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Universit degli Studi di Roma La Sapienza Dipartimento di Ingegneria Strutturale e Geotecnica
DOTTORATO DI RICERCA IN INGEGNERIA GEOTECNICA
Studio dellallargo di una galleria con la
tecnica del pretaglio
Gioacchino Altamura
Relatore: Prof. Alberto Burghignoli Co-relatori: Prof. Salvatore Miliziano
Prof. Renato Ribacchi
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INDICE
Premessa ........................................................................................................................... 1
1. Tecniche di esecuzione e allargo di gallerie................................................................. 5
1.1 Scavo di gallerie in terreni sciolti ........................................................................... 5
1.2 Allargo di gallerie................................................................................................. 11
2. La galleria di Nazzano................................................................................................ 13
2.1 Descrizione dellopera e dei lavori di allargo....................................................... 14
2.2 Inquadramento geologico ..................................................................................... 19
2.3 Caratterizzazione geotecnica ................................................................................ 20
2.4 Il sistema di monitoraggio .................................................................................... 48
3. Analisi numeriche dello scavo della galleria e dellallargo........................................ 51
3.1 Introduzioni alle analisi numeriche ...................................................................... 51
3.2 Analisi preliminari................................................................................................ 53
3.2 Analisi definitive .................................................................................................. 75
4. Risultati del monitoraggio .......................................................................................... 79
4.1 Introduzione.......................................................................................................... 79
4.2 Elaborazione dei dati di monitoraggio ................................................................. 81
4.3 Le misure estensimetriche .................................................................................... 92
4.4 Le misure inclinometriche.................................................................................. 107
5. Risultati delle analisi numeriche .............................................................................. 111
5.1 Introduzione........................................................................................................ 111
5.2 Le analisi numeriche eseguite ............................................................................ 112
6. Confronto tra risultati delle analisi e delle osservazioni sperimentali...................... 173
6.1 Introduzione........................................................................................................ 173
6.2 Il confronto ......................................................................................................... 174
6.3 Conclusioni......................................................................................................... 199
7. Considerazioni conclusive........................................................................................ 201
Bibliografia................................................................................................................... 206
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Certamente la natura interrogata dallesperimento una natura
semplificata, preparata appositamente e occasionalmente mutilata in
funzione delle ipotesi preesistente. Tutto ci non la priva della capacit di
smentire la maggior parte delle ipotesi. Einstein era solito far notare che
la natura, la maggior parte delle volte, risponde no alle domande che le
vengono poste e solo occasionalmente dice forse. Lo scienziato dunque
non fa tutto ci che vuole, non riesce a far dire alla natura quello che lui
vuole, n pu, per lo meno sul lungo periodo, proiettare su di essa i
desideri e le aspettative che gli ha pi a cuore. Lo scienziato corre
veramente dei grossi rischi, tanto pi grandi quanto pi crede di circuire
meglio la natura con la sua tattica, di metterla una volta per tutte con le
spalle al muro..
Il protocollo del dialogo sperimentale a nostro avviso unacquisizione
irreversibile della cultura umana. Esso garantisce veramente che la natura
interrogata dalluomo sar trattata come un essere indipendente.
Certamente essa viene costretta ad esprimersi in un linguaggio forse
inadeguato. Ma le procedure del metodo vietano di metterle in bocca le
parole che si vorrebbero ascoltare. Il dialogo sperimentale forma anche la
base del carattere comunicabile e riproducibile dei risultati scientifici.
Anche se costringiamo la natura ad esprimersi in maniera parziale, una
volta che essa ha parlato in condizioni riproducibili, tutti si inchinano:
infatti essa non mente mai, la natura non ci inganna.
La nuova alleanza - Ilya Prigogine, Isabelle Stengers
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Premessa _________________________________________________________________________
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Premessa
Nella presente tesi si riportano le attivit sviluppate e la ricerca realizzata durante il
Dottorato di Ricerca in Ingegneria Geotecnica, svolto presso il dipartimento di Ingegneria
Strutturale e Geotecnica dellUniversit di Roma "La Sapienza". necessario da subito
ricordare come le attivit del presente studio prendono spunto da una Convenzione di
Ricerca stipulata tra la Societ Autostrade S.p.A. (ora Autostrade per lItalia) ed il
Dipartimento di Ingegneria Strutturale e Geotecnica dell'Universit degli Studi di Roma
"La Sapienza" dal titolo Monitoraggio geotecnico dei lavori di ampliamento con traffico
in esercizio della galleria di Nazzano. Tale convenzione si riferisce allo studio di un caso
reale relativo ai lavori in corso per lampliamento a tre corsie pi quella di emergenza della
galleria di Nazzano sul tratto autostradale Orte - Fiano Romano (A1). Caratteristica
qualificante dei lavori nel sito in esame la messa in opera di un sistema di monitoraggio,
che rende lo studio del caso reale molto interessante, perch la previsione del
comportamento dellopera conseguito grazie ai modelli teorici numerici pu essere
confrontata con quanto rilevato in sito dal monitoraggio.
