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Il trattamento dei piani di appoggio dei rilevati stradali in terreni instabili

Metodologia per il trattamento dei piani di posa dei rilevati stradali mediante rimozione di terreni non idonei e sostituzione con materiali rocciosi, ottimizzazione degli spessori degli strati e controllo qualità

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Di seguito si descrive brevemente la metodologia adottata nell’ambito di un progetto di ricostruzione stradale in Azerbaigian per il trattamento del sottofondo naturale in terreni non idonei e instabili (terreni argillosi della superficie di appoggio dei rilevati, spesso in condizioni sature) su cui devono essere posizionati gli strati del rilevato e della pavimentazione.

A causa di indagini geotecniche carenti e di una inadeguata valutazione delle caratteristiche dei terreni naturali in fase di progettazione, all’inizio dei lavori sono state intraprese le seguenti attività al fine di determinare le proprietà dei materiali sui quali deve essere costruito il rilevato stradale e, di conseguenza, per valutarne l’idoneità come terreni di fondazione nelle condizioni effettive del sito:

  • campionamenti e prove di laboratorio (proprietà dei materiali);
  • ispezioni e Prove Penetrometriche Dinamiche (DCP) (ASTM D6951) (condizioni del sito).

Viene qui presentata una metodologia per determinare gli spessori di materiali non idonei da rimuovere dal terreno esistente e sostituire con materiali rocciosi e, infine, il controllo di qualità necessario da attuare durante i lavori di costruzione (Figura 1). 

Controllo Qualità
1. Il controllo Qualità

I campionamenti e le prove di laboratorio

Sono stati prelevati per la classificazione secondo la procedura AASHTO M 145, più di 100 campioni di terreno (distribuiti lungo l’intero progetto di ricostruzione stradale in un periodo di circa quattro mesi).

I materiali del sottofondo naturale esistente sono classificabili principalmente nel sottogruppo A-7-6 (argille da media a alta plasticità secondo la carta di Casagrande).

Diversi campioni (distribuiti nello stesso periodo di tempo e progressive chilometriche) sono stati sottoposti alla prove per la determinazione dell’indice di portanza CBR (al 95% del valore Proctor di riferimento e dopo imbibizione di quattro giorni in acqua) e il valore medio è risultato pari a 2,17%.

Correlando i risultati delle prove di laboratorio CBR si sono ottenuti valori del modulo di deformazione (EDef) sempre inferiori a 15 MPa (valore minimo del modulo di deformazione al primo ciclo di carico su piastra generalmente previsto per il piano di posa dei rilevati).

I risultati delle prove di laboratorio hanno evidenziato quindi che il terreno in sito, a causa delle scadenti caratteristiche meccaniche, non può essere ritenuto generalmente idoneo come terreno per il piano di appoggio dei rilevati e si è ravvisata pertanto la necessità di un miglioramento e rafforzamento dello stesso durante i lavori di costruzione (Figura 2).

Pavimentazioni
2. Il materiale esistente del piano di posa del rilevato

Le ispezioni e le Prove Penetrometriche Dinamiche (DCP)

La situazione evidenziata dai risultati delle prove laboratorio è ulteriormente aggravata dalle seguenti condizioni rilevate sul posto:

  • presenza di acqua stagnante e inadeguatezza dei sistemi di drenaggio delle acque superficiali/sotterranee (ulteriore riduzione della capacità portante dei terreni);
  • presenza di sali idrosolubili.

Per supportare con prove di laboratorio quanto osservato in cantiere, per ciascuna area specifica sono state eseguite delle prove penetrometriche dinamiche (metodo di prova: ASTM D6951).

Il penetrometro dinamico leggero (DCP) deve essere utilizzato per identificare i punti deboli del piano d’appoggio del rilevato. La prova DCP può essere espressa anche in termini di CBR in situ: tuttavia, tale CBR deve essere inteso solo per valutare la resistenza dei materiali nelle condizioni specifiche di cantiere e delle sue variazioni (ciò significa che per lo stesso materiale il CBR in situ differisce dal CBR misurato in laboratorio).

Conclusioni e metodologia proposta

Con riferimento ai disegni e alle specifiche di progetto, i seguenti campioni devono essere prelevati per le prove di laboratorio (classificazione/CBR) al fine di confermare, per ciascuna area specifica, la prevista inidoneità dei materiali (tutti i materiali eventualmente ritenuti idonei devono essere riutilizzati):

  • campioni nell’ambito del rilevato esistente;
  • campioni al di sotto del rilevato esistente (piano di posa del rilevato).
geotessile
3. Strato in materiale roccioso e geotessile

Se tale inidoneità è confermata, devono essere intraprese le seguenti attività:

  • rimozione dei materiali non idonei del rilevato esistente fino al livello del terreno naturale (piano di appoggio del rilevato);
  • escludendo le aree impregnate/sommerse d’acqua o dove i materiali appaiono troppo morbidi e instabili, il piano di appoggio del rilevato deve essere compattato per l’intera larghezza della costruzione. Devono essere effettuate delle prove di densità in sito per verificare il grado di compattazione ottenuto (a causa delle proprietà argillose di questi terreni e al fine di migliorare l’efficienza di compattazione, devono essere adottati i rulli a piede di pecora);
  • esecuzione di prove penetrometriche dinamiche (DCP) test sul piano di appoggio del rilevato al fine di definire lo spessore corretto di materiale morbido/instabile da rimuovere (ai fini di questo lavoro valori dell’indice di penetrazione DCP ≥ 70 mm/COLPO individuano i materiali instabili).

Nota 1) Poiché le scadenti caratteristiche meccaniche del terreno in posto (argille da media a alta plasticità in base alla prove di classificazione e CBR) sono tali da rendere il piano di appoggio del rilevato potenzialmente instabile nelle condizioni a lungo termine (ossia nelle condizioni climatiche e idrogeologiche più sfavorevoli) a causa di cedimenti potenziali molto elevati, circa 30 cm di questi materiali devono sempre essere rimossi (requisito minimo per la stabilità a lungo termine indipendentemente dai risultati delle prove DCP).

I risultati delle prove DCP vengono utilizzati per determinare lo spessore di ulteriore terreno morbido/instabile (oltre ai citati 30 cm) da rimuovere, solo se necessario, in base alle condizioni del sito (terreni saturi o parzialmente saturi);

materiale roccioso
4. Il primo strato del rilevato

Nota 2) I campionamenti, le prove di laboratorio e le prove DCP devono essere eseguiti in numero sufficiente a garantire la rappresentatività dei risultati ottenuti.

Infine, i materiali non idonei del piano di posa del rilevato devono essere rimossi e sostituiti con i seguenti materiali idonei (dopo la rimozione di materiale non idoneo, la superficie del terreno, ove possibile, deve essere compattata per l’intera larghezza della costruzione):

  1. opzione 1 (zone umide): riempimento con materiale roccioso alluvionale con Dmax = 200 mm (l’impiego di roccia frantumata, di cava, sarebbe preferibile, tuttavia non sembra disponibile nel Paese). La granulometria deve essere ben assortita in modo da ottenere un accurato intasamento dei vuoti e, di conseguenza, uno strato denso. Uno strato di geotessile pesante deve essere posato sopra il riempimento di pietra compattato (Figura 3 sopra);
  2. opzione 2 (zone asciutte al fine di ridurre i costi): riempimento con materiale roccioso alluvionale a granulometria ben assortita con Dmax = 200 mm in combinazione con materiale da rilevato proveniente da cava di prestito secondo proporzioni da confermare durante la compattazione dello strato di riempimento in pietra (strato inferiore). Sebbene non previsto dai documenti contrattuali, si raccomanda la posa di uno strato di geotessile pesante sopra il riempimento di pietra compattato.

Il materiale roccioso utilizzato per sostituire il materiale non idoneo deve essere adeguatamente compattato fino a completa stabilizzazione. La presenza di materiale argilloso sulla superficie (risalito dal terreno esistente attraverso lo strato di riempimento di pietra durante la compattazione) è la prova che lo strato sta ancora affondando e quindi, in questi casi, occorre aggiungere ulteriore materiale roccioso e proseguire la compattazione.

Nelle zone asciutte e sulla base dei risultati delle prove DCP (vale a dire per valori di numero DCP inferiori a 70 mm/COLPO e, quindi, nei casi in cui lo spessore massimo di terreno da rimuovere è 30 cm) si raccomanda, al fine di ridurre i costi, di compensare lo spessore della pietra affondata nel terreno naturale mediante l’impiego di materiale da rilevato sulla parte superiore dello strato fino al raggiungimento della quota prevista.

prova di carico
5. La prova di carico su piastra

Tutti i materiali di scavo non idonei devono essere trasportati a discarica. Ai fini del controllo qualità e delle approvazioni finali, alle sopraccitate ispezioni da eseguire durante i lavori di costruzione, il primo strato compattato del rilevato (ossia lo strato che segue il riempimento di pietra, Figura 4 sopra) deve essere verificato mediante diversi passaggi con camion carichi e, di conseguenza, sottoposto a prove di densità in sito e prove di carico su piastra con diametro minimo pari a 456 mm (il modulo di deformazione al primo ciclo di carico è in ultimo richiesto per confermare la stabilizzazione del piano di appoggio del rilevato, Figura 5).

Va infine sottolineato che ogni qualvolta l’Impresa si trovi ad affrontare situazioni non previste, devono essere condotte nuove indagini e prove sul campo al fine di confermare l’idoneità dei metodi di costruzione proposti e garantire la qualità dei lavori richiesta.

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