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Ponte Genova San Giorgio: requisiti prestazionali e criteri costruttivi – seconda parte

Dal modello geologico al collaudo, il progetto esecutivo del ponte Genova San Giorgio, ricostruito in tempi estremamente ridotti dopo il crollo del vecchio viadotto Polcevera avvenuto il 14 Agosto del 2018: in quest’ampia relazione a puntate, vengono descritti i requisiti prestazionali e i criteri costruttivi che hanno determinato le scelte ingegneristiche compatibili con l’idea dell’Arch. Renzo Piano

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La prima parte dell’articolo, pubblicata sul fascicolo n° 145 Gennaio/Febbraio 2021 a pag. 92, è online su https://www.stradeeautostrade.it/ponti-e-viadotti/requisiti-prestazionali-e-criteri-costruttivi-del-ponte-genova-san-giorgio-prima-parte/.

Questo è il secondo di una serie di articoli inerenti la progettazione del ponte Genova San Giorgio, un’opera di grande impegno ma, soprattutto, soggetta a vincoli temporali, operativi e comunicativi non comuni nella costruzione di un ponte di tali dimensioni.

Tale relazione, che trovate sul fascicolo n° 146 Marzo/Aprile 2021 a pag. 78, descrive sinteticamente la procedura seguita per la ricostruzione del modello geotecnico, fondamentale per il corretto dimensionamento delle fondazioni del ponte.

La ricostruzione di un modello geotecnico affidabile

Per la ricostruzione del modello geotecnico ci si è avvalsi sia di dati pregressi sia, principalmente, di una nuova e approfondita campagna indagine eseguita nel corso del Gennaio 2019.

Fondamentale è stata la necessità di organizzare, in tempi record (meno di un mese), una campagna indagini di elevati standard, con profondità dei sondaggi spinte fino a 60 m e un cospicuo numero di prove in foro e in laboratorio.

A tal fine, sono stati necessari turni continui su 24 ore (Figura 1), oltre a un presidio fisso del Progettista in sito, così da poter fornire feedback immediati sulla qualità delle carote prelevate e definire step by step, la profondità dei sondaggi, la tipologia di prove da realizzare in foro, le profondità di prelievo dei campioni in sito con l’invio immediato in laboratorio.

  • sonda
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    1. La sonda in cantiere durante l’esecuzione del sondaggio IFPM13
  • Italferr
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    2. La planimetria delle indagini

Per definire l’andamento del tetto del substrato roccioso è stato ricostruito un modello 3D del substrato, mettendo a sistema i sondaggi, le sezioni tomografiche e prove di sismica a rifrazione.

Tale modello è stato molto utile per analizzare l’andamento del substrato; localmente, infatti, sondaggi distanti solo pochi metri, IFPM7 e IFPM8 (Figura 2), hanno individuato una quota del bedrock con differenze pari a circa 10 m, informazione fondamentale per definire le lunghezze dei pali di fondazione.

Nel corso della campagna indagine 2019 sono stati realizzati 20 sondaggi a carotaggio continuo di cui 19 attrezzati, riportati nella planimetria in Figura 2 con la sigla IFPM, aventi lunghezze variabili tra 17 e 60 m dal piano campagna.

Per valutare possibili movimenti lungo i versanti, che avrebbero potuto interferire con l’opera e sulla sua esecuzione, sono stati installati alcuni inclinometri sul versante di Ponente, mentre sul versante di Levante sono stati analizzati dati radar satellitari eseguiti con tecnica SqueeSAR® utilizzando due dataset di immagini COSMO-SkyMed acquisite nel periodo Gennaio 2009-Agosto 2018 (Figure 3A e 3B). In Figura 4 si riporta il dettaglio delle indagini in sito e in laboratorio effettuate.

  • indagini
    3A italferr
    3A. La componente di spostamento lungo LOS acquisita in geometria ascendente (elaborazione Tre Altamira)
  • unità geotecniche
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    3B. La componente di spostamento lungo LOS acquisita in geometria discendente (elaborazione Tre Altamira)
  • sondaggio
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    4. Le indagini effettuate in sito e in laboratorio

Le unità geotecniche

L’area su cui sorge il ponte Genova San Giorgio è complessa dal punto di vista geotecnico: qui, infatti, le diverse formazioni che costituiscono il substrato, argilliti di Montanesi e Mignanego (MTE e MIG), formazione di Ronco (ROC) e argilloscisti di Murta (AGF), si rinvengono a profondità molto variabili lungo lo sviluppo longitudinale del ponte e mostrano spesso la presenza di forti alterazioni e di zone cataclasate, nonché un’evidente scistosità.

