeguate soluzioni architettoniche, di inte-grarsi con la vegetazione e le rocce dell’ambiente circostante. Svariate sono le possibili soluzioni offerte dalla tecnica per la progettazione e la costruzione delle pareti di rivesti-mento: esse si basano sostanzialmente sull’utilizzo di pannelli in calcestruzzo armato o precompresso, generalmente prefabbricati. Le forme e le dimensioni dei pannelli, i tipi di piante e di materiali naturali o artificiali con cui possono essere combinati e associati sono variabilissimi, così da riuscire ad individuare in ogni tipo di intervento la soluzione architettonica più adeguata.

Dimensionamento del progetto.L’analisi relativa agli interventi di consolidamento mediante la tecnica Clou-Jet si basa sulla verifica di tre condizioni di stabilità (fig.17):

a. la stabilità del volume totale del terreno che verrà armato, considerato come un corpo rigido a forma di parallelepipedo; vengono analizzati i rischi di scorrimento legati alle sollecitazioni laterali e i rischi di basculamento dovute al peso del volu-me stesso, secondo la teoria della spinta delle terre;

b. la stabilità interna del volume entro il quale vengono infissi i chiodi che devono prevenire lo sviluppo di superfici di scorrimento interne rappresentate da cerchi critici associati a determinati coefficienti di sicurezza; la lunghezza e la densità dei chiodi sono funzioni dei risultati di questa verifica;

c. la stabilità globale del volu-me di terreno nei confron-ti di potenziali superfici di scivolamento esterne al vo-lume armato. I dati inseriti nell’analisi di stablità interna del volume armato (fig.18), alfine di determinare le su-perfici di scorrimento inter-ne sono :

• altezza e inclinazione del-la parete;

• numero dei passi di scavo;

• caratteristiche geotecniche del terreno;

• posizione dei chiodi;

• lunghezza, inclinazione e proprietà intrinseche dei chiodi metallici.

a. stabilità del volume monolitico

b. stabilità interna del volume monolitico

c. stabilità globale del volume monolitico

La rappresentazione grafica dei risultati ottenibili col programma Tairen, basato sul me-todo di calcolo Bishop, è illustrata in fig.18: la lunghezza utile dei chiodi (lunghezza oltre la potenziale superficie di scorrimento), la resistenza a trazione e la resistenza al taglio mobilizzabili nel terreno dal chiodo, i raggi dei cerchi di scorrimento e la posizione dei

Pressionelaterale

Rotazione

a)

Potenzialisupefici discorrimento interne

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Potenzialisuperfici discorrimentoesterne

c)

Figura 17

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loro centri, i fattori di sicurezza relativi a ciascun cerchio (calcolati considerando rispetti-vamente il masso di terreno senza armatura, il masso di terreno con sovraccarico senza armatura, il terreno con sovraccarico e con armatura tipo Clou-Jet).

T = trazione mobilizzata dal chiodo (=σe x sezione del chiodo) funzione di Lu

Lu = lunghezza utile del chiodo, oltre la superficie di scorrimento

α = inclinazione del chiodo

h = altezza di una fase di scavo

Q = carico della massa di terreno

Il progetto esecutivo è realizzato sulla base dei risultati relativi alla superficie critica, corrispondente al coefficiente di sicurezza più basso.

α

Curva teoricaT = f(Lu)

Superficie critica

Stadio finale

Q

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Figura 18: Analisi di stabilità

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PROCEDURE DA ADOTTARE IN FASE DI ESECUZIONE

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5. Procedure da adottare in fase di esecuzione.Un programma di controllo della qualità, adattato agli obiettivi di progetto, è un ele-mento fondamentale per la buona realizzazione di un cantiere Jet Grouting (Cicognani & Garassino, 1989; Pacchiosi, 1998; Tornaghi, 1993).

Il programma comprenderà i seguenti punti:

• ogni progetto Jet Grouting deve prevedere la realizzazione di un campo prove all’inizio del cantiere, nel corso del quale verranno verificate le pocedure per la corretta esecuzione dei trattamenti.

• è di uso comune, nel corso del campo prove, realizzare numerose colonne, facen-do variare diversi parametri d’iniezione tra i quali, particolarmente, la velocità di risalita, per determinare l’influenza sul diametro della colonna ottenuta.

