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Il miglioramento dei terreni nei rilevati stradali e ferroviari

Sidercem Srl - Istituto di ricerca e sperimentazione - propone due casi di studio sulla formulazione delle miscele da impiegare nella costruzione di un rilevato stradale con caratteristiche autostradali e di un rilevato ferroviario in un collegamento ad alta capacità: indagini di laboratorio per la prequalifica dei materiali, miscele sperimentali terra-calce, realizzazione di campi prova e controlli in corso d'opera

Negli ultimi anni la progettazione di grandi opere che richiedono l’impiego di risorse naturali non rinnovabili e materiali con elevate capacità prestazionali, è stata caratterizzata non solo dalla maggiore sensibilità ambientale ma anche dalla coerente e progressiva difficoltà, da parte degli Enti competenti, al rilascio di concessioni per la coltivazione di nuove cave di inerti ghiaioso-sabbiosi.

Immagini

  • Il quadro riassuntivo prove chimiche e mineralogiche e confronto con il CSA
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    Il quadro riassuntivo prove chimiche e mineralogiche e confronto con il CSA
  • La determinazione del consumo iniziale di calce ASTM C-977
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    La determinazione del consumo iniziale di calce ASTM C-977
  • Le curve di costipamento AASHTO standard sul terreno tal quale e su quello trattato con differenti percentuali di calce: gli effetti del trattamento con la calce si traducono in un aumento del contenuto ottimale d’acqua e in una diminuzione del peso di volume secco del terreno all’ottimo di costipamento
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    Le curve di costipamento AASHTO standard sul terreno tal quale e su quello trattato con differenti percentuali di calce: gli effetti del trattamento con la calce si traducono in un aumento del contenuto ottimale d’acqua e in una diminuzione del peso di volume secco del terreno all’ottimo di costipamento
  • Le curve relative all’indice di portanza immediato del terreno tal quale e di quello trattato con differenti percentuali di calce: gli effetti del trattamento con la calce si traducono in un aumento della portanza
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    Le curve relative all’indice di portanza immediato del terreno tal quale e di quello trattato con differenti percentuali di calce: gli effetti del trattamento con la calce si traducono in un aumento della portanza
  • Il quadro riepilogativo prove geotecniche su miscele a diverse percentuali di calce su provini costipati con energia AASHTO standard
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    Il quadro riepilogativo prove geotecniche su miscele a diverse percentuali di calce su provini costipati con energia AASHTO standard
  • Il quadro riepilogativo prove geotecniche su miscele a diverse percentuali di calce su provini costipati con energia AASHTO modificato
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    Il quadro riepilogativo prove geotecniche su miscele a diverse percentuali di calce su provini costipati con energia AASHTO modificato
  • La fase di esecuzione della prova CBR in situ
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    La fase di esecuzione della prova CBR in situ
  • Il quadro riassuntivo prove geotecniche in situ per uno dei punti del campo prova al 2,0% di calce in funzione del tempo
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    Il quadro riassuntivo prove geotecniche in situ per uno dei punti del campo prova al 2,0% di calce in funzione del tempo
  • Il quadro riassuntivo prove geotecniche in situ per uno dei punti del campo prova al 2,5% di calce in funzione del tempo
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    Il quadro riassuntivo prove geotecniche in situ per uno dei punti del campo prova al 2,5% di calce in funzione del tempo
  • Le curve AASHTO Standard al 2,0%, al 2,8% e al 3,5% di calce
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    Le curve AASHTO Standard al 2,0%, al 2,8% e al 3,5% di calce
  • L’andamento IPI al 2,0%, 2,8% e 3,5% di calce
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    L’andamento IPI al 2,0%, 2,8% e 3,5% di calce
  • L’andamento CBR4i, al 2,8% e al 3,5% di calce
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    L’andamento CBR4i, al 2,8% e al 3,5% di calce
  • L’andamento CBR7+4i, al 2,8% di calce all’optimum ±2% di H2O
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    L’andamento CBR7+4i, al 2,8% di calce all’optimum ±2% di H2O
  • I valori di rigonfiamento accelerato Gv dopo tre giorni di maturazione in camera climatica e sette giorni di imbibizione in vasca termostatica a 40 °C (UNI EN 13286-49)
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    I valori di rigonfiamento accelerato Gv dopo tre giorni di maturazione in camera climatica e sette giorni di imbibizione in vasca termostatica a 40 °C (UNI EN 13286-49)
  • I provini per la determinazione del rigonfiamento volumetrico Gv (UNI EN 13286-49) prima dell’immersione in vasca termostatica
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    I provini per la determinazione del rigonfiamento volumetrico Gv (UNI EN 13286-49) prima dell’immersione in vasca termostatica
  • Il controllo dello spandimento della calce
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    Il controllo dello spandimento della calce
  • L’esecuzione della prova di densità in situ mediante volumometro con imbuto
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    L’esecuzione della prova di densità in situ mediante volumometro con imbuto
  • L’esecuzione di prova di carico su piastra per la misura del Modulo Md
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    L’esecuzione di prova di carico su piastra per la misura del Modulo Md
  • Riferimenti impiegati per la messa a punto del costipamento ricavati dallo studio di laboratorio
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    Riferimenti impiegati per la messa a punto del costipamento ricavati dallo studio di laboratorio
  • I criteri di accettazione impiegati per l’idoneità delle terre alla stabilizzazione a calce per la formazione dei rilevati stradali
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    I criteri di accettazione impiegati per l’idoneità delle terre alla stabilizzazione a calce per la formazione dei rilevati stradali
  • I criteri di accettazione negli studi di idoneità delle miscele impiegate nell’ambito dei lavori di stabilizzazione a calce per la formazione dei rilevati stradali della S.S. 640
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    I criteri di accettazione negli studi di idoneità delle miscele impiegate nell’ambito dei lavori di stabilizzazione a calce per la formazione dei rilevati stradali della S.S. 640
  • I criteri di accettazione impiegati durante l’esecuzione delle prove in situ nell’ambito dei lavori di stabilizzazione a calce per la formazione dei rilevati stradali della S.S. 640
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    I criteri di accettazione impiegati durante l’esecuzione delle prove in situ nell’ambito dei lavori di stabilizzazione a calce per la formazione dei rilevati stradali della S.S. 640

Nei casi di studio proposti viene affrontato il problema, sempre più frequente, della presenza di terreni di imposta con scadenti qualità meccaniche e pertanto inadatti a garantire i requisiti di progetto.

La soluzione tradizionale a questo problema sarebbe la bonifica, ovvero la sostituzione di un determinato spessore del terreno naturale in sito con un materiale selezionato di cava, di opportune caratteristiche fisiche e meccaniche.

La soluzione al momento più diffusa che consente di migliorare le proprietà fisico-chimiche e meccaniche di un terreno argilloso giustificando il reimpiego del terreno originario è rappresentata dalla tecnica della stabilizzazione con calce.

In questo contesto il ruolo del Laboratorio diviene di primaria importanza. Infatti nelle attività sperimentali preliminari, finalizzate alla scelta della miscela terra-acqua-calce ottima, il Laboratorio è il principale interlocutore del Progettista, interpreta le richieste di prestazione ed elabora il relativo programma di prove. Successivamente, per conto dell’Impresa Esecutrice e/o del Direttore dei Lavori, interviene per controllare la correttezza delle modalità della posa in opera e per verificare la conformità ai requisiti di progetto del prodotto finale.

L’intervento di stabilizzazione a calce su un tratto della S.S. 640 “di Porto Empedocle”

Le indagini sperimentali hanno avuto come obiettivo principale lo studio di una miscela ottimale terra-acqua-calce da adottare per migliorare le caratteristiche di portanza dei terreni interessati dai “Lavori di ammodernamento e adeguamento alla cat. B del D.M. 05/11/2001 dal km 44+000 allo svincolo con l’A19 della S.S. 640 “di Porto Empedocle””.

Su incarico del Contraente Generale Empedocle 2 Scpa, la Sidercem Srl ha provveduto ad effettuare lo studio di formulazione delle miscele da impiegare nella realizzazione del piano di posa del rilevato e del corpo del rilevato con la tecnica della stabilizzazione a calce.

L’indagine suddetta si è articolata nelle seguenti fasi:

  • prequalifica dei materiali;
  • studio delle miscele sperimentali terra-calce;
  • realizzazione di campi prova sperimentali;
  • controlli in corso d’opera.
Lo studio di formulazione delle miscele terra-calce

Terminata la caratterizzazione preliminare è stato richiesto lo studio di formulazione delle miscele terra-calce per i campioni della galleria Favarella.