In Figura 5 si riporta una breve descrizione delle unità geotecniche presenti nell’area oggetto di studio.

Le unità coesive – DAL

Nelle Figure 6A, 6B, 6C, 6D e 6E si riportano, a titolo esemplificativo, alcuni dei parametri fondamentali che caratterizzano l’unità coesiva DAL.

Le granulometrie riportate in Figura 6A mostrano un 40-60% di limo e un 10-30% di argilla. Il valore di coesione non drenata è stato determinato nello specifico da prove TXUU e ELL, e dalle risultanze delle prove in sito pressiometriche e pocket. Come mostrato a titolo esemplificativo (Figura 6B), i valori di coesione non drenata determinati in laboratorio e in sito risultano comunque confrontabili e prevalentemente inferiori ai 100 kPa.

I parametri di resistenza al taglio drenati sono stati determinati da prove TXCU e TD, come riportato nelle Figure 6C e 6D, che restituiscono un range per l’angolo d’attrito compreso tra 24° e 28°.

Grazie a prove di colonna risonante sono stati confrontati i rapporti tra i moduli G/G0 e lo smorzamento D con le curve di decadimento del modulo di taglio (G/G0-γ) e le curve di smorzamento (D-γ) di letteratura. In Figura 7 il confronto tra i risultati delle colonne risonanti e le curve di Vucetic e Dobry (1991). 

  • Enser
    5 italferr
    5. Le unità geotecniche
  • Renzo Piano
    6A, 6B, 6C, 6D e 6E italferr
    6A, 6B, 6C, 6D e 6E. I parametri geotecnici rappresentativi delle unità DAL
Le unità incoerenti – DG

Le unità DG risultano prevalenti lungo lo sviluppo del ponte. Nelle Figure 8A, 8B, 8C, 8D e 8E si riportano alcuni dei parametri fondamentali che caratterizzano tale unità. Le granulometrie riportate in Figura 8A mostrano una netta prevalenza di ghiaia e sabbia con percentuali localmente più elevate di componenti coesive che hanno condizionato fortemente la scelta dei parametri caratteristici.

La densità relativa risulta estremamente variabile con valori minimi, ritrovati anche a profondità di 20-30 m, del 40%. L’angolo di attrito è stato determinato a partire dai valori di NSPT sulla base di correlazione presenti in letteratura, dalle risultanze delle prove pressiometriche e delle prove TD.

Per queste unità i valori dell’angolo di attrito di picco sono compresi tra 34 e 40°. A partire dai valori di picco, l’angolo d’attrito a volume costante ϕ‘cv è stato determinato attraverso la formulazione di Bolton [1], ottenendo valori compresi tra 27 e 35°.

Un peso importante per la determinazione dell’angolo d’attrito, è stato dato alle prove TD, che hanno fornito valori mediamente più bassi. Infatti, la presenza di una percentuale di fine (limo + argilla), circa del 20%, ha influenzato in maniera determinate la definizione dei parametri meccanici, e di conseguenza il dimensionamento delle fondazioni.

Grazie a prove di colonna risonante e triassiale ciclica, sono stati confrontati i rapporti tra i moduli G/G0 e lo smorzamento D con le curve di decadimento del modulo di taglio (G/G0-γ), e le curve di smorzamento (D-γ) di letteratura.

In Figura 9 si riporta il confronto tra i risultati delle triassiali cicliche e le curve di Rollins (1998) [2].

  • substrato
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    7. Il confronto tra le curve Vucetic e Dobry (1991) e i risultati della colonna risonante
  • bedrock
    8A, 8B, 8C, 8D e 8E italferr
    8A, 8B, 8C, 8D e 8E. I parametri geotecnici rappresentativi delle unità DG
  • carotaggio
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    9. Il confronto tra le curve di Rollins e i risultati triassiali ciclici della colonna risonante
Le unità rocciose – ARG e AGF

L’unità ARG costituita da argilliti di Montanesi (MTE) e formazioni delle argilliti di Mignanego (MIG) rappresenta la formazione di substrato prevalente lungo lo sviluppo del ponte.

Al tetto del substrato è presente generalmente una porzione alterata (ARG_alt), denominata cappellaccio, e sono presenti, inoltre, porzioni di ammasso intensamente disturbate, fratturate e cataclasate (ARG_cat) oltre a importanti inclusioni di calcite/quarzo. Le argilloscisti di Murta (AGF), invece, si contraddistinguono per un’evidente scistosità visibile chiaramente nelle carote estratte.