• nel limite del possibile, le colonne di prova verranno scoperte per ispezionare visi-vamente e per misurare direttamente il diametro ottenuto. Nel caso in cui non sia possibile l’escavazione delle colonne (per esempio profondità elevata), la verifica verrà eseguita con carotaggi e per alcune applicazioni si eseguiranno prove di per-meabilità ( Lugeon e/o Lefranc ) ed inoltre potrà essere effettuata un’ispezione con telecamera direttamente all’interno del foro del carotaggio.

• prove di laboratorio su campioni recuperati dalle colonne del campo prova per-metteranno di verificare le caratteristiche meccaniche (resistenza alla compressio-ne, modello di elasticità, ecc.) e le caratteristiche di permeabilità dei trattamenti in-situ, e di verificare la loro conformità con le esigenze di progetto.

• un controllo comune durante la produzione consiste nella verifica della regolarità della miscela cementizia utilizzata per l’iniezione (densità, viscosità, ecc.).

• per alcuni progetti, dove la continuità del trattamento Jet Grouting è una condi-zione necessaria alla buona realizzazione dell’opera, viene controllata sistemati-camente la verticalità dei fori. Alcune imprese hanno sviluppato inclinometri che possono essere inseriti direttamente all’interno della batteria di aste, dopo la fase di perforazione, e che permettono di verificare la deviazione ottenuta preliminar-mente alla fase d’iniezione. Altri sistemi inclinometrici si possono montare diret-tamente alla base della batteria di aste ma la lettura dei dati, ad oggi, necessita dell’estrazione dell’intera serie di aste, causando perdite di tempo e costi ingenti.

• i metodi di verifica delle lavorazioni Jet Grouting eseguiti saranno essenzialmente gli stessi che si utilizzano per il campo prove ma, generalmente, applicati a fre-quenze inferiori.

• per alcune applicazioni, sarà possibile realizzare ulteriori controlli (prove di pom-paggio, fori di controllo orizzontali e/o inclinati, ecc.).

• l’utilizzo di sistemi di registrazione continua ed in tempo reale dei principali para-metri di perforazione ed iniezione (profondità, pressioni, portate, velocità di risali-ta, ecc.) è divenuta pratica corrente per tutte le imprese qualificate che eseguono Jet Grouting. Queste apparecchiature permettono la produzione di rapporti det-tagliati, i quali illustrano l’esecuzione di ogni colonna facilitando notevolmente il

proseguimento delle lavorazioni e la verifica della buona esecuzione delle iniezio-ni, conformemente ai parametri definiti in seguito allo studio dei risultati ottenuti nel campo prove (vedi fig. 19, 20 e 21).

In figura 19 si vedono alcuni grafici inerenti ai parametri di perforazione. In blu sono rappresentati i parametri ricavabili durante la perforazione, quali, ad esempio:

• Velocità di perforazione (Drilling Rate): la velocità di discesa della batteria di aste è inversamente proporzionale alla consistenza del materiale da attraversare;

• Velocità di rotazione (Rotary Speed): dipende principalmente dal tipo di utensile utilizzato per la perforazione;

• Pressione sull’utensile (Tool Pressure): è la spinta applicata all’utensile ed è diretta-mente proporzionale alla consistenza del materiale da attraversare;

• Pressione di rotazione delle aste (Rotary Pressure): indica la forza necessaria per far ruotare la batteria di aste e l’utensile di perforazione all’interno del foro;

• Pressione fluido di perforazione (Drilling Fluid Pressure);

• Portata fluido di perforazione (Drilling Fluid Rate).

•Nel grafico la linea rossa rappresenta l’avanzamento in funzione del tempo.

•All’aumentare della pendenza della linea rossa aumenta la consistenza del mate-riale da attraversare.

Figura 19. Grafico perforazione: la linea rossa rappresenta l’avanzamento in funzione del tempo.

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In figura 20 sono mostrati i grafici inerenti ai parametri d’iniezione (metodo tri-fluido) :

• Pressione acqua alla pompa (Water Pressure);

• Portata acqua (Water Flow Rate);

•Densità della miscela cementizia (Slurry Density): è calcolata automaticamente alla stazione di pompaggio da un sistema elettronico montato direttamente sull’im-pianto di preparazione della miscela cementizia;

• Pressione della miscela cementizia alla pompa (Slurry Pressure);

• Portata miscela cementizia (Slurry Flow Rate);

• Pressione aria (Air Pressure).