È stata realizzata una miscela al 50% di due campioni e su questa è stato eseguito lo studio ai seguenti dosaggi in calce: 2,0%, 2,8% e 3,5%. Sulle miscele oggetto di studio pertanto sono state eseguite:

  • prove di costipamento AASHTO standard (UNI EN 13286-2);
  • prove di portanza immediata IPI (UNI EN 13286-47);
  • prove di portanza CBR4i su campioni compattati secondo AASHTO standard, dopo quattro giorni di immersione in acqua dei provini (UNI EN 13286-47);
  • prove di portanza CBR7+4i su campioni compattati secondo AASHTO Modificata che dopo sette giorni di maturazione in condizioni protette di evapotraspirazione subiscono un periodo di immersione in acqua di 96 ore (UNI EN 13286-47);
  • prove di rigonfiamento accelerato (UNI EN 13286-49).
I campi prova sperimentali

Allo studio delle miscele è seguita la realizzazione di un campo prova per la validazione, a scala reale, dei dati sperimentali ottenuti in laboratorio. I controlli del trattamento a calce del terreno, su indicazione della Committente, hanno interessato le seguenti fasi:

  • preparazione del terreno;
  • spandimento della calce;
  • miscelazione;
  • verifica delle proprietà meccaniche delle miscele;
  • costipamento.

Le strisce laterali del rilevato sono state utilizzate per i controlli di:

  • dosaggio di calce;
  • IPI effettuate in laboratorio sulle miscele prodotte in cantiere;
  • omogeneità delle miscele (confronto tra i pH della parte superiore d inferiore di un singolo strato);
  • finezza di miscelazione (granulometria apparente dei grumi).

Le strisce centrali, invece, sono state utilizzate per i seguenti controlli:

  • dosaggio di calce (in misura limitata rispetto alle strisciate laterali);
  • addensamento (misure con volumometri di grande diametro che andavano a interessare l’intero spessore dello strato);
  • portanza in situ, mediante prove di carico su piastra.
Lo spandimento della calce

Il dosaggio della calce in corso d’opera è stato eseguito subito dopo il passaggio della spanditrice, prima della miscelazione, valutando la quantità in peso di legante raccolta all’interno di contenitori di alluminio, di superficie e peso noti, poste sull’area da trattare.

La miscelazione

Il terreno sul quale è stato steso il legante è stato successivamente fresato, polverizzato e quindi miscelato con il legante stesso. La finezza della miscelazione e la dimensione massima delle zolle è stata valutata mediante stacciatura a secco.

La verifica delle proprietà meccaniche delle miscele

Sulle miscele di cantiere, impiegate nei rilevati sperimentali, è stata anche eseguita la verifica delle prestazioni meccaniche mediante misura dell’Indice di Portanza Immediato IPI, in accordo alla Norma UNI EN 13286/47.

Il costipamento

L’attività di messa a punto del processo di compattazione ha riguardato:

  • il controllo dell’umidità delle miscele al momento del costipamento;
  • il controllo dell’addensamento utilizzando un volumometro con imbuto da 30 cm di diametro per la misura della densità in situ;
  • la verifica della portanza, entro poche ore dal costipamento, mediante prove di carico con piastra statica per la misura dei moduli di deformazione.
I controlli in corso d’opera

L’esito della campagna sperimentale, di laboratorio e nei campi prova, ha consentito alla Committente di elaborare le Norme Tecniche Integrative per l’esecuzione dei lavori in terra-calce, in seguito approvate dall’ANAS come “Variante al Piano di Gestione delle Terre e Rocce da Scavo” nell’ambito dei lavori di ammodernamento ed adeguamento della S.S. 640 “di Porto Empedocle”.

Secondo le Norme Tecniche Integrative i controlli in corso d’opera sulle miscele prodotte in cantiere prevedono da parte del laboratorio le seguenti prove in situ:

  • verifica dell’umidità della miscela;
  • controllo dello spandimento del legante;
  • controllo della polverizzazione del terreno;
  • controllo dell’Indice di Portanza Immediato;
  • controllo del Modulo di Deformazione MD;
  • controllo della densità in situ.
Conclusioni

I casi di studio proposti presentavano il problema della presenza, lungo il tracciato, di terreni di imposta limoso-argillosi, con scadenti caratteristiche meccaniche, non conformi ai requisiti di progetto, per le rispettive opere, e pertanto non idonei all’impiego nelle condizioni naturali. La Committente, scartata la soluzione tradizionale della rimozione con bonifica, per problemi ambientali e di maggiori costi, ha affrontato sperimentalmente quella del trattamento, per stabilizzazione con calce, dei terreni naturali.

L’approccio sperimentale ha consentito in prima istanza di valutare la fattibilità del trattamento a calce e successivamente di operare, quantificando i parametri di controllo, la migliore scelta in termini di dosaggio di legante (calce).

Nel caso relativo al rilevato stradale esaminato la sperimentazione – in laboratorio e in situ – ha consentito di elaborare delle specifiche tecniche operative, inerenti sia i mezzi d’opera e le attrezzature che i requisiti limite per il controllo delle modalità di esecuzione e posa in opera e delle caratteristiche prestazionali di progetto.