Nelle Figure 10A, 10B, 10C e 10D si riportano alcune immagini in cui sono leggibili i caratteri che contraddistinguono queste unità: scistosità, zone cataclasate, inclusioni di calcite/quarzo, zone alterate.

Poiché le fondazioni del ponte si intestano su tale substrato, è stato fondamentale caratterizzare con estrema cura queste unità. Al fine di determinare l’indice GSI, si è fatto riferimento a un sistema di classificazione quantitativo [3] – i cui parametri principali sono riportati in Figura 11 – valido per ammassi rocciosi particolarmente scadenti e definita a partire dalla formulazione, di carattere qualitativo di E. Hoek e E.T. Brown [4] e di E. Hoek, P.K. Kaiser e W.F. Bawden [5] (evolutasi nell’attuale forma per ammassi rocciosi scadenti, P. Marinos e E. Hoek [6].

Per i tratti molto fratturati (parte alterata e parte cataclasata della formazione) in cui il parametro SR (structure rating) è risultato generalmente inferiore a 20, si è utilizzata la classificazione di R.R. Osgoui, R. Ulusay e R. Unal. [7] in cui il GSI è funzione del parametro IJC (Figura 12).

A titolo esemplificato, nelle Figure 13A, 13B, 13C, 13D e 16E si riportano i valori dei parametri principali per l’Unità ARG in cui si evidenziano valori di σci variabili tra 5 e 20 MPa, con valori localmente superiori a 30 MPa (Figura 13A) in corrispondenza delle inclusioni di calcite/quarzo. Analoghe valutazioni sono state sviluppate per la parte cataclasata ARG_cat e per le formazioni AGF e ROC non riportate nel presente articolo. 

  • scistosità
    10A italferr
    10A. Argilliti (ARG) e argilloscisti (AGF) su cui si osservano scistosità
  • argilloscisti
    10B italferr
    10B. Argilliti (ARG) e argilloscisti (AGF) su cui si osserva la fascia cataclasata
  • Argilliti
    10C italferr
    10C. Argilliti (ARG) e argilloscisti (AGF) su cui si osservano inclusioni di calcite/quarzo
  • substrato
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    10D. Argilliti (ARG) e argilloscisti (AGF) su cui si osserva la fascia di alterazione al tetto del substrato
  • ricostruzione
    11 italferr ok
    11. I parametri SCR e SR di H. Sonmez e R. Ulusay [3]
  • prelievo dei campioni
    12 italferr
    12. L’IJC da R.R. Osgoui, R. Ulusay, R. Unal [7]
  • laboratorio
    13A, 13B, 13C, 13D e 13E italferr
    13A, 13B, 13C, 13D e 13E. I parametri principali delle unità ARG

Il modello geotecnico

L’accurata analisi dei risultati della campagna indagine ha permesso di ricostruire il modello geotecnico riportato in Figura 14. La spalla SpA e la pila P1 del ponte si inseriscono nella porzione di versante che insiste su litotipi argillitico-scistosi (AGF).

La formazione ha una copertura detritica di alterazione e disfacimento del substrato e/o terreni di riporto (COP). Dalla pila P2 alla pila P16 l’opera fonda sul fondovalle del torrente Polcevera, dove insiste il materasso alluvionale di spessore mediamente compreso tra 28 e 44 m, costituito prevalentemente dall’unità DG.

Alla base del materasso alluvionale è presente il substrato costituito dalle argilliti di Mignanego (MIG), in contatto tettonico sugli argilloscisti di Murta (AGF), e dalle argilliti di Montanesi (MTE).

La pila P17, la pila P18, la spalla SpB e le pile e le spalle della rampa insistono su un versante acclive modellato sul substrato flyschoide riconducibile alla formazione di Ronco (ROC) e sul substrato argillitico (ARG). Sul versante si riscontrano spessori di unità COL2 variabili con spessori massimi di 25 m circa.

Nelle Figure 15 e 16 sono riportati i range di riferimento dei principali parametri geotecnici per le sole unità brevemente descritte nel paragrafo “Le unità geotecniche”.

