AREE DI COMPETENZA

In generale, gli obiettivi del consolidamento dei terreni e delle rocce sono il miglioramento delle caratteristiche meccaniche (c’, Ø’, E), la riduzione della permeabilità (k) e/o la riduzione delle pressioni interstiziali (u), in funzione delle esigenze di progetto. Tra i principali metodi di consolidamento dei terreni annoveriamo le iniezioni per permeazione o idrofratturazione, il compaction grouting, il jet grouting, il deep soil mixing (DSM), il cutter soil mixing (CSM), il congelamento artificiale del terreno e il drenaggio. Per le rocce la scelta si limita alle iniezioni per penetrazione, al drenaggio e al congelamento artificiale del terreno.

Le iniezioni di permeazione (nei terreni) o di penetrazione (nelle rocce) hanno come obiettivo il riempimento e/o la saturazione dei vuoti con miscele di iniezione, senza variazioni significative di volume e di struttura del terreno/roccia originale. Quando il terreno è troppo fine e troppo poco permeabile per essere adatto ad una iniezione di permeazione, l’iniezione di idro-fratturazione (o claquage) può essere un metodo di consolidamento del terreno. Il terreno viene deliberatamente fratturato per via idraulica, al fine di incrementare le tensioni totali tramite l’effetto cuneo di lenti sovrapposte di miscela; queste iniezioni consentono anche il riempimento di vuoti eventualmemte presenti nel terreno.

Il congelamento artificiale è una tecnica di consolidamento temporaneo del terreno. Essa si basa sul principio per il quale, estraendo calore dal terreno fino a che la sua temperatura non scenda al di sotto del punto di congelamento dell'acqua di falda, si ottiene un “conglomerato” in cui l’inerte è rappresentato dal terreno in posto e il legante dall’acqua congelata.
In una prima fase l’obiettivo è il congelamento dell’acqua interstiziale e l’ottenimento del volume di terreno congelato di progetto (fase di congelamento); in seguito, è sufficiente mantenere il raggiunto livello di temperatura, dosando opportunamente il flusso di calore estratto (fase di mantenimento), fino a che le tempistiche del cantiere lo richiedono. Il raffreddamento del terreno si ottiene facendo circolare un fluido refrigerante attraverso opportune sonde congelatici installate nel terreno, che nel suo viaggio estrae calore dal terreno. Sono disponibili due procedimenti per il congelamento: il procedimento indiretto (o a Salamoia) e il procedimento diretto (o ad Azoto Liquido).

Il principio su cui si basa il jet grouting è, fondamentalmente, legato alla capacità di un getto di miscela ad alta velocità di disgregare e rimescolare il terreno durante la risalita controllata di una batteria di aste di perforazione. Il risultato che si ottiene è un corpo pseudo-cilindrico costituito da un conglomerato in cui l’inerte è rappresentato dal terreno in posto e il legante dal cemento contenuto nella miscela utilizzata per il trattamento. Il trattamento può essere realizzato mediante sistema mono-fluido (solo miscela cementizia come fluido disgregante/stabilizzante), bi-fluido (miscela cementizia + aria compressa) e tri-fluido (acqua + aria compressa come fluido disgregante e miscela cementizia come fluido stabilizzante).

Il compaction grouting è una tecnica di consolidamento utilizzata per l’addensamento controllato del terreno in sito, mediante l’estrusione di una malta molto viscosa all’interno di un terreno compressibile. La malta, iniettata nel terreno attraverso un rivestimento provvisorio preventivamente inserito, agisce come una sorta di martinetto idraulico radiale, creando bulbi o lenti e spiazzando e ricomprimendo il terreno circostante il punto di iniezione.

La miscelazione meccanica profonda del terreno o Deep Soil Mixing (DSM) è una tecnica di consolidamento ormai in uso da alcuni decenni. La miscelazione e stabilizzazione del terreno è eseguita con eliche ad asse verticale, singole o multiple, che disgregano meccanicamente il terreno e lo mescolano con una opportuna miscela autoindurente, omogeneizzandolo. Il trattamento DSM produce colonne o diaframmi di colonne secanti verticali nel terreno, costituiti da un conglomerato i cui inerti sono rappresentati dal terreno e il legante dal cemento immesso sotto forma di miscela autoindurente; essi possono assumere funzione impermeabilizzante e/o strutturale.

In alternativa al Deep Soil Mixing, la miscelazione meccanica profonda del terreno da circa un decennio può essere eseguita anche con utensili di miscelazione ad asse orizzontale: si tratta della tecnologia nota come Cutter Soil Mixing (CSM).
La miscelazione del terreno viene eseguita mediante un utensile equipaggiato con tamburi fresanti/mescolanti ad asse orizzontale e la stabilizzazione assicurata tramite l’introduzione di una opportuna miscela autoindurente. Il trattamento CSM produce diaframmi verticali nel terreno, costituiti da un conglomerato i cui inerti sono rappresentati dal terreno e il legante dal cemento immesso sotto forma di miscela autoindurente; essi possono assumere funzione impermeabilizzante e/o strutturale.

Il drenaggio può avere finalità sia di abbassamento del livello idrostatico della falda, sia di miglioramento delle caratteristiche meccaniche dei terreni, tramite il meccanismo della riduzione delle pressioni interstiziali e conseguente incremento delle tensioni efficaci e della resistenza al taglio. Gli elementi drenanti possono essere pozzi emungenti con pompe di sollevamento, pozzi, trincee o gallerie drenanti a gravità, dreni verticali o sub-orizzontali a gravità o attivi mediante l’applicazione di pompe a vuoto.

Il compensation e l’uplift grouting sono particolari applicazioni delle iniezioni che, in combinazione con un accurato monitoraggio in continuo ed automatico degli spostamenti, consentono di indurre sollevamenti controllati del terreno e di manufatti esistenti. Le iniezioni possono essere impiegate per compensare i cedimenti man mano che si manifestano (compensation grouting), come ad esempio nel caso dello scavo di gallerie al di sotto di edifici, o per conseguire il sollevamento controllato di strutture che hanno già subito cedimenti (uplift grouting). Le iniezioni rappresentano lo strumento per ottenere la compensazione dei cedimenti o il sollevamento della struttura, mentre il monitoraggio costituisce lo strumento per guidare le operazioni di iniezione in pressione, al fine di conseguire l’obiettivo di una compensazione uniforme dei cedimenti o del sollevamento uniforme della struttura. Esiste ormai un consistente numero di esperienze in tutto il mondo sull’applicazione della tecnologia, sia per la compensazione di cedimenti man mano che si manifestano, sia per il sollevamento di strutture sulle quali i cedimenti sono già avvenuti.

Il directional drilling è una tecnologia nata e sviluppata per l’installazione in sotterraneo di condotte, in alternativa al metodo classico di posa con scavo a cielo aperto, in particolare quando si tratta di sottoattraversare corsi d’acqua, canali marittimi, vie di comunicazione o centri abitati. In tempi più recenti l’applicazione di questa tecnologia si è estesa ad altri settori dell’ingegneria civile e più specificamente anche a lavori in sotterraneo quali il consolidamento e il miglioramento delle caratteristiche dei terreni e delle rocce. La tecnologia si basa sul principio che la posizione dell’utensile di perforazione e la traiettoria da esso percorsa possono essere misurate e note in tempo reale e la direzione può essere corretta mediante speciali utensili e punte di perforazione. In tal modo è possibile sia correggere eventuali deviazioni dall’asse teorico di progetto, sia provocare intenzionalmente deviazioni dall’asse rettilineo per ottenere perforazioni ad andamento curvilineo, seguendo un’opportuna traiettoria di progetto. Esistono ormai esperienze consolidate circa applicazioni della tecnologia per interventi di congelamento artificiale del terreno, per iniezioni di consolidamento e per iniezioni di sollevamento o compensazione. Una di queste esperienze, particolarmente significativa, ha visto installare tubi à manchettes in fori eseguiti con perforazioni guidate lunghe fino a 260 m, successivamente iniettati mediante miscele cementizie e chimiche, con procedimento ripetuto e selettivo (Linea 2 della metropolitana di Varsavia, Icotekne S.p.A.).

I diaframmi possono avere funzione strutturale o di tenuta idraulica o ambedue le funzioni contemporaneamente. I diaframmi strutturali sono in calcestruzzo armato e sono realizzati scavando una trincea nel terreno in presenza di fluido stabilizzante, all’interno della quale viene inserita una gabbia di armatura in acciaio e gettato il calcestruzzo con metodo subacqueo. Di norma, se i diaframmi hanno funzione di contenimento, alla funzione strutturale è associata anche la funzione di tenuta idraulica. I diaframmi con sola funzione di tenuta idraulica possono essere scavati in presenza di una miscela autoindurente, che costituisce già il materiale di riempimento finale, o in presenza di un fluido stabilizzante che, in tal caso, viene successivamente sostituito con una malta o un calcestruzzo plastico gettati con metodo subacqueo; i diaframmi con sola funzione di tenuta idraulica sono generalmente non armati.

