2- RIABILITAZIONE DELLA STRUTTURA
ESISTENTE
Viene adesso presentata la soluzione alternativa (rispetto a quanto previsto dal progetto originario commesso dall'APL) proposta dal consorzio Seth-Somague, di esecuzione dei lavori da effettuare per riabilitare e stabilizzare il muro della banchina esistente, nell'ambito del progetto globale ”Riabilitazione e rinforzo della banchina fra S.ta Apolonia e Jardim do Tabaco-1a
Fase”, da realizzare per un'estensione totale di 200 metri.
Fig. 2-1- Zona di intervento
2.1- Soluzione proposta
Sono realizzati, simultaneamente ai lavori della costruzione della palificata (nuova opera), iniezioni di Jet Grouting e micro-pali, con l'obbiettivo di limitare il rischio di scalzamento e di rotazione della banchina esistente, di migliorare la stabilità globale della stessa e di rendere la scadenza dei lavori più realistica minimizzandone l'impatto e consentendo il funzionamento degli edifici vicini.
E' stata perciò proposta:
con un tubo di micro-pali TM80--127X9,0mm + tondino GEWI -50mm, che uniranno i pilastri del muro in muratura esistente e la fondazione ad una nuova trave 'T' .
Le colonne dovranno essere in numero di 2 per pilastro. Queste colonne permetteranno di ricevere e condurre il carico proveniente dalla nuova trave in cemento armato, con geometria a 'T' da realizzare nella galleria esistente all'interno del muro, direttamente per gli strati competenti, localizzati in basso alla base dei pilastri, senza necessità di aggravare lo stato di tensione degli stessi. Oltre all'evidente crescita di capacità resistente alle cariche verticali applicate sopra la banchina, questi micro-pali contribuiscono decisamente all'incremento della stabilità globale di eventuali superfici di scivolamento che possono esser mobilizzate vicino alla base del pietrame della fondazione della banchina esistente, essendo queste intersecate dalle colonne e dai micro-pali.
-L'esecuzione a tergo della banchina esistente di una cortina di colonne sub-verticali di jet grouting di diametro 1200mm, in cui cinque fra le undici colonne eseguite fra i pilastri saranno armate con i tubi di micropali TM80--127X9,0mm + tondino GEWI -50mm, in cui due delle tre colonne eseguite nella zona dei pilastri saranno anch'essa armate nello stesso modo. Questa cortina permetterà insieme ai micro-pali descritti nel punto anteriore la stabilizzazione del muro in vista di eventuali superfici di rottura globale e non meno importante, garantire la limitazione del passaggio di materiale fino proveniente dal rinterro verso il fiume. La cortina, grazie al suo congiungimento con la trave di coronamento del muro, avrà anche una funzione determinante nella limitazione e stabilizzazione dell'eventuale movimento di rotazione del muro verso il fiume.
Fig. 2.1-1 – Sezione tipo-Interventi per la riabilitazione della banchina esistente
Fig. 2.1-3 – Vista frontale -Interventi per la riabilitazione della banchina esistente
Il funzionamento congiunto di questi due elementi permette così di:
a) Stabilizzare il muro della banchina in vista di fenomeni di rottura globale, in quanto le colonne di jet grouting armate attraverseranno tutta la zona e si avrà un incremento della resistenza al taglio sulle possibili superfici di rottura.
b)Migliorare le attuali condizioni di fondazione della banchina penalizzata dai lavori per l'infissione dei pali della fondazione della nuova banchina. Questo viene fatto conducendo i carichi applicati alla superficie del muro, inclusa la nuova trave a 'T', ai terreni competenti senza la necessità di penalizzare le attuali
c)Limitare la fuga di materiale fino dal rinterro sabbioso, localizzato a tergo del muro della banchina, per il fiume, indipendentemente dal futuro comportamento della banchina esistente.
Fig. 2.1-4- Vista del paramento del muro della banchina dove è possibile osservare la tendenza alla rotazione nel verso del fiume.
Fig. 2.1-5 Vista dell'abbassamento della pavimentazione dovuto alla fuga di fino a tergo della banchina.
Questa soluzione permette che in una situazione limite di rottura del muro della banchina esistente, la nuova trave 'T', fondata sui micro-pali, e il terreno localizzato a tergo, confinato dalla cortina di colonne di jet grouting, si mantengano in condizioni compatibili con la necessaria sicurezza degli utenti della banchina. In questo quadro, dovranno esser collocate due colonne nella parte frontale del muro sotto ogni pilastro. Invece le colonne che costituiscono la cortina dovranno presentare una distanza di 1,0m e di queste ne saranno armate, con tubo di micro-palo TM80--127X9,0mm + tondino GEWI -50mm, cinque delle undici esistenti fra i pilastri.
2.1.1- Descrizione dei lavori e fasi costruttive
Il jet grouting è una tecnica di consolidazione dei suoli attraverso l'iniezione di un fluido, costituito da un miscuglio di cemento, fatta con aria compressa. L'alta pressione provoca un impatto sul terreno e quindi la sua disgregazione e la conseguente mistura con il fluido iniettato. Tutto ciò si ottiene con l'azione di uno o più getti a velocità elevate (attraverso becchi di piccolo diametro da 2 a 6 mm) trasversali all'asse della colonna di perforazione e gradualmente ritirati dal fondo fino alla bocca del foro.
Questa tecnica permette la formazione di corpi terra-cemento solidi e impermeabili con proprietà geomeccaniche superiori a quelle che presenta il suolo prima di tale trattamento. Le caratteristiche meccaniche delle colonne e il diametro effettivo sono relazionate con le caratteristiche geotecniche del terreno da trattare. Per cui vengono eseguite colonne prova in un locale rappresentativo al fine di calibrare i parametri di iniezione, ovvero le pressioni, la velocità di salita delle aste, la velocità di rotazione e il diametro del becco iniettore, rispetto ai presupposti di progetto. Riguardo il jet grouting, si riportano i dati relativi all'esecuzione delle 5 colonne di prova eseguite a tergo della banchina:
dopo l'esecuzione sono stati eseguiti scavi nel terreno confinante con l'obbiettivo di verificare i diametri ottenuti e visualizzare l'aspetto delle colonne, ottenendo i seguenti risultati:
Colonna 1 – diametro raggiunto 1300mm, con aspetto omogeneo. Colonna 2 – diametro raggiunto 1250mm, con aspetto omogeneo.
Colonna 3 – colonna irregolare con diametri abbastanza superiori a quello previsto, con aspetto poco omogeneo.
Colonna 4 – diametro raggiunto 1300mm , con aspetto omogeneo Colonna 5 – diametro raggiunto 1200mm con aspetto omogeneo
Fig. 2.1.1-1 Colonna 1 e 2.
Fig. 2.1.1-2 Vista generale.
Successivamente sono stati realizzati carotaggi per poter ottenere campioni. I campioni ottenuti permettono la realizzazione di prove di compressione semplice e la determinazione del modulo di elasticità del materiale ottenuto; di modo che tali valori possano esser confrontati con quelli minimi richiesti da progetto.
Per eseguire i lavori sopra descritti sono state attuate le seguenti fasi costruttive, così riassunte:
a) Vengono fatti i sopralluoghi agli edifici, il rialzamento dei servizi interrati localizzati vicino alla zona dell'opera, la realizzazione di pozzi di prospezione per verificare le condizioni della fondazione degli edifici vicini e sondaggi per confermare le caratteristiche resistenti dei terreni localizzati sotto i materiali alluvionali soggiacenti al prisma di fondazione del muro della banchina.
Questi sondaggi sono realizzati all'interno dei fori per l'installazione dei micro-pali o in canali inclinometrici;
b) L'installazione dei bersagli e di regoli topografici nella facciata degli edifici vicini e di segni nei pavimenti.
c) La creazione di condizioni per la circolazione dell'attrezzatura di perforazione e per l'inizio dell'esecuzione dei fori, delle colonne di jet grouting e dei micro-pali verticali, con fasi compatibili con la minimizzazione della probabilità di instabilizzare il muro;
d) A seconda dei casi è stato necessario installare una piattaforma di guida per l'esecuzione delle colonne e dei micro-pali della cortina a tergo della banchina;
e) Esecuzione delle colonne di jet grouting e di micro-pali verticali e inclinati di 30°:
ì Ricorso a mezzi topografici per individuare i punti dove collocare le colonne e i micropali
Jet Grouting
- montaggio della piattaforma di lavoro e delle attrezzature per la raccolta
del riflusso.
- esecuzione di pre-fori.
- a tergo della banchina viene praticato un foro distruttivo con rotopercussione nel rinterro fino alla quota di base della colonna.
Fig 2.1.1-3
- sul fronte della banchina viene praticato un foro con aria-acqua-limi con infissione simultanea del tubo di rivestimento metallico che guida e raccoglie il riflusso fino alla quota della colonna o al totale attraversamento della zona di pietre.
- Introduzione delle aste del Jet Grouting e perforazione distruttiva con aste di piccolo diametro fino alla quota della colonna.
Fig 2.1.1-4
-Salita dell'asta a velocità prefissata accompagnata da rotazione. Il movimento dell'asta coincide con l'iniezione ad alta pressione del miscuglio di cemento attraverso il becco iniettore di piccolo diametro. -L'iniezione termina quando l'asta raggiunge le quota di coronamento della
colonna
- Rimozione dell'asta di Jet Grouting
- Rimozione del tubo del rivestimento metallico (nel caso delle colonne situate nel fronte della banchina)
all'interno di alcune colonne di jet grouting sono realizzati micropali:
Micro pali
Esecuzione di fori a rotazione, rotopercussione Ɏ212mm con macchina di
perforazione tipo C6. I fori, a seconda dei casi, sono eseguiti nei seguenti modi: - fori a rotazione facendo ricorso a succhiello - la perforazione è eseguita attraverso l'azione rotativa trasmessa dalla testa della macchina di perforazione (congiunto costituito da un succhiello e da uno scalpello). La progressione del foro viene fatta attraverso la collocazione di nuovi pezzi fino ad attingere alla profondità richiesta da progetto. Nella forazione con succhiello non è necessaria l'azione di un fluido di circolazione, visto che la forma elicoidale del succhiello promuove la salita del materiale disgregato dal fondo fino alla superficie mantenendo il foro pulito.
- forazione a rotopercussione con eventuale ricorso a rivestimento provvisorio- la forazione a rotopercussione combina l'azione rotativa con quella percussiva. La progressione del foro è fatta attraverso la collocazione di nuovi pezzi di aste fino ad attingere la pofondità richiesta. In misura in cui la forazione prosegue viene introdotto all'interno delle aste un fluido di pulizia che può esser acqua e che ha come funzione sia quella di raffreddare i macchinari che di pulire e rimuovere i detriti del foro fino in superficie per mantenere il foro pulito.
-tramite avvitamento di più tubi si raggiunge la profondità richiesta da progetto;
- viene pulito l'interno del tubo;
- si colloca il fetto di 50mm di diametro;
- Esecuzione della chiusura con miscuglio di cemento facendo ricorso a una centrale di iniezione elettrica e attraverso un tubo di polietileno, fino al completo riempimento di tutto lo spazio anellare fra il profilo e le pareti
del foro e fino alla quota prevista del fondo dello scavo. Questo processo sarà effetuato dalla quota più bassa alla più alta sotto una pressione minima di 1 kg;
Durante la realizzazione delle colonne, rispettando fasi che limitino la perturbazione della banchina, viene effettuato un registro permanente di tutti i parametri di esecuzione;
f) Esecuzione della trave a 'T' all'interno del coronamento del muro della banchina che congiungerà le cime dei micro-pali, incluso anche il livellamento del muro della banchina e del terreno localizzato a tergo.
2.1.2- Materiali e Macchinari
I macchinari e le attrezzature usate per questi lavori sono: Macchina di perforazione IPC1200, Macchina per il Jet Grouting Casagrande C6, Pompa di alta pressione Soilmec 7T-450, Centrale di mistura GM 30C, più accessori diversi per il jet grouting.
I materiali usati nell'esecuzione dell'opera sono: -Calcestruzzo:
ì regolarizzazione e riempimento (150Kgcemento/m3
)...C16/20
ì Lastra metallica e profili laminati...Fe510B (REAE)
ì Tubi metallici dei micro-pali (con unioni esterne)...TM-80 ( fyd>560MPa)
In casi particolari di saldature di elementi metallici la preparazione e esecuzione deve obbedire a quanto stipulato nel REAE (Art. 26 a 37, 60 e 65), NP 1515 e Eurocodice 3.
-Miscela di cemento: la miscela costituisce il bulbo di chiusura dei micro-pali e degli ancoraggi e viene iniettato attraverso una tecnica adeguata ( valvole anti-ritorno e otturatore doppio-IRS o tubo multivalvola e otturatore semplice-IGU), dispone delle seguenti caratteristiche:
ì Iniezione di chiusura...A/C=1/2,5
ì Iniezione a altapressione(>0,50MPa):...A/C=1/2,3
ì Resistenza a compressione semplice (7giorni) ...27 Mpa
ì Cemento...CEM I 42,5 R
-Colonne di jet grouting in fanghi: dovranno garantire la mobilitazione dei seguenti parametri resistenti:
ì Resistenza a compressione semplice delle colonne, ai 28 giorni, valore di rottura: 30 Kg/cm2
(3,0 Mpa).
ì Modulo di deformazione delle colonne-suolo, ai 28 giorni, quando sottoposte a carichi assiali di compressione di servizio: 1,0 Gpa (valore medio).
In assenza di informazioni sulla costituzione chimica dell'acqua e dei terreni interessati, è proposta l'adozione di cemento CEM IV/ A(V) 32,5 R. In caso in cui venga provata l'assenza di problemi geochimici, il tipo di cemento viene ridefinito in fase d'opera, senza con esso compromettere le esigenze di resistenza stipulate in fase di progetto.
La tecnologia adottata nell'esecuzione delle colonne di jet grouting ha come principale obiettivo, oltre a quello di assicurare le caratteristiche geometriche resistenti già specificate, la minimizzazione dell'impatto nel comportamento di
tutte le strutture e le infrastrutture adiacenti al perimetro dell'opera.
2.1.3- Azioni
Gli elementi dimensionati sono sottoposti agli impulsi dal terreno (verificati attraverso parametri geo-meccanici) e dai sovraccarichi provenienti dall'utilizzo della superficie durante e dopo la costruzione dell'opera. Come sovraccarico di utilizzo sopra e a tergo del muro della banchina si è considerato un valore di 20KN/m2
.
Per la verifica dei carichi che i micro-pali devono sostenere sono stati considerati i valori definiti nell'ambito del Progetto di Stabilità. Comunque si considera poco probabile la mobilitazione di fenomeni di incurvatura a livello dei materiali alluvionali localizzati sotto il pietrame della fondazione del muro della banchina, questo a causa del grado di consolidazione determinato dal peso dal pietrame del muro; per cui viene considerata una lunghezza di curvatura uguale alla metà dello spessore di questo strato.
2.1.4- Verifiche di sicurezza
Nella verifica di sicurezza degli elementi dimensionati è stato adottato il regolamento nazionale e internazionale in vigore o in situazioni non regolamentate, metodologie di calcolo riconosciute e comprovate. Questo procedimento permette la verifica delle dimensioni medie di ogni elemento in questione.
Stati limite
Per il dimensionamento dei vari elementi le azioni sono state raggruppate nelle seguenti combinazioni:
ì Stato limite ultimo: combinazione fondamentale di azioni.
regolamenti, corrispondenti a ciascuno di essi. In questo ambito, sono state realizzate le seguenti verifiche, considerate come condizionanti:
Muro della banchina
Stato limite ultimo di stabilità globale del muro della banchina e della rispettiva fondazione;
Stato limite di utilizzo-deformazione del muro della banchina.
Micro-pali
Stato limite ultimo di resistenza alla curvatura per battitura; Stato limite ultimo di capacità di carico del terreno;
Stato limite di utilizzo-deformazione assial-elastica.
Colonne di Jet Grouting
Stato limite ultimo di resistenza a compressione (cortina ); Stato limite ultimo di resistenza a trazione (cortina).
2.1.5- Piano di strumentazione e osservazione
Vi è uno specifico piano proposto per la prevenzione e la gestione dei rischi che ha come obbiettivo garantire la realizzazione in condizioni di sicurezza e economia i lavori relativi gli interventi appena descritti, così come l'analisi del comportamento delle strutture e delle infrastrutture vicine durante e dopo l'esecuzione dell'opera.
Questo piano permette le misure per le colonne di jet grouting, per gli scavi e gli ancoraggi, delle seguenti grandezze:
a) Spostamenti orizzontali e verticali delle strutture vicine; b) spostamenti verticali delle facciate degli edifici vicini;
c)Spostamento verticale del muro della banchina e delle zone esistenti a tergo del muro della banchina
2.2- Calcoli di Progetto
I parametri geo-meccanici adottati per la simulazione del comportamento dei terreni e dei materiali interessati per l'analisi della stabilità della banchina sono stimati in base ad elementi forniti sia dal Piano di Concorso che dall'esperienza avuta in interventi analoghi ovvero in locali simili con materiali della solita natura.
I valori stimati per i parametri adottati nei calcoli sono i seguenti:
dove:
Ȗh - Peso specifico umido
ij'- Angolo di attrito interno
E'- Modulo di deformazione per carico C'/ Cu- Coesione drenata/ Coesione non drenata
2.2.1- Stabilità globale del muro della banchina
Con l'obiettivo di valutare la stabilità attuale del muro della banchina quando è soggetto a combinazioni di azioni regolamentari, definite nel progetto, vengono utilizzati metodi comprovati come quello di Bishop.
Viene fatta una retroanalisi con l'obiettivo di calibrare anticipatamente i modelli e i parametri adottati. I calcoli effettuati, in vista alla giustificazione della soluzione proposta, permettono di verificare l'incremento relativo ai fattori di sicurezza nella fase anteriore e posteriore agli interventi proposti.
Sono presentati di seguito i principali risultati di alcuni calcoli di stabilità globale realizzati, per i differenti momenti di evoluzione dei lavori:
Fig.2.2.1-1- Situazione attuale- Sovraccarico come azione variabile alla base ( FS=1,227)
Fig.2.2.1-3- Situazione dopo l'esecuzione dei micropali e delle colonne di Jet grouting- Sovraccarico come azione variabile alla base ( FS=1,549)
Fig.2.2.1-4- Situazione dopo l'esecuzione dei micropali e delle colonne di jet grouting- Sisma come azione variabile alla base ( FS=1,011)
2.2.2- Carichi
Micro-pali e colonne di Jet Grouting verticali
Con l'obiettivo di assicurare stabilità globale al muro della banchina e di incrementare la sua capacità resistente ai carichi verticali sono stati eseguiti micropali verticali all'interno delle colonne di jet grouting, nella zona frontale dei pilastri della banchina esistente. Questi micropali sono uniti e chiusi all'interno della trave di coronamento, permettendo la conduzione dei carichi ricevuti su questa trave direttamente al substrato competente senza mobilitare il terreno alla base dei pilastri della banchina esistente.
In base alle note tecniche del progetto è stata stimata per la reazione in ogni pilastro una carica di 227,9 kN/m x 14,0 = 3190,6 kN (combinazione rara di azioni).
Avendo 4 micro-pali per pilastro, viene stimata una carica per micropalo di 3190,6 kN/4= 797,7 kN
Micro-pali e colonne di Jet Grouting Sub-verticali
Con l'obiettivo di assicurare stabilità globale al muro della banchina, di incrementare la sua capacità resistente ai carichi verticali e di limitare l'eventuale passaggio di fino dal rinterro a tergo della banchina verso il fiume è stata proposta l'esecuzione di una cortina di colonne inclinate di 30° di jet grouting, armate con micro-pali, localizzata a tergo della banchina esistente. Queste colonne presentano lunghezze diverse ma tutte compatibili con un infissione di 4 m nel substrato competente e geologicamente stabile. Tutti i micro-pali della cortina a tergo della banchina saranno collegati alla trave di coronamento e ciò permetterà il funzionamento congiunto di questi inclinati con i micro-pali verticale.
Avendo 4 micro-pali per pilastro, viene stimata una carica per micropali di 3190,6 kN/4= 797,7 kN
Visto che i micro-pali a tergo della banchina presentano un'inclinazione di 30° con la verticale, viene stimato un carico assiale massimo di 797,7 kN/ cos 30° = 921,1 kN.
2.2.3- Verifica di sicurezza
Banchina
Stato limite ultimo di stabilità globale della banchina:
Visti, con le quattro ultime figure, i fattori di stabilità globale ottenuti, per le diverse situazioni studiate, si considera verificata la sicurezza alla rottura globale della banchina.
Micro-pali e colonne di jet grouting verticali e sub-verticali Stato limite ultimo di resistenza a compressione:
In accordo con quanto scritto nell'Eurocodice 3 la verifica della sicurezza della resistenza a compressione di elementi lineari metallici con suscettibilità a incurvare, dovrà per le sezioni di classe 1, esser osservata la seguente disequazione:
Nsd Nrd = fy · A / ȖM0
A partire da questa formula, considerando i micro-pali con le caratteristiche di seguito descritte, si ottengono i seguenti risultati, per la situazione più condizionante:
ì colonne verticali
* quando si considera la resistenza del tubo dei micropali per la verifica dei carichi assiali, avendo considerato il contributo del ferro GEWI nell'aumento di resistenza al taglio nelle potenziali superfici di rottura, soprattutto nella verifica della combinazione dove il sovraccarico è variabile alla base.
Stato limite ultimo capacità di carico del terreno:
I micropali sono dimensionati per trasmettere i carichi al terreno per attrito laterale attraverso le colonne di jet grouting. La verifica della sicurezza associata al dimensionamento della capacità di carico del terreno è stata effettuata attraverso il metodo Bustamante. Si tratta di un metodo di calcolo che permette di quantificare la lunghezza di ancoraggio dei micro-pali necessaria per la mobilizzazione dell'attrito laterale che equilibra le sollecitazioni trasmesse al terreno. La credibilità di questo metodo è comprovata dalla sua vasta applicazione, così come dal fatto di aver sviluppato un gran numero di risultati sperimentali.. L'attrito è mobilizzato lungo il bulbo di chiusura, nel presente caso materializzato da una colonna di jet grouting, il cui dimensionamento può esser effettuato attraverso la seguente espressione:
Ls = [N / (ʌ ǜ Ds ǜ qs )] ǜ F.S
in cui:
N- pre-sforzo nell'ancoraggio;
Ds- diametro medio del bulbo di chiusura / colonna di Jet Grouting. Nel
presente calcolo sono considerate colonne con diametro di 1,20m
qs- parametro che definisce l'attrito limite unitario, quantificando a partire da
abachi ( Busmante ), dipendente dalla natura, consistenza o capacità del suolo e dal tipo di iniezione, prendendo per la presente situazione il valore di 120 kPa.
Per cui riferendoci a tale formula e ai valori di sforzo prima citati, le lunghezze dei bulbi di ancoraggio saranno dati da:
ì colonne verticali:
Ls > 797,7 x 2,0 / ( ʌ x 1,20 x 120 ) § 3,53 => 4,0 m
ì colonne sub-verticali
Ls > 921,1 x 2,0 / ( ʌ x 1,20 x 120 ) § 4,07 => 4,0 m
Per cui si considera che i micropali dovranno disporre di una lunghezza di ancoraggio minima di 4,0m nel substrato geologicamente stabile relativamente alla geometria del muro.