  • unità ARG
    14 italferr
    14. Il profilo geotecnico lungo l’asse del ponte Genova San Giorgio
  • versanti
    15 italferr
    15. Il range di riferimento delle unità coesive e incoerenti
  • tecnica SqueeSAR
    16 italferr
    16. Il range di riferimento delle unità ARG

L’influenza del modello geotecnico sul dimensionamento delle fondazioni

La presenza di terreni di copertura alluvionali, eluvio-colluviali e detritici, aventi spessori variabili, poggianti su un substrato su descritto ha condotto alla scelta di fondazioni su pali in c.a. di diametro 1.500 mm, strutturalmente collegati ad un plinto in c.a., garantendo sempre un immorsamento nelle formazioni rocciose per almeno tre diametri oltre lo strato alterato più superficiale (ARG_alt, AGF_alt, ROC_alt).

La presenza di percentuali di fine nei terreni alluvionali, le ridotte resistenze a compressione delle unità rocciose, l’elevata scistosità, la presenza di zone alterate e cataclasate, le variabilità trasversali del substrato, gli importanti carichi agenti sui pali, hanno reso necessari l’utilizzo di pali lunghi anche 50 m (Figura 17).

Solo la puntuale definizione dei parametri geotecnici, resa possibile da un cospicuo numero di sondaggi, di prove in sito e laboratorio, nonché di rilievi geomeccanici, ha permesso un’accurata ed efficace definizione dei parametri di input delle formulazioni adottate per la determinazione di affidabili curve di portanza per le fondazioni di ogni pila/spalla.

Nelle formulazioni utilizzate per la stima della portanza di base e laterale rientrano infatti, relativamente alle sole rocce, sia i parametri propri della roccia intatta che dell’ammasso:

  • qu resistenza a compressione uniassiale della roccia intatta;
  • αE funzione del rapporto Em/Ei tra il modulo dell’ammasso e quello del provino intatto;
  • mb, s, a, che compaiono nel criterio di rottura di Hoek e Brown (HB) delle formazioni rocciose;
  • GSI e fattore D che dipende dal grado di disturbo della massa rocciosa.
fondazione
17. Il cantiere durante la realizzazione dei pali di fondazione

Stessa considerazione può essere fatta sui parametri che rientrano nell’analisi di interazione attraverso le curve p-y funzione di qu, del valore di RQD, e del modulo di rigidezza Mir dipendente dal modulo di deformazione dell’ammasso roccioso.

È evidente cha una non corretta definizioni di tali parametri avrebbe condotto a un non corretto dimensionamento delle fondazioni.

La gestione in “qualità” del processo di indagine – solo precedentemente accennata – è risultata quindi vincente al fine di ricostruire un affidabile modello geotecnico. 

Conclusioni

Nel presente articolo si è voluto riassumere molto sinteticamente il processo seguito per la costruzione del modello geotecnico del ponte Genova San Giorgio sottolineando che, grazie a una gestione in qualità del processo di indagine, è stato possibile ricostruire un modello geotecnico e di calcolo affidabile e, solo grazie a quest’ultimo, è stato possibile progettare in modo scrupoloso le opere provvisionali e le fondazioni in un contesto complesso e particolare come quello della Val Polcevera.

La prima parte dell’articolo, pubblicata sul fascicolo n° 145 Gennaio/Febbraio 2021 a pag. 92, è online su https://www.stradeeautostrade.it/ponti-e-viadotti/requisiti-prestazionali-e-criteri-costruttivi-del-ponte-genova-san-giorgio-prima-parte/.

Bibliografia

[1]. M.D. Bolton – “The strength and dilatancy of sands”, Géotechnique, 36(1): 65-78, doi:10.1680/geot.1986.36.1.65, 1986.

[2]. K.M. Rollins, M. Evans, N. Diehl, W. Daily – “Shear modulus and damping relationships for gravels”, Journal of Geotechnical and Geoevironmental Engrg., 124 (5), 396-405, 1998.

[3]. H. Sonmez, R. Ulusay – “Modifications to the geological strength index (GSI) and their applicability to stability of slopes. Int J Rock Mech Min Sci; 36:743-60, 1999.

[4]. E. Hoek, E.T. Brown – “Practical estimates of rock mass strength”, Int. J. Rock MechMin Sci, 34(8):1165-86, 1997.

[5]. E. Hoek, P.K. Kaiser, W.F. Bawden – “Support of underground excavation in hard rock”, Balkema, Rotterdam, 1995.

[6]. P. Marinos, E. Hoek – “Estimating the geotechnical properties of heterogeneous rock masses such as flysch”, Accepted for publication in the Bulletin of the International Association of Engineering Geologists, 2001.

[7]. R.R. Osgoui, R. Ulusay, R. Unal – “An assistant tool for the Geological Strength Index to better characterize poor and very poor rock masses”, International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, vol. 47, n. 4, pp. 690-697, 2010.

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