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Il trattamento del terreno mediante iniezioni

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Il trattamento del terreno mediante

iniezioni Il problema del miglioramento delle caratteristiche dei terreni sciolti si è affacciato al

campo dell’ingegneria alcuni decenni fa, in concomitanza con la realizzazione di grandi

opere di tipo idraulico; lo sfruttamento a scopo idroelettrico di grandi bacini ha dato

l’avvio ad una tecnica nuova, quella delle iniezioni, che si è poi evoluta nel tempo

estendendosi ai più svariati campi d’applicazione, spesso rendendo fattibili opere

altrimenti non realizzabili, e, comunque, facilitandone l’esecuzione e riducendone i

costi.

La metodologia di trattamento del terreno mediante iniezioni nasce, quindi, dalla

pratica e non dalla teoria, perché si basa sul fatto che le caratteristiche d’impermeabilità

e resistenza meccanica di terreni porosi, possono essere migliorate significativamente,

con l’impiego d’opportune miscele in grado di modificare lo stato naturale del terreno.


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Pertanto, con il termine iniezione, s’intende una tecnica adatta a modificare le

caratteristiche meccaniche (resistenza e deformabilità) ed idrauliche (permeabilità) di

corpi solidi porosi, fessurati o con grandi cavità, con l’immissione d’adeguate

“miscele” a mezzo di fori di piccolo diametro. Invece, il termine miscela indica un

fluido (sospensione, soluzione, emulsione) con proprietà reologiche inizialmente idonee

alla penetrabilità, e che raggiungono in seguito le caratteristiche adeguate al

trattamento.

La tecnica dell’iniezione fu applicata per la prima volta dal francese Berigny nel

1802 per il risanamento di murature subacquee, mediante malte di cemento e pozzolana.

Berigny inventò un dispositivo costituito da una pompa a percussione installata

direttamente nei fori d’iniezione, che si diffuse rapidamente in Francia e fu introdotto in

Inghilterra nel 1856 da Kinipple che, più tardi nel 1884, mise a punto un metodo per il

getto di fondazioni subacquee basato sull’iniezione d’ammassi di pietrame posti in

opera entro cassoni di legno.

Nella seconda metà del 1800, i campi d’applicazione s’estesero ai trattamenti

ausiliari per lo scavo di pozzi e gallerie minerarie e per l’impermeabilizzazione delle

fondazioni di dighe. I perfezionamenti tecnologici consentirono il raggiungimento di

pressioni d’iniezione via via più elevate, ma l’impiego di sospensioni instabili di

cemento, permetteva solo il trattamento di rocce fessurate, non potendo aver successo

nel caso dei terreni incoerenti, salvo casi particolari di ghiaie a struttura aperta.

Il problema di trattare terreni a granulometria più fine venne affrontato per la prima

volta da Jeziorsky nel 1887 con l’iniezione separata, in uno stesso foro o in due fori

vicini, di silicato di sodio e cloruro di calcio. Questo metodo, che venne

successivamente perfezionato e brevettato da Joosten nel 1925, si basa su di una

reazione istantanea dei due componenti che porta ad un consolidamento generalmente

irregolare e costoso.

Proprio le ragioni economiche incentivarono la ricerca di soluzioni uniche che

potessero gelificare dopo un tempo sufficiente a consentire una sufficiente diffusione

nel terreno. Si formularono soluzioni a base di silicato di sodio con reagenti inorganici

(acidi o sali polivalenti), ma per ritardare la reazione d’indurimento si era obbligati ad

abbondanti diluizioni: al vantaggio della bassa viscosità iniziale, e quindi della buona

diffusione nel terreno, faceva riscontro, come risultato finale, un gel di scarsa

consistenza adatto all’impermeabilizzazione, ma non al consolidamento.


3

Soltanto verso il 1957, in Francia (laboratori Soletanche e Nobel-Bozel) e negli Stati

Uniti (Diamond Alkali), il problema è stato risolto, ottenendo un gel ad effetto

consolidante che fosse anche economicamente vantaggioso. Si tratta di miscele più o

meno diluite, sempre a base di silicato di sodio, ma con reagente organico (acetato

d’etile, glioxal, formaldeide) che consente di ritardare la presa e regolarne i tempi

mediante il dosaggio degli additivi.

Un’ulteriore evoluzione s’è avuta negli anni ’70 con l’estensione della tecnica

dell’iniezione nei terreni più fini, grazie all’impiego delle soluzioni a base di resine

organiche con una viscosità iniziale simile a quella dell’acqua, che rimane costante fino

alla presa.

Alla fine degli anni ’70, risale anche la messa a punto delle “emulsioni gassose” da

parte di Camberfort, Caron e Druez. Si tratta di miscele a base di cemento con un tasso

di rigonfiamento regolabile fino a tre volte rispetto al volume iniziale, mediante

procedimenti di tipo fisico-chimico. Con le più costose emulsioni organiche, a base di

poliuretani polimerizzabili in presenza d’acqua, il rigonfiamento può essere anche di 50

volte, ma è necessaria la successiva iniezione di una miscela più resistente.

Fino ad alcuni anni fa, quindi, il campo applicativo delle iniezioni era limitato a

terreni molto permeabili (ghiaie e sabbie); oggi, invece, la messa a punto di nuove

tecniche d’iniezione e di nuove miscele, consente anche il trattamento di terreni con

permeabilità medio-bassa (sabbie fini). Nel caso di terreni con scarsa permeabilità, si

ricorre alla tecnica delle iniezioni forzate, intersecando il terreno con un reticolo di vene

cementizie.

Al progresso delle tecniche d’iniezione è corrisposto quello delle miscele: alle

sospensioni a base di cemento si sono aggiunte quelle a base di bentonite deflocculata,

le soluzioni chimiche a base di silicato di sodio e le miscele a base di resine organiche.

L’ultimo passo della ricerca è la messa a punto d’emulsioni gassose espandenti che

possono aumentare di alcune volte il proprio volume iniziale, permettendo il

riempimento di cavità, anche in presenza di forte circolazione idrica.

“Il trattamento di un’ampia gamma di terreni incoerenti è stato l’ultimo stadio

d’evoluzione e forse il più importante nella pratica dell’ingegneria civile” (Glossop) e

richiede un alto grado di qualificazione da parte dei progettisti e degli esecutori. Il

problema che si pone generalmente nel trattare una formazione eterogenea con

alternanze di strati a granulometria e densità variabili, è quello di poter variare il tipo e


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la composizione della miscela a seconda della ricettività locale del terreno. La soluzione

tecnologica più razionale di tale problema è stata ideata da Ischy negli anni ’60 ed è

tuttora comunemente in uso. Si tratta dell’equipaggiamento dei fori d’iniezione con tubi

a valvole (“tubes à manchettes”) che consentono l’iniezione di miscele diverse in ogni

ordine, ad ogni profondità e a qualsiasi intervallo di tempo in uno stesso foro.

Grazie ai progressi tecnologici ed alle innovazioni che interessano ogni aspetto della

tecnica dell’iniezione, oggigiorno non vi è più alcun tipo di materiale apprezzabilmente

permeabile all’acqua che non possa essere iniettato e, se necessario, consolidato con un

netto miglioramento delle proprietà meccaniche. Si possono ormai soddisfare le più

svariate esigenze tecniche, ma non sempre quelle economiche, particolarmente nel

campo delle resine organiche: il costo di tali prodotti può essere, infatti, da 15 a 300

volte superiore a quello di una comune miscela a base di cemento e cresce fortemente

con l’effetto consolidante richiesto.

Dopo questo breve excursus sull’evoluzione storica della tecnica dell’iniezione, in

questo capitolo ci si propone di trattare “lo stato dell’arte” attuale nel campo

dell’iniezione dei terreni, partendo dalla trattazione esemplificativa dei campi

d’applicazione di tale metodologia nell’ambito delle opere dell’ingegneria civile.

Successivamente sono trattate le caratteristiche comuni ed il comportamento dei

fluidi impiegati nel trattamento dei terreni, in modo generale e senza riferimenti alle

specifiche miscele, aspetto che viene invece demandato al seguito della trattazione, in

cui, si affronta in modo sistematico e più dettagliato l’analisi delle diverse tipologie di

miscele d’iniezione.

In seguito, si affrontano le problematiche di carattere più prettamente pratico inerenti

gli aspetti della cantierizzazione e dell’esecuzione delle iniezioni: dalla perforazione alla

preparazione delle miscele.

Dato che, per evitare spese inutili o largamente superiori al previsto nonché

insuccessi che possano dequalificare la tecnica, occorre innanzi tutto un esauriente

studio preliminare del problema, con indagini geognostiche ed ideologiche, prove di

laboratorio ed eventuali prove d’iniezione in situ, la parte finale del capitolo tratta

quest’argomento con un taglio volutamente orientato alle implicazioni pratiche del

trattamento dei terreni con una serie di schemi orientativi.


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1 Campi d’applicazione delle tecniche d’iniezione

In generale si usa distinguere le finalità dei trattamenti mediante iniezioni in due

categorie fondamentali: impermeabilizzazioni e consolidamenti, ma, in pratica, se si

escludono alcuni casi estremi, la distinzione fra i procedimenti adottati non è sempre

netta. In effetti, anche quando lo scopo è la tenuta idraulica, può essere necessaria la

garanzia accessoria di una resistenza analoga o anche superiore di quella sufficiente ad

un consolidamento in altri casi. D’altra parte, un effetto consolidante omogeneo

presuppone e comporta, in pratica, una netta riduzione della permeabilità.

I campi d’applicazione dei procedimenti d’iniezione nell’ingegneria civile sono

molteplici, per interventi sia temporanei che definitivi e con funzioni autonome o

complementari ad altre opere.

Schematicamente si possono individuare i seguenti campi d’applicazione:

1. Fondazioni, sottofondazioni e rinforzo di fondazioni instabili. Quando le

proprietà meccaniche di un terreno non rispondono alle esigenze di progetto per

fondazioni dirette e qualora vi siano impedimenti agli interventi più consueti come i pali

o la vibroflottazione, si prende in esame il ricorso al consolidamento mediante iniezioni.

Gli scavi per la creazione di nuovi spazi sotterranei, eseguiti in adiacenza a fondazioni

esistenti, possono influenzare le fondazioni superficiali, così come l’aumento dei carichi

in fondazione dovuto a ristrutturazione o modifiche d’edifici esistenti. Sono situazioni

che richiedono il consolidamento preventivo mediante la tecnologia dell’iniezione,

apprezzata per versatilità ed efficacia.

Figura 1 Schema di consolidamento delle fondazioni


6

2. Realizzazione di scavi a cielo aperto e sbancamenti. Nell’esecuzione di scavi a

pozzo e sbancamenti, le iniezioni sono generalmente impiegate a scopo

impermeabilizzante, quando sono previsti forti abbassamenti del livello di falda, oppure

a scopo di consolidamento in alternativa oppure a complemento d’altre opere di

sostegno (diaframmi in calcestruzzo, palancolate…).

È evidente che i consolidamenti mediante iniezioni, specialmente nei centri urbani,

possono avere un campo d’applicazione molto maggiore delle paratie e dei pali

convenzionali, grazie al minore ingombro delle attrezzature di cantiere, alla maggiore

versatilità rispetto agli orizzonti geologici interessati, al minore disturbo indotto al

terreno circostante durante la perforazione.

3. Realizzazione di diaframmi impermeabili. Si tratta di uno dei campi applicativi

più classici del trattamento del terreno mediante iniezioni, ed è ancor oggi in espansione

in quanto presenta notevoli vantaggi, soprattutto nella costruzione di dighe ed opere

portuali.

4. Costruzione di gallerie. L’applicazione dei procedimenti d’iniezione è stato forse

il più valido contributo alla realizzazione delle gallerie in terreni incoerenti, dopo

l’introduzione dello scudo d’avanzamento: si tratta, infatti, del maggiore ambito

d’impiego delle iniezioni, con molteplici schemi di trattamento.

Per le gallerie metropolitane a bassa copertura, con possibilità d’occupazione delle

aree sovrastanti lo scavo, si eseguono iniezioni dalla superficie.

Figura 2 Schema di trattamento finalizzato all’esecuzione dello scavo e alla riduzione dei cedimenti degli edifici

adiacenti ad una galleria metropolitana


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Nei casi in cui sia necessario evitare il cantiere di superficie, si opera con iniezioni in

avanzamento dal fronte realizzando raggiere coniche di fori suborizzontali distribuite in

modo da ottenere un arco portante di terreno trattato con un dato spessore minimo, a

partire dall’estradosso della costruenda calotta.

Quando non è possibile operare dall’esterno, data l’eccessiva lunghezza dei fori

necessari o per ingombri di superficie, il trattamento è realizzato con iniezioni radiali da

cunicolo pilota, oppure mediante consolidamenti da gallerie laterali qualora ve ne sia la

possibilità.

Per le gallerie in ambito urbano, quindi, si realizzano trattamenti preventivi di

consolidamento e/o impermeabilizzazione che consentono lo scavo in sicurezza e la

riduzione dei cedimenti superficiali e dei cedimenti differenziali delle opere adiacenti.

Figura 3 Schema di trattamento finalizzato all’esecuzione dello scavo sotto falda di una galleria metropolitana

Quando lo scavo è realizzato sotto falda, inoltre è necessario eseguire trattamenti

preventivi misti d’impermeabilizzazione e di consolidamento con miscele non tossiche,

per evitare la contaminazione delle acque.

5. Costruzione d’opere accessorie alle dighe. Si può affermare che uno degli

incentivi maggiori allo sviluppo della tecnica delle iniezioni sia costituito dall’impiego,

a partire dagli anni ’50, connesso alla realizzazione di dighe in situazioni idrogeologiche

sempre più difficili. Nella fattispecie, le iniezioni sono utilizzate per costruire diaframmi

impermeabili permanenti al di sotto dell’opera di sbarramento vera e propria.

6. Messa in opera di tiranti. Nella realizzazione di tiranti d’ancoraggio, la

tecnologia delle iniezioni permette l’esecuzione dell’iniezione primaria ad alta pressione


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ed in più fasi successive, allo scopo di ottimizzare la qualità e la continuità del bulbo

d’ancoraggio.

Figura 4 Schema di un tirante iniettato

7. Realizzazione d’elementi strutturali per il consolidamento di fronti di scavo.

L’abbinamento dei tubi valvolati ad elementi resistenti in vetroresina, consente il

consolidamento del fronte di scavo delle gallerie in condizioni difficili (terreni argillosi

spingenti). L’iniezione evita la decompressione del nucleo d’avanzamento, permettendo

lo scavo a piena sezione con riduzione delle convergenze e preconvergenze del nucleo

d’avanzamento.

8. Realizzazione di schermi antivibrazione. L’utilizzo di miscele elasto-plastiche

consente di creare schermi in grado di smorzare effetti vibranti, anche di grande

intensità, grazie alla dissipazione dell’energia cinetica in lavoro di deformazione.

9. Sollevamento controllato di costruzioni che hanno subito forti cedimenti

differenziali. Per queste finalità si adottano criteri e metodologie d’iniezione finalizzate

allo spostamento ed alla rottura orizzontale controllata del terreno adiacente le

fondazioni.

Le applicazioni delle tecniche d’iniezione possono essere classificate in base ai

seguenti criteri generali:

• tipologia, profondità e geometria d’opera

• contesto urbano o extraurbano

• tipo di terreno

• lavori provvisionali o definitivi

• lavori preventivi o correttivi

• scopo dell’iniezione: impermeabilizzazione o consolidamento


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1.1 Trattamento del terreno prima dello scavo

A questo scopo la tecnica d’iniezione può essere impiegata per raggiungere due

specifici obiettivi differenti:

Consolidamento: miglioramento delle caratteristiche meccaniche del terreno allo

scopo di permettere l’effettuazione degli scavi con facilità ed in condizioni di sicurezza

o per consentire l’attraversamento di zone difficilmente affrontabili con i metodi

tradizionali di scavo (terreni incoerenti, spingenti…).

Impermeabilizzazione: realizzazione di diaframmi impermeabili che bloccano la

circolazione di fluidi sotterranei quali acqua, aria, idrocarburi.

Queste operazioni possono essere effettuate a partire dalla superficie, da opere

ausiliarie provvisorie o esistenti (pozzi, gallerie, trincee…), oppure direttamente “in

avanzamento” dalla galleria in costruzione.

1.2 Trattamento d’opere di nuova costruzione

Secondo le modalità operative e le finalità, si possono distinguere i seguenti tipi

d’intervento:

Iniezioni di colmataggio: sono specifiche delle opere in sotterraneo e consentono di

riempire i vuoti esistenti tra l’estradosso del rivestimento ed il terreno circostante.

Contribuiscono a ridurre il detensionamento del terreno, ad uniformare il contatto

terreno-rivestimento, a ridurre l’alterazione dei materiali posti in opera.

Iniezioni d’incollaggio o serraggio: sono generalmente effettuate a seguito delle

iniezioni di colmataggio per ottimizzare il contatto fra il terreno incassante ed

rivestimento. Sono caratterizzate dall’impiego di maggiori pressioni e miscele più fluide

rispetto alle iniezioni di colmataggio.

Iniezioni di consolidamento: vengono realizzate dopo le iniezioni d’incollaggio o

serraggio e permettono di migliorare le caratteristiche meccaniche del terreno

nell’intorno dell’opera sotterranea allo scopo di ridurre l’estensione della

plasticizzazione.


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τ

dv/dz

µ

1.3 Trattamento d’opere ammalorate o vetuste

Secondo le condizioni statiche e di degrado dei materiali in opera, si possono

impiegare le tecniche citate per le opere di nuova costruzione, con l’accortezza di

adottare pressioni d’iniezione inferiori ed adeguate allo scopo.

Un’applicazione particolare delle tecniche d’iniezione in questo contesto operativo è

la rigenerazione dei rivestimenti che si rivela particolarmente delicata nei casi di

rivestimenti in muratura alterati dalla circolazione delle acque, che ne compromette

l’impermeabilità e la resistenza meccanica. In questi casi le iniezioni intervengono

specificamente su tali aspetti.

2 Proprietà reologiche1 delle miscele d’iniezione Durante la fase d’iniezione vera e propria, consistente nel pompaggio della miscela

nel terreno, i materiali d’iniezione possono essere classificati, dal punto di vista

reologico, in due categorie:

1. Fluidi newtoniani. Sono i fluidi che seguono la legge di Newton siccome sono

caratterizzati dall’assenza della soglia di taglio (rigidità nulla) e ad ogni istante lo sforzo

di taglio è proporzionale alla velocità di flusso tramite la viscosità µ .

dzdv

⋅= µτ (1)

=τ sforzo di taglio necessario per produrre

una velocità relativa dv fra due strati piani

paralleli distanti fra loro dz [/m2];

=µ viscosità [mPa⋅s];

=dzdv

gradiente di taglio[s-1];

Figura 5 Reologia dei fluidi newtoniani

1 Da reologia (pl. -gie), sf Scienza che studia le deformazioni della materia sotto l’azione degli agenti

esterni. || Comp. del gr. Rhéos, scorrimento + -logia. || sec. XX (definizione tratta dal Grande dizionario

illustrato della lingua italiana, A. Gabrielli)


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τ0

τ

µP

dv/dz

2. Fluidi binghamiani. Per il movimento del fluido è necessario il superamento della

soglia di taglio, dopodiché lo sforzo di taglio è direttamente proporzionale al gradiente

di taglio tramite la viscosità costante. Seguono una legge di tipo:

dzdv

P ⋅+= µττ 0 (2)

=τ sforzo di taglio necessario per

produrre una velocità relativa dv fra due

strati piani paralleli distanti fra loro

dz [/m2];

=0τ soglia di taglio o rigidità (yeld

value) [/m2];

=Pµ viscosità plastica o dinamica

[mPa⋅s];

Figura 6 Reologia dei fluidi binghamiani =dzdv

gradiente di taglio [s-1];

In letteratura esistono molti sinonimi del termine “soglia di taglio”: lo stesso concetto

è designato da altre espressioni quali limite di scorrimento, limite liquido, resistenza a

taglio, soglia di resistenza, coesione.

La viscosità dinamica2 è un parametro molto caratterizzante per le miscele

d’iniezione ed è espressa in mPa⋅s o cP, secondo la relazione d’equivalenza:

1 mPa⋅s =1 Centipoise (cP) (3)

Essa dipendente dal tempo e dalla temperatura. La viscosità dell’acqua si riduce

all’aumentare della temperatura, mentre, al contrario, la viscosità di fluidi, quali le

2 In contrapposizione alla viscosità cinematica, cui è legata dalla relazione [ ] ρνη ⋅=⋅ smPa , dove

il termine v rappresenta la viscosità cinematica [m2/s] e ρ indica la massa volumica del fluido in oggetto

[kg/m3].


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Inizio della fase di presa

Tempo dopo la miscelazione [h]

Soluzione di silicato di sodio (Newton)

0.1

1

1

10

1000

Vis

cosi

tà [

mPa

s]

100

Sospensione di cemento C/A=1

Sospensione di cemento C/A=0.5

10

Acqua (Newton)

Sospensione di cemento C/A=2, bentonite 3%

Sospensione di cemento C/A=1, bentonite 2%

Termine della fase di presa

sospensioni di cemento e le soluzioni di silicato di sodio, aumenta all’aumentare della

temperatura. Condizione fondamentale di tutte le prove per la misurazione della

viscosità, è che il fluido mantenga costanti le proprie caratteristiche: ciò significa che

non si devono verificare sedimentazione o coagulazione.

Figura 7 Andamento qualitativo della viscosità in funzione del tempo, per diverse miscele d’iniezione

Tra le diverse apparecchiature per la misura della viscosità, le più importanti per

diffusione sono due.

1. Il cono Marsh è usato in cantiere e per misure speditive. Esso esprime la

viscosità apparente in un’unità arbitraria correlata al tempo di deflusso dal foro

inferiore di 1 litro di fluido su 1.5 litri immessi. Indicativamente, per un litro

d’acqua, il tempo d’uscita è fra 20 e 25 secondi. La precisione delle misure è

condizionata dall’accuratezza nella rilevazione del tempo, dalla scabrezza delle

pareti interne del cono, dalla viscosità, dalla rigidità e dal peso specifico del

fluido. Si tratta, quindi, di una misura grossolana, ma tuttavia significativa ed


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Griglia a maglia quadrata 1.59 X 1.59 [mm]

152.4 [mm]

304.

8 [m

m]

50.8

[m

m]

4.76 [mm]

utile, per la semplicità operativa, entro ristretti campi di variabilità delle

composizioni via via esaminate. Con il cono Marsh non si può valutare la soglia

di taglio dei fluidi binghamiani.

Figura 8 Cono Marsh

2. Il viscosimetro rotazionale è lo strumento che consente di eseguire le misure

più precise e rigorose, pertanto è utilizzato prevalentemente nelle prove di

laboratorio. Data la marcata linearità della relazione tra sforzo di taglio e

gradiente di deformazione, questo strumento consente di determinare

separatamente la viscosità pura e la rigidità, oppure un unico parametro di

“viscosità apparente”, in corrispondenza di una certa velocità.

Le tipologie di strumenti comunemente impiegati sono essenzialmente due:

a) Viscosimetro coassiale di tipo “Rheometer”, normalizzato dalla Baroid,

con due velocità di rotazione: 300 e 600 [giri/min]. Consente la

determinazione dei due parametri di Bingham, ma spesso, per semplicità,

si usa definire una viscosità apparente (in [cP]) pari alla metà della lettura

a 600 [giri/min].

b) Viscosimetro rotativo di tipo “Stormeter”, tarato per una sola velocità di

rotazione: 600 [giri/min]. Consente solo la determinazione della viscosità


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apparente, con letture superiori a quelle del viscosimetro coassiale, a

causa delle diversità del principio costruttivo.

Lo strumento è costituito da un cilindro immerso nel fluido di prova e posto in

rotazione a diversi valori di velocità. La misura della resistenza che il fluido

oppone al moto è correlata con la viscosità e la soglia di taglio.

Figura 9 Sezione schematica di un viscosimetro rotativo

Tra le diverse apparecchiature per la misura diretta della rigidità, le più comuni, in

ordine d’accuratezza, sono:

1. Scissometro ad alta sensibilità (1 [/cm2]).

2. “Shearometer”. Si tratta di uno strumento normalizzato dalla Baroid per i

fanghi bentonitici e costituito da un tubo leggero graduato, di cui si misura la

penetrazione per gravità in un campione di fluido. Le letture effettuate sono

tradotte in unità di resistenza a taglio, mediante apposite correlazioni.

3. Densimetro. Ve ne sono di diversi tipi, fra cui uno dei più diffusi è il “gelimetro

Rodio”, costituito da una sondina cilindrica graduata del diametro di 15 [mm] e


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Sospensione acqua + cemento (C/A = 1.8)3

Sospensione fluidificata acqua + cemento + bentonite (B = 35 kg/m3 - C = 200 kg/m3)

Sospensione acqua + cemento + bentonite (B = 35 kg/m3 - C = 200 kg/m3)

Sospensione fluidificata acqua + cemento (C/A = 1.8)

6

5

4

Soglia di taglio

1/µP µP = viscosità plastica

Gra

dien

te d

i vel

ocità

al

visc

osim

etro

coa

ssia

le [-

]

2

1

Sospensione acqua + bentonite 50 kg/m3

Sospensione acqua + bentonite 40 kg/m3

0 5 10

61 2 54

Resistenza a taglio τ [Pa]

15

3

del peso di 30 [g]. La correlazione con le misure più accurate può essere

discreta, ma solo entro una ristretta gamma di composizioni delle miscele

provate.