I pali sono elementi colonnari in calcestruzzo armato, aventi convenzionalmente diametro minimo 300 mm se trivellati e 150 mm se infissi. Sono largamente utilizzati nel campo dell’ingegneria civile per realizzare opere strutturali o a tenuta idraulica, a carattere temporaneo o permanente. Le funzioni principali che i pali posso assumere sono: fondazione di strutture, contenimento per consentire scavi di sbancamento, barriere a tenuta idraulica, miglioramento della stabilità dei pendii e delle scarpate. I pali possono essere realizzati con tecniche diverse: (i) lo scavo in presenza di fluido stabilizzante all’interno della quale viene inserita una gabbia di armatura in acciaio e gettato il calcestruzzo con metodo subacqueo; (ii) lo scavo con elica continua (pali CFA o continuous flight auger) o con utensile compattatore (displacement piles), gettati con calcestruzzo simultaneamente alla risalita dell’asta di perforazione e armati con gabbia in acciaio inserita alla fine del getto nel calcestruzzo fresco.

I micropali sono pali di piccolo diametro che: (i) contengono un elemento strutturale per trasferire carichi in profondità e/o limitare le deformazioni; (ii) possono essere realizzati mediante attrezzature di ridotte dimensioni. Si considerano convenzionalmente micropali i pali aventi un diametro inferiore a 300 mm se trivellati e 150 mm se infissi. L’armatura dei micropali può essere costituita da tubo o profilato in acciaio o da gabbia di barre in acciaio da c.a.; il materiale di riempimento può essere costituito da miscela cementizia o malta cementizia o betoncino. Le funzioni principali che i micropali posso assumere sono: sottofondazione di strutture esistenti, fondazione di nuove strutture, opere di contenimento per consentire scavi di sbancamento, miglioramento della stabilità dei pendii e delle scarpate, ancoraggio di strutture.

Le berlinesi sono strutture di sostegno di tipo flessibile, realizzate mediante cortine di micropali verticali. In funzione dell’altezza di terreno che sono chiamate a sostenere, possono essere realizzate con schema statico a sbalzo oppure ancorato/multiancorato. Le berlinesi possono essere costruite secondo due differenti tipologie: (i) spaziatura dei micropali relativamente ridotta (da 0.3 m a 1.0 m) e armatura costituita da tubo o profilato ad H; (ii) spaziatura dei micropali relativamente ampia (da 1.5 m a 3.0 m), armatura con profilati ad H e integrazione per la parte emergente mediante lastre prefabbricate o tavole in legno inserite tra le ali dei profilati

I tiranti di ancoraggio sono elementi strutturali capaci di trasmettere forze di trazione a strati portanti di terreno o roccia in profondità. L’elemento di armatura del tirante può essere rappresentato da trefoli, barra o profilato in acciaio. Tra le principali funzioni dei tiranti vi sono: ancorare al terreno in profondità strutture di contenimento quali muri di sostegno, diaframmi, berlinesi; trasferire in profondità forze di trazione agenti in fondazione; contrastare la sottospinta idraulica agente al di sotto di strutture realizzate sotto falda; assicurare la stabilità di opere poste su pendii instabili; migliorare la stabilità di pendii e scarpate; precomprimere ammassi rocciosi o strutture in calcestruzzo massicce.

Oggigiorno le TBM sono diventate il più usato e sicuro strumento per lo scavo delle gallerie, in particolare quando la loro lunghezza ne giustifica l’installazione e l’impiego. Tuttavia, il ricorso allo scavo con metodi convenzionali è sempre utilizzato e spesso richiede un preventivo consolidamento dei terreni al contorno, con lo scopo di migliorarne le caratteristiche meccaniche (nei terreni sciolti e rocce degradate) e di ridurne la permeabilità (nei terreni non coesivi e rocce fessurate). Le principali tecniche di consolidamento adottate per consentire lo scavo in sicurezza delle gallerie con metodi convenzionali vanno dalle iniezioni al jet grouting, agli infilaggi in acciaio, alla chiodatura del fronte con elementi in vetroresina, al drenaggio in avanzamento.