In figura 21 sono mostrati i grafici di altri parametri ricavabili durante l’iniezione, quali:

• Portata aria al compressore (Air Flow Rate);

• Velocità di rotazione (Rotary Speed).

Le registrazioni dei parametri di perforazione e di iniezione sono utilizzati dalle imprese che eseguono Jet Grouting per controllare la buona esecuzione del lavoro. Nel caso in cui si riscontrino imperfezioni durante la fase di controllo delle colonne, o meglio, già durante la fase di iniezione, con il supporto di questi grafici è possibile risalire alla causa e prendere provvedimenti per evitare questi problemi.

Figura 21. Grafico iniezione (segue fig. 20).

Figura 20. Grafico iniezione: la linea in rosso indica la risalita in funzione del tempo.

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CONCLUSIONI

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ConclusioniDall’analisi della documentazione consultata si possono trarre le seguenti considerazio-ni:

• L’evoluzione delle attrezzature e delle tecniche Jet Grouting (mono-fluido, bi-flui-do, tri-fluido) offre ai progettisti la possibilità di nuove soluzioni raffinate e molto competitive in molti campi dell’ingegneria civile.

• L’utilizzo delle varie tecnologie Jet Grouting disponobili (mono-fluido, bi-fluido, tri-fluido) consente la realizzazione di consolidamenti e/o impermeabilizzazioni in tutte le tipologie di terre ed in alcuni tipi di rocce tenere.

•Grazie alla flessibilità della metodologia Jet Grouting si può privilegiare, a seconda della necessità, la resistenza e/o la permeabilità dei terreni trattati.

• Con l’utilizzo di questa tecnica si possono prevedere, con relativa precisione, le caratteristiche geometriche e geotecniche che si andranno ad ottenere nelle co-lonne di terreno consolidato realizzate.

• La versatilità del Jet Grouting ed il dimensionamento piuttosto ridotto delle attrez-zature necessarie per la sua realizzazione, consentono di operare in zone di diffici-le accesso (cantine, zone urbane,ecc.) con metodi poco invasivi anche attraverso strutture esistenti da salvaguardare e/o riprendere (es. sottofondazioni).

• I campi di applicazione sono svariati e comprendono tra l’altro:

• la realizzazione e la ripresa di fondazioni profonde

• la stabilizzazione di versanti

• il consolidamento preventivo per lo scavo di gallerie in terreni difficili

• l’impermeabilizzazione di dighe in terra e/o argini

• la realizzazione di bulbi di tiranti ad elevata capacità

• la realizzazione di tappi di fondo antisifonamento tra paratie per la costruzio-ne di metropolitane e/o lo scavo di pozzi sotto falda

• consolidamenti massivi a prevenzione di cedimenti differenziali e/o differiti

• consolidamento preventivo a protezione di scavi in adiacenza ad edifici per la realizzazione di metropolitane, parcheggi sotterranei, ecc.

• consolidamento antiscalzamento per le pile di ponti in alveo fluviale.

• protection against erosion for the piers of bridges in riverbeds.

Le ricerche, lo sviluppo e le sperimentazioni attuali consentono di prevedere che i campi di applicazione della metodologia Jet Grouting si amplieranno ulteriormente in futuro. Infatti, la realizzazione di pompe sempre più potenti (inizialmente 200-300 Cv, attual-mente 800-1000 Cv), il continuo miglioramento delle batterie di aste per iniezione, delle teste d’iniezione e degli ugelli (diminuzione di perdita di carico con incremento del ren-

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dimento) consentiranno la diminuzione dei tempi e dei costi d’esecuzione mantenendo la stessa qualità del prodotto finale.

Infine, si può concludere che il Jet Grouting, a 50 anni dalla sua prima applicazione, grazie ad una buona idea di partenza, a tutte le esperienze fatte ed ad una continua evoluzione si rivela una tecnica innovativa, flessibile e competitiva (dal punto di vista costi/benefici) utilizzata con successo in tutto il mondo.

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