Il tipo di lavori in corso, pocanzi esposti, debbono essere inseriti in una
programmazione di ampia scala relativa alladeguamento delle infrastrutture preesistenti
necessaria per far fronte alla crescente domanda di trasporto. Quanto si prospetta in merito
allammodernamento dellattuale rete autostradale, tecnicamente si traduce, tra laltro, nel
cercare di potenziare la capacit delle vie di comunicazione. Lunica possibilit in ambito
delle infrastrutture di tipo autostradale, quella dellaggiunta di una o pi corsie di marcia
ad entrambe le carreggiate. Lallargamento della sede stradale da due a tre corsie uno
degli attuali problemi, ancor pi complesso, in presenza di gallerie. In questultimo caso, il
problema si aggrava ulteriormente se si deve garantire il traffico in esercizio, anche durante
i lavori. Una semplice soluzione, quando le condizioni lo permettono, quella di realizzare
opere di deviazione temporanea chiudendo la galleria sino al completamento dei lavori di
allargamento. Ci permette di progettare e analizzare il problema analogamente a quanto
succede per lo scavo ex-novo di gallerie, senza tener conto di particolari esigenze,
esaminando le possibili tecniche di scavo correntemente utilizzate. In alternativa,
possibile pensare a tecniche che consentano il mantenimento del traffico durante i lavori,
sia pure a carreggiata ridotta, proteggendo la sede stradale: un esempio lallargamento
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Premessa _________________________________________________________________________
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della galleria autostradale di Nazzano. Limpossibilit nel realizzare nuove gallerie e/o
nuovi tracciati, infatti, ha condotto ad operare sulla galleria preesistente, necessariamente
aperta al traffico, costringendo alladozione di tecniche costruttive che richiedano la
presenza di uno scudo di protezione della sede stradale e dei conseguenti ridotti spazi
operativi. Poich nel caso in esame ci ritrova in presenza di terreni sciolti e/o di scadenti
caratteristiche di resistenza, cui si associano limitate capacit di autosostegno del cavo,
lavanzamento del fronte stato preceduto dalla realizzazione di un guscio resistente
inserito nel terreno, avente funzione di rivestimento provvisorio. Tale guscio realizzato
mediante intasamento con betoncino fibrorinforzato di unincisione anulare scavata
meccanicamente mediante una lama metallica, il cosiddetto pretaglio, di diametro
maggiore rispetto a quello della nuova galleria.
Quando si studiano gli effetti dello scavo di una galleria, la modellazione pi opportuna
quella tridimensionale, scelta ancora pi appropriata per simulare lesecuzione di
unincisione di estensione limitata nel terreno quale il pretaglio. Per tale ragione sono
state impostate, come meglio verr illustrato in seguito, analisi numeriche tridimensionali
impiegando il codice di calcolo alle differenze finite FLAC 3D 2.0. Le analisi numeriche
tridimensionali sono particolarmente adatte nel simulare realisticamente le singole fasi
previste nella realt esecutiva dello scavo di gallerie e, in particolare nel caso in esame, le
fasi di ampliamento delle gallerie per mezzo della tecnica del pretaglio. Le stesse
permettono, inoltre, di seguire e studiare levoluzione tensio-deformativa nelle tre direzioni
dello spazio che si sviluppa con lavanzamento del fronte di scavo. Se da una parte
evidente lutilit delle analisi tridimensionali nella progettazione statica delle gallerie, non
inutile ricordare che, nonostante le maggiori potenzialit degli attuali calcolatori, lanalisi
numerica tridimensionale richiede tempi di calcolo impegnativi. Tale onerosit
computazionale richiede lintroduzione di semplificazioni nella messa a punto dello
strumento danalisi. Una specifica trattazione riservata, a tal proposito, nella scelta del
modello implementato nelle analisi numeriche, fissando in particolare lattenzione sulle
dimensioni del reticolo di discretizzazione, sulla geometria della griglia e sulla dimensione
degli elementi che la compongono, sulla densit di discretizzazione, sulle relazioni sforzi-
deformazioni del terreno, sullutilizzo di elementi strutturali nella simulazione di alcuni
processi di realizzazione delle singole fasi costruttive.
In generale, una volta messa a punto uno strumento dindagine numerica, il progresso
delle conoscenze sul comportamento tensio-deformativo dellammasso soggetto a fasi
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Premessa _________________________________________________________________________
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lavorative pi o meno articolate, come processi di scavo, demolizione di elementi
strutturali esistenti e installazione di nuovi, necessariamente passa per un sistematico
confronto tra i risultati di simulazioni numeriche il pi vicino possibile alla realt e misure
rilevate in sito in situazioni ben caratterizzate geotecnicamente. Tutto ci tanto pi vero
per lo studio dellallargo di gallerie per mezzo della tecnica del pretaglio, essendo
questultima una tecnica di recente utilizzo, non supportata da studi ed indagini simili
precedenti. Grazie alla Convenzione, cui si accennato precedentemente, tale tipo di
confronto possibile attualizzando i dati provenienti dal sistema di monitoraggio. Lungo lo
sviluppo della galleria, di lunghezza pari a circa 330 m, sono disposte cinque sezioni di
misura, per ciascuna della quale disponibile una buona caratterizzazione geotecnica dei
terreni presenti.
Tutto ci premesso possibile con maggior chiarezza delineare gli obiettivi della
presente tesi di dottorato:
Ottimizzazione delle analisi numeriche tridimensionali in modo da assicurare un compromesso tra accuratezza dei risultati e tempi di analisi. Ci possibile
agendo sui criteri di simulazione, sulla geometria della griglia utilizzata e sulla
scelta di semplici, ma sufficientemente approssimati, legami costitutivi per la
simulazione del comportamento del terreno.
Migliorare la comprensione del comportamento dinsieme di un ammasso interessato dallallargo di gallerie con limpiego della tecnica del pretaglio. Ci
possibile attraverso il confronto tra i risultati provenienti dallimplementazione
di strumenti di analisi tridimensionale, in grado di riprodurre fedelmente le
singole fasi costruttive previste nella realt esecutiva, e i dati rilevati in sito con
appropriati sistemi di monitoraggio.
La tesi articolata in modo da passare progressivamente dalla descrizione
dellintervento di allargo e dalla caratterizzazione geotecnica del sito, alla elaborazione dei
risultati numerici e dei dati di monitