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Le prove HYPROP nelle sabbie alluvionali del bacino geologico parigino

L’esperienza di Enser Srl durante un monitoraggio geologico-geotecnico di una galleria superficiale scavata interamente in sabbie alluvionali, in un contesto fortemente urbanizzato

sfondo enser

Nell’ambito di una ristrutturazione privata di un edificio storico in Rue Duphot a Parigi, è stata richiesta la realizzazione di una galleria sotterranea di collegamento, di forma quadrata e diametro equivalente 5,66 m, che si sviluppa lungo l’asse stradale per una lunghezza di 80 m e collega due diversi numeri civici nella stessa via.

La galleria ha una copertura di terreno di circa 4,2 m, che la rende di fatto superficiale. Lo scavo è stato fatto secondo tecniche convenzionali, manualmente.

Lo scavo della galleria, interamente inserita nelle sabbie alluvionali della Senna (Alluvions Anciennes), ha comportato l’impiego di supporti quali centine in acciaio, palancole e calcestruzzo proiettato.

Al fine di garantire il controllo visivo dell’avanzamento in fase di scavo, è stato eseguito uno scavo parzializzato della sezione trasversale (www.enser.fr).

La peculiarità progettuale di questa galleria è stata l’incompatibilità riscontrata tra i risultati dei metodi analitici, che evidenziavano una condizione di instabilità del fronte, e l’effettiva situazione di stabilità osservata in situ all’avanzare dello scavo.

Per comprendere la ragione di tale contrasto, si è ritenuto indispensabile indagare le caratteristiche delle unità geologiche che caratterizzano la zona oggetto di studio, analizzando gli eventi che nelle diverse ere geologiche hanno condotto alla loro formazione.

  • Enser
    1 enser
    1. Il rilievo del fronte di scavo di un quarto di sezione
  • rilievo
    2 enser
    2. L’analisi qualitativa dei campioni di sabbia raccolti durante un rilievo del fronte

Le Alluvions Anciennes, le sabbie alluvionali del bacino geologico di Parigi

Le Alluvions de la Seine sono le formazioni geologiche spesso rinvenute in zone limitrofe alla Senna, come nel caso della Galerie Duphot. Si tratta di un volume di epoca quaternaria, i cui successivi livelli geologici sono stati depositati dai fiumi nelle diverse fasi dell’evoluzione morfologica del bacino.

In particolare, le Alluvions, a seconda del periodo che ha caratterizzato la loro formazione, possono essere divise in Alluvions Modernes e Alluvions Anciennes.

A partire dal Pleistocene, il susseguirsi di cicli erosivi-deposizionali, conseguenti ai cicli glaciali-interglaciali, portò all’erezione delle terrazze alluvionali a gradoni. In risposta alle glaciazioni, il mare a valle della Senna si ritirava ed avanzava in maniera intermittente.

Il processo di glaciazione, togliendo acqua al mare e portandola nel continente, condusse a un graduale abbassamento del livello del mare e all’avvio del processo di erosione ad opera del fiume.

Inversamente, quando il mare progressivamente tornò ad avanzare, il fiume raggiunse un livello di base più alto, dando inizio al processo di sedimentazione e alla creazione dei terrazzi alluvionali.

In particolare, ci fu una prima fase di sedimentazione grossolana alla quale fece seguito una fase di deposizione di sedimenti a grana fine. Il processo si concluse con depositi di löess sormontati da un paleosuolo.

Parigi
3. La carta geologica del bacino di Parigi

A causa delle condizioni di sedimentazione esposte, le Alluvions de la Seine sono denotate da un carattere altamente eterogeneo sia in termini di granulometria che di comportamento meccanico. Nell’ambito di una medesima stratificazione, è possibile trovare passaggi sabbioso-ghiaiosi e passaggi più fini o addirittura limosi.

Quanto detto si traduce da un punto di vista ingegneristico nella difficoltà di attribuire una caratterizzazione geologico-geotecnica univoca al terreno con cui ci si interfaccia.

Il prelievo di campioni e le prove HYPROP

Sono stati prelevati due campioni ECH1 ed ECH2 tramite tubo campionatore metallico a spinta dotato di scarpa tagliente sul fronte di scavo della galleria. Le due unità geotecniche riconosciute e campionate appartengono alle Alluvions Anciennes, nei due distinti fusi granulometrici:

  • AA-SF: sabbie fini uniformi, di colore bruno, pulite (ECH1);
  • AA-GS: ghiaie sabbiose con ciottoli da centimetrici a decimetrici (ECH2).

Le caratteristiche fisiche sono state determinate in laboratorio e la qualità dei campioni è stata ritenuta buona. I risultati delle determinazioni sono riportati in Figura 7.

Il campione ECH1 è stato sottoposto ad un test di ritenzione d’acqua con un apparecchio denominato HYPROP (HYdraulic PROPerty analyzer), in dotazione al Laboratorio del Dipartimento di Ingegneria Civile, Chimica, Ambientale e dei Materiali (DICAM) dell’Università di Bologna. È un dispositivo per la misura delle curve di ritenzione e di conducibilità di campioni di suolo in condizioni sottosature, il cui principio di funzionamento si basa sul metodo a evaporazione o metodo di Wind (1966).

  • carta geologica
    4 enser
    4. Un dettaglio del fronte di scavo e la posizione dei campioni prelevati
  • galleria
    5 enser
    5. L’apertura del campione ECH1
  • scavo
    6A enser
    6A. L’estrazione del provino dal campione ECH1 per il test di ritenzione
  • Alluvions Anciennes
    6B enser
    6B. L’estrazione del provino dal campione ECH2 per le proprietà fisiche
  • erosione
    7 enser
    7. Le caratteristiche fisiche dei campioni prelevati

Il provino di terreno indisturbato ECH1 viene prelevato con un anello in acciaio inossidabile di volume 250 ml, portato a saturazione con acqua distillata della durata di 24 ore (a cui corrisponde un contenuto d’acqua di circa il 22,8%) e montato su un sensore di pressione.

Due tensiometri di lunghezza differente, avvitati sul sensore di pressione, sono così inseriti all’interno del campione di suolo, in modo tale che uno si viene a trovare a circa un quarto, il secondo a tre quarti dell’altezza del campione stesso.

La superficie superiore del suolo è libera e pertanto soggetta a evaporazione. Tutto il dispositivo poggia sul piatto di una bilancia da laboratorio ed è collegato con un PC, che mediante un software specifico restituisce in forma grafica le curve di ritenzione e di conducibilità del suolo, nonché i valori di ritenzione e di conducibilità in forma tabellare.

Nel corso della prova sperimentale, il campione di suolo è sottoposto a evaporazione dell’acqua in esso contenuta (che può anche essere forzata, con l’uso di un ventilatore) dalla sua superficie superiore.

Contemporaneamente vengono monitorati con continuità la perdita di peso del campione stesso (con la bilancia da laboratorio) e le variazioni di pressione idrica matriciale alle due differenti quote (con i tensiometri) al suo interno. Il metodo consente di ottenere simultaneamente misure di ritenzione idrica matriciale e di conducibilità idraulica del campione di suolo.

Tuttavia, poiché tali misure riguardano un intervallo di potenziali matriciali vicini alla saturazione, tale metodo va integrato con un altro dispositivo (per esempio, quello basato sulla misura del punto di rugiada) per ottenere i valori di ritenzione idrica su valori di potenziale più negativi.

  • HYPROP
    8A e 8B
    8A e 8B. L’apparecchiatura HYPROP: il dispositivo, costituito dal sensore di pressione (nero) sormontato dal campione di suolo contenuto nell’anello di acciaio, in cui sono inseriti i tensiometri (8A), poggia sulla bilancia da laboratorio (8B)
  • Software
    9A e 9B enser
    9A e 9B. I risultati delle misure rilevate con l’apparecchiatura HYPROP sono esposti in forma grafica e tabellare su PC attraverso il software tensioVIEW
  • fusi granulometrici
    10A enser
    10A. Le misure tensiometriche durante la prova HYPROP
  • Università di Bologna
    10B enser
    10B. Le misure gravimetriche durante la prova HYPROP

Il test ha avuto una durata complessiva di otto giorni e i dati misurati sono stati giudicati utili ai fini dell’interpretazione fino alla pressione di cavitazione del tensiometro più superficiale, così come indicato nella Figura 10A.

Per quanto riguarda la stima dell’umidità, la Figura 10B mostra i dati registrati dalla bilancia di precisione. Si noti che il processo d’evaporazione è caratterizzato da una tendenza molto omogenea fino al momento in cui la suzione subisce un forte aumento nel tempo, ossia quando le forze di ritenzione del terreno diventano importanti.

Il metodo a evaporazione è largamente adottato perché presenta numerosi vantaggi, tra cui principalmente quello di poter ottenere simultaneamente le misure di ritenzione e di conducibilità di un campione, basandosi su un metodo largamente testato e verificato. Inoltre, la procedura sperimentale è stata standardizzata (ISO 2004).

L’interpretazione dell’analisi e degli effetti sulla progettazione

La curva di ritenzione ottenuta a partire dai risultati sperimentali è presentata nel seguito. Va sottolineato che la grossa riduzione nell’umidità come risultato dell’evaporazione si caratterizza da una tendenza assai omogenea con piccoli incrementi di suzione fino al momento in cui l’umidità scende sino a valori del 5-6%, sotto i quali la suzione subisce un forte aumento, ossia fino al momento in cui le forze di ritenzione del terreno divengono importanti al variare dell’umidità.

Al momento della visita in cantiere, in cui sono stati prelevati i campioni, i valori di umidità corrispondevano al 5-6%, vale a dire 7-8 kPa di suzione.

Nonostante un tenore in fini ridotto, le Alluvions Anciennes possiedono una frazione non trascurabile di sabbie fini, che può ben spiegare l’esistenza di stati di suzione che, sebbene poco elevati, contribuiscono alla stabilità dei fronti di scavo.

Il fenomeno della suzione combinato con l’estrema eterogeneità delle Alluvions de la Seine ha portato alla conclusione che presumibilmente alcuni strati esercitano una funzione di supporto verso altri contribuendo complessivamente alla stabilità del fronte di scavo nell’arco di tempo relativo all’installazione dei sostegni e convalidando quanto osservato in situ. 

bilancia di precisione
11. La curva di ritenzione e di suzione del campione ECH1

Dati tecnici

  • Impresa Appaltante: Sade
  • Progetto esecutivo: Enser Srl
  • Direzione dei Lavori: Setec
  • Esecutori dei Lavori: Bouygues
  • Subappaltatori: Sade
  • Importo dei lavori: 4.000.000 di Euro
  • Durata dei lavori: 400 giorni
  • Data di consegna: 31 Gennaio 2021
  • Data di ultimazione: Marzo 2021

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