Le dighe sono le opere che richiedono l’applicazione del più ampio panorama di lavorazioni geotecniche speciali; esse vanno, a puro titolo di esempio, da un’intensiva campagna di indagini geognostiche, al miglioramento delle caratteristiche meccaniche dei terreni di fondazione, alla realizzazione di schermi sotterranei a tenuta idraulica, alla realizzazione di tiranti ancoraggio per la stabilizzazione delle spalle o per la fondazione dei blondin, alla installazione di strumentazione geotecnica, alla realizzazione e relativa compattazione di rilevati, ecc.. Oggigiorno, assume particolare rilevanza l’adeguamento delle dighe esistenti e la loro messa in sicurezza. Le dighe con operatività compromessa a causa di fenomeni occorsi dopo la costruzione, come ad esempio cedimento e deformazione o filtrazione ed erosione, richiedono, unitamente alla riparazione dei dissesti, interventi mirati alla eliminazione delle cause degli stessi. I fenomeni idraulici vengono di norma contrastati con interventi di riduzione della permeabilità dei terreni e delle rocce sottostanti la fondazione e, talvolta, anche del corpo diga. Problemi di dissesto strutturale di corpi diga in calcestruzzo possono essere efficacemente affrontati sigillando le fessure mediante iniezioni e/o applicando uno stato di coazione alla struttura mediante tiranti attivi, anche estesi alla roccia sottostante la fondazione. Eventuali fenomeni di cedimento e deformazione possono essere contrastati utilizzando metodi di miglioramento delle caratteristiche meccaniche dei terreni e delle rocce di fondazione.

La progettazione e l’esecuzione degli interventi di stabilizzazione di movimenti franosi rappresentano problematiche tra le più complicate che l’ingegnere geotecnico si possa trovare ad affrontare. Le principali filosofie di intervento per il consolidamento dei pendii si possono ricondurre ai seguenti quattro approcci fondamentali: (i) strutturale; (ii) drenante; (iii) riprofilatura superficiale con spostamenti di masse; (iv) miglioramento delle caratteristiche meccaniche dei terreni. Essi possono essere utilizzati separatamente o anche in modo tra loro combinato. Le principali tecnologie specialistiche impiegate per la stabilizzazione di movimenti franosi sono: pozzi, trincee e gallerie drenanti, microdreni, pali, diaframmi, micropali, berlinesi, tiranti di ancoraggio.

Il VSM è una tecnologia innovativa. Si tratta di un metodo meccanizzato, ideato e messo a punto in tempi recenti, per lo scavo e il simultaneo rivestimento di pozzi circolari con diametro interno finito da 4.50 a 10.00 m.
La prima applicazione in assoluto risale al 2004, in Kuwait. Attualmente esistono nel mondo 10 attrezzature di questo tipo, che hanno operato in 11 paesi differenti, realizzando, ad oggi, più di 60 pozzi e raggiungendo profondità fino a 90 m.
Il sistema VSM, oltre a permettere una più rapida e sicura realizzazione dei pozzi rispetto alle tecniche convenzionali, consente l’esecuzione dello scavo senza la necessità di impiegare personale all’interno del pozzo e senza deprimere il livello dell’acqua; ciò comporta un considerevole incremento della sicurezza per il personale operante e una significativa riduzione degli effetti indotti sull’ambiente circostante, in particolare quando si opera in ambiente urbano.

Il raise boring è una tecnologia per lo scavo di pozzi verticali o sub-verticali, in roccia o comunque in terreni autostabili, nata agli inizi degli anni ’60 nell’industria mineraria; a quel tempo essa rappresentò una vera innovazione nel campo della perforazioni o scavo di pozzi. Successivamente, il raise boring ha preso piede anche nelle applicazioni dell’Ingegneria Civile, per la realizzazione di pozzi e, recentemente, anche di cunicoli, applicazione quest’ultima che rappresenta una ulteriore innovazione.
La tecnologia raise boring consente la realizzazione di perforazioni circolari, aventi diametro compreso fra 0.6 m e 6.0 m, lunghezze fino anche a 1000 m. La perforazione raise boring viene sempre realizzata per mettere in comunicazione la superficie con un ambiente sotterraneo (caverna o galleria) oppure due ambienti sotterranei.