Figura 10 Comportamento reologico delle miscele d’iniezione


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3 Penetrabilità delle miscele e criteri d’iniettabilità Con questo termine si definisce la capacità della miscela, di raggiungere la maggior

parte dei vuoti del terreno con pressione e portata sufficienti a rispondere alle esigenze

di progetto.

In prima istanza la penetrabilità dipende dal terreno nella misura in cui l’esistenza, la

dimensione, e la geometria dei vuoti intergranulari condizionano il coefficiente di

permeabilità e quindi la possibilità di diffusione della miscela. L’iniezione, infatti,

procede con due meccanismi spesso coesistenti: l’impregnazione dei vuoti

intercomunicanti e l’idrofratturazione. Per quest’ultimo meccanismo assume rilievo il

modulo di deformabilità del terreno in situ.

D’importanza non secondaria è anche la capacità della miscela di spiazzare l’aria e

l’acqua, eventualmente presenti nei vuoti intergranulari, senza diluizione o

deterioramento: essa dipende dalla pressione e dalle proprietà reologiche del fluido

iniettato.

Per la caratterizzazione dei terreni granulari ai fini dell’iniettabilità si analizza

innanzi tutto la curva granulometrica, da cui si ricavano diversi parametri, più o meno

significativi e correlabili con la permeabilità secondo i casi:

a) la composizione riferita percentualmente a classi granulometriche

convenzionali secondo la classificazione M.I.T.:

Tabella 1 Classificazione granulometrica M.I.T.

Classe granulometrica* Diametro dei grani [mm]

Blocchi e ciottoli > 60

Ghiaia 60 ÷ 2

Sabbia 2 ÷ 0.06

Limo 0.06 ÷ 0.002

Argilla < 0.002

* ogni classe è ulteriormente suddivisa in: grosso, medio, fine.

b) il diametro efficace d10 corrispondente al 10% di frazione inferiore a d, nella

curva granulometrica;


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Diametro dei grani [mm]2.0

Sospensioni di cemento ordinario

Sospensioni di cemento fine

Sospensioni caricate

100

40

20

Pass

ante

[%

in p

eso]

0.002 0.02

60

0.06 0.2 0.6

80

Limo Sabbia

Soluzioni di silicato di sodio

Resine

Jet grouting

6.0 20 60 100

CiottoliGhiaia

c) il diametro medio d50 corrispondente al 50% di frazione inferiore a d, nella

curva granulometrica;

d) il coefficiente d’uniformità 10

60

dd

CU = , in cui d60 il diametro corrispondente al

60% di frazione granulometrica inferiore a d;

e) la superficie specifica dei grani, riferibile all’unità di volume (S0 in [cm-1])

oppure all’unità di peso (SS in [cm2/g]=[ cm2/cN]).

Figura 11 Campi d’applicazione dei diversi tipi di trattamenti, in relazione alla granulometria del terreno


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Le informazioni dedotte dalla classificazione granulometrica forniscono utili

indicazioni per la scelta del trattamento più idoneo, ma è necessario precisare che:

• la distribuzione granulometrica ed il coefficiente d’uniformità sono parametri

più significativi del solo diametro medio dei grani (d50) o del diametro efficace

(d10);

• il diametro efficace d10 qualifica la frazione più fine, e quindi più condizionante

agli effetti dell’iniettabilità, e può essere correlato direttamente alla permeabilità

solo quando il materiale si presenta molto uniforme;

• il coefficiente d’uniformità definisce l’ampiezza del campo granulometrico,

pertanto al crescere di CU l’analisi della curva granulometrica richiede maggiore

attenzione;

• a parità di diametro efficace d10, all’aumento del coefficiente d’uniformità CU fa

riscontro una diminuzione della permeabilità, nell’ipotesi che il campione

rappresenti uno strato omogeneo;

• la superficie specifica dei grani, definita come superficie totale dei grani per

unità di peso o di volume del terreno, è un parametro importante ogni qual volta

che l’iniettabilità sia soggetta a vincoli granulometrici, come nel caso delle

sospensioni. Questo parametro ha l’indubbio vantaggio di fornire

un’informazione sintetica mediante un unico valore numerico. Il computo può

essere eseguito, in prima approssimazione, sulla curva granulometrica

assumendo per i grani una forma sferica: sotto quest’ipotesi, ogni classe

granulometrica con diametro medio dm risulta caratterizzata dalla superficie

specifica:

mdcmS

6][ 1

0 =− (4)

mS d

gcmS22.2

]/[ 2 = (5)

La superficie specifica integrale è data dalla media ponderale dei valori di

superficie specifica delle diverse classi granulometriche.


19

La porosità e la densità relativa del terreno costituiscono altri due importanti

parametri al fine della valutazione dell’iniettabilità: in particolare la porosità è un indice

globale che aumenta con la finezza granulometrica, cioè con il diminuire della

dimensione media dei pori, a parità di densità relativa. Per un dato terreno, quindi, la

porosità ne qualifica il grado d’addensamento, influenzando in certa misura la

permeabilità, ed è inoltre indicativa della quantità teorica di miscela necessaria

all’impregnazione completa dei vuoti intergranulari. Nella pratica, però, il volume dei

vuoti riempiti non supera generalmente il 50% della porosità globale anche nei casi di

migliore successo ai fini del risultato: i maggiori consumi di miscela sono da attribuirsi

a fattori quali l’aumento del volume iniziale dei vuoti, dispersioni oltre i limiti teorici

del trattamento, drenaggio della miscela.

Nell’ambito dei terreni iniettabili, i valori medi di porosità, solitamente riscontrati,

sono compresi fra 0.2 e 0.3 [-] per i più grossolani e fra 0.3 e 0.4 [-] per i più fini.

La determinazione della porosità può essere effettuata secondo diverse modalità:

1. su campioni indisturbati, in base alla relazione fra il peso dell’unità di volume

della parte solida Sγ [kN/m3] ed il peso dell’unità di volume del terreno secco:

[ ]

−=−

S

dnγγ

1 (6)

con:

=dγ peso dell’unità di volume del terreno secco [kN/m3] definito come

rapporto fra il peso dei grani solidi ed il volume totale del terreno secco

(V

WS );

=Sγ peso dell’unità di volume della parte solida [kN/m3] definito come

rapporto fra il peso dei grani solidi ed il loro volume (S

S

VW

);

2. su campioni rimaneggiati, ma granulometricamente rappresentativi,

determinandone i valori di maxe e di mine con procedura normalizzata e


20

deducendo n da correlazioni empiriche fra la densità relativa rD ed i risultati di

prove penetrometriche statiche (SPT):

[ ]minmax

max

eeee

Dr −−

=− (7)

[ ]e

en

+=−

1 (8)

3. con metodi geofisici indiretti in situ, quali i “logs” elettro-resistivi e le sonde a

radioisotopi.

La cinematica dei fluidi d’iniezione nel terreno è modellizzata, con notevoli

limitazioni, dalla legge di Darcy che descrive il flusso laminare dell’acqua in un mezzo

poroso continuo:

[ ] iksmv ⋅=/ (9)

con:

=v velocità di flusso dell’acqua attraverso il mezzo poroso [m/s];

=k coefficiente di permeabilità o conducibilità idraulica [m/s];

=i gradiente idraulico [-] definito come rapporto tra la caduta di carico

piezometrico ed il tratto in cui essa si verifica (Lh∆

);

Questo modello è valido entro un dato limite di pressione e con una portata che è

condizionata dai seguenti fattori:

− carico idraulico applicato;

− geometria della sezione filtrante;

− struttura e permeabilità del mezzo;

− viscosità ed eventuale rigidità del fluido.


21

Le principali limitazioni, cui si è accennato in precedenza, fanno capo alle seguenti

ipotesi restrittive:

1. mezzo poroso omogeneo ed isotropo;

2. moto di filtrazione laminare e stazionario;

3. flusso radiale sferico;

4. la velocità che compare nell’equazione è una media apparente,

poiché la velocità di flusso è riferita alla sezione filtrante

complessiva e non a quella dei vuoti, pertanto è minore della

velocità effettiva attraverso i pori (definita dalla legge nv

v p = );

5. la legge ingloba implicitamente effetti di viscosità ed attrito

interno del fluido, assumendo la valenza di una

rappresentazione statisticamente equivalente della legge di

Navier-Stokes;

6. numero di Reynolds3 minore di 1 [-];

7. gradiente idraulico compreso fra 0.1 e 50 [-];

A riguardo della terza ipotesi, si può notare che le espressioni del flusso radiale da

sorgente sferica possono essere applicate al caso più comune di sezione cilindrica

introducendo il concetto di raggio equivalente.

Mentre l’ipotesi di moto laminare è valida per un trattamento corretto

d’impregnazione, la stazionarietà del moto presuppone che le condizioni di regime siano

raggiunte entro un tempo che è generalmente troppo breve rispetto alla durata

dell’iniezione: questo è forse il punto più debole della teoria applicata ai procedimenti

d’iniezione.

La legge di Darcy è applicabile ai fluidi newtoniani non evolutivi, come l’acqua,

caratterizzati, cioè, da viscosità costante: a rigore, perciò, le formule classiche

dell’idrologia sotterranea, valide per condizioni di moto laminare stazionario, sono

applicabili soltanto per le soluzioni pure non evolutive.

3 In idraulica il numero di Reynolds indica il passaggio dalle condizioni di moto laminare a quelle di

moto turbolento. È definito dalla relazione [ ]η

ρ dvR w ⋅⋅

=− in cui compaiono la velocità del flusso

(v), il diametro del condotto (d), la massa volumica dell’acqua (ρw) ed il coefficiente di viscosità (η).


22

È importante puntualizzare che, ai fini della valutazione d’iniettabilità, si privilegia la

determinazione delle caratteristiche di permeabilità orizzontale.

A rigore, per le limitazioni di carattere teorico, precedentemente espresse nell’ambito

delle considerazioni sull’iniettabilità dei terreni, è necessario introdurre il coefficiente di

permeabilità specifica del mezzo alla miscela d’iniezione:

[ ]

⋅=

m

wm ksmk

ηη

/ (10)

con:

=mk coefficiente di permeabilità del terreno alla miscela [m/s];

=k coefficiente di permeabilità del terreno all’acqua [m/s];

=mη viscosità dinamica della miscela ad una certa temperatura [·s/cm2];

=wη viscosità dinamica dell’acqua (10-7 [·s/cm2] alla temperatura di 20 [°C],

pari a 1 [mPa·s]) [·s/cm2];

Il concetto di permeabilità specifica non va confuso con quello di permeabilità

intrinseca, che si definisce come la capacità di un mezzo poroso di trasmettere

un fluido indipendentemente dalle proprietà dello stesso. Questa grandezza è

legata alla conducibilità idraulica dalla relazione:

[ ]g

kmk p ⋅⋅=ρη2 (11)

con:

=pk coefficiente di permeabilità intrinseca del terreno [m2];

=k coefficiente di permeabilità del terreno al fluido in oggetto [m/s];

=η viscosità dinamica del fluido in oggetto [·s/m2];

=ρ massa volumica del fluido in oggetto [kg/m3];

=g accelerazione gravitazionale, 9.81 [m/s2];


23

Passando alle soluzioni colloidali, ossia ai fluidi newtoniani evolutivi con viscosità

variabile nel tempo, data la complessità di una teoria che tenga conto dell’incremento

della viscosità nel tempo, si rientra nel caso delle soluzioni non evolutive assumendo un

valore medio della viscosità, con un’approssimazione tanto migliore quanto più lenta è

l’evoluzione durante il flusso.Tale schematizzazione teorica risulta invece impossibile

per le sospensioni, che manifestano anche una rigidità evolutiva.

La determinazione diretta della permeabilità può essere effettuata con varie modalità

in situ, fra cui la più diffusa è la prova Lefranc (che sarà trattata più diffusamente al

paragrafo 13.1.2 “Prove di permeabilità in situ su terreni incoerenti”), oppure in

laboratorio su campioni indisturbati o ricostruiti: in quest’ultimo caso è ovvio che si

debba operare solo su granulometrie molto uniformi, altrimenti si possono ottenere

risultati del tutto inattendibili, con una riassociazione granulare diversa da quella

naturale. Siccome le prove dirette presentano spesso difficoltà esecutive ed

interpretative, è sempre necessario il complemento di dati granulometrici, soprattutto

nel caso delle sabbie, per le quali sono disponibili correlazioni empiriche fra

permeabilità e granulometria, alcune delle quali tengono conto anche della porosità.

Figura 12 Valori indicativi del coefficiente di permeabilità secondo granulometria e tipo di terreno


24

Le correlazioni empiriche più utilizzate sono:

[ ] 215

210 dAsmk ⋅⋅= − (Sherard) (12)

con:

=A coefficiente adimensionale compreso fra 0.2 e 0.6, nella pratica è

consuetudine adottare il valore 0.35 [-];

=15d diametro del 15% del passante nel fuso granulometrico[mm];

Per le sabbie e le ghiaie sabbiose, si usa la correlazione:

[ ] 210/ dCsmk U ⋅= (Hazen-Beyer) (13)

con:

10

60

dd

CU = = coefficiente d’uniformità [-];

=10d diametro del 10% del passante nel fuso granulometrico [m];

Per le sabbie grossolane con grani compresi fra 0.1 e 3 millimetri e coefficiente

d’uniformità inferiore a 5, si usa la correlazione:

[ ] 210/ dCscmk ⋅= (Hazen) (14)

con:

C = costante dimensionale compresa fra 40 e 150 [-];

=10d diametro efficace [cm];

Per le sabbie pulite contenenti meno del 5% di frazione limo-argillosa, si usa la

correlazione:

[ ]( )2

3

20

2 1

2.0/

nn

Sfscmk

w

w

−⋅

⋅⋅⋅

=η

γ (Kozeny) (15)

con:


25

wγ = peso specifico dell’acqua (10-2 [/cm3]) [/cm3];

=wη viscosità dinamica dell’acqua (10-7 [·s/cm2] alla temperatura di 20 [°C],

pari a 1 [mPa·s]) [·s/cm2];

=0S superficie specifica dei grani in termini volumetrici [cm-1];

=n porosità [-];

=f fattore di forma, variabile da 1, per elementi sferici, a 1.4 per grani molto

spigolosi [-];

( ) nSk ⋅+=⋅ 15.5365.1log 20 (Loudon) (16)

con:

k = coefficiente di permeabilità [m/s];


=n porosità [-];

Viste le limitazioni dovute alle condizioni di validità della legge di Darcy, la

propagazione dei fluidi newtoniani e binghamiani nei mezzi porosi è stata studiata da

Müller-Kirchenbauer (1968) considerando la viscosità come una funzione del tempo,

perché nella pratica si nota una variazione di permeabilità del terreno trattato causata

dalla variazione della viscosità della miscela d’iniezione. Per i fluidi newtoniani, la

relazione fra la permeabilità e la viscosità è la seguente:

0

0

ηη

=kk

(17)

con:

=0k permeabilità del terreno con riferimento all’acqua;

=k permeabilità del terreno con riferimento alla miscela d’iniezione considerata

come fluido newtoniano;

=0η viscosità dell’acqua;

=η viscosità del fluido newtoniano;


26

Anche la presenza dell’acqua nei vuoti intergranulari del terreno condiziona la

penetrabilità della miscela d’iniezione e la sua capacità di diffusione. In proposito è

opportuno ricordare che un fluido a bassa viscosità è spostato da uno con viscosità

maggiore (Scheiddegger e Johnson, 1969), per cui le proprietà reologiche della miscela

iniettata assumono un ruolo primario nei meccanismi di diffusione nel mezzo poroso,

specialmente per quanto riguarda la capacità di spiazzare l’acqua nel terreno,

sostituendosi ad essa.

Secondo Camberfort, per trovare un criterio d’iniettabilità più logico di quelli basati

sulla granulometria, si dovrebbe cercare di cifrare le dimensioni dei vuoti dello

scheletro solido e paragonarle con quelle dei grani o particelle elementari della miscela.

Esprimendo il raggio idraulico della sezione interstiziale media in funzione della

porosità e della superficie specifica, ed introducendo l’espressione risultante nella

correlazione di Kozeny, si perviene alla condizione:

kCd m ⋅≤' (18)

con:

='md diametro medio dei grani o particelle della miscela [µm];

=C costante adimensionale compresa fra 600 e 800 [-];

=k coefficiente di permeabilità [m/s];

Un ulteriore parametro che condiziona la penetrabilità dell’iniezione, è il tipo di

miscela impiegato, pertanto, nel corso della trattazione, per ogni tipo di miscela si

affronta specificamente quest’argomento.


27

3.1 Parametri d’iniezione

Per la successiva trattazione della teoria sull’iniezione dei terreni è necessario

definire preventivamente quelli che sono i parametri caratteristici, elencandone i simboli

e le unità di misura.

Tabella 2 Parametri d’iniezione

Simbolo ed unità di misura Parametro

[ ]mH∆ Carico idraulico utile in corrispondenza della sezione filtrante

[ ]smQ /3 Portata d’iniezione

[ ]mr0 Raggio della sezione filtrante

[ ]mL Lunghezza della sezione filtrante

[ ]mr '0

Raggio equivalente al flusso radiale sferico, nel caso di

sezione filtrante cilindrica di raggio r0 ed altezza L

[ ]mR Raggio d’influenza dell’iniezione

[ ]st Tempo

[ ]3mV Volume di terreno interessato dall’iniezione

[ ]smk / Coefficiente di permeabilità del terreno all’acqua

[ ]smk m / Coefficiente di permeabilità del terreno alla miscela

d’iniezione, secondo la relazione (10)

[ ]−n Porosità del terreno o frazione saturata dalla miscela

3.2 Iniezione in un mezzo omogeneo ed isotropo Il caso più semplice è quello di flusso radiale da una sorgente sferica di raggio r0. La

portata in regime stazionario è definita dalla relazione:

[ ] HkrmQ m ∆⋅⋅⋅⋅= 03 4 π (19)

con:

=0r raggio della sezione filtrante [m];

=mk coefficiente di permeabilità del terreno alla miscela d’iniezione [m/s];

=∆H carico idraulico utile in corrispondenza della sezione filtrante [m];


28

Nel caso più realistico di sezione filtrante cilindrica d’altezza L, si può utilizzare la

(17) sostituendo ad r0 il raggio equivalente '0r calcolato secondo la formula:

[ ]αL

mr ='0 (20)

con:

[ ]( )

( )

⋅⋅−+

⋅

⋅−

⋅=−

0

2/120

2

2/120

2 24

ln4

2r

rLL

rL

Lα (21)

La portata può essere espressa anche in termini puramente geometrici:

[ ]

⋅=

tn

VsmQ /3 (22)

con:

=V Volume di terreno interessato dall’iniezione [m3];

=n porosità del terreno o frazione saturata dalla miscela [-];

=t tempo [s];

Nel caso della sorgente sferica si ottiene:

[ ] ( )

⋅−⋅⋅=

tn

rRsmQ 30

33

34

/ π (23)

con:

=R raggio d’influenza dell’iniezione [m];



=t tempo [s];

Eguagliando per congruenza le due espressioni (19) e (23) della portata, si ottiene

una relazione più generale che lega il raggio di propagazione R al tempo d’iniezione t, al

carico idraulico H∆ ed alle caratteristiche del terreno mk ed n :


29

( )n

tHkrrR m ⋅∆⋅⋅⋅

=− 030

3 3 (24)

3.3 Iniezione in un mezzo eterogeneo

I mezzi omogenei ed isotropi sono un’eccezione in natura: quasi sempre si è di fronte

a terreni eterogenei e fittamente stratificati. Nei più comuni depositi, quelli alluvionali,

si hanno infatti delle successioni di strati con permeabilità anche molto diverse e

spessori variabili da qualche millimetro ad alcuni centimetri.

Se la sezione filtrante interessa più strati, la miscela si diffonde dapprima in quelli

più permeabili, mentre gli altri hanno un ruolo di contenimento. In seguito s’invertono i

ruoli e l’iniezione interessa le zone meno permeabili, ma tuttavia penetrabili dalla

miscela prevista.

In ogni caso si ha un flusso piano descrivibile con la formula di Dupuit:

[ ] ( )0

3

ln2

/rR

kHLsmQ m⋅∆⋅⋅⋅

=π

(25)

con:

=L lunghezza della sezione filtrante [m];

=∆H carico idraulico utile in corrispondenza della sezione filtrante [m];

=mk coefficiente di permeabilità del terreno alla miscela d’iniezione [m/s];



Esprimendo la portata in termini puramente geometrici, nella relazione (22) del

paragrafo 3.2 “Iniezione in un mezzo omogeneo ed isotropo” s’introduce l’espressione

del volume cilindrico elementare di terreno trattato ad ogni singola passata:

[ ] ( ) LrRmV ⋅−⋅= 20

23 π (26)

con:





30

1 2 3

2 r0

L

2 r0 2 r0

L

ottenendo l’espressione della portata:

[ ] ( )

⋅⋅−⋅=

tn

LrRsmQ 20

23 / π (27)

con:





=t tempo [s];

Eguagliando le espressioni (25) e (27) si ottiene la seguente relazione di carattere

generale:

( ) ( )0

20

2

ln2

rRntHk

rR m

⋅⋅∆⋅⋅

=− (28)

Figura 13 Modelli teorici di diffusione nel terreno della miscela d’iniezione: 1. flusso radiale da una sorgente sferica in un mezzo omogeneo ed isotropo; 2. sezione filtrante cilindrica d’altezza L in un mezzo omogeneo ed isotropo; 3.sezione filtrante cilindrica d’altezza L in un mezzo eterogeneo.


31

4 Idrofratturazione Dagli studi approfonditi su questo fenomeno, realizzati da Camberfort alla fine degli

anni ’70, è emerso che la pressione d’iniezione provoca sulle pareti del foro uno sforzo

tangenziale d’ugual valore: quando quest’ultimo supera il contrasto del terreno, si ha la

rottura.

Traducendo queste evidenze empiriche in termini più rigorosi, si può affermare che il

fenomeno dell’idrofratturazione (“claquage”) si verifica quando la pressione d’iniezione

è superiore alla tensione efficace minore '3σ : in tal caso la miscela si diffonde rompendo

il terreno secondo piani perpendicolari alla direzione di '3σ .

Quando l’idrofratturazione è indotta volontariamente, l’applicazione di una pressione

di pompaggio adeguata, causa la formazione di una frattura artificiale che si propaga nel

terreno, secondo le condizioni locali, finchè la portata è superiore alla capacità

d’assorbimento della miscela e funge, a sua volta, da sorgente di trattamento. La

fessura, mantenuta aperta dalla pressione variabile del fluido, non ha una dimensione

costante ed ha un’estensione limitata. Questa tecnica è impiegata nei trattamenti di

compattazione statica dei terreni, preliminari all’iniezione di soluzioni, oppure

successivi alle iniezioni per permeazione.

Il valore della pressione d’idrofratturazione per i terreni coesivi si calcola come:

[ ] ckPapcrack +

−⋅=

νν

σ1

'1 (29)

Il prodotto fra parentesi rappresenta la tensione principale efficace minore '3σ [kPa],

ottenuta come prodotto della tensione principale efficace maggiore '1σ [kPa] per il

coefficiente di trasmissione laterale dello sforzo, del terreno in campo elastico

νν−

=10k . Il termine fuori parentesi (c [kPa]) rappresenta la coesione.

Assumendo un modello di terreno con stato tensionale assialsimmetrico e tensione

principale efficace maggiore '1σ [kPa] coincidente con la tensione verticale, la formula

diventa:


32

[ ] cz

kPapcrack +

−

⋅⋅=

ννγ

1

'

(30)

con: 'γ = peso dell’unità di volume del terreno alleggerito [kN/m3] calcolato per

differenza fra il peso dell’unità di volume totale del terreno ed il peso

dell’unità di volume dell’acqua ( wγγ − );

=z profondità [m];

=ν modulo di Poisson [-];

c =coesione [kPa];

Da un confronto fra gli sforzi tangenziali dovuti al peso proprio del terreno e quelli

indotti dalla pressione applicata, e considerazioni geometriche inerenti l’inviluppo di

resistenza di Mohr-Coulomb, si ottiene l’espressione della pressione d’idrofratturazione

nei terreni incoerenti:

[ ] ( ) ( )ϕνγ sin1' +⋅⋅⋅= zkPapcrack (31)

Nel caso di terreni coesivi si applica la formula precedente con l’aggiunta del termine

di coesione:

[ ] ( ) ( ) czkPapcrack ++⋅⋅⋅= ϕνγ sin1' (32)

Di là dalle formulazioni teoriche, sono molte le regole empiriche suggerite dalla

letteratura o prescritte nelle specifiche tecniche, ma il criterio più razionale è sempre

quello sperimentale consistente nella determinazione in situ della pressione di

“claquage” o pressione critica.


33

Pres

sion

e d'

inie

zion

e [k

Pa]

00

100

50

150

250

200

Plim

Portata [l/min]

205 10 15

Pcr

Figura 14 Determinazione sperimentale della pressione critica

Il procedimento si basa sull’iniezione con portate crescenti fino al momento in cui la

pressione tende a stabilizzarsi o diminuisce. Una volta definita statisticamente, con una

serie di prove, la soglia di “claquage”, si può definire il limite di pressione d’iniezione:

[ ] crPkPaP ⋅= 9.0lim (33)

con:

=limP pressione limite d’iniezione [kPa];

=crP pressione di “claquage” [kPa];


34

5 Durabilità dei trattamenti d’iniezione

Con questo termine s’indica la capacità della miscela di conservare inalterate nel

tempo, dopo la presa, determinate proprietà chimico-fisiche e meccaniche.

Dal punto di vista fisico, le principali cause d’alterazione fanno capo alle

sollecitazioni meccaniche, all’erosione, alla temperatura ed all’irraggiamento. In

particolar modo, i fenomeni termici ed osmotici hanno importanti ripercussioni sul gel

derivante dalle soluzioni.

Dal punto di vista chimico, l’acqua riveste un ruolo dominante nei fenomeni di

dissoluzione e alterazione a causa del pH o della presenza di sostanze particolari (sali e

gas, materia organica, batteri…).

La durabilità dei trattamenti d’iniezione dipende quindi fondamentalmente dalle

sostanze impiegate e dalle tecniche di messa in opera. Per ogni tipo di miscela è

pertanto necessario conoscere le eventuali incompatibilità (durante e dopo

l’indurimento) con lo scheletro solido del terreno, l’acqua interstiziale ed i gas che

possono essere inclusi.

È però interessante osservare che, nel campo delle sospensioni stabili a base ci

cemento e bentonite, la presenza dell’additivo stabilizzante ricuce notevolmente la

suscettibilità agli agenti aggressivi come le acque molto dolci, acide e selenitose.

Nel campo delle resine, invece, è nota l’imperfetta polimerizzazione in ambiente

basico, come si trova frequentemente nei terreni calcarei. Per questo tipo di miscele,

comunque, i rischi sono limitati alla fase d’indurimento e quindi sono facilmente

controllabili in laboratorio con prove su campioni d’acqua e terreno.


35

Migrazione in prossimità del punto d'iniezione

Migrazione dovuta alla filtrazione

Migrazione durante l'iniezione

Inte

nsità

di m

igra

zion

e

Migrazione lontano dal punto d'iniezione

Tempo d'osservazione

6 Implicazioni ambientali e problematiche connesse

alla sicurezza dei lavoratori I prodotti utilizzati nella preparazione delle miscele d’iniezione che possono rientrare

nelle categorie a rischio per la salute di lavoratori e terzi, sono accompagnati da

apposita documentazione di sicurezza che illustra la classe di pericolo, le procedure

specifiche per la manipolazione, il trasporto e lo stoccaggio. Sono indicati

dettagliatamente anche i pericoli specifici quali: esplosione, infiammabilità, corrosione,

tossicità.

Siccome l’iniezione implica sempre una modificazione localizzata del terreno, si

pone particolare attenzione alla qualità delle acque superficiali e sotterranee, curandone

la preservazione da contaminazioni dovute a versamenti accidentali di prodotti chimici

o acque di lavaggio degli impianti, diffusione in falda di sottoprodotti di reazione ed

utilizzo di miscele d’iniezione suscettibili di dissoluzione da parte d’acque aggressive.

Figura 15 Modello qualitativo della migrazione dei sottoprodotti del gel di silice nelle acque sotterranee

In linea generale, comunque, è necessario ricordare che l’approccio allo studio

dell’impatto ambientale dei trattamenti d’iniezione, non può prescindere dall’analisi

caso per caso dei componenti delle miscele adottate e delle loro interazioni reciproche e

con i costituenti del terreno (fase solida, liquida, gassosa).


36

7 Miscele d’iniezione In base ai componenti ed alle proprietà reologiche, le miscele d’iniezione possono

essere classificate in due categorie principali:

1. Sospensioni: sono costituite dall’insieme di uno o più prodotti solidi (cemento,

ceneri volatili, argille…) dispersi in acqua. Secondo il tipo ed il tenore di materia secca,

sono a loro volta distinte in sospensioni:

1.a Instabili: formate da una sospensione di cemento in acqua resa omogenea

dall’agitazione. I grani solidi tendono a sedimentare rapidamente al cessare

dell’azione meccanica, separando un’apprezzabile percentuale della fase liquida.

1.b Stabili: una miscela stabile è definita in tal modo quando manifesta una tendenza

alla sedimentazione nulla o trascurabile. Queste miscele sono generalmente

ottenute con sistemi quali l’aumento del tenore totale di materia solida,

l’impiego di componenti minerali colloidali, quali la bentonite, o l’impiego

d’additivi quali il silicato di sodio nelle miscele acqua-cemento e acqua-

cemento-bentonite. Il corretto dosaggio dei costituenti e l’agitazione meccanica

consentono di ridurre la tendenza alla separazione della fase solida.

2. Soluzioni: sono liquidi omogenei costituiti da prodotti chimici in forma di

liquidi o polveri disciolte in acqua. Secondo le proprietà reologiche, sono al loro volta

distinte in soluzioni:

2.a Evolutive o colloidali: la viscosità varia nel tempo, da un valore iniziale ad uno

finale corrispondente al gel.

2.b Non evolutive o pure: la viscosità resta costante, pari al valore iniziale, fino al

momento della presa con formazione del gel.

3. Resine : sono soluzioni di sostanze organiche in acqua o solvente non acquoso.

4. Miscele per applicazioni speciali: sono composti in grado di conferire al

terreno proprietà particolari quali la resistenza a determinati agenti aggressivi, grande

resistenza meccanica o elasticità.


37

Tabella 3 Tipologie di miscele d’iniezione e rispettivi campi d’applicazione

Sospensione di cemento C

Sospensione cemento- bentonite C - I

Miscele caricate C - I

Gel di bentonite deflocculata e rigidificata I

Miscele a penetrazione migliorata C – I

Emulsioni di bitume I

Concentrato C Consolidamento

Bassa viscosità C

Concentrato I Gel di silice

Impermeabilizzazione Diluito I

Acriliche I Resine

Fenoliche C

Permeabilità iniziale k [m/s] 10-7 10-6 10-5 10-4 10-3 10-2 10-1 Caratteristiche

del terreno Terreni alluvionali grossolani pretrattati

Terreni alluvionali fini (sabbie e ghiaie, sabbie, sabbie siltose)

Terreni

grossolani

Campo d’applicazione usuale C = Consolidamento

Campo d’applicazione limitato dal costo I = Impermeabilizzazione


38

8 Sospensioni a base di cemento

Sono le più utilizzate per lavori d’impermeabilizzazione o di consolidamento dei

terreni a mezzo d’iniezioni. Ogni miscela è caratterizzata dal rapporto ponderale

cemento su acqua (C/A) o dal rapporto ponderale materia secca totale su acqua (MS/A).

Il cemento impiegato può essere cemento Portland, cemento d’altoforno o cemento a

macinazione microfine: la finezza di macinazione influenza, infatti, le proprietà

reologiche, la sedimentazione, la resistenza del terreno trattato.

Tabella 4 Caratteristiche dei cementi comunemente utilizzati

Superficie specifica Blaine ≥ 3000 [cm2/g]

Diametro massimo dei grani solidi 100 [µm]

Dimensione del 90 % in peso dei grani solidi ≤50 [µm]

Tabella 5 Caratteristiche dei cementi microfini

Superficie specifica Blaine ≥ 8000 [cm2/g]

Diametro massimo dei grani solidi 20 [µm]

Dimensione del 90 % in peso dei grani solidi ≤15 [µm]

In alternativa all’uso dei cementi microfini, è stato messo a punto un processo di

macinazione ad umido (Nishigori e Takimoto, 1991) che consiste nella

sovracomminuzione in cantiere di una sospensione di cemento comune (C/A=0.36 [-])

utilizzando un silo con sfere in acciaio del diametro di 1.2 millimetri. Il risultato è che

un cemento comune (d95= 50 [µm], d85= 50 [µm]) viene comminuto al punto da

renderlo più fine di un cemento microfine commerciale (d95= 7 [µm], d85= 4.5 [µm],

d50= 2.4 [µm]).

Le proprietà più comuni delle sospensioni sono:

− stabilità e fluidità in funzione del dosaggio e della qualità dei componenti;

− resistenza alla compressione monoassiale, dipendente dal rapporto C/A;

− durabilità, dipendente dalla qualità e quantità dei componenti;

− facilità di preparazione ed approvvigionamento;

− economicità e facilità di messa in opera;


39

Il comportamento reologico di questi fluidi segue la legge di Bingham, quindi,

teoricamente, viscosità e soglia di taglio non variano durante le procedure d’iniezione.

In realtà ciò non avviene e, per ovviare all’aumento dei due parametri, si fa uso

d’opportuni additivi la cui azione è coadiuvata dalla continua agitazione della miscela.

I parametri che influiscono con la penetrabilità delle sospensioni sono:

− STABILITÀ: è legata alla tendenza della fase solida a sedimentare separando

un’apprezzabile percentuale della fase liquida, quando la miscela non è mantenuta in

agitazione. Per la diffusione nei vuoti del terreno, la sedimentazione deve essere ridotta

(meno del 5% in volume per ora) perché, al di sotto di una certa velocità di flusso, causa

ostruzioni durante l’iniezione e, al termine della procedura, può provocare vuoti anche

laddove ci sia stato un buon riempimento. Il tasso di sedimentazione, cioè la

separazione delle due fasi (solido e liquido) della sospensione, si riduce all’aumentare

del rapporto C/A ed il tempo di sedimentazione aumenta all’aumentare del rapporto C/A

a causa della ridotta capacità di decantazione delle particelle solide in sospensioni

concentrate. Solo le sospensioni con cementi microfini o con rapporti C/A>1.25 [-] sono

sufficientemente stabili.

− SOGLIA DI TAGLIO E VISCOSITÀ PLASTICA: siccome le sospensioni sono

assimilabili a fluidi binghamiani, la loro progressione è limitata dalla perdita di carico

dovuta alla viscosità plastica ed alla soglia di taglio. L’impiego d’additivi che riducono

questi parametri reologici può migliorare la diffusione delle sospensioni avvicinandone

il comportamento a quello di fluidi newtoniani.

− CONCENTRAZIONE DI PARTICELLE SOLIDE: il blocco della progressione di

una miscela stabile è più rapido all’aumentare del tenore di materia solida.

− DIMENSIONE DELLE PARTICELLE SOLIDE: deve essere compatibile con la

grandezza dei vuoti intergranulari. In prima approssimazione si assume che la minima

dimensione dei vuoti intergranulari deve essere almeno il doppio del diametro delle più

grosse particelle solide in sospensione. Secondo Camberfort, l’iniezione può essere

efficace solo in un mezzo poroso con grani aventi dimensioni minime di 5-10

millimetri. Per aumentare la penetrabilità delle sospensioni, oggi s’impiegano cementi

microfoni con una superficie specifica Blaine compresa fra 8000 e 12000 [cm2/g] ed un

contenuto del 90% in peso di grani di diametro inferiore a 15 micron, mentre un

comune cemento Portland ha una superficie specifica Blaine di circa 3000 [cm2/g] ed il

90% in peso di grani di diametro inferiore a 50 micro


40

− PRESSOFILTRAZIONE: è la progressiva perdita d’acqua delle sospensioni a

contatto con il mezzo poroso non penetrabile dai grani solidi. Essa evolve durante

l’iniezione perché la separazione dell’acqua da luogo alla formazione, sulla superficie

porosa permeabile, di un pannello pastoso (cake) il cui spessore aumenta con il tempo

fino ad impedire completamente il passaggio della miscela. Questo fenomeno, molto

penalizzante, causa una riduzione della mobilità fino a 5 o 6 volte a causa del

progressivo aumento della rigidità e della viscosità: ciò comporta la diminuzione della

penetrabilità e quindi una riduzione del raggio d’influenza del trattamento. La

sedimentazione, che inizia a manifestarsi al di sotto di una certa velocità di flusso, tende

a creare delle ostruzioni e, proseguendo dopo il termine dell’iniezione, può rigenerare

dei vuoti anche dove ci fosse stato un buon riempimento. Dato che la velocità di flusso

diminuisce rapidamente con la distanza dal foro, i grani di cemento iniziano a

depositarsi tanto più rapidamente quanto maggiore è il rapporto C/A: ne consegue la

pratica di avviare l’iniezione con miscele molto diluite. Il progressivo accumulo di

cemento riduce la sezione filtrante e fa quindi aumentare la pressione fino al

raggiungimento della pressione di rifiuto.

Figura 16 Effetto arco durante l’iniezione di una sospensione instabile

Figura 17 Sedimentazione di una sospensione instabile

L’uso di particolari additivi colloidali (bentonite) può ridurre la tendenza alla

pressofiltrazione.

Questo fenomeno è studiato in laboratorio mediante un’apparecchiatura normalizzata

nel campo dei fanghi bentonitici, la filtropressa Baroid, misurando in funzione del

tempo il volume d’acqua progressivamente drenato attraverso un setto di carta da filtro.


41

Vis

cosi

tà [m

Pas]

1

30

Vel

ocità

di s

edim

enta

zion

e [1

0-4

cm/s

]

0

1.0

Rapporto A/C [-]

0 0.5 1.5 2.0

10

201

0

20

402

2

40

60

80

Figura 18 Viscosità e velocità di sedimentazione delle miscele a base di cemento

La durabilità delle sospensioni di cemento dipende in primo luogo dal rapporto C/A,

ed è maggiore per le miscele che realizzano la presa in condizioni di completo

riempimento dei vuoti intergranulari ed assenza d’acqua in eccesso rispetto al

quantitativo strettamente necessario all’idratazione.

Inoltre la resistenza del terreno trattato è limitata dalle sollecitazioni meccaniche, tra

cui hanno particolare importanza i sovraccarichi protratti nel tempo che accentuano il

“fluage” ed i carichi impulsivi come le vibrazioni che inducono situazioni di fatica nel

terreno trattato. Le prove di laboratorio mostrano, in prima approssimazione, una

proporzionalità fra l’angolo d’attrito interno e la densità del terreno dopo l’iniezione:

ambedue diminuiscono quando l’iniezione supera il limite di semplice riempimento dei

vuoti naturali.

L’essicazione è molto dannosa, soprattutto per le miscele contenenti bentonite, in

quanto causa la disgregazione della massa iniettata.

Nel caso di terreni con elevata permeabilità iniziale, invece, è necessario porre

attenzione ai fenomeni erosivi.

Il ruolo dell’acqua nell’alterazione delle sospensioni a base di cemento si manifesta

soprattutto dal punto di vista chimico, pertanto in prima istanza si ricorre all’addizione

di bentonite che riduce la permeabilità della miscela e quindi anche la suscettibilità del

cemento alle acque aggressive.


42

Le diverse tipologie d’acque in grado di alterare le proprietà delle iniezioni sono:

− acque molto pure: sono in grado di dissolvere quantità importanti d’ossido di

calcio del cemento causandone la destrutturazione a lungo termine. Secondo Petrovski

(1982), una dissoluzione del 25% del CaO può portare ad una caduta di resistenza del

50%.

− acque acide con valori di pH da 6.5 a 4 [-]: dissolvono l’ossido di calcio ed altri

componenti del cemento. In questi casi s’utilizzano cementi alluminosi che hanno una

certa resistenza alle acque aggressive, ma non possono essere addizionati di bentonite.

− acque solfatiche con concentrazioni di solfati di calcio, sodio e magnesio

superiori a 600 [mg/l]: reagiscono con l’alluminato tricalcico del cemento per formare

un solfo-alluminato espansivo che provoca il rigonfiamento del Portland. In questi casi

s’utilizzano cementi Portland di composizione particolare.

− acque inquinate: in questi casi è necessario compiere appositi studi per

determinare natura e concentrazione degli agenti inquinanti, al fine d’individuare la

composizione ottimale della miscela d’iniezione.

La durabilità e la stabilità all’erosione richiedono pertanto l’adozione di un rapporto

C/A>0.5 [-].

La temperatura d’iniezione della miscela è in grado d’influenzare la presa e la

maturazione del cemento, infatti, una temperatura superiore a 20 [°C] accelera lo

sviluppo della resistenza. Il tempo di presa può essere ridotto di un’ora utilizzando,

nella preparazione della miscela, acqua pre riscaldata a 60 [°C].

Sono state sviluppate metodologie di calcolo del calo di temperatura, delle

sospensioni di cemento, che si verifica nelle tubazioni d’iniezione. In proposito si veda

il paragrafo 12.4 “Preparazione della miscela”.

Le miscele a base di cemento possono essere distinte in tre categorie:

a. sospensioni a base di cemento puro;

b. sospensioni a base di cemento e bentonite;

c. sospensioni caricate;


43

8.1 Sospensioni di cemento puro

Sono ottenute disperdendo polvere di cemento puro in acqua e, spesso, per ridurre la

tendenza alla separazione delle fasi, s’impiegano rapporti cemento-acqua elevati

(C/A>1.5 [-]). Quando il rapporto C/A è attorno a 0.5 [-] la sospensione ha un

comportamento intermedio tra il fluido newtoniano e binghamiano, mentre, quando

suddetto rapporto è inferiore a 0.5, il comportamento è marcatamente binghamiano.

La soglia di taglio, infatti, è 1 [Pa] per C/A=1 [-] e 30 [Pa] per C/A=2 [-].

L’impiego di questo tipo di miscele permette d’ottenere resistenze meccaniche

elevate dipendenti dalla pressione d’iniezione, dalla dimensione dei vuoti intergranulari

e dalla possibilità d’allontanamento dell’acqua durante la fase di presa.

Il tipo di cemento dipende essenzialmente dalle caratteristiche idrauliche e

meccaniche finali che s’intendono conferire alla miscela e dalle proprietà del terreno da

trattare (eventuale presenza d’acque aggressive…). In particolare la finezza di

macinazione del cemento riveste un ruolo determinante nelle dinamiche di diffusione

della miscela nel terreno.

I dosaggi abituali hanno rapporti ponderali C/A variabili tra 1 e 2.5 [-] e,

naturalmente, le miscele più fluide sono utilizzate nei terreni fini.

Le proprietà meccaniche del terreno iniettato dipendono dalla qualità del cemento

utilizzato, dal rapporto C/A e dalla resistenza del materiale naturale costituente l’inerte:

in generale si raggiungono valori di resistenza alla compressione semplice compresi fra

5 e 50 [MPa].


44

Rapporto A/C

Tas

so d

i sed

imen

tazi

one

[%]

40

60

2.01.5

1.020

0.8

2 4 6

Contenuto di bentonite [%]

8.2 Sospensioni con cemento e bentonite

Si tratta di sospensioni di cemento stabilizzate con bentonite (in percentuale

compresa fra 1 e 7% in peso) al fine d’ottenere una miscela colloidale omogenea e con

un’ampia gamma di viscosità (variabile con le condizioni di flusso) e resistenza

meccanica (variabile con il dosaggio).

L’aggiunta di bentonite può ridurre il tasso di sedimentazione dal 20% fino al 5-10%.

Figura 19 Azione stabilizzante della bentonite su di una sospensione di cemento con superficie specifica di 3500 [cm2/g]

La viscosità dipende dal rapporto ponderale C/A e dalla percentuale di bentonite: si

presenta costante per le prime 2-3 ore, mentre aumenta rapidamente fino alla presa.

In generale, quando si aggiunge il cemento ad una sospensione bentonitica,

l’evoluzione delle caratteristiche reologiche si manifesta in tre fasi distinte:

1. aumento istantaneo e notevole della viscosità apparente: una specie di falsa

presa dovuta ad assorbimento d’acqua da parte del cemento ed alla flocculazione

della bentonite da parte del cemento stesso;

2. in pochi minuti successivi, la falsa presa viene quasi annullata dall’agitazione ed

inoltre la calce del cemento trasforma la bentonite sodica in calcica, cioè la

rende meno idrofila con una conseguente fluidificazione della miscela;

3. subito dopo ha inizio una progressiva rigidificazione, che si evolve più o meno

rapidamente secondo che la miscela sia mantenuta in agitazione o a riposo.


45

Lo stato di riferimento per la definizione delle caratteristiche reologiche iniziali è

quello corrispondente al termine della seconda fase, cioè qualche minuto dopo

l’aggiunta del cemento.

Tabella 6 Caratteristiche reologiche iniziali della miscela

Rendimento volumetrico per eventuale decantazione 96÷100%

Viscosità Marsh 35÷45 [s]

Viscosità Stormer 20÷40 [mPa·s]

Viscosità apparente (Rheometer o Fann) 10÷20 [mPa·s]

Soglia di taglio 0.02 [kPa]

È necessario distinguere il comportamento di tipo binghamiano, delle miscele a base

di cemento e bentonite, dall’effetto tixotropico fornito dalla bentonite stessa: a seguito

di un gradiente di taglio, in pratica dalla pressione di pompaggio, un composto

tixotropico è trasformato dalla condizione di gel a quella di un fluido vero e proprio. Il

processo è reversibile: annullando la pressione, il fluido ritorna ad essere gel e, per

mobilizzarlo, occorre nuovamente applicare una pressione superiore al “limite

tixotropico”.

Al contrario, la soglia di taglio dei fluidi binghamiani non si ripresenta quando la

pressione è ridotta al di sotto di tale valore. Ciò è dovuto al tempo trascorso dopo la

preparazione della miscela, durante il quale l’acqua è assorbita dal solido in modo

irreversibile. In base a dati sperimentali, Camberfort e Caron hanno definito la seguente

espressione del gradiente di pressione necessario a vincere la soglia di taglio:

[ ] ( )nSRp

−⋅⋅⋅=−

1100 00

min

τ (34)

con:

p = pressione d’iniezione [/m2];

=0τ soglia di taglio [/m2];

=R raggio d’azione [m];


=n porosità [-];


46

Un altro criterio, proposto da Raffle e Greenwood, si basa sul diametro medio dei

pori del terreno, individuando il gradiente idraulico minimo con la relazione:

[ ]

⋅⋅=− −

pdi 04

min 104τ

(35)

con:

=0τ soglia di taglio [/m2];

pd = diametro dei pori [m] misurabile con il porosimetro a mercurio o

deducibile dalla relazione: 2/1

32

⋅

⋅⋅=

nk

dw

wp γ

η (36)

con:

=wη viscosità dinamica dell’acqua (10-3 [·s/m2] alla temperatura di 20

[°C], pari a 1 [mPa⋅s]) [·s/cm2];

wγ = peso specifico dell’acqua (10-2 [/cm3]) [/cm3];

=k coefficiente di permeabilità [m/s];

= porosità [-];

Una volta superata la soglia di pressione imposta dalla rigidità iniziale, per

mantenere costante la portata si ha un progressivo aumento della pressione dovuto

all’evoluzione della viscosità della miscela.

Le miscele a base di cemento stabilizzate con bentonite sono quindi stabili grazie alla

scarsa tendenza alla sedimentazione del cemento ed hanno lunghi tempi di presa e bassa

velocità di rigidificazione, buona penetrazione nei terreni compatti, impermeabilità e

resistenza al dilavamento. Si deve comunque osservare che la penetrabilità di queste

miscele decresce con l’aumentare dell’effetto consolidante richiesto.


47

Tabella 7 Proprietà reologiche e caratteristiche delle sospensioni a base di cemento stabilizzate con bentonite

Viscosità apparente < 12 [mPa⋅s]

Viscosità plastica < 8 [mPa⋅s]

Soglia di taglio < 0.1 [kPa]

Sedimentazione < 3%

Rapporto C/A 0.1÷2 [-]

Acqua filtrata a 7 atm (prova con filtropressa Baroid) 40-80 [cm3]

La proprietà della bentonite, più utile ai fini dell’applicazione nelle iniezioni, è la

capacità d’idratazione o rigonfiamento.

Il termine bentonite, però, comprende categorie di prodotti differenziati da proprietà

fisico-meccaniche e costi d’approvvigionamento.

Argille naturali: costituite da silicati idrati d’alluminio e magnesio in forma

lamellare, da tracce di calce ed ossidi metallici in proporzioni variabili secondo il sito di

provenienza. Hanno una capacità di rigonfiamento, durante l’idratazione, da 1 a 6 volte

in rapporto al volume apparente del solido. Sono un prodotto generalmente economico

venduto essiccato con granulometria inferiore 74 micron (setaccio ASTM 200).

Bentoniti naturali: sono argille smectitiche, in cui predomina la componente

“Montmorillonite”, che devono le loro spiccate proprietà colloidali in sospensione

acquosa ad una struttura molecolare di tipo lamellare fortemente idratabile a causa della

presenza del catione sodio che viene sostituito dall’acqua. Il rigonfiamento varia fra le 3

e le 18 volte. Sono vendute in polvere con un passante al setaccio ASTM 200 compreso

fra il 96% ed il 98% ed una percentuale di grani inferiori a 2 micron dell’80-85%.

In natura sono presenti due tipi di bentonite. La bentonite calcica è l’unica presente

in Europa, ha proprietà colloidali modeste ed una capacità di rigonfiamento da 3 a 7

volte. La bentonite sodica, presente in quantità economicamente sfruttabili solo nel

Wyoming (U.S.A.), è decisamente più performante e presenta un tasso d’idratazione che

varia da 12 a 18 [-].

È possibile produrre artificialmente bentoniti con caratteristiche specifiche.

Bentoniti permutate: sono bentoniti calciche naturali trasformate artificialmente in

bentoniti sodiche per addizione di carbonato di sodio prima dell’essicazione. Si ottiene

così un rigonfiamento da 10 a 15 volte.


48

Bentoniti attivate: sono bentoniti permutate alle quali sono aggiunti dei polimeri per

migliorare il rigonfiamento, ottenendo valori variabili fra 10 e 25 [-].

In particolare si ricorda che l’impiego della bentonite con cementi alluminosi è da

evitare perché la basicità conferita all’acqua dalle bentoniti permutate causa la

disgregazione della struttura di questi cementi.

Per quanto concerne il dosaggio dei componenti, in linea generale si può affermare

che nei lavori di consolidamento dei terreni s’impiega un rapporto C/A compreso fra 0.5

ed 1 [-] ed un eccesso di cemento rispetto alla bentonite, mentre nei lavori

d’impermeabilizzazione si ha l’opposto.

I dosaggi variano anche in funzione della qualità della bentonite e del tempo di pre-

idratazione (d’alcune ore nelle argille naturali e di pochi minuti nel caso delle bentoniti

attivate), a seguito del quale si sviluppa la viscosità caratteristica (compresa fra 35 e 60

secondi al cono Marsh).

Il rapporto ponderale C/A varia fra 0.12 e 2 [-] in funzione della resistenza

meccanica richiesta, della fluidità necessaria al pompaggio e della stabilità

(generalmente la decantazione è inferiore al 5% in 2 ore).

Tabella 8 Dosaggio tipico delle sospensioni di cemento stabilizzate con bentonite

argilla 80 – 400 [kg/m3]

bentonite 20 – 80 [kg/m3]

cemento 100 – 700 [kg/m3]

Le sospensioni a base di cemento e bentonite conferiscono al terreno trattato

resistenze meccaniche elevate perché, se il dosaggio di bentonite è inferiore al 6%,

l’effetto penalizzante dell’additivo sulla resistenza è trascurabile.

Naturalmente l’incremento di resistenza è legato al rapporto C/A.

Per rapporti C/A fra 1 e 1.5 [-] è statisticamente attendibile la legge di Bolomey

riferita a provini invecchiati 28 giorni:

[ ]

−⋅= 5.0628 A

CMPaRc d (37)


49

Rapporto A/C [-]

0.50

0

5

Rc

28d

[MPa

]

20

15

10

25

1.51.0 2.0

Per rapporti C/A fra 0.2 e 1 [-] si utilizza, invece, la seguente relazione riferita a provini

invecchiati 28 giorni:

[ ]β

α

⋅=

AC

MPaRc d28 (38)

con:

=α costante compresa fra 3 e 8 [MPa];

β = esponente adimensionale [-] variabile secondo il rapporto C/A:

Tabella 9 Campi di variazione dell’esponente β

C/A [-] β [-]

0.2÷0.4 2÷3

0.4÷1.0 1.5÷2.0

Figura 20 Resistenza a compressione monoassiale di una sabbia uniforme, 28 giorni dopo l’iniezione

di una sospensione di cemento, senza pressofiltrazione o eccesso d’acqua espulsa successivamente

L’effetto delle iniezioni sulla resistenza a trazione può essere stimato nel 15% della

resistenza a compressione del terreno trattato.


50

200

Dosaggio ponderale cemento [kg/m3]

Miscele stabili cemento-bentoniteViscosità Marsh: 33-40''

1000.01

0.1

0.05

Rc 28d [MPa]

10

0.5

1.0

5.0

50

1000

0.5C/A

1

400300 500

2.01.5 2.5

Figura 21 Resistenza a compressione semplice a 28 giorni delle sospensioni a base di cemento e bentonite

L’impermeabilizzazione si ottiene con un dosaggio elevato di bentonite che

conferisce alle miscele cemento-bentonite-acqua non pressofiltrate una permeabilità di

10-8 [m/s].

Il valore finale del coefficiente di permeabilità raggiunto, dipende dal grado di

riempimento dei vuoti, dall’acqua residua all’inizio della fase di presa e dal rapporto

C/A della sospensione.

Per quanto concerne la durabilità, le bentoniti sono materiali insolubili che creano

una pellicola protettiva attorno ai grani solidi di cemento che ne impedisce, o

quantomeno rallenta, la dissoluzione da parte delle acque aggressive.

Questa tipologia di miscele è comunemente adottata nel trattamento dei terreni in

quanto sostituisce egregiamente le sospensioni instabili di cemento


51

nell’impermeabilizzazione e nel consolidamento dei terreni granulari, in particolare per

addensare terreni eterogenei, riempire grossi vuoti intergranulari e permettere il

successivo impiego di miscele per riempire i vuoti più piccoli. Un’applicazione

particolare è l’impiego di queste miscele come fluido di perforazione in terreni spingenti

o rigonfianti.

I criteri economici che condizionano la scelta dei prodotti da utilizzare fanno capo al

costo dei materiali ed alla facilità d’approvvigionamento e di stoccaggio.

I fattori tecnici da considerare sono relativi al tipo di terreno, alla permeabilità e

all’importanza dei vuoti, in base ai quali si sceglie il dosaggio ottimale dei prodotti in

relazione allo scopo richiesto (consolidamento o impermeabilizzazione).

8.3 Sospensioni caricate

Sono miscele a base di cemento o di cemento e bentonite alle quali vengono

addizionati materiali inerti pulverulenti o con lenta presa idraulica allo scopo di

modificare la viscosità ottenendo un prodotto economico mediante la sostituzione del

cemento con un materiale poco costoso. Quest'operazione si effettua solitamente in casi

di forte assorbimento della miscela iniettata o d'importanti volumi da riempire, quando

non si richiede particolare resistenza al terreno trattato.

I materiali comunemente utilizzati sono sabbia naturale o ceneri volatili, provenienti

da centrali termiche, addizionate in proporzioni rispettivamente di 1000-1200 [kg/m3] e

750-900 [kg/m3] di miscela. Nei casi di riempimento di grandi vuoti sotterranei si può

giungere ad un rapporto ponderale carica/cemento di 10-20 [-].

L’aggiunta della carica riduce la penetrabilità ed aumenta la viscosità secondo una

relazione diretta con il tenore e la granulometria della carica.

La resistenza meccanica è funzione del rapporto C/A e può variare da 0.4 a 0.5

[MPa] per le miscele di riempimento fino a 30 [MPa] per le miscele di colmataggio

all’estradosso dei rivestimenti. Il carattere pozzolanico delle ceneri volatili può

aumentare la resistenza a lungo termine delle miscele a basso dosaggio di cemento.


52

8.4 Sospensioni speciali

Sospensioni a presa accelerata e rigidificazione controllata. Sono miscele i cui tempi

di presa possono essere ridotti fino a pochi secondi. Per miscele a base di cemento si

possono impiegare un insieme di cemento Portland e cementi alluminosi o

semplicemente adottare acceleranti di presa come cloruro di calcio e silicato di sodio.

Per le miscele a base di cemento e bentonite l’accelerante più usato è il silicato di sodio

Rp = 3.3 [-] al 7% in peso ed il minimo tenore di cemento deve essere di 250 [kg/m3] di

miscela. A titolo indicativo, una miscela con rapporto C/A=1 [-], additivata a silicato di

sodio, ha tempi di presa compresi fra 10 e 30 minuti, contro tempi di 8 ore per miscele

prive d’acceleranti.

Sospensioni espansive o rigonfianti. Sono miscele che subiscono un aumento di

volume superiore al 100%, in seguito alla messa in opera, ottenuto grazie alla

formazione d’idrogeno gassoso proveniente dall’azione della calce nel cemento sulla

polvere d’alluminio incorporata durante la preparazione (2 [kg/m3] di miscela). La

stabilità a breve termine della miscela è ottenuta tramite l’addizione di piccole quantità

di silicato di sodio.

Sospensioni espanse o aerate. Sono miscele stabili il cui volume è stato aumentato

mediante l’immissione d’aria prima della messa in opera tramite l’agitazione e

l’aggiunta di un tensioattivo in quantità inferiore all’uno per mille. L’aumento di

volume, ottenuto in fase preparatoria con questa tecnica, va dal 30 al 50% e le bolle

d’aria inclusa hanno un effetto fluidificante che favorisce la penetrabilità riducendo

l’effetto arco delle particelle di cemento. Queste miscele sono utilizzate unicamente per

l’intasamento di cavità sotterranee e forniscono anche un effetto di serraggio grazie ad

una pressione residuale in fase di presa.

Sospensioni schiumose o gassose. Sono ottenute a partire da una sospensione di

cemento mescolata ad una schiuma formata da acqua con tensioattivo preparata a parte.

Rispetto alle sospensioni espanse presentano maggiore versatilità dovuta alla possibilità

di variare il dosaggio del cemento associando leggerezza e resistenza meccanica. Anche

il tasso di rigonfiamento è nettamente maggiore: si può raggiungere il triplo del volume

iniziale.


53

Sospensioni a penetrabilità migliorata. Sono concepite per consentire la penetrazione

e la diffusione della miscela in piccoli vuoti intergranulari. Questo scopo può essere

raggiunto con diverse modalità.

1. Riduzione della viscosità e della resistenza a taglio: si ottiene addizionando

fluidificanti e antiflocculanti tenendo costante il tenore di solido disperso

(cemento). Questi prodotti possono essere derivati di sostanze organiche naturali

(lignosolfonati) o sintetiche (poliacrilati, naftalene solfonato) o minerali

(bicarbonato di sodio). Il dosaggio varia da 0.5 a 5% in rapporto al peso cemento e

permette di ridurre la viscosità Marsh da 55-60 a 32-35 secondi (2-8 [mPa⋅s])

mantenendola costante per 20-30 minuti, prima che aumenti rapidamente.

2. Aumento della resistenza alla pressofiltrazione: siccome la pressofiltrazione

aumenta progressivamente la viscosità della miscela a causa della perdita

dell’acqua riducendone la mobilità, con l’aggiunta di peptizzanti (0.4-2.5 [kg/m3]

di miscela bentonite-cemento) o di polimeri ritenitori d’acqua (0.1-5 [kg/m3] di

miscela bentonite-cemento) si contrasta questo fenomeno aumentando la

penetrabilità della miscela.

3. Riduzione della dimensione dei grani solidi in sospensione: è la soluzione

economicamente più gravosa perché comporta la sovracomminuzione del cemento

per ridurre i diametro medio dei grani da 15 a 5 micro In questo modo la

superficie specifica Blaine dei grani passa da 3500 [cm2/g] a valori prossimi a

8000 [cm2/g].

Sospensioni a resistenza meccanica migliorata. Questo scopo si può raggiungere

aumentando il rapporto C/A a viscosità costante utilizzando un plastificante riduttore

d’acqua oppure modificando il rapporto calce/silicio del cemento con l’utilizzo di

additivi silicei reattivi che conferiscono un carattere pozzolanico al cemento. Questi

prodotti possono essere pozzolane reattive naturali o artificiali come le ceneri volatili

delle centrali termiche a carbone e, spesso, sono accompagnati da una piccola

percentuale (in peso rispetto al cemento) d’attivanti quali soda o carbonato di sodio.

Sospensioni a resistenza al dilavamento migliorata. A questo scopo si usano miscele

a rapida rigidificazione o miscele additivate con alcuni millesimi in peso rispetto al

cemento di flocculanti e coagulanti organici che aumentano coesione e viscosità.


54

8.5 Parametri caratteristici delle miscele a base di cemento

PESO SPECIFICO: semplicemente si pesa un volume noto di miscela.

Reologia della miscela allo stato liquido: si determina esclusivamente in laboratorio

con il viscosimetro coassiale.

VISCOSITÀ: in cantiere si misura con il cono Marsh con diametro d’uscita di 4.76

millimetri in base alla norma API 13B. La metodica consiste nell’immettere nel cono

1500 [cm3] di miscela e nel misurare il tempo necessario per la fuoriuscita di 1000

[cm3].

RIGIDIFICAZIONE: questa misura si effettua solitamente in laboratorio con

scissometri di sensibilità adeguata alla resistenza della miscela.

SEDIMENTAZIONE: con questo termine s’intende la separazione delle fasi dovuta

ad instabilità naturale. Nel caso specifico delle sospensioni si ha una tendenza alla

sedimentazione che si traduce in un fenomeno visibile e facilmente misurabile, la

separazione dell’acqua, ed in un altro meno evidente: il progressivo aumento della

concentrazione dall’alto verso il basso. Il primo aspetto è rilevante solo nelle

sospensioni instabili, mentre il secondo fenomeno può essere accentuato anche nelle

sospensioni stabili, al di sotto di un certo limite di rigidità-viscosità.

La sedimentazione si misura con provette graduate della capacità di 1000 [cm3]

(φinterno = 60 [mm]; h = 400 [mm]) in cui la miscela è lasciata a riposo per due ore. Il

processo di decantazione permette la separazione della fase solida che si deposita sul

fondo, sovrastata dall’acqua limpida di cui si misura il volume ( acquaV ). Si esprime

come:

[ ] 100100% ⋅∆

=⋅=Hh

VV

Dtotale

acqua (39)

Le sospensioni con tasso di sedimentazione inferiore al 10% sono ritenute stabili.


55

(60')

(80')

(100')

(120')

Tas

so d

i sed

imen

tazi

one

[%]

60

40

50

30

20

10

2400

Tempo di sedimentazione completa [min]

Rapporto A/C

(80')

(120')

(180')

2.0

1.5

1.0

0.8

Superficie specifica [cm2/g]

40003000 5000

Figura 22 Schema della prova per la determinazione del tasso di sedimentazione, nelle sospensioni di cemento

Figura 23 Relazione fra il tasso di sedimentazione e la granulometria del solido, nelle sospensioni di cemento

Sospensione decantatadopo due ore

Livello iniziale dell'acqua

H

Acqua limpida

Sospensione stabile

∆h

Sospensione instabile


56

TEMPO DI PRESA: per le sospensioni ricche in cemento, il tempo di presa è definito

convenzionalmente dalla prova con l’ago di Vicat e corrisponde a tempi dell’ordine di

qualche ora con rapporti C/A attorno a 2 [-]. Per le miscele stabili additivate a bentonite

o povere in cemento, la presa vera e propria è notevolmente rallentata, quindi si

effettuano misure scissometriche che indicano l’evoluzione nel tempo della resistenza a

taglio. Ciò che interessa, comunque, è il tempo necessario al raggiungimento di una

rigidità tale da bloccare il flusso e mantenere la miscela negli interstizi occupati: questa

rigidità è molto minore della resistenza corrispondente alla presa in termini

normalizzati.

PRESSOFILTRAZIONE: si misura sia in laboratorio che in situ con la filtropressa

standard (filtropressa Baroid) secondo le modalità stabilite dalla norma API 13B.

Siccome, alla pressione normalizzata di 700 [kPa], la pressofiltrazione ha un decorso

proporzionale alla radice quadrata del tempo, il comportamento delle sospensioni a base

di cemento può essere caratterizzato da un unico parametro che esprime la velocità di

flusso dell’acqua pressofiltrata: il coefficiente di pressofiltrazione definito dalla

relazione:

[ ] ( )t

AFk f

⋅=−

400 (40)

con:

=AF volume d’acqua filtrata dopo t minuti [cm3];

400 = volume iniziale del campione [cm3];

Il coefficiente di pressofiltrazione definisce quindi la velocità di drenaggio che

caratterizza la miscela in specifiche condizioni sperimentali che possono essere più o

meno diverse da quelle operative reali. In generale, l’approssimazione è tanto migliore

quanto più finemente poroso è il mezzo, cioè nel caso d’iniezione in un terreno

eterogeneo in cui il flusso avviene lungo vie preferenziali (ghiaia), ma a contatto di

orizzonti sabbiosi.

RESISTENZA A COMPRESSIONE: data la granulometria grossolana dei terreni

consolidabili con sospensioni, le prove meccaniche vengono raramente eseguite su

provini preparati artificialmente in laboratorio; perlopiù si usano campioni di terreno


57

trattato in situ. Nel caso delle sospensioni rivestono un certo interesse anche le prove

sulla miscela pura.

I test di compressione monoassiale o triassiale sono realizzati su provini cubici o

cilindrici di miscela indurita, o terreno trattato, di snellezza 25.1 ≤≤DH

. Le prove sono

effettuate a varie età di stagionatura (intervalli standard di 7, 28 e 90 giorni) su provini

conservati in acqua.

Solo per le sospensioni, le prove di laboratorio offrono indicazioni utili sulla

resistenza e sulla deformabilità del terreno trattato.

RESISTENZA A TRAZIONE: si determina con prove di flessione su provini

confezionati a forma di barretta.

RESISTENZA A TAGLIO: si misura in laboratorio con prove di taglio diretto


58

9 Soluzioni a base di silicato di sodio

Si tratta di liquidi, composti da un colloide (silicato di sodio) e da un reagente,

caratterizzati dall’assenza di rigidità e da una viscosità che evolve nel tempo fino al

raggiungimento dello stato solido consistente in un gel. Questo tipo di miscela

d’iniezione è impiegato in terreni la cui permeabilità ridotta e granulometria fine non

consentono l’utilizzo delle sospensioni. A volte l’utilizzo di soluzioni a base di silicato

di sodio è preceduto da un trattamento con iniezioni di sospensione a base di cemento,

finalizzate al riempimento dei vuoti intergranulari maggiori. Come per le sospensioni, le

soluzioni possono essere impiegate a fini di consolidamento o d’impermeabilizzazione,

sia provvisori sia permanenti.

Le principali proprietà delle soluzioni a base di silicato di sodio sono:

− ridotta viscosità iniziale;

− assenza di rigidità;

− assenza di una fase solida che può separarsi da quella liquida per effetti di

sedimentazione o pressofiltrazione;

− tempo di presa regolabile;

− aumento della resistenza meccanica del terreno trattato;

− riduzione della permeabilità del terreno trattato;

Le soluzioni sono fluidi newtoniani evolutivi per i quali esiste una relazione lineare

fra la portata e la pressione d’iniezione, per ogni valore di viscosità. Siccome

quest’ultima aumenta nel tempo, si ha un incremento proporzionale della pressione, a

portata costante, oppure un calo di portata, a pressione costante. Durante la fase

d’iniezione, queste soluzioni evolutive si diffondono per impregnazione nei terreni

granulari secondo la legge di Darcy e, con ogni dosaggio di silicato di sodio e reagente,

la penetrabilità aumenta con la diluizione, comportando una diminuzione dell’effetto

consolidante. L’azione di un qualsiasi reagente modifica l’equilibrio elettrico, che

mantiene i gruppi di silicati distaccati, portandoli a riunirsi in strutture a catena che

irrigidiscono l’assieme. La resistenza del gel che ne deriva dipende dalla quantità

d’acqua e dalla natura del reagente.


59

I parametri principali che condizionano la distanza di penetrazione fanno capo alla

permeabilità del terreno, al valore della viscosità iniziale ed alla sua evoluzione nel

tempo, alla pressione ed alla durata dell’iniezione. Le soluzioni colloidali sono anche

dette soluzioni evolutive perché la viscosità aumenta nel tempo al raggiungimento dello

stato solido sotto forma di gel.

9.1 Silicato di sodio

Solitamente si presenta come una soluzione acquosa di silice colloidale in ambiente

basico, costituita da gruppi di silice ( 2SiO ) mantenuti in soluzione dalla soda.

Dato che il silicato di sodio commerciale è costituito da una mescolanza di vari

silicati (metasilicato, disilicato e tetrasilicato), la formula generale è:

ONanSiO 22 ⋅ (41)

Il silicato di sodio è caratterizzato dal rapporto ponderale silice/soda, definito come:

[ ]ONa

SiORp

2

2=− (42)

e dalla densità, espressa in gradi Baumé ([°Bé]) o in gradi Twaddle ([°Tw]). A titolo

indicativo, 38 [°Bé] corrispondono ad una massa volumica di 13 [kN/m3] ad una

temperatura di 20 [°C].

I silicati di sodio liquidi abitualmente utilizzati hanno un rapporto ponderale Rp

compreso fra 3 [-] e 4 [-], una densità compresa fra 30 e 42 [°Bé] (52 e 82 [°Tw]) ed un

peso specifico compreso fra 1,36 e 1,38 [daN/dm3].

La qualità del silicato di sodio è denotata anche dal contenuto d’acido silicico, che

influenza direttamente le proprietà del gel di silice formato dalla reazione di

neutralizzazione.

Il silicato di sodio si può trovare anche sotto forma di silicati vetrosi che devono

essere messi in soluzione acquosa in autoclave a 150 [°C] e 0.6 [MPa], oppure in

polvere o atomizzati che possono essere disciolti in acqua a 40 [°C].

È importante rilevare che l’abbassamento della temperatura causa un rapido aumento

della viscosità del silicato di sodio: pertanto è necessario evitarne l’esposizione a

temperature inferiori a 0 [°C] in qualsiasi fase di lavorazione.


60

40Rp = 2.0

Rp = 3.0

30

540

35

10

Rp = 3.3Rp = 3.3

20

25

%SiO2

15 30

60

15 25

%Na2O20

°Bé - %Na2O - %SiO2

°Bé / 20 °C →50

Figura 24 Silicato di sodio: relazione tra i gradi Baumé e le percentuali

di 2SiO ed ONa2 per differenti rapporti ponderali (Rp)

Recentemente, alle soluzioni a base di silice colloidale, sono state affiancate le

soluzioni a base di liquore di silice: si tratta di soluzioni vere di silice disciolta nella

soda, ossia di soluzioni di monomeri veri e propri, mentre la silice colloidale costituisce

soluzioni di polimeri. La silice attivata, associata al reagente minerale, produce

idrosilicati con una struttura cristallina vera e propria: il prodotto risultante è resistente e

stabile nel tempo. Non si tratta, infatti, di una gelificazione evolutiva, come nel caso

della silice colloidale, con formazione d’aggregati di macromolecolari e possibilità di

sineresi, ma di una reazione diretta, che si realizza a livello molecolare. Data la modalità

di reazione, l’impiego del liquore di silice necessita della messa in opera con il processo

Joosten, mediante passate successive dei due componenti in un unico tubo valvolato o

mediante la posa nel foro di due tubi valvolati accoppiati per l’iniezione simultanea dei

due componenti della miscela.


61

9.2 Reagenti inorganici d’origine minerale

Contengono anioni che neutralizzano la componente basica del silicato di sodio.

Affinché i tempi di presa siano sufficientemente lunghi e compatibili con le esigenze

operative, il silicato di sodio deve essere fortemente diluito, perciò questi reagenti sono

utilizzati essenzialmente nei trattamenti impermeabilizzanti (gel tenero). I reagenti

minerali più comuni sono il bicarbonato di sodio e l’alluminato di sodio.

Il bicarbonato di sodio ( 2NaHCO ) libera lo ione bicarbonato ( −2HCO ) che

neutralizza la basicità del silicato con formazione di carbonato di sodio e gel di silice

secondo la seguente reazione:

OHnSiOCONaNaHCOONanSiO 2232222 22 ++→+⋅ (43)

La debole acidità del bicarbonato di sodio permette, con sufficiente diluizione, di

ottenere dei tempi di presa compatibili con l’impregnazione dei terreni.

Tabella 10 Dosaggi usuali delle soluzioni contenenti bicarbonato di sodio come reagente (per m3 di soluzione)

Silicato di sodio (Rp=3,3 [-] e d=35-37 [°Bé]) 100-200 [l/m3]

Bicarbonato di sodio 15-30 [kg/m3]

L’alluminato di sodio ( 2NaAlO ) reagisce con il silicato di sodio formando un silico-

alluminato di sodio dalla struttura complessa:

( ) )1(2 222222 ONammAlnSiOmNaAlOONanSiO +⋅⋅→+⋅ (44)

L’alluminato di sodio, in forma pulverulenta o in soluzione stabilizzata, è introdotto

nella miscela sotto forma di soluzione diluita.

Tabella 11 Dosaggi usuali delle soluzioni contenenti alluminato di sodio come reagente (per m3 di soluzione)

Silicato di sodio (Rp=3,3 [-] e d=35-37 [°Bé]) 50-300 [l/m3]

Alluminato di sodio 10-30 [kg/m3]


62

Tempo di presa

60

Tempo [minuti]

80

20

Viscosità iniziale

10

60

40

20

0504030

Soluzione a base di silicato di sodioReagente: diestere

Viscosità [mPas=Centipoises]

160

140

120

100

200

180

70

Tempo d'iniettabilità

Nel consolidamento dei terreni si utilizzano anche reagenti quali il cloruro di calcio

che provoca la presa quasi istantanea con formazione di un gel di scarsa penetrabilità

che non permette di realizzare il trattamento per impregnazione. Si tratta della reazione

di neutralizzazione alla base del procedimento Joosten per la formazione di un gel duro

impiegato esclusivamente nei lavori di consolidamento del terreno:

( ) NaClnSiOOHCaOHCaClSiOONa ⋅+→++⋅ 222222 (45)

Figura 25 Esempio d’evoluzione della viscosità in funzione del tempo


63

9.3 Reagenti organici

Agiscono con una reazione di saponificazione che libera acidi organici la cui cinetica

chimica può essere regolata con le proporzioni dei componenti. Il ritardo della

gelificazione non è più prodotto dalla diluizione, come nel caso dei reagenti inorganici,

ma dalla lenta formazione di un acido organico che gelifica il silicato liberando acido

silicico.

Possono essere utilizzati indifferentemente per l’impermeabilizzazione (gel tenero) o

il consolidamento dei terreni (gel duro) con una debole diluizione del silicato.

I reagenti organici più comuni sono:

1. Monoesteri: acetato d’etile;

Quest’estere viene lentamente trasformato per idrolisi in alcool etilico ed acido

acetico, che neutralizza il silicato di sodio in misura proporzionale al rapporto

reagente/silicato. Siccome la temperatura può accelerare la presa, è possibile

attuare la sostituzione parziale dell’acetato d’etile con in estere più pesante come

l’acetato d’isobutile.

2. Di-esteri: miscela di succinato, adipato, glutarato di metile o d'etile;

La reazione del di-estere metilico con il silicato di sodio è la seguente:

3COOCH COONa

( )2CH ( )nCHmSiOONamSiO 2222 +→⋅+ OHCH32+ (46)

3COOCH COONa

Il di-estere è idrolizzato con formazione di di-acido che neutralizza la basicità del

silicato con risultante formazione di gel di silice, di un sale di sodio dal di-acido e di

metanolo.

3. Tri-esteri: triacetina;

4. Aldeidi: glyoxal;

La reazione del glyoxal con il silicato di sodio, nota come “reazione di

Cannizzaro”, è la seguente:

( ) 2222 22 nSiOCOONaCHOHONanSiOOHCHOCHO +−→⋅++− (47)


64

Si ha formazione d’acido glicolico che, dopo la neutralizzazione del silicato di sodio,

forma il corrispondente sale di sodio e il gel di silice.

Siccome il tasso teorico di neutralizzazione (quantità di reagente necessaria per

neutralizzare tutto o parte del silicato di sodio) dipende dal quantitativo di reagenti

utilizzato, il dosaggio dei reagenti organici è funzione della loro natura, delle

concentrazioni e delle proprietà che s’intendono conferire al gel:

− tempo di presa,

− resistenza meccanica da conferire al terreno,

− durabilità del trattamento,

− sineresi.

Tabella 12 Dosaggi usuali delle soluzioni contenenti reagenti organici (per m3 di soluzione)

Silicato di sodio (Rp=3,3 [-]e d=35-37 [°Bé]) 180-800 [l/m3]

Reagente organico 40-150 [l/m3]

Tra i reagenti organici meno diffusi si possono ricordare: gli acidi organici (acido

citrico), gli esteri (carbonato d’etile), la formamide.

9.4 Acqua

L’acqua utilizzata nella preparazione delle soluzioni deve contenere quantità di

sostanze organiche o minerali minime e preferibilmente nulle: pertanto non si devono

mai impiegare acque di mare o salmastre.

9.5 Coloranti

La fenolftaleina è un indicatore che può essere impiegato per individuare la presenza

di gel di silice in un terreno iniettato inumidito perché in ambiente basico vira passando

dall’incolore al rosso.


65

9.6 Stato liquido

Le principali caratteristiche di una soluzione allo stato liquido sono:

− DENSITÀ: legata essenzialmente al tenore di silicato di sodio.

− VISCOSITÀ INIZIALE: dipende soprattutto dal rapporto ponderale Rp e dalla

concentrazione del silicato di sodio nella soluzione (rapporto di diluizione S/A =

silicato/acqua). In funzione della diluizione del silicato, la viscosità iniziale della

miscela d’iniezione a 20 [°C] può variare da 1,5 [mPa⋅s] per soluzioni diluite a 30

[mPa⋅s] per soluzioni concentrate. In misura minore dipende anche dalla temperatura e

dal rapporto reagente/silicato.

− VISCOSITÀ EVOLUTIVA FINO AL TEMPO DI GELIFICAZIONE: dipende

dalla qualità del silicato di sodio e dalla dose di reagente. Il silicato meno denso fa

registrare delle viscosità più basse a parità di diluizione, ma, restando nell’ambito dei

dosaggi normali (50÷70% di silicato e 4÷7% di reagenti) l’influenza è minima.

Ovviamente l’evoluzione della viscosità condiziona il tempo d’iniettabilità, perciò è

importante conoscerne lo sviluppo. In generale si osserva che la viscosità si mantiene

pressoché costante per un periodo pari almeno alla metà del tempo di gelificazione.

Dopo un periodo pari a circa 2/3 del tempo di gelificazione si ha un aumento del 50%

della viscosità, mentre un netto incremento (2÷3 volte) si ha solo dopo l’80-90% del

tempo di gelificazione. Per certi reagenti, la soluzione deve essere mantenuta in

agitazione permanente durante l’iniezione, ma il tipo di reagente non influenza

sensibilmente l’evoluzione della viscosità.

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1

t/tg [-]

Figura 26 Evoluzione della viscosità, normalizzata alla viscosità

iniziale (ηι), rispetto al tempo, normalizzato al tempo di gelificazione (tg)


66

Tem

po d

i gel

ific

azio

ne

[sca

la v

aria

bile

]

100

Temperatura [°C]

3020 40

Legge di Arrhenius

− TEMPO DI GELIFICAZIONE: è definito come il tempo che intercorre fra la

miscelazione del silicato di sodio con il reagente ed il momento in cui la soluzione

acquisisce una rigidezza sufficiente ad impedire lo scorrimento. Il tempo di

gelificazione dipende dalla qualità e dalla concentrazione del silicato e dei reagenti.

Esso varia anche con la temperatura ed è regolabile da alcuni minuti fino ad un massimo

di due ore tramite il dosaggio dei componenti (il silicato di sodio ed il reagente). Per

temperature superiori a 20 [°C] vale la legge d’Arrhenius4, mentre al di sotto dei 20 [°C]

il tempo di gelificazione raggiunge un massimo a circa 10 [°C] per poi diventare quasi

nullo attorno a 0 [°C]. Da ciò si deduce che, operando in condizioni ambientali a basse

temperature (0÷10 [°C]), è necessario riscaldare la soluzione durante la fase d’iniezione

poiché la gelificazione, oltre ad essere troppo rapida, diventa reversibile; infatti, le

miscele gelificate a bassa temperatura possono ridivenire liquide se riscaldate.

Figura 27 Effetto della temperatura sul tempo di gelificazione

4 S. Arrhenius (1859-1927) Chimico-fisico svedese. Secondo la sua teoria, gli acidi sono sostanze che,

disciolte in acqua, liberano ioni H+. Invece le basi, disciolte in acqua, liberano ioni OH-. Ovviamente

questa teoria, anche detta “legge d’Arrhenius” è dipendente dalle condizioni di temperatura che

influenzano la cinetica chimica. Questa teoria verrà successivamente revisionata ed ampliata da Lewis.


67

Soluzione a base di silicato di sodioReagente: diestere

30

0

0

15

10

Tempo di presa [min]

45

60

Temperatura [°C]

3020

Figura 28 Variazione del tempo di gelificazione in funzione della temperatura

9.7 Stato solido

L’azione del reagente modifica l’equilibrio elettrico che mantiene i gruppi 2SiO in

soluzione dalla soda. A seguito della gelificazione la soluzione presenta le seguenti

caratteristiche:

− RESISTENZA MECCANICA: è funzione del dosaggio dei componenti e del tasso

di neutralizzazione, inoltre aumenta con la finezza granulometrica del terreno trattato.

Dato che le prove effettuate su campioni di gel puro hanno scarsa valenza, la resistenza


68

Rc 48h [MPa]

P = 40 %

P = 50 %

P = 60 %

0

0.5

1.0

1.5

2.0

Soluzione a base di silicato di sodio Rp = 3.3 (35-37 °Bé) Reagente: aldeide

P = percentuale volumetrica di silicato nella miscela [%]

Percentuale volumetrica di reagente nella miscela [%]

4.54.02.50

meccanica si misura con prove di compressione monoassiale eseguite su appositi

campioni di terreno iniettato.

Figura 29 Resistenza a compressione semplice della sabbia iniettata: influenza del tenore in silicato di sodio e reagente

− SINERESI: è un fenomeno fisico, che interessa unicamente le soluzioni,

consistente in un’espulsione d’acqua basica, accompagnata da una debole contrazione

del gel. È un comportamento dovuto al fatto che, nel gel appena formato, la reazione di

gelificazione non s’arresta, ma continua lentamente, dopo la gelificazione, causando la

policondensazione delle macromolecole di silice con conseguente separazione di due

fasi: gel policondensato ed acqua silicizzata. La grandezza utilizzata per descrivere

l’evoluzione del fenomeno è il tasso di sineresi (Y), definito come rapporto percentuale

fra il volume dell’acqua espulsa ed il volume iniziale del gel. La sineresi dura da trenta


69

Percentuale volumetrica di silicato di sodio nella miscela [%]

Tasso di sineresi [%]

Soluzione a base di silicato di sodio Reagente: diestere

0

0

10

20

20 30 40

30

40

50

50 60 70

a quaranta giorni dopo la gelificazione, con un’evoluzione del tasso di sineresi

dipendente dal tipo di reagente utilizzato e dalla diluizione.

Questo fenomeno è influenzato, oltre che dalla composizione della miscela, anche dalla

granulometria del terreno, che condiziona la possibilità di contrazione del gel: la

sineresi, infatti, si verifica quando il gel non aderisce al supporto costituito dallo

scheletro solido ed è libero di contrarsi. Perciò il fenomeno è trascurabile nelle sabbie

fini (0.06-1.25 [mm]), mentre risulta modesta nelle sabbie grosse (1-3 [mm]). Per

evitare la sineresi, quindi, oltre ad aver cura di controllare la granulometria del terreno

iniettato, talvolta è opportuno far precedere un’iniezione con sospensioni cementizie per

impregnare i vuoti più grossi, avendo cura d’evitare l’idrofratturazione del terreno, entro

cui il gel potrebbe deteriorarsi lasciando dei vuoti.

− RESISTENZA AL DILAVAMENTO: dipende dalla concentrazione del silicato

di sodio e dallo stadio raggiunto dalla reazione di gelificazione.

Figura 30 Tasso di sineresi in funzione del tenore in silicato di sodio

Per quanto riguarda i fenomeni d’alterazione del gel formatosi dopo la fase di

gelificazione, è necessario distinguere tra fattori intrinseci (tasso di neutralizzazione e

sineresi) e fattori chimico-fisici ambientali. Il tasso di neutralizzazione ha notevole

importanza poiché, tanto più completa è la neutralizzazione del sodio da parte del

reagente (tasso di neutralizzazione superiore al 60%), tanto maggiore è la stabilità del


70

gel ottenuto. La presenza del sodio libero non neutralizzato, può, infatti, causare lo

scioglimento del gel.

Tabella 13 Durabilità dei trattamenti in terreni in presenza di falda, dedotta empiricamente

Tasso di neutralizzazione Durabilità

40% <6 mesi

45- 65% 6-24 mesi

>70% indefinita

La sineresi provoca la contrazione del gel con espulsione d’acqua ricca di silice e

sottoprodotti della reazione di neutralizzazione. Questo fenomeno è influenzato da

qualità e concentrazione dei componenti della miscela e non si verifica nel trattamento

delle sabbie fini in quanto è impedita l’eliminazione dell’acqua.

Tra le sollecitazioni meccaniche che limitano maggiormente la durabilità delle

iniezioni, come per le sospensioni, hanno importanza i sovraccarichi protratti nel tempo

che accentuano il “fluage”.

Siccome le soluzioni sono impiegate per l’impregnazione dei terreni fini poco

permeabili, l’erosione è pressoché assente a causa della trascurabile velocità di

circolazione dell’acqua.

La temperatura riveste un ruolo notevole per la stabilità delle proprietà del gel di

silice, infatti ne condiziona la coesione al punto che questa risulta irrimediabilmente

compromessa da cicli successivi di gelificazione e scioglimento.

Nel caso delle soluzioni le acque basiche con valori di pH superiori a 12 [-]

provocano la dissoluzione della silice costituente il gel.

Infine la presenza nel terreno di materia organica naturale o artificiale (rifiuti) e di

microrganismi possono causare a lungo termine alterazioni dovute alla biodegradazione

dei sottoprodotti della reazione di neutralizzazione del silicato di sodio ad opera di

reagenti organici.


71

9.8 Gel tenero per le iniezioni impermeabilizzanti

È caratterizzato da un basso dosaggio di silicato di sodio (10-15% in volume), per cui

il processo di gelificazione è ottenuto per addizione di reagenti minerali (bicarbonato di

sodio o alluminato di sodio).

Tabella 14 Composizioni tipiche di gel tenero (percentuali in volume)

Gel Composizione [% v] Viscosità

iniziale

Tempo di

gelificazione

1

20-30% silicato di sodio

66-77% acqua

3-4% reagente organico

3-8 [mPa⋅s ] 30-90 minuti

2

15% silicato di sodio

82% acqua

3% reagente inorganico

3-8 [mPa⋅s ] 40-90 minuti

La scarsa viscosità iniziale che rende la miscela simile all’acqua consente l’iniezione

anche nelle sabbie fini.

Con iniezioni a bassa pressione si raggiungono al massimo resistenze di 0.2-0.5

[MPa] a compressione e d’alcuni kPa a taglio.Naturalmente questo tipo di soluzioni

conferisce al terreno trattato una scarsa resistenza, trascurabile quando lo scopo

precipuo dell’intervento è l’impermeabilizzazione: si può ridurre la permeabilità del

terreno fino a valori di 6101 −⋅ - 7101 −⋅ [m/s].

L’azione del gel si sviluppa in circa due settimane, fino al raggiungimento di un

coefficiente di permeabilità che risulta stabile per circa un anno, dopodiché inizia ad

aumentare. Per ciò che concerne la durabilità del trattamento, infatti, si riscontra che la

permeabilità nel tempo può aumentare a causa di fenomeni di dilavamento, erosione e

sineresi.

La sineresi si manifesta soltanto se in gel ha la possibilità di contrarsi, cosa che

accade prevalentemente nei terreni a granulometria più grossolana. Perciò, fra i reagenti

minerali, si utilizza l’alluminato di sodio nei terreni grossolani perché conferisce al gel

il minimo tasso di sineresi, mentre nei terreni fini è impiegato il bicarbonato di sodio

che causa un maggiore tasso di sineresi.


72

Percentuale volumetrica di SiO2 [%]400 20 60

20

0

10

70

30

40

50

60

Reagente:AldeideAldeide modificata

Tasso di sineresi a 28 giorni [%]

0.15 < α < 0.25 α = peso del reagente / volume di silicato di sodio

Soluzione di silicato di sodio Rp = 3.35 (35-37 °Bé)

Figura 31 Tasso di sineresi in funzione del tenore in silicato di sodio

9.9 Gel duro per le iniezioni di consolidamento

Si ottiene da soluzioni con forte dosaggio in silicato di sodio (60-80%) e reagenti

organici (esteri o aldeidi), tale da ottenere un tasso di neutralizzazione ottimale stimato

superiore al 66%.

L’elevata resistenza del mezzo trattato si può ottenere, in teoria, solamente con

un’elevata concentrazione di silicato, tale da produrre una reazione istantanea con il

reagente: i due prodotti devono quindi essere introdotti nel terreno separatamente. Su

quest’assunto si basa il procedimento Joosten, perfezionato nel 1925. Per superare gli

inconvenienti pratici ed economici derivanti da tale procedura in due fasi, circa

quarant’anni fa, sono stati introdotti i reagenti organici con funzione indiretta, tale da


73

Tasso di neutralizzazione [%]

Tempo d'invecchiamento dei provini [giorni]

Res

iste

nza

a co

mpr

essi

one

[MPa

]

0.2

0.1

0 4 8

0.4

0.8

1.6

12 16

33.0

20

50.0

66.6

comportare una reazione intermedia che da luogo a prodotti, diversi da quello

originario, che reagiscono successivamente con il silicato di sodio per dar luogo alla

gelificazione.

Figura 32 Resistenza del gel di silice al variare del tasso di neutralizzazione e dell’invecchiamento

La viscosità iniziale può raggiungere i 30 [mPa⋅s] per le soluzioni più concentrate. La

resistenza a compressione semplice delle sabbie iniettate varia da 0.2-0.3 a più di 6

[MPa], poiché queste soluzioni sono impiegate prevalentemente per il trattamento dei

terreni granulari fini. Il terreno trattato con gel duro, ad elevato tasso di

neutralizzazione, sviluppa rapidamente la resistenza già dopo 3 giorni, fino al

raggiungimento del valore finale dopo circa due settimane. In seguito, nell’arco di un

anno tale resistenza s’abbatte del 30% del valore iniziale, per poi finalmente

stabilizzarsi.

Tabella 15 Composizioni tipiche di gel duro con reagente organico

Gel Composizione [% v] Viscosità

iniziale

Tempo di

gelificazione

Tasso di

neutralizzazione

1


20% acqua

16% reagente

15 [mPa·s] 30 minuti 77%

2


30% acqua

20% reagente

7 [mPa·s] 40 minuti 84%


74

Norimberga

Soluzione di silicato di sodioReagente: diestere

Rc 28d [MPa]

[µm] Fontainebleau

0-500-15

0-90

2

0.20.15

0.3

Sabbia di

1

0.250.651.3

2

1

0

2.5

7.5

5.0

0 4 5 6

Percentuale volumetrica di SiO2 [%]

Ovviamente questo tipo di gel ha anche un effetto impermeabilizzante sul terreno

trattato.

La resistenza meccanica acquisita dal terreno aumenta tanto più esso è fine ed

addensato.

Anche le modalità esecutive dell’iniezione influenzano il risultato in termini di

resistenza meccanica, infatti essa aumenta all’aumentare del tasso di riempimento dei

vuoti che è legato direttamente alla maglia di perforazione ed alla pressione e durata

dell’iniezione. La pressione di fine iniezione è un parametro direttamente correlato alla

resistenza meccanica conferita al terreno.

Figura 33 Resistenza a compressione semplice della sabbia iniettata. Incidenza della granulometria


75

9.10 Prove e parametri caratteristici

VISCOSITÀ: si misura in laboratorio con il viscosimetro coassiale.

PESO SPECIFICO: semplicemente si pesa un volume noto di miscela.

TEMPO DI GELIFICAZIONE: per le soluzioni colloidali a base di silicato di sodio,

il passaggio allo stato solido prende il nome di gelificazione e avviene con gradualità.

Siccome non vi è un unico metodo convenzionale di misura, la definizione del tempo di

gelificazione si basa sull’osservazione diretta con semplici controlli tra cui il più usuale

è la procedura “del becher versato” che consiste nel riempire un becher da laboratorio

con la miscela d’iniezione provando periodicamente a versarne il contenuto. Il tempo di

gelificazione è identificato con il momento in cui il contenuto del becher non fuoriesce.

Per le miscele con reagenti poco solubili, si utilizza un agitatore magnetico fino al

momento della gelificazione. In generale il tempo d’iniettabilità è compreso fra la metà

ed i due terzi del tempo di gelificazione.

REOLOGIA: si determina esclusivamente in laboratorio con il viscosimetro

coassiale.

RESISTENZA MECCANICA: si misura in laboratorio con prove di compressione

monoassiale o triassiale in controllo di deformazione (20 [mm/min]) su provini

cilindrici di snellezza 25.1 ≤≤DH

. In questo caso, infatti, le prove meccaniche su

miscele pure generalmente sono poco significative perché è predominante l’effetto

d’interazione fra miscela e terreno, secondo la granulometria e le caratteristiche

chimico-mineralogiche.

PROVA DI SCORRIMENTO VISCOSO (“FLUAGE”): si realizza con apposite

presse avendo cura di evitare l’essicazione del provino.

PROVA DI SINERESI: si effettua in laboratorio lasciando riposare la miscela in

contenitori sigillati di polietilene (il PVC ed il vetro non sono utilizzati).

Prova di lisciviazione: sono realizzate prove di lisciviazione per contatto e per

percolazione. Le prime consistono nell’immergere ripetutamente il provino in acqua

rinnovata, mentre la seconda modalità prevede l’impiego di un permeametro a

membrana. L’analisi del lisciviato consente di individuare le sostanze disperse in acqua.

Queste prove consentono anche di seguire l’evoluzione della resistenza e della

permeabilità del provino di sabbia iniettata.


76

9.11 Resistenza meccanica del terreno trattato

Le prove di laboratorio in cella triassiale, eseguite in controllo di deformazione

(velocità di deformazione di 20 [mm/min] su provini alti 80 [mm], secondo le norme

Progil) hanno dimostrato che l’aumento della resistenza a rottura di un terreno granulare

trattato con gel duro, è dovuto essenzialmente all’aumento della coesione, mentre

l’angolo d’attrito interno non varia sensibilmente.

L’iniezione delle sabbie silicee fini induce la trasformazione del terreno in un mezzo

continuo per affinità chimica fra la miscela ed i grani solidi. Oltre alle eventuali reazioni

chimiche fra la miscela ed il terreno, vi è sempre una netta influenza della distribuzione

granulometrica sulla resistenza delle sabbie iniettate: al diminuire della dimensione

media dei grani, e quindi all’aumentare della loro superficie specifica, si ha infatti un

sistematico aumento della resistenza, a parità di composizione della miscela d’iniezione.

Adottando un inviluppo di resistenza alla Mohr-Coulomb, l’incremento di resistenza

può essere valutato, in termini di coesione, con la formula:

[ ] ( )[ ]ϕϕϕσ sin1cos21

−−⋅⋅⋅= tgkPac B (48)

con:

=ϕ angolo d’attrito del terreo non trattato [°];

=Bσ resistenza a compressione monoassiale del terreno trattato [kPa];

Facendo riferimento alla figura riportata di seguito, l’espressione del criterio di

rottura diventa:

[ ] ϕστ tgckPa ⋅+= 1 (49)

con:

[ ] ( )ϕσσ sin121

1 −⋅⋅= BkPa (50)


77

c

σBσ1 σ

τ

ϕ

Figura 34 Inviluppo di resistenza di Mohr-Coulomb

Nella pratica è possibile assumere, per la resistenza a taglio del terreno trattato, un

valore pari al 30% della resistenza a compressione monoassiale, mentre, per la

resistenza a trazione, quando non la si trascura nei calcoli, si può considerare una

percentuale del 15%.

Inoltre si nota che il comportamento viscoplastico che il gel conferisce al terreno

trattato, rende la resistenza a compressione fortemente dipendente dalla velocità di

sollecitazione: il modulo di deformazione è indipendente dalla pressione di

sconfinamento, ma si riduce all’aumentare della velocità di deformazione. A titolo

indicativo, si nota un calo di resistenza del 50%, riducendo di 20 volte la velocità di

deformazione.

Dalle prove eseguite sullo stesso tipo di terreno, trattato con soluzioni di

composizione differente, risulta che la resistenza a rottura istantanea e a scorrimento

viscoso (“fluage”) aumentano con il tenore di reagente e quindi con il tasso di

neutralizzazione. Quindi, a parità di reagenti, le soluzioni meno concentrate

conferiscono al terreno un comportamento meccanico viscoplastico meno accentuato di

quelle più ricche in silicato di sodio.


78

Velocità di deformazione [% dell'altezza iniziale del provino al minuto]

Modulo di deformazione [MPa]

Pressione di confinamento [MPa]

0

Deformazione [%]

0.5 1.0

2.0

5

25

1.0

2.0

0.02

345

0.2

4

15

σ1−σ

3 [M

Pa]

3.0

4.0

0.08

0.04

0.2

1.5

Tempo di carico

Def

orm

azio

ne v

isco

sa [%

] Sforzo normale σ

Figura 35 Comportamento delle sabbie iniettate con gel di silice, sottoposte a prove di compressione triassiale

Per bassi valori di sollecitazione normale, la deformazione raggiunge rapidamente il

valore massimo e si stabilizza, mentre, all’aumentare del carico applicato, il

comportamento varia fino a condizioni in cui si raggiungono in tempi ridotti elevate

deformazioni che conducono alla rottura.

Figura 36 Comportamento viscoplastico (“creep” o “fluage”) della sabbia iniettata con silicato di sodio


79

Velocità di deformazione (∆L/L)/s [s-1]

N = 30%β = 0.5

Velocità di deformazione per provini h = 100 mm [mm/min]

10-60

1

0.024 0.24

10-5 10-4

N = tasso di neutralizzazione [%]Diluizione β = Vacqua/Vsilicato [-]

2

3

2.4 24

N = 50%β = 1.3

10-3 10-2

N = 50%β = 1.0

N = 70%β = 0.5

σc

[MPa]

Infine si può notare che nelle prove di “fluage” anche il tasso di neutralizzazione

assume notevole rilevanza: quando il trattamento di consolidamento ha carattere

permanente i tassi di neutralizzazione usuali che si aggirano attorno al 40% possono

essere incrementati fino al 100%. Ciò comporta l’impiego di miscele più costose a

causa dell’elevato dosaggio del reagente: 2 o 3 volte superiore a quello abituale.

Figura 37 Resistenza a compressione semplice della sabbia iniettata

con soluzione a base di silicato di sodio

In conclusione è opportuno porre alcune riserve in merito alle metodologie

sperimentali in uso ed alle deduzioni che se ne ricavano. In primo luogo, il grado

d’impregnazione che si raggiunge nelle prove di laboratorio, è superiore a quanto si

ottiene normalmente nella pratica: ne deriva la possibilità che i contatti intergranulari

siano parzialmente ridotti rendendo predominante l’effetto della matrice di gel

sull’interazione scheletro-matrice. Infine, la prova di compressione semplice

rappresenta un modello pessimistico ed inadeguato alla descrizione dello stato tenso-

deformativo reale del terreno trattato, perciò appare migliore l’impiego della cella

triassiale.


80

10 Resine

I diversi tipi di resine si distinguono per la modalità di reazione o indurimento:

1. polimerizzazione: è indotta dall’uso di catalizzatori che agiscono su monomeri

in soluzione acquosa (resine acriliche, fenoliche, amminiche);

2. polimerizzazione e policondensazione: è indotta dalla miscelazione di due

componenti costituiti da polimeri precondensati (resine epossidiche e

aminoplastiche, poliesteri);

Nonostante le resine presentino una grande variabilità in termini di composizione,

proprietà e resistenza meccanica, sono accomunate da un’eccellente durabilità e

pertanto sono impiegate correntemente nei trattamenti permanenti con ottimi risultati.

Esse possono essere alterate soltanto da particolari agenti chimici (acidi, solventi,

basi, ossidanti concentrati).

Le resine sono impiegate sia per il consolidamento che per l’impermeabilizzazione,

soprattutto quando è richiesta durabilità, e sono state concepite per rispondere ad

esigenze che le sospensioni e le soluzioni non sono in grado di soddisfare:

− viscosità ridottissima e costante per consentire l’iniezione di sabbie molto fini;

− elevata resistenza meccanica raggiunta in tempi brevi (alcune ore);

− tempo di gelificazione regolabile tramite le proporzioni dei reagenti e variabile

da alcuni secondi a parecchie ore;

− resistenza alle acque aggressive;

− comportamento reologico pseudoplastico della miscela d’iniezione;

− reattività con l’acqua del terreno;

Le resine appartengono alla categoria delle soluzioni pure in quanto presentano il

vantaggio di mantenere costante la viscosità fino al momento della solidificazione.

Questa proprietà fa sì che la relazione fra la portata e la pressione sia costante durante la

fase d’iniezione, e pertanto il limite d’iniettabilità risulta, in teoria, indefinito, ma in

realtà è subordinato ad esigenze di carattere pratico ed economico: portate e tempi

accettabili con pressioni tali da evitare diffusi fenomeni d’idrofratturazione.

Siccome, per le resine, il passaggio dallo stato liquido a quello solido

(polimerizzazione) è istantaneo, il tempo di presa è misurabile senza incertezza e

regolabile tramite il dosaggio dei componenti.


81

10.1 Resine acriliche

Sono monomeri in soluzione acquosa che reagiscono per polimerizzazione poiché la

reticolazione è ottenuta per addizione di catalizzatori (sistema REDOX).

La miscela d’iniezione è preparata mescolando la resina con un certo volume

d’acqua addizionata ai catalizzatori in quantità variabile in funzione del tempo di presa

richiesto. Per regolare il tempo di polimerizzazione si deve tener conto della

temperatura della miscela, del pH dell’ambiente e delle eventuali contaminazioni da

parte di metalli o d’ossigeno.

Il sistema catalitico è costituito da acceleratore (0.1-5%) e catalizzatore (0.1-5%).

Con i consueti dosaggi (10% di resina in soluzione acquosa), la viscosità della

miscela è vicina a quella dell’acqua: 1 [mPa⋅s].

Secondo il grado di reticolazione raggiunto, il polimero ottenuto è elastico o plastico

e può conferire al terreno iniettato resistenze a compressione semplice prossime a 1.5

[MPa]. Con queste resine è quindi possibile ottenere un modesto consolidamento, ma il

campo d’impiego più consono è l’impermeabilizzazione o la creazione di diaframmi

elastici antivibrazioni. Da un punto di vista prettamente operativo, però, la forte tossicità

ne sconsiglia l’uso in ambienti chiusi quali fabbricati e gallerie.

10.2 Resine acriliche modificate con silicato di sodio

Sono costituite da due componenti entrambi in soluzione acquosa che reagiscono con

gelificazione del silicato di sodio e successiva polimerizzazione della resina:

− soluzione 1: silicato di sodio liquido + catalizzatore per la soluzione 2;

− soluzione 2: resina acrilica con indurente + catalizzatore per la soluzione 1;

La miscela d’iniezione è preparata mescolando le due soluzioni dopo averle diluite in

acqua ed ha una viscosità molto bassa: 2 [mPa⋅s].

Queste miscele conferiscono al terreno buona resistenza meccanica ed hanno la

caratteristica di rigonfiare in acqua.

10.3 Resine acriliche modificate con polimeri

L’aggiunta di polimeri, quali il lattice, conferisce alla miscela d’iniezione elasticità,

buona adesione e cemento e roccia, oltre che resistenza all’estrusione sotto battente

idraulico. Per contro la viscosità è leggermente maggiore rispetto alle resine precedenti:

15 [mPa⋅s].


82

10.4 Resine fenoliche

Il prodotto base più noto è un fenolo bivalente, denominato resorcina, la cui

polimerizzazione avviene per intervento di un’aldeide (solitamente formaldeide) che

costituisce i legami fra i monomeri per ordinarli a catena. La resina è ottenuta partendo

da soluzioni acquose dei due prodotti, che si presentano come polveri da diluire in

acqua, che reagiscono per policondensazione ottenuta per addizione di un reagente che

può essere:

− un acido debole o una base;

− un ossidante;

− un’associazione di più prodotti.

Con le normali diluizioni, la viscosità della miscela è bassa, attorno a 2÷3 [mPa⋅s] e

si mantiene perfettamente costante in un intervallo regolabile con un’opportuna scelta

del dosaggio del catalizzatore. La resistenza della miscela è condizionata dal rapporto

resorcina/formaldeide e dalla diluizione, mentre è quasi indipendente dalla qualità e

dalla dose del catalizzatore.

Il comportamento del polimero puro è di tipo elasto-plastico, mentre la presenza

dello scheletro solido del terreno granulare causa un notevole aumento del modulo

elastico ed annulla il fenomeno del “fluage”, osservabile sulla resina pura. L’iniezione

di queste miscele conferisce al terreno trattato resistenze a compressione superiori a 2

[MPa].

Oltre alla resorcina, esiste un’ampia gamma di fenoplasti di costo inferiore messi a

punto dall’industria chimica, a partire da derivati fenolici per condensazione in presenza

d’opportuni catalizzatori dell’aldeide formica. I composti plurinucleari che ne derivano,

sono di natura liquida e vengono diluiti in acqua. L’indurimento avviene per addizione

di formaldeide e soda con una reazione di policondensazione fortemente esotermica.

Queste miscele si differenziano reologicamente da quelle a base di resorcina, poiché

presentano una viscosità lievemente evolutiva che le pone in una categoria intermedia

fra le soluzioni pure e quelle evolutive; le resistenze possono in ogni caso essere dello

stesso ordine.


83

10.5 Resine amminiche

Il prodotto base di questa categoria di resine è l’urea (carbammide), prodotta per

sintesi dall’ammoniaca e dall’anidride carbonica. La polimerizzazione avviene per

mezzo della formaldeide in ambiente acido o neutro, dopo un tempo regolabile con

opportuni catalizzatori come il cloruro d’ammonio.

La viscosità della miscela può variare da 10 a 100 [mPa⋅s] secondo la qualità della

resina impiegata e la diluizione.

La resistenza a compressione semplice del terreno iniettato varia da 3 a 10 [MPa], ma

il buon effetto consolidante ed il costo relativamente basso, nell’ambito delle resine,

sono controbilanciati dalla preclusione all’impiego in ambienti basici, vale a dire nei

terreni calcarei.

10.6 Resine poliuretaniche con sistema acqua-reagente

Sono resine soluzione in un plastificante o in un solvente, che reagiscono con l’acqua

del terreno per formare un gel duro o tenero.

Il sistema catalitico è costituito da acceleratore.

La viscosità della miscela è elevata: da 10 a 100 [mPa⋅s].

La resistenza a compressione semplice terreno iniettato può superare i 2 [MPa].

10.7 Resine poliuretaniche con sistema bicomponente

Sono resine costituite da due componenti liquidi che reagiscono per poliaddizione su

di un poliisocianato con formazione di un gel duro.

Il sistema catalitico è costituito da un acceleratore.

La viscosità della miscela è molto elevata: da 100 a 1000 [mPa⋅s].

Come per il sistema acqua-reagente, la resistenza a compressione semplice terreno

iniettato può superare i 2 [MPa].

Queste resine sono impiegate nei casi di cavità molto aperte con forti circolazioni

d’acqua che dilaverebbero le normali miscele, mentre queste ultime polimerizzano in

presenza d’acqua, anche in movimento, ed il loro tasso di rigonfiamento raggiunge

valori elevatissimi (fino a 50 [-]).


84

Tabella 16 Principali tipi di resine e rispettivi campi d’applicazione

Tipo di resina Tipo di terreno Applicazioni

Acrilica Granulare molto fine

• Impermeabilizzazione del terreno

all’acqua ed ai gas

• Consolidamento, anche di terreni

sottoposti a vibrazioni, fino a

resistenze di 1.5 [MPa]

Fenolica Granulare molto fine • Consolidamento del terreno

Amminica Granulare organico • Consolidamento del terreno

Poliuretanica Granulare con grossi vuoti • Impermeabilizzazione del terreno

11 Miscele per applicazioni speciali

Si tratta di composti o resine organiche il cui impiego è riservato a particolari

applicazioni non solo per le particolari che forniscono al terreno, ma anche per la

tossicità e le difficoltà di manipolazione.

Miscele a base di bitume. Sono costituite da idrocarburi dall’elevato peso molecolare

derivati dalla distillazione frazionata del petrolio, che si presentano come prodotti

viscosi impiegati a caldo o sotto forma d’emulsioni poco stabili in grado di coagulare al

contatto con le superfici minerali. Queste miscele sono utilizzate

nell’impermeabilizzazione e garantiscono durabilità e resistenza agli agenti corrosivi.

Miscele a base di poliestere. Sono dei prepolimeri in soluzione in un diluente

reattivo, che reagiscono indurendo per polimerizzazione a seguito dell’addizione del

catalizzatore. Sono molto stabili agli agenti chimici e conferiscono al terreno trattato

un’elevata resistenza meccanica.

Miscele a base di resine epossidiche. Sono dei prepolimeri liquidi che reticolano per

poliaddizione grazie ad un catalizzatore. Sono molto stabili agli agenti chimici e

conferiscono al terreno trattato un’elevata resistenza meccanica.

Miscele a base di resine furaniche. Sono ottenute per polimerizzazione d’alcool

furfurilico in presenza di un catalizzatore acido.

Miscele a base di silicone. Sono dei prepolimeri indurenti per policondensazione in

presenza di un agente reticolante o di un catalizzatore. Queste miscele con

grand’elasticità e resistenza chimica sono utilizzate come idrorepellenti.


85

12 Messa in opera delle miscele d’iniezione

Il principio su cui si fonda la tecnica dell’iniezione consiste nell’inviare la miscela

sotto pressione nel terreno da trattare per mezzo di una perforazione.

In base allo scopo del trattamento ed alle caratteristiche del terreno, si possono

distinguere le seguenti tecniche d’iniezione:

A. Iniezione per permeazione o impregnazione: la miscela riempie i vuoti senza

produrre apprezzabili variazioni di volume e di struttura del terreno. L’effetto è di

conferire al terreno incoerente la coesione della miscela iniettata, mantenendo inalterato

l’angolo d’attrito interno. La portata e la pressione dell’iniezione vengono definite dal

progettista in modo da evitare l’idrofratturazione.

B. Iniezioni per idrofratturazione (“claquage”, “encapsulation”, “squeeze

grouting”): la miscela si propaga nel terreno attraverso una ragnatela di fratture

prodotte a scapito di spostamenti nel terreno.

C. Iniezioni solide di compattazione statica (“compaction”, “displacement

grouting”): una miscela molto densa, e non penetrabile nel mezzo trattato, è iniettata ad

elevata pressione (6-10 [MPa]) compattando il terreno circostante con formazione di un

bulbo compresso, secondo il principio di una cavità che s’espande.

D. Iniezione per permeazione-“claquage” o “microclaquage”: questa tecnica

sfrutta il reticolo di “claquage” per ottenere uno scheletro strutturale adeguato a fornire

resistenza a terreni fini che non possono essere permeati dalla miscela. In questo modo

si realizza un trattamento misto d’impregnazione degli strati più permeabili e

compattazione dei passaggi a granulometria più fine, mediante fratturazioni controllate

del terreno, cioè provocando dei fenomeni d’idrofratturazione (“claquage”) in scala

ridotta.

Nonostante la semplicità del concetto alla base del trattamento del terreno mediante

iniezioni, la messa in opera della miscela è un procedimento articolato che si può

sintetizzare nelle seguenti fasi:


86

1. Utensili di perforazione

Corona diamantataCuretta a percussione

Ordine d'interesse crescente da 3 a 1

Energia di percussione riflessaPressione del fluido di perforazioneSpinta sull'utensileVelocità d'avanzamento4. Parametri di perforazione registrati

Al termine di ogni manovraSimultaneo all'avanzamento3. Rivestimento del foro

Miscele a base di bentonite e cementoFanghi biodegradabili Fango bentonitico

2. Fluidi di perforazione

Tecniche di perforazione

Argille, marne

Rocce tenereSabbie, alluvioni

φ foro [mm]

60-10060-10060-100

Rotazione Rotopercussione

AcquaAria

Trivella

TriconoTaglienti

111

33

111 1

1111

211 2

121 1

32 2

311 1

2113

112 3

333 2

11

1. riconoscimento degli orizzonti geologici da trattare;

2. perforazione ed equipaggiamento dei fori d’iniezione;

3. preparazione, trasporto ed iniezione propriamente detta della miscela per mezzo

di una pompa;

4. controllo dei parametri d’iniezione (pressione, portata e volume complessivo) e

delle condizioni al contorno (sollevamenti del terreno, rifluimento a boccaforo).

12.1 Tecnica di perforazione

La perforazione è realizzata con gli stessi diametri (60÷130 [mm]) e le medesime

tecniche impiegate nei sondaggi geognostici: all’estremità di una batteria d’aste cave è

installato l’utensile di perforazione azionato a rotazione o a rotopercussione e dotato di

una spinta assiale trasmessa dalle aste stesse. L’insieme è lubrificato tramite un fluido

immesso nella batteria d’aste ed estratto a boccaforo (circolazione diretta) o viceversa

(circolazione inversa). Senza addentrarsi nel complesso campo della tecnica dei

sondaggi, comunque è necessario rilevare il fatto che il fluido di perforazione deve

essere scelto con attenzione, poiché in taluni casi può provocare l’intasamento dei vuoti

intergranulari del terreno alterandone le caratteristiche e modificando l’effetto della

successiva iniezione.

Schema 1 Tecniche di perforazione e rispettivi campi d’applicazione


87

12.2 Maglia di perforazione

Uno dei primi parametri da stabilire è la forma geometrica del trattamento, ossia

l’estensione spaziale della porzione di terreno iniettato: naturalmente la geometria del

trattamento è condizionata dal tipo d’opera e dallo scopo dell’intervento. Sulla scorta

dei dati sperimentali (caratteristiche del terreno e delle miscele prescelte) e dei dati di

progetto, si può definire la forma generale delle zone di terreno da iniettare e la

distribuzione, l’orientamento e la profondità dei fori d’iniezione, in modo da assicurare

ovunque il minimo interasse prescritto.

Siccome l’iniezione è usualmente effettuata per passate successive all’interno dello

stesso foro, il trattamento può essere modellizzato come un insieme di volumi

elementari cilindrici di terreno iniettato per ogni passata, il cui raggio d’azione è

definito dalla seguente relazione geometrica:

[ ]Ln

VmR

⋅⋅=

π (51)

con:

=V volume iniettato nella passata elementare [m3];

=L altezza del cilindro iniettato coincidente con il passo fra due iniezioni

successive [m];

=n porosità del terreno [-], definita dalla relazione VV

n V= , in cui VV è il volume

dei vuoti e V è il volume apparente del terreno;

Il raggio d’iniezione consente di dimensionare la maglia di perforazione, dopo

averne definito la geometria: correntemente scelta fra lo schema triangolare (a

quinconce) o quadrato.

Con il termine “raggio d’azione” s’intende, infatti, il percorso massimo che la

miscela è in grado di compiere attraverso i pori del terreno, a partire dal punto

d’iniezione, senza che intervengano sensibili mutamenti nei confronti della disposizione

reciproca dei grani del terreno allo stato naturale. Il concetto di raggio d’azione è quindi

collegato ad un effetto d’impregnazione omogenea e regolare dei vuoti del terreno da

parte della miscela, senza turbative dell’assetto granulometrico naturale e, soprattutto,

senza sprechi di fluido d’iniezione.


88

Foro primario1.

5 R

Maglia triangolare

1.8 R R

2 R

Foro secondario

R

2 R

Maglia quadrata

Figura 38 Tipologie di maglia di perforazione comunemente adottate

La validità di questo modello è suffragata da osservazioni sperimentali che

confermano come il raggio d’azione dell’iniezione dipenda da:

− permeabilità del terreno;

− pressione d’iniezione ammissibile;

− volume complessivo iniettato;

− tipologia di miscela (viscosità e tempo di presa).

Per le sospensioni, il raggio d’azione dipende dalla capacità di penetrazione dei grani

solidi, prima che si verifichi il fenomeno della pressofiltrazione, mentre, per le resine e

le soluzioni, il raggio d’azione è condizionato dall’evoluzione della viscosità fino

all’inizio della presa.

Nella progettazione della maglia di perforazione è necessario tenere conto anche

della possibilità di deviazione del foro dalla traiettoria teorica prevista che può

verificarsi a causa dell’eterogeneità del terreno o della lunghezza eccessiva per il

materiale di perforazione impiegato (aste troppo snelle). Per le tecniche di perforazione

utilizzate per le iniezioni, la deviazione sul piano orizzontale si può stimare

realisticamente 35 [mm/m] di foro.

Partendo da queste considerazioni, nella seguente tabella è riportata la spaziatura dei

fori usualmente adottata fino a profondità di 25 metri.


89

Tabella 17 Spaziatura per maglie di perforazione in terreni granulari

Descrizione Spaziatura dei fori [m]

Sabbie fini 0.8 – 1.3

Sabbie ghiaiose 1 – 2

Ghiaie 2 – 4

Terreni granulari (profondità ≤ 25 [m])

Ghiaie sabbiose ( VH kk ≥ ) 3 – 5

La maglia di perforazione è infine determinata grazie a considerazioni geometriche

legate al raggio d’azione teorico ed al tipo d’iniezione: le iniezioni a partire dalla

superficie o da opere ausiliarie sono realizzate con più file di fori paralleli o divergenti,

mentre nel caso d’iniezioni a partire da opere sotterranee si realizzano fori radiali o

secondo le generatrici di coni per i trattamenti in avanzamento. Per quanto riguarda

l’ordine d’iniezione dei fori, due sono i metodi utilizzabili. Il primo, detto

“dell’ingabbiamento”, consiste nel partire dalla periferia della maglia e procedere verso

il centro: in campo aperto risulta vantaggioso perché s’impedisce la diffusione della

miscela all’esterno della zona di terreno da trattare. Il secondo metodo è l’inverso del

primo e consiste nel procedere dal centro alla periferia della maglia di perforazione:

siccome presenta il vantaggio di allontanare progressivamente l’acqua dalla zona da

trattare ed evitare idrofratturazione o sollevamento del piano campagna, è utilizzato

preferibilmente nei trattamenti per impregnazione ed ogni volta che si opera in ambito

urbano.

12.3 Equipaggiamento del foro

Con questo termine, si definisce l’insieme dei dispositivi introdotti nel foro al fine di

permettere l’iniezione della miscela, ad una pressione appropriata.

Il foro può essere lasciato privo di rivestimento se è stabile, altrimenti è rivestito con

tubi giuntati fino alla profondità della zona da trattare, in cui s’interrompe o è

raccordato ad appositi tubi valvolati, ossia dotati di valvole “a manchette” con

spaziatura variabile fra 0.25 e 0.5 metri. Si tratta di valvole costituite da piccoli fori

praticati nel tubo e ricoperti da un manicotto di gomma (manchette) con resistenza tale

da permettere la dilatazione sotto pressione, per consentire l’uscita della miscela, ed

impedirne il rientro al termine dell’iniezione.


90

La cavità anulare compresa fra il rivestimento e la parete del foro è sigillata dalla

cosiddetta “iniezione di guaina”: un’iniezione di sospensione di cemento e bentonite,

appositamente realizzata per consentire la fuoriuscita della miscela dell’iniezione vera e

propria dalle valvole “a manchette” senza bloccarle, e contemporaneamente evitare il

rifluimento a boccaforo. Si comprende, perciò, il ruolo di quest’operazione e la

conseguente importanza d’una corretta esecuzione: la resistenza della guaina, dopo un

certo tempo di maturazione, deve essere tale da impedire che la miscela iniettata in

pressione la sospinga lungo il tubo, e, d’altra parte, non può essere troppo alta perché

deve sempre consentire, anche a distanza di tempo, la rottura radiale entro un

determinato limite di pressione applicata all’interno del tubo.

In generale s’adotta un rapporto C/A attorno a 0.5 [-] ed una dose di bentonite

adeguata a rendere la sospensione stabile ed adeguatamente fluida.

L’iniezione di guaina può essere realizzata dal basso con un apposito otturatore che

occlude il fondo del tubo di rivestimento, oppure sostituendo il fluido di perforazione

con la miscela di guaina nel corso dell’esecuzione del foro o al termine.

In alcuni casi il rivestimento del foro è realizzato con tubi leggeri in plastica che

possono essere rimossi o lasciati in posto al termine dell’iniezione.

12.4 Preparazione della miscela

Siccome la gamma delle miscele si è sempre più ampliata, le tecniche d’iniezione si

sono affinate di pari passo: parallelamente è stato necessario un adeguamento degli

impianti tale da renderli rispondenti alle necessità operative. In prima istanza, infatti,

l’impianto di cantiere deve garantire l’affidabilità del ciclo di preparazione delle

miscele, le cui caratteristiche chimico-fisiche e reologiche non possono discostarsi dalle

specifiche di progetto. Il secondo requisito è l’automazione: la modalità d’iniezione

deve essere programmabile in funzione delle quantità di miscela da iniettare e delle

pressioni limite da raggiungere.

Un primo aspetto delicato è lo stoccaggio dei componenti, che può influenzare in

misura apprezzabile le caratteristiche della miscela: si pensi, ad esempio, al ruolo della

temperatura nella presa del silicato di sodio (il tempo di presa raddoppia o dimezza per

intervalli di ± 6-8 [°C]). Alcuni prodotti, inoltre, possono essere sensibili all’umidità che


91

causa idrolisi o idratazione. Un aspetto correlato alle modalità di stoccaggio dei prodotti

e delle miscele, è la sicurezza dell’impianto, intesa com’efficace protezione dell’uomo e

dell’ambiente dall’eventuale tossicità delle sostanze trattate.

Tabella 18 Metodi di stoccaggio dei componenti per le miscele d’iniezione

Prodotto Metodo di stoccaggio

Cemento, bentonite, sabbia fine, argilla trattata Sacchi

Cemento, bentonite, ceneri volatili, filler Silos

Sabbie, ceneri volatili, filler Cumuli compartimentali e coperti

Tutti i prodotti liquidi Contenitori stagni

La miscelazione dei prodotti avviene attraverso l’impiego di dosatori che ’erogano le

esatte quantità e miscelatori adeguati allo stato fisico ed alle proprietà degli stessi. In

alcuni casi si utilizzano accorgimenti particolari come la pre-idratazione separata della

bentonite per le sospensioni a base di cemento o la miscelazione a boccaforo per le

miscele chimiche speciali a presa rapida.

Tabella 19 Attrezzature usate per il dosaggio dei componenti delle miscele d’iniezione

Componente Dosatore

Prodotti secchi, in piccole quantità Bilancia, dosatore ponderale

(tenendo conto del tasso d’umidità del prodotto)

Prodotti secchi, in grandi quantità Dosatore volumetrico, vite d’Archimede, tramoggia

Prodotti liquidi ed acqua Pompa con contatore volumetrico

Tabella 20 Attrezzature usate per la miscelazione dei prodotti d’iniezione

Tipo di miscela Miscelatore

Sospensioni a base di

cemento

Miscelatore, turbo-miscelatore con elevata velocità di

rotazione della turbina (1500-3000 [giri/min])

Miscele caricate Miscelatore con pompa a circuito chiuso

Soluzioni Miscelatore a palette (velocità di rotazione 30-200 [giri/min])

Resina Miscelatore a pistola


92

Lavorabilità accettabile

Lavorabilità praticabile

Lavorabilità ideale

10

201

5

6040

Tempo d'iniezione [min]

Vis

cosi

tà [

mPa

⋅s]

500

100

50

La lavorabilità delle miscele è molto influenzata dalla viscosità, infatti, con le

comuni attrezzature da cantiere, si possono lavorare e pompare fluidi con viscosità

massima di 800-1000 [mPa⋅s] e rigidezza massima di 50 [Pa]. Durante la preparazione,

la miscela deve essere un fluido omogeneo e con ridotta sedimentazione, in modo da

presentare caratteristiche adatte al pompaggio: in particolare, per i fluidi binghamiani, si

deve mantenere la soglia di taglio inferiore ai 50 [Pa].

Le condizioni ideali di lavorabilità di una miscela d’iniezione consistono in una

viscosità iniziale di 10 [mPa⋅s] che si mantenga pressoché costante per un tempo di

circa 30 minuti, consentendo le operazioni d’iniezione in foro, dopodiché aumenti

rapidamente per limitare la propagazione della miscela nel raggio diffusione di progetto.

Questo comportamento corrisponde solo ad alcune miscele chimiche, mentre gli altri

fluidi d’iniezione s’attestano in zone di lavorabilità praticabile o accettabile.

Figura 39 Lavorabilità delle miscele d’iniezione

Quando le miscele con lunghi tempi di presa sono state preparate, possono essere

stoccate in vasche dotate d’agitatore a palette con bassa velocità di rotazione (30-50

[giri/min]) ed essere riprese successivamente per l’utilizzo con eventuale addizione

d’acceleranti di presa. Nel caso delle miscele con brevi tempi di presa, invece, lo

stoccaggio si può effettuare nello stesso miscelatore, ma per breve durata.


93

Nel caso in cui il punto d’iniezione è distante dal luogo di preparazione, si compie il

trasporto della miscela mediante tubazione fino a vasche di ripresa per mezzo di pompe.

Per le brevi distanze, invece, l’iniezione avviene per mezzo di pompe situate nel

luogo di preparazione della miscela: in questo caso si parla di centrale d’iniezione.

Questa soluzione impiantistica presenta notevoli vantaggi in termini di controllo,

automatizzazione dei processi, rendimento delle pompe. La tendenza attuale, infatti,

consiste nella minimizzazione dell’intervento degli operatori, che si limitano allo

svolgimento dei controlli sui processi in atto: uno dei compiti fondamentali della

centrale, infatti, è la registrazione dei parametri d’iniezione.

Le tubazioni per la miscela d’iniezione sono resistenti alla pressione e, generalmente,

hanno diametro compreso fra 2 e 5 centimetri per consentire portate adeguate ed evitare

la decantazione. Per le iniezioni con resine, le tubazioni sono costruite con materiali che

impediscono il passaggio dei raggi U.V., in grado di alterarne le proprietà.

In ogni caso, è necessario specificare che nella pratica di cantiere risulta

fondamentale lavare opportunamente le tubazioni dopo l’uso per eliminare la presenza

di residui di miscela che, dopo la presa, possono renderle inutilizzabili.

Tabella 21 Attrezzatura impiegata per l’iniezione dei diversi tipi di miscele

Applicazione Attrezzatura

Iniezione a bassa pressione di grandi vuoti con

miscele aerate o caricate

Pompa centrifuga (portata 10 ÷ 50 [m3/h]),

pompa a vite (portata 10 ÷ 20 [m3/h])

Iniezione a portata controllata di:

• miscele caricate con sabbia (d < 2 [mm]);

• sospensioni a base di cemento;

• soluzioni a base di silicato di sodio;

Pompa a pistoni (portata 0.1 ÷ 10 [m3/h],

pressione 0.5 ÷ 10 [MPa])

Iniezione di miscele chimiche Pompa a vite (portata 0.10 ÷ 1 [m3/h])

Iniezione di resina Pompa dosatrice a pistoni

Iniezione di resina in piccole quantità Pistola iniettante

Dato che la temperatura ha effetti importanti sulle miscele d’iniezione, per le

sospensioni a base di cemento, è stata definita una metodologia di calcolo del calo di

temperatura nel tragitto compiuto nella tubazione. Il calcolo può essere eseguito

analiticamente applicando la formula seguente:


94

60

50

40

30

20

10

Dif

fere

nza

fra

la te

mpe

ratu

ra in

izia

le d

ella

so

spen

sion

e e

la te

mpe

ratu

ra d

ell'a

ria [°

C]

0

Cal

o di

tem

pera

tura

del

la

sosp

ensi

one

nel t

ubo

[°C

]

1.0

Portata [l/min]

3.0 5.0 7.560

20 40

15

10

50

25

1000

30

20

Lunghezza del tubo [m]

20010050 400300 500

750 10

0

[ ] ( )

−⋅−⋅⋅⋅=°

Qtt

ekflCdt ai1 (52)

con:

=dt calo di temperatura [°C];

=l lunghezza del tubo [m];

=f superficie interna di un metro di tubo [m2];

=k coefficiente di conducibilità termica del tubo [kcal/m2h°C];

=e efficienza dell’isolamento termico [-];

=it temperatura iniziale della sospensione all’ingresso [°C];

=at temperatura dell’aria attorno al tubo [°C];

=Q portata [l/min]

Per un tubo non isolato, con diametro interno di 26 [mm], spessore 3.5 [mm] e

coefficiente di conducibilità termica =k 11.5 [kcal/m2h°C], la formula precedente si

semplifica e può essere espressa nomogramma riportato in seguito:

[ ] ( )Ql

ttCdt ai ⋅−⋅≈° 02.0 (53)

:

Figura 40 Nomogramma per il calcolo del calo di temperatura delle sospensioni di cemento nelle tubazioni d’iniezione, nel caso d’iniezione in condizioni climatiche fredde


95

12.5 Parametri d’iniezione

In cantiere si deve garantire la realizzazione dell’iniezione secondo le modalità

progettate, facendo penetrare le miscele secondo una sequenza logica prestabilita, basata

sul criterio della penetrabilità crescente, e controllando tutti i parametri d’iniezione.

Le grandezze più significative inerenti alla messa in opera delle miscele d’iniezione

sono definite per un insieme di punti d’iniezione (fori) e sono relative ad una singola

fase.

1. ORDINE D’INIEZIONE DEI FORI. È stabilito in base alle esigenze dei singoli

casi, ma di norma si parte dai fori più esterni, in modo da creare un contenimento che

riduce le dispersioni oltre i limiti previsti ed aumenta progressivamente l’efficacia del

trattamento.

2. VOLUME DI MISCELA INIETTATA PER OGNI PASSATA (V). Esso dipende

essenzialmente dal rapporto volumetrico fra il volume della miscela ed il volume del

cilindro ideale di terreno da trattare, che integra la porosità del terreno ed il coefficiente

di riempimento dei vuoti. Per questo motivo si usa la denominazione: “iniezioni

condotte a volume controllato”. La definizione dei quantitativi delle miscele da iniettare

attraverso ogni valvola, in ordine crescente di penetrabilità, tiene conto di diversi fattori

pratici oltre quelli teorici di progetto. Il riempimento effettivo dei vuoti, la dispersione

della miscela oltre il limite teorico previsto ed il possibile drenaggio, fanno sì che

spesso l’esecuzione dell’iniezione permetta di trarre informazioni utili alla modifica in

corso d’opera delle specifiche di progetto.

3. PRESSIONE D’INIEZIONE (P). Nonostante la complessità del meccanismo di

diffusione della miscela nel terreno, in linea generale, si può affermare che la pressione

d’iniezione aumenta in ragione della portata (Q) e della viscosità (η), mentre diminuisce

all’aumentare della permeabilità del terreno (k) e del passo (l). La pressione d’iniezione

è quindi un parametro difficile da valutare e da controllare, si pensi, ad esempio alla

difficoltà di valutare la caduta di carico per trafilamento alle valvole “a manchette”:

pertanto in questo caso l’approccio numerico perde efficacia a confronto con

l’esperienza degli operatori. L’approccio teorico porta a pensare che i risultati migliori

si ottengano con la massima pressione d’iniezione possibile, mentre le evidenze


96

empiriche sono in contrasto: di fatto si tratta di una problematica ancora in discussione

ed in fase di studio. Teoria e pratica concordano, comunque, sul fatto che la pressione

d’iniezione aumenta con la profondità. È comunque sempre necessario tenere conto

dell’idrofratturazione che può causare effetti collaterali negativi o risultati

insoddisfacenti qualora sia trascurato: a questo fenomeno si riferisce, infatti,

l’espressione “pressione di rifiuto” con la quale s’intende il limite di pressione da non

superare quando non si desidera indurre la rottura del terreno.

Nel campo del trattamento dei terreni la pressione d’iniezione deve essere valutata

con prove ad hoc o stimata empiricamente, ma comunque deve essere inferiore alla

pressione d’idrofratturazione e non deve causare compattazione radiale del terreno, se

non specificamente richiesta.

4. PORTATA D’INIEZIONE (Q). Nel caso delle iniezioni per impregnazione si

deve limitare la portata in modo che la pressione si mantenga inferiore alla pressione

d’idrofratturazione del terreno. La portata deve essere tarata in funzione della

permeabilità specifica del terreno nei confronti della miscela d’iniezione.

Il coefficiente di permeabilità riferito all’acqua fornisce, infatti, solo indicazioni

parziali e spesso fuorvianti in relazione alla capacità d’assorbimento del fluido

d’iniezione. Indicativamente, la portata necessaria a riempire i vuoti intergranulari

maggiori e di 40-60 [l/min], mentre per l’impregnazione dei pori nei terreni fini si usano

portate di 20-30 [l/min]. Al fine di ottimizzare i risultati del trattamento, nella pratica

del cantiere, si adotta anche l’accorgimento di ridurre la portata a 1-3 [l/min] nella fase

finale della passata.

5. DURATA DELLA SINGOLA PASSATA (mediaQV

t = ). L’iniezione in più passate

dalla stessa valvola è una procedura utile ad ottenere l’omogeneità radiale del

trattamento: con un’unica passata, infatti, si rischia che la miscela segua una direzione

preferenziale. Naturalmente, la durata della passata deve essere compatibile con il

tempo di presa e d’iniezione, secondo le caratteristiche specifiche del tipo di miscela

iniettata.


97

Portata

Fase transitoria

Riempimento dei vuoti

Volume di miscela iniettata

Fase finale

Tempo

Raggio di diffusione effettivo

Pressione d'iniezione

6. IL TEMPO D’INIEZIONE. Generalmente è legato allo sviluppo della viscosità

della miscela, alla pressione di pompaggio ed al raggio di diffusione stabilito in sede

progettuale. Secondo il tipo di miscela, il tempo a disposizione per il pompaggio

dipende dallo sviluppo della viscosità e dal tempo di presa: si va dalle 2-4 ore per le

sospensioni di cemento ai 20-60 minuti per le soluzioni, fino a pochi minuti, o

addirittura secondi, per le miscele speciali.

In linea di massima, si può affermare che il tempo d’iniezione per le sospensioni di

cemento coincide con il tempo d’idratazione del cemento, mentre, per le soluzioni di

silicato di sodio, il tempo d’iniezione coincide con il tempo di gelificazione, ossia il

periodo dopo il quale il terreno trattato sviluppa resistenza a taglio.

In particolare, per le sospensioni a base di cemento, è opportuno ridurre il raggio di

diffusione, e quindi il tempo d’iniezione, per evitare che la miscela possa diluirsi

eccessivamente nel terreno, o possa iniziare la presa durante l’iniezione, il che provoca

un aumento della pressione con il rischio d’idrofratturazione.

Al contrario, per le soluzioni, il tempo di presa e quindi il raggio di diffusione, può

essere regolato mediante il dosaggio ed il tipo dei reagenti.

Figura 41 Andamento qualitativo dei parametri d’iniezione in funzione del tempo


98

Il volume di miscela da iniettare ad ogni passata costituisce un importante criterio

d’arresto che deve essere predeterminato in fase di progettazione. Il rapporto

volumetrico fra il volume della miscela da iniettare ed il volume del cilindro ideale di

terreno da trattare è compreso fra il 15 ed il 45% per sabbie e ghiaie e fra il 5 ed 25%

per i terreni coesivi fessurati.

La portata, invece, si stabilisce correntemente in base alla permeabilità del terreno e

può variare fra 0.2 e 1.8 [m3/h].

Naturalmente i valori di pressione e portata precedentemente esposti devono essere

considerati puramente indicativi in quanto, anche nel campo del trattamento dei terreni

con iniezioni, ha validità il metodo osservazionale. Pertanto, i valori previsti in fase

progettuale sono soggetti ad eventuali variazioni a seguito della verifica tramite l’analisi

della risposta del terreno in situ. Infatti, la misura della pressione d’iniezione

corrispondente alla portata di progetto e l’osservazione d’eventuali fenomeni quali il

sollevamento del terreno o il rifluimento di miscela a boccaforo consentono il controllo

della correttezza dei parametri d’iniezione.

Indicativamente il valore della pressione dell’iniezione per permeazione, misurato in

testa al foro, è 33σ=P , il che è compatibile con la necessità di evitare

l’idrofratturazione, se si considerano le perdite di carico che avvengono lungo il foro e

soprattutto nelle valvole “a manchette”.

Nei casi di terreni con scarsa permeabilità s’applica spesso il trattamento

d’idrofratturazione e serraggio progressivo. Durante la prima fase s’inietta una miscela a

base di cemento fino al superamento della pressione d’idrofratturazione. In seguito si

procede con una portata di 0.6-0.8 [m3/h] iniettando un volume pre-fissato di miscela

per evitarne l’eccessiva diffusione. Dopo la presa si ritorna su ciascun punto d’iniezione

ripetendo l’operazione se la pressione resta inferiore ad un valore prefissato, che tiene

conto del tipo di terreno e delle condizioni al contorno.


99

Rondelle di serraggio

Muratura o terreno resistente

Gomma

12.6 Metodi d’iniezione

1. Iniezione dalla testa del foro. Questo metodo, adatto a trattamenti poco profondi

e resistenti o per l’iniezione attraverso murature, prevede che la miscela sia iniettata

applicando la pressione su tutta la lunghezza del foro, occluso in testa per mezzo di un

otturatore gonfiabile o di un raccordo filettato.

Figura 42 Schema del metodo d’iniezione dalla testa del foro

2. Iniezione dalla batteria d’aste di perforazione. Si tratta di un’applicazione

particolare dell’iniezione in avanzamento in cui, però, il fluido di perforazione è

costituito dalla miscela d’iniezione a base di cemento. È anche possibile perforare con il

fluido ordinario e, al termine, riempire il foro di miscela che funge da guaina per il tubo

valvolato inserito in seguito.

3. Iniezione per passate successive in estrazione. Questa tecnica, largamente

diffusa, consiste nell’iniettare sezioni del foro di lunghezza variabile tra 0.25 e 1 metro

partendo dal basso e risalendo fino al limite superiore della zona da trattare, con

l’ausilio di un tubo valvolato.

Completata la perforazione, s’introduce nel foro il tubo valvolato di materiale

plastico, con diametro compreso fra 1 e 1.5 [inch] e 2 o 3 valvole per metro. Esso è

provvisto, ad intervalli regolari, di fori coperti da valvole di non ritorno (valvole “a

manchette”).

Successivamente si riempie l’intercapedine esterna con una miscela cementizia a

bassa resistenza (iniezione di guaina).


100

Iniezione di guaina

Guarnizioni "a coppelle"

Valvola "a manchette"

Terrenotrattato

Trattamento in corso

Miscela in pressioneTubo valvolato

Terrenonon trattato

La composizione di questa miscela di cemento e bentonite è caratterizzata da un

rapporto C/A attorno a 0.5 [-] ed una dose di bentonite adeguata a renderla stabile e

fluida. Solitamente l’iniezione di guaina è realizzata attraverso la valvola di fondo. Una

volta indurita la guaina s’inietta, in modo localizzato su di una singola valvola, per

mezzo di un doppio otturatore (a coppelle o idraulico con guarnizioni d’espansione).

La miscela d’iniezione solleva la valvola e rompe la guaina diffondendosi nel terreno

circostante. Lo scopo della guaina, infatti, è d’impedire la risalita della miscela lungo

l’esterno della tubazione, obbligandola ad interessare di volta in volta le singole sezioni

cilindriche definite dalla posizione delle valvole. La resistenza della guaina, al termine

della maturazione, deve essere sufficiente ad impedire che la miscela iniettata la

sospinga lungo il tubo e tale da consentire la rottura radiale entro un certo limite di

pressione applicata alla valvola.

L’iniezione è effettuata isolando le singole sezioni, dotate di valvole, mediante un

doppio otturatore ad espansione o con guarnizioni “a coppelle”. Al termine della fase

d’iniezione, quando viene meno la pressione del fluido, la valvola si richiude

impedendo il ritorno del materiale iniettato all’interno del tubo valvolato. Dopo aver

lavato l’interno del tubo, le valvole sono pronte per essere riutilizzate nelle successive

passate.

Figura 43 Iniezione con tubo valvolato, mediante otturatore doppio “a coppelle”


101

Guarnizioni gonfiabili "packers"

Iniezione di guaina

Aria compressa

Terrenonon trattato

Terrenotrattato

Valvola "a manchette"


Miscela in pressione

Tubo valvolato

Uno dei maggiori vantaggi di questo metodo è legato al fatto che consente

l’esecuzione dell’iniezione “a volume controllato” in più fasi, eventualmente con

l’impiego di miscele diverse per ogni fase, in modo da realizzare iniezioni di

riempimento dei vuoti maggiori e, successivamente, iniezioni d’impregnazione con

miscele a maggiore penetrabilità. Nel caso di terreni eterogenei, invece, è possibile

differenziare la miscela adattandola alle caratteristiche del terreno.

Un ulteriore vantaggio offerto dall’iniezione con tubo valvolato è la possibilità

d’implementare l’iniezione con il procedimento Joosten, iniettando

contemporaneamente con più tubi, diversi componenti chimici che si mescolano e

reagiscono nel terreno.

La flessibilità operativa consentita da questi dispositivi preventivamente posti in

opera e funzionanti a lungo termine rende anche più agevoli ed economiche eventuali

modifiche in corso d’opera, parte integrante di una progettazione basata sul metodo

osservazionale.

Figura 44 Iniezione con tubo valvolato, mediante otturatore doppio gonfiabile


102

Guarnizioni

Lung

hezz

a de

lla p

assa

ta

Parete del foro


Terrenotrattato

Cavità sotterranee

Terreno da trattare

Argille, sabbie e ghiaieOrdine d'interesse crescente da 2 a 1 Rocce tenere

Otturatore in testa al foro

Tipo d'otturatore

Otturatoresemplice

Otturatoregonfiabile

11 22 2

1

12

Rivestimento del foro

Tubo valvolato

Tubo metallico

Tubo giuntatoTubo flessibile

Tubo continuoAssente

4. Iniezione in avanzamento. In questo caso si esegue un tratto di foro, si ritira di

qualche metro l’utensile di perforazione e s’inietta immediatamente attraverso le aste.

S’attende la presa della miscela e si perfora nuovamente il terreno iniettato proseguendo

poi attraverso il terreno naturale sottostante, per poi ripetere nuovamente l’operazione.

Ovviamente il foro non deve essere rivestito poiché l’iniezione si esegue attraverso le

aste di perforazione. Si tratta di un procedimento molto oneroso che non consente un

accurato controllo del risultato.

Figura 45 Iniezione nel foro non rivestito, mediante otturatore semplice

Schema 2 Attrezzature d’iniezione e rispettivi campi d’applicazione


103

Tabella 22 Metodi d’iniezione a confronto

Tecnica d’iniezione Vantaggi Svantaggi

Iniezione dalla testa del foro

• Permette portate elevate

• Rapidità

d’equipaggiamento del

foro

• Impossibilità di passate

selettive

• Il terreno deve avere

resistenza sufficiente da

consentire la tenuta

dell’otturatore

Iniezione con tubo valvolato

• Iniezione indipendente

dalla perforazione

• Possibilità d’iniezione

selettiva e ripresa in

fasi successive

• Necessità

d’equipaggiamento del

foro con tubo valvolato

Iniezione in avanzamento

• Sezioni di terreno

trattato perfettamente

delimitate

• Possibilità di pressioni

elevate

• Possibilità d’iniezione

senza equipaggiamento

del foro

• Necessità di perforazione

del terreno trattato dopo

ogni iniezione

• Possibilità di sollevamento

del piano campagna

Iniezione dalla batteria d’aste

di perforazione

• Permette portate elevate

• Buon’esecuzione della

guaina

• Impossibilità d’iniezione

selettiva e mirata

• Restrizioni su

composizione e viscosità

della miscela


104

12.7 Controlli durante l’iniezione

Durante la fase d’iniezione vera e propria è necessario effettuare, a livello della

centrale, il controllo strumentale dei parametri caratteristici dell’iniezione: pressione,

portata e volume totale iniettato. La tecnologia a disposizione consente l’acquisizione

automatica di tali parametri, la registrazione, l’elaborazione e la restituzione in forma

grafica e numerica. Ciò permette la gestione e la regolazione dell’iniezione in tempo

reale, grazie al “feed-back” immediato fra la strumentazione di controllo e l’impianto.

Un ulteriore controllo riguarda la sorveglianza dei sollevamenti del piano campagna,

effettuata mediante tecniche di livellazione topografica, o strumentazione laser-scanner

nei casi più delicati. Per tenere sotto controllo tali movimenti, mantenendoli entro valori

accettabili, si può variare la portata, i volumi di miscela per passata ed in totale oppure

le distanze tra i punti d’iniezione simultanea. Qualora si superi la tolleranza imposta sul

sollevamento del terreno s’interviene limitando la pressione d’iniezione.

Infine si opera un controllo visivo sul rifluimento della miscela a boccaforo, che è

sintomo inequivocabile d’inconvenienti quali l’inefficacia dell’iniezione di guaina,

l’eccessiva pressione della miscela o il mancato assorbimento nel terreno.


105

13 Studi preliminari

Lo scopo degli studi preliminari è l’acquisizione di conoscenze sufficienti sul terreno

e sull’opera da consolidare o impermeabilizzare, al fine di poter prospettare le soluzioni

tecniche più valide in termini di costi, tempi d’esecuzione e ricadute ambientali.

A seguito della scelta della modalità d’intervento più idonea, le informazioni raccolte

consentono la messa a punto delle indagini specifiche successive.

Per accertare la fattibilità e definire le più adeguate modalità di un trattamento con

iniezioni, si dovrà quindi procedere attraverso le seguenti fasi:

1. Studio della natura del terreno, della sua struttura e dell’idrologia sotterranea

mediante sondaggi geognostici, osservazioni piezometriche e prove di

permeabilità in situ.

2. Indagini di laboratorio su provini rappresentativi per la determinazione dei

parametri geotecnici d’interesse generale e specifico ai fini della valutazione

d’iniettabilità.

3. Formulazione in laboratorio di uno più tipi di miscele presumibilmente idonee

ed esecuzione di prove specifiche relative allo studio dei parametri d’iniezione:

penetrabilità, limiti di pressione, portata e tempo, effetti consolidanti ed

impermeabilizzanti, compatibilità ecologica.

4. Prove d’iniezione e controllo dei risultati in situ, per verificare i dati

sperimentali colmandone le lacune e trarre indirizzi pratici più precisi sulle

modalità operative.

La sintesi dei dati raccolti in questa fase, orienta il progettista nella scelta della

tecnica di trattamento più appropriata ed influenza la successiva fase di studi specifici.


106

Schema 3 Diagramma di flusso degli studi preliminari ai trattamenti d’iniezione

13.1 Studio del sito

Lo studio geologico ed idrogeologico costituisce la prima fase degli studi preliminari

ed ha come obiettivo l’acquisizione di un’immagine di dettaglio sufficiente del contesto

in cui si effettua il trattamento, comprendente ogni aspetto che può essere influenzato

dall’esecuzione dei lavori.

L’analisi delle carte geologiche, dei sondaggi e degli studi già eseguiti, consente di

realizzare sezioni geologiche preliminari che orientano le successive fasi che si

articolano attraverso sondaggi geognostici, indagini geofisiche, prove idrogeologiche.

Struttura geologica

Sezione geologica

Idrogeologia

Condizioni al contorno

Studio del sito

Esame delle diverse soluzioni

Stima dei costi

Tempistica esecutiva

Ricadute Altri trattamenti

Scelta del trattamento con iniezioni

Individuazione della zona da trattare

Studi specifici dei

parametri d’iniezione Individuazione delle proprietà da

conferire al terreno

Studi complementari (geologici,

geotecnici, idrogeologici) Analisi dei risultati

Prove d’iniezione in sito Progetto del trattamento

Schema tipo degli studi preliminari ai trattamenti d’iniezione


107

13.1.1 Sondaggi geognostici e campionamenti

I metodi di perforazione per indagini geognostiche appartengono solitamente a due

categorie: a percussione o a rotazione.

L’avanzamento a percussione con sonda a valvola (curetta) e rivestimento protettivo

costituisce, in linea di principio, il procedimento più adeguato alla campionatura di

terreni granulari con ghiaia e ciottoli, solo se si opera con grandi calibri (300÷600

[mm]). Infatti, oltre all’inconveniente più noto, il rimaneggiamento del campione, si

rischia il rimescolamento di strati differenti, frequente nelle fitte alternanze che

caratterizzano i depositi alluvionali, ed il parziale dilavamento della frazione più fine.

Le perforazioni a rotazione con recupero di carota permettono di ricostruire con

precisione la stratigrafia ed ottenere campioni da sottoporre a prove di laboratorio, ma i

piccoli calibri usuali (75÷150 [mm]) possono comportare la frantumazione del materiale

più grossolano ed uno scarso recupero degli elementi lapidei maggiori. I calibri usuali,

quindi, si addicono ai terreni coesivi e lapidei. Una soluzione a tali inconvenienti è

rappresentata dall’impiego di carotieri di maggior calibro (200÷300 [mm]) azionati a

rotazione senza circolazione di fluido ordinario (acqua o fango), ma purtroppo questa

scelta cade in difetto quando si effettua il carotaggio sotto falda, a causa della bassa

densità relativa del terreno. In questo caso si ottiene un recupero rappresentativo con

l’uso di campionatori a pistone stazionario infissi a pressione.

Infine è utile ricordare che quando il campo granulometrico è molto esteso e

comprende anche un’apprezzabile frazione limo-argillosa, ripartita o concentrata in

livelletti, il prelievo a percussione con curetta tende a sottovalutarne l’entità, mentre il

carotaggio a rotazione con piccolo diametro porta ad una valutazione in eccesso.

Infine, i sondaggi a distruzione con diagrafia dei parametri di perforazione, in

seguito alla taratura con i carotaggi, consentono un rapido ed economico riconoscimento

della stratigrafia.

13.1.2 Prove di permeabilità in situ su terreni incoerenti

Con i fori realizzati per i sondaggi geognostici, opportunamente rivestiti, si possono

definire le caratteristiche idrogeologiche del sito: è possibile identificare gli acquiferi, le

quote piezometriche, i gradienti idraulici, la permeabilità globale.

Le prove più economiche e comuni sono eseguite in avanzamento entro i fori di

sondaggio, rivestiti fino all’orizzonte di prova o fino al limite superiore di una zona


108

filtrante cilindrica creata mediante la posa di ghiaia o sabbia, con graduale sollevamento

della colonna. La più diffusa fra queste metodologie d’indagine è la prova Lefranc che

consiste nell’immissione a gravità, d’acqua a fondo foro e nella misura della portata

d’assorbimento.

Un’altra modalità d’indagine, denominata prova Lugeon, consiste nell’isolamento di

un tratto di foro con un doppio otturatore gonfiabile e nell’immissione d’acqua in

pressione nella sezione individuata. Il procedimento si basa sull’aumento della

pressione per intervalli discreti e la misura della corrispondente portata d’assorbimento.

La valutazione del coefficiente di permeabilità (k) presenta sempre difficoltà ed

incertezze: salvo nei casi di terreno omogenei ed isotropi e di condizioni al contorno

perfettamente note, i valori sperimentali possono essere affetti da notevoli errori.

Le modalità di perforazione, di pulizia del foro e d’isolamento della sezione filtrante

sono essenziali per l’attendibilità di queste prove, che possono essere condotte:

• con l’immissione o l’estrazione d’acqua;

• a carico idraulico costante, attendendo la stabilizzazione della portata;

• a carico idraulico variabile, misurando il livello d’acqua in funzione del tempo,

dopo aver creato un temporaneo innalzamento o abbassamento del livello

statico.

Una regola empirica orientativa stabilisce che il limite inferiore del coefficiente di

permeabilità, per una valutazione con metodi semplici, sia dello stesso ordine di

grandezza di quello pratico d’iniettabilità: k = 10-6 [m/s].

Per una maggiore accuratezza è necessario ricorrere a fori o tratti di foro attrezzati

come veri e propri pozzi filtranti, isolando opportunamente la zona da indagare.

In generale si stabilizza il livello idrico con una o più portate diverse, predisponendo

talvolta una rete di piezometri circostanti per una migliore interpretazione dei risultati

ricostruendo un reticolo idrodinamico di maggior dettaglio. Con questa procedura si

realizzano valutazioni globali in formazioni omogenee ottenendo dati accurati di

permeabilità orizzontale.

Nella fase di studio preliminare appare invece più utile realizzare una fitta serie di

misure puntuali con un procedimento basato sulla misura della velocità verticale di

circolazione dell’acqua entro un pozzo filtrante mediante un “micromulinello”. Le

prove sono eseguite, dopo un accurato spurgo, entro un foro allestito con filtro continuo


109

che interessa tutta la zona da indagare e senza la necessità d’isolare strati più o meno

permeabili. Si procede in due fasi distinte:

1. misura delle eventuali velocità naturali, indicanti la presenza di falde acquifere a

diverso livello piezometrico;

2. misura delle velocità durante l’immissione o l’estrazione di una portata costante

a livello stabilizzato entro il pozzo.

I rilievi sono effettuati ad intervalli di profondità stabiliti e possono essere infittiti

secondo le variabilità o le anomalie riscontrate. In base ai dati di velocità raccolti si

individuano gli strati omogenei dal punto di vista della conducibilità idraulica.

La determinazione del coefficiente di permeabilità k è permessa dalla formula di

Dupuit semplificata:

[ ]HL

Qsmk

∆⋅=/ (54)

con:

=L spessore dello strato [m];

H∆ = depressione o innalzamento della falda a regime nel pozzo [m];

Q = portata [m3/s] desunta dalla relazione:

[ ] RvAsmQ ∆⋅=/3 (55)

con:

A = sezione orizzontale del pozzo [m2];

Rv∆ = differenza fra le velocità risultanti alle estremità dello strato [m/s];

Anche con questo metodo, il limite inferiore della permeabilità apprezzabile è

dell’ordine di grandezza di 10-6 [m/s].

Nel contesto delle prove di permeabilità in situ è anche utile effettuare l’inventario

delle opere idrauliche esistenti (pozzi, condotte…) e disporre analisi chimiche delle

acque.

Per concludere, è interessante ricordare che, in assenza di falda acquifera,

l’interpretazione teorica delle prove di permeabilità è molto complessa, se non

impossibile: perciò si deve ricorrere a formule empiriche spesso molto approssimative.


110

13.1.3 Prove geofisiche

La geofisica permette d’approfondire la conoscenza del sottosuolo ottenendo dati di

carattere estensivo che completano le informazioni puntuali acquisite con le

perforazioni. Fra le tecniche di più largo impiego si possono citare la sismica

(tomografia sismica con tecniche down-hole e cross-hole), i sondaggi elettrici resistivi e

la microgravimetria per l’individuazione delle cavità sotterranee.

13.1.4 Prove di laboratorio

Gli studi geotecnici basati sulle prove di laboratorio (permeabilità, resistenza a

compressione e a taglio…) permettono di completare la conoscenza dei parametri

d’iniettabilità caratteristici.

Le difficoltà di campionamento, cui si è fatto cenno al paragrafo 13.1.1 “Sondaggi

geognostici e campionamenti”, comportano innanzi tutto l’esigenza di una completa

informazione sulle modalità di prelievo, affinché sia possibile programmare le prove di

laboratorio più adeguate e stimarne il grado d’attendibilità.

Come esigenza minima, i provini devono riprodurre la composizione granulometrica

reale del terreno; nei casi di fitte alternanze o intercalazioni, la decomposizione può

essere effettuata direttamente oppure analiticamente su di una curva granulometrica

media.

Le caratteristiche volumetriche (densità relativa, porosità…) sono valutate solo su

campioni che danno garanzie di buona conservazione della struttura originale.

Le prove di permeabilità su materiale ricostruito in laboratorio forniscono indicazioni

utili solo nel caso, molto raro, di sabbie pulite e con granulometria molto uniforme. Nel

caso in cui si disponga di provini “indisturbati”, si eseguono prove con il permeametro a

membrana.

Per tutte le prove eseguite su terreno iniettato è importante conoscere con precisione

la modalità di preparazione del provino e d’esecuzione dell’iniezione.

Un primo metodo di preparazione dei provini consiste nell’impasto omogeneo di

miscela e terreno secco in quantità prefissate: l’uso di sabbia uniforme può essere utile

per un raffronto speditivo di miscele diverse, ma fornisce risultati poco significativi per

quanto riguarda sia la resistenza che i moduli di deformazione. Ciò è dovuto al fatto

che, per l’omogeneità dell’impasto, si è costretti ad introdurre un eccesso di miscela


111

rispetto al volume dello scheletro solido: ne consegue un’elevata saturazione dei vuoti

ed una probabile riduzione dei contatti intergranulari.

Un secondo metodo consiste nell’iniezione “in candela” di un campione di terreno

indisturbato o ricostruito con precise modalità. Si tratta di una procedura abbastanza

complessa, che però può fornire informazioni più precise e complete, sia in senso

assoluto che comparativo. Il procedimento più largamente diffuso è stato messo a punto

dalla società francese Rhone-Progil. Il materiale di riferimento è la sabbia di

Fontainebleu: una sabbia silicea fine con diametro dei grani compreso fra 0.1 e 0.3

[mm], con superficie specifica =SS 139 [cm2/g] o =0S 375 [cm-1]. La sabbia viene

immessa e costipata in un tubo di PVC trasparente lungo un metro e con diametro da 40

a 100 millimetri.

La compattazione è attuata in modo da ottenere le seguenti caratteristiche medie:

Tabella 23 Caratteristiche della sabbia di Fontainebleu

Peso dell’unità di volume del terreno alleggerito ( 'γ ) 1.626 [cN/cm3]

Porosità (n ) 0.386 [-]

Coefficiente di permeabilità all’acqua (k ) 8.4·10-5 [m/s]

Il cilindro di prova è dotato, alle estremità, di filtri ed otturatori ad espansione che

impediscono il rigonfiamento del campione durante le operazioni d’iniezione.

Dopo aver saturato d’acqua il campione, l’iniezione è effettuata dal basso mediante

una pompa o un compressore d’aria tramite un serbatoio in cui la miscela può essere

mantenuta in agitazione.

L’iniezione è attuata con una portata tale da rendere la durata della fase

d’impregnazione compresa fra 15 minuti ed il tempo di presa: normalmente questa fase

dura circa mezz’ora.

Al termine del trattamento, il campione è conservato per due giorni in posizione

verticale in un contenitore ermetico. Il cilindro così formato è successivamente

sezionato in tronconi da 8 [cm] per ricavare i provini cilindrici, scartando le sezioni

d’estremità.


112

Setto di drenaggio

Campione da iniettare

Compressore d'aria

Filtro

Miscela d'iniezione

Figura 46 Schema d’impianto per la prova d’iniezione “in candela” secondo il procedimento Progil

In cantiere i provini sono preparati immettendo la miscela in un contenitore

cilindrico (φinterno = 40 [mm]; h = 100 [mm]) per un’altezza compresa fra 30 e 50

millimetri e, in seguito, versando lentamente la sabbia del sito fino a riempimento.

Durante questa fase la miscelazione è effettuata per scuotimento del contenitore ed urto

della base su di una superficie rigida. Dopo aver controllato che un sottile strato di

miscela ricopra la sabbia, il contenitore è sigillato e conservato per 48 ore in posizione

verticale. Successivamente si ricavano i provini con la stessa modalità e le stesse

caratteristiche dimensionali di quelli di laboratorio.

13.1.5 Ispezione del sito

L’analisi ed il censimento del quadro statico e fessurativo degli edifici e delle opere

adiacenti il sito da trattare forniscono importanti informazioni sulla situazione in

oggetto di studio e si rivelano anche molto utili a fini contrattuali e legali.


113

13.2 Studi specifici

A seguito della scelta del trattamento con iniezioni, il progettista precisa gli elementi

specifici necessari alla definizione degli obiettivi e degli effetti del trattamento,

all’ottimizzazione della tecnica d’iniezione e alla messa a punto dei metodi di controllo

dei risultati.

Le indagini messe in atto in questa fase si differenziano in base allo scopo del

trattamento.

Trattamento dei terreni. In questo caso hanno un ruolo importante le informazioni

fornite dall’analisi delle diagrafie di perforazione, poiché il loro impiego non si limita

agli studi preliminari, ma si estende alla fase esecutiva vera e propria grazie

all’esecuzione dei fori d’iniezione.

Trattamento delle opere. L’indagine documentale è incentrata sull’analisi dei progetti

costruttivi e della documentazione di cantiere alla ricerca d’informazioni sul terreno di

fondazione, sui metodi di realizzazione e sulle strutture e sui materiali. Successivamente

si procede all’analisi del quadro fessurativo e alle misure topografiche per definire

l’assetto statico. L’esecuzione di sondaggi geognostici o piccoli scavi a ridosso delle

fondazioni e l’impiego di tecniche geofisiche consentono l’attualizzazione delle

informazioni contenute nella documentazione progettuale analizzata. In casi

particolarmente delicati si procede anche al prelevamento ed all’analisi dei materiali

strutturali contestualmente all’esame endoscopico dei fori di prelievo.


114

14 Prove preliminari d’iniezione in situ

Il completamento degli studi preliminari porta alla messa a punto di un procedimento

teorico di trattamento che, secondo la complessità e l’importanza dell’opera, necessita

della calibrazione e della messa a punto attraverso prove d’iniezione in sito che debbono

essere realizzate al meglio per garantirne la rappresentatività. Generalmente, infatti, la

raccolta di dati sperimentali secondo i criteri espressi nei paragrafi precedenti è

sufficiente per la progettazione di un trattamento: con tali premesse, il conseguimento di

un buon risultato può essere garantito da accurati controlli in corso d’opera atti a

suggerire le varianti operative eventualmente necessarie. Le prove d’iniezione in fase

progettuale sono quindi riservate a problemi di particolare importanza o delicatezza, ai

fini dell’orientamento delle scelte tecnico-economiche.

Gli scopi di tali prove sono:

1. Innanzi tutto, la verifica dell’adeguatezza della tecnica di perforazione,

dell’equipaggiamento del foro e del metodo d’iniezione. Anche la maglia di

perforazione è sperimentata per controllare che la disposizione e la lunghezza dei fori

siano sufficienti.

2. La verifica della composizione della miscela, controllando che la relazione

pressione-portata resti entro i limiti di progetto.

3. Il prelievo di campioni di terreno trattato permette di valutare l’efficacia

dell’iniezione.

In generale le informazioni che si possono trarre sono utili ad una prima verifica

delle modalità operative previste, ma i controlli del risultato sono spesso difficili e

tendono a sottovalutare l’effetto globale del trattamento, poiché i risultati ottenuti sono

validi nella zona di prova. Per questo motivo, quando l’estensione del sito da trattare è

importante, per garantire la rappresentatività statistica delle prove preliminari, si devono

eseguire almeno 12 prove d’iniezione.


115

Iprova d'idrofratturazione

Complessità tecnica crescente da I a III

- Video-ispezione in foroprove con tracciantiprova d'assorbimento

III

IIII

Ordine d'interesse crescente da 3 a 1

11

2

2 1 1 1

Parametri da determinare con gli studi preliminari

Velocità di circolazionePermeabilità3. Caratteristiche idrogeologiche

Resistenza meccanicaDeformabilitàPorosità e densità relativaGranulometria2. Parametri fisici

RiempimentoFessurazioneCavità sotterranee

1. Caratteristiche della formazione geologica

(R)

(R) Riempimento esistente

- Prove idrauliche in foro:prova Lefranc

- Prove meccaniche in situ:penetrometrica (SPT) pressiometrica

- Perforazione a distruzione:registrazione parametri

- Sondaggi geognostici:riconoscimento stratigraficocampionamento in foro

in foro (sismica a rifrazione)di superficie (microgravimetria)

- Geofisica:

II

I

I

I

II

I

Metodi d'indagine

(R)

IIIIII

Cavità sotterranee

Terreni sciolti

(R)

(R)

Stratigrafia

1 1

1

2 2

2 1 1 1

3 3 3 2

21

3 2 1 2

1 1

2 2 323

1

1

Schema 4 Parametri indagati dagli studi preliminari e dalle prove preliminari d’iniezione


116

15 Controllo dei risultati

La valutazione dell’efficacia del trattamento d’iniezione può essere compiuta in due

modi:

1. Durante l’iniezione propriamente detta, con l’osservazione del rifluimento a

boccaforo, del sollevamento del piano di campagna e delle modificazioni indotte nella

circolazione delle acque sotterranee. Anche l’interpretazione dei dati di pressione,

portata e volume di miscela iniettata è funzionale a questo scopo.

2. Al termine del trattamento, con il controllo del sito. Quest’analisi a posteriori

permette la valutazione dei miglioramenti apportati al terreno, tramite la comparazione

fra parametri misurati prima e dopo il trattamento. Data la natura puntuale delle misure

effettuabili, il trattamento statistico dei dati può celare alterazioni localizzate.

15.1 Metodi di controllo durante l’iniezione

Oltre ai controlli elencati in precedenza, in cantiere è opportuna una verifica

sistematica del rispetto della composizione della miscela stabilita preliminarmente in

laboratorio, apportando delle correzioni quando necessario. Anche il controllo delle

caratteristiche reologiche iniziali deve essere sistematico, mentre il prelievo di campioni

di miscela destinati a prove a medio-lungo termine può avvenire con frequenza minore.

Il controllo rigoroso delle portate, delle pressioni e dei quantitativi di miscela

iniettata, permette di valutare con buon’approssimazione l’adeguatezza delle modalità

operative adottate.

15.2 Metodi di controllo in situ

La geofisica risponde bene alla necessità di realizzare controlli di carattere globale

che forniscano una valutazione sull’omogeneità del trattamento alla scala del sito.

I sondaggi geognostici hanno scarsa validità, sia per il carattere puntuale

dell’indagine, sia per il fatto che non consentono di valutare correttamente l’efficacia

del trattamento, giacché i campioni carotati sono spesso frammentati e disturbati, tranne

che nelle sabbie fini, adottando diametri di perforazione superiori a 100 [mm]. Nel caso

delle formazioni contenenti ghiaia o inclusi lapidei ancora più grossolani, l’utensile di

perforazione tende a produrre un effetto di disturbo nello scheletro d’elementi lapidei

più duri della matrice di miscela, anche se quest’ultima ha conferito un’elevata coesione

al complesso. In questi casi, con precauzioni particolari e costose come l’uso di corone


117

diamantate di grosso diametro, quando il trattamento è molto omogeneo e la resistenza

della miscela è elevata, si possono prelevare buoni campioni, in ogni caso fuorvianti

poiché, tanto più la granulometria è grossolana, tanto più il risultato dell’iniezione è

sottovalutato.

Maggiormente usati sono i sondaggi a distruzione, perché la rapidità d’esecuzione

consente di eseguire molti fori con diagrafia per valutare l’omogeneità del trattamento

ed i miglioramenti apportati.

La prova penetromentrica standard (SPT) è usata correntemente per il controllo dei

trattamenti d’iniezione in sabbie fini, grazie ai vantaggi legati alla facilità ed alla

rapidità d’esecuzione.

La prova di carico su piastra è valida per qualsiasi tipo di terreno iniettato, ma

comporta oneri economici crescenti con la profondità: pertanto il ricorso a questo tipo

d’indagine è generalmente limitato al controllo di consolidamenti poco profondi o

d’importanza tale da giustificare costi elevati.

Anche la prova pressiometrica (pressiometro Menard) offre risultati di buona qualità,

perché permette di effettuare rapidamente indagini puntuali che forniscono parametri di

resistenza e deformabilità a breve termine. Questo tipo di prova consiste essenzialmente

nella misura delle deformazioni radiali indotte in un foro mediante una sonda cilindrica

dilatabile (del volume iniziale V0 di 500 [cm3]), incrementando gradualmente la

pressione dal valore di ripristino della tensione efficace orizzontale ( 0'

0 Ph =σ ) fino al

limite della rottura, se necessario e possibile. Il metodo è applicabile a qualsiasi tipo di

terreno, consentendo di realizzare vere e proprie prove di carico, anche molto profonde,

alle seguenti condizioni:

− Esecuzione di una cavità cilindrica ben calibrata per la sonda, con modalità

operative che riducano il disturbo indotto nel terreno circostante.

Solitamente si esegue la cementazione completa del foro e la successiva

riperforazione con utensile dello stesso diametro. Quest’esigenza pone

alcune limitazioni solo nei terreni incoerenti grossolani: in questo caso il

pressiometro consente il confronto delle caratteristiche del terreno prima e

dopo il trattamento. Nei terreni sabbiosi, invece, l’indagine pressiometrica

presenta minori difficoltà operative, specialmente dopo il consolidamento.


118

V 0

P0

Pres

sion

e

PL

Pf

Volume cella

V m

V LV f

Em/2.66V m

1

− Apparecchiatura di capacità e sensibilità adeguate alla natura del terreno, alla

massima profondità da raggiungere e alla qualità delle informazioni

richieste.

La prova fornisce un diagramma pressione-incremento di volume da cui si possono

ricavare i seguenti parametri:

1. Pressione di “fluage”, da cui convenzionalmente iniziano le deformazioni

plastiche (Pf).

2. Pressione limite, cui corrisponde l’aumento indefinito del volume della cella

senza variazione della pressione interna (Pl). Siccome il valore della

pressione limite, di fatto, non si raggiunge mai, la si determina come valore

della pressione corrispondente al doppio del volume iniziale della cella

pressiometrica (2V0).

3. Modulo pressiometrico di Menard (Em), corrispondente alla pendenza della

curva sperimentale nel punto d’ascissa 2

0 fm

VVV

+= , calcolato come:

VP

VE mm ∆∆

⋅⋅= 66.2 (56)

Figura 47 Diagramma qualitativo della curva sperimentale fornita dalla prova pressiometrica Menard


119

III- Video-ispezione in foro

Complessità tecnica crescente da I a III Ordine d'interesse crescente da 3 a 1

3 1

4. Ricadute ambientali

Parametri da determinare per il controllo dei risultati

Permeabilità3. Caratteristiche idrogeologiche

Deformabilità e resistenza meccanica2. Parametri fisici

1. Localizzazione delle zone trattate

- Prove dirette in situ:

prove meccanicheescavazioni

misure piezometricheprova d'assorbimento

- Prove idrauliche in foro:prova Lefrancprova d'idrofratturazione

- Prove meccaniche in situ:penetrometrica (SPT) pressiometrica

- Perforazione a distruzione:registrazione parametri

- Sondaggi geognostici:riconoscimento stratigraficocampionamento in foro

in foro (sismica a rifrazione)- Geofisica:

I

IIII

I

III

III

Metodi d'indagine

II

II

III

Glo

bale

Punt

uale

Impermeabilizzazione Consolidamento

1

22 1

1

1

33

1

21

1

32

1

3

3 2

L’osservazione diretta del terreno trattato fornisce indicazioni sulla diffusione della

miscela e si può effettuare tramite la vide-ispezione di fori di sondaggio o l’esecuzione

di piccoli scavi. Spesso, per evidenziare il terreno trattato, si utilizzano marcatori

chimici aggiunti alla miscela (fluoresceina, blu di metilene, cosina, rodamina) o

applicati sul terreno inumidito (fenolftaleina).

Infine si possono citare prove di permeabilità e le misure piezometriche,

fondamentali per il controllo dei trattamenti d’impermeabilizzazione. Il controllo della

permeabilità può rappresentare un valido giudizio indiretto sulla qualità di un

trattamento in termini d’omogeneità.

Schema 5 Parametri per la valutazione dell’efficacia dei trattamenti d’iniezione


120

16 Documentazione di cantiere

L’esecuzione dei trattamenti segue un programma di lavoro, stabilito in sede

progettuale, che comprende indicazioni inerenti sia le fasi di perforazione ed

equipaggiamento dei fori, sia la fase d’iniezione vera e propria. Durante la parte

esecutiva, inoltre si compilano quotidianamente rapporti dei lavori che costituiscono, a

loro volta, la documentazione tecnica di base per il controllo dell’evoluzione e dei

risultati finali del trattamento.

I documenti di perforazione riportano i dettagli relativi a:

− numero dei fori e ordine esecutivo;

− inclinazione e lunghezza dei fori;

− installazione del rivestimento;

− tecnica di perforazione (rotazione, percussione, rotopercussione…);

− fluido di perforazione (aria, acqua, fango, miscela d’iniezione o di guaina);

− utensile di perforazione (tricono, corona diamantata…);

− diagrafia di perforazione;

− tipo d’equipaggiamento per l’iniezione (pareti nude, tubo finestrato, tubo

valvolato…);

− composizione e tecnica di messa in opera dell’iniezione di guaina;

La documentazione d’iniezione indica:

− ordine d’iniezione dei fori;

− numero delle fasi di trattamento;

− ordine d’iniezione delle passate;

− caratteristiche della miscela;

− indicazioni sulla preparazione della miscela;

− pressione, portata e volume complessivo d’iniezione per ogni passata;

I rapporti dei lavori devono riportare le condizioni operative (caratteristiche della

miscela preparata, condizioni ambientali), le eventuali deviazioni dalle condizioni di

progetto, le indicazioni strumentali (pressioni ai manometri, portate indicate dai

contatori…), e le osservazioni degli operatori (rifluimenti di miscela a boccaforo,

sollevamenti del terreno, anomalie di funzionamento delle attrezzature…).


121

17 Registrazione dei parametri di perforazione

Con il termine “diagrafia di perforazione” s’intende la registrazione, in funzione

della profondità, di una serie di parametri fisici, caratteristici della perforatrice, le cui

variazioni dipendono dalle proprietà del terreno attraversato. La correlazione di questi

dati con i materiali costituenti il terreno (calibrazione con sondaggi a recupero),

consente una precisa ricostruzione della stratigrafia.

Questa tecnica è applicata correntemente alle perforazioni eseguite con la metodica

“a distruzione”, ossia utilizzando un utensile detto “tricono” che frantuma il materiale

attraversato, che viene trasportato in superficie mediante in fluido di perforazione. In

questo modo si raggiungono velocità di perforazione superiori alle altre tecniche.

Le peculiarità di questa metodologia consentono l’esecuzione di molti fori per

apprezzare la variazione dei parametri geotecnici del terreno.

Tenendo conto del grande numero di fori eseguiti nei trattamenti d’iniezione e del

costo relativamente basso della diagrafia di perforazione (dal 5% al 20% del costo totale

di perforazione) si nota come si può ottenere una conoscenza approfondita della

struttura geologia del sito.

I parametri registrati sono:

1. Velocità istantanea d’avanzamento. Indica la resistenza del terreno.

2. Spinta sull’utensile. Indica la compattezza del terreno e l’eventuale presenza di

cavità sotterranee.

3. Coppia e velocità di rotazione . È funzione della resistenza e della compattezza

del terreno.

4. Intensità della vibrazione di percussione riflessa. L’energia di percussione

che si riflette lungo la batteria d’aste di perforazione è un indicazione della

durezza degli elementi lapidei.

5. Pressione e portata del fluido di perforazione . Quando l’utensile attraversa

una formazione ad elevata plasticità (argilla, marna…) la pressione cresce,

mentre diminuisce in coincidenza di terreni permeabili come le ghiaie. Qualora

si attraversino delle cavità sotterranee, la pressione del fluido subisce addirittura

un crollo che perdura proporzionalmente al volume del vuoto.

6. Aumento o perdita di fluido di perforazione . L’aumento del fluido di

perforazione indica che l’utensile sta attraversando un terreno a forte

permeabilità (ghiaie…) ricco d’acqua che viene prelevata dal fluido di spurgo.

il trattamento del terreno mediante iniezioni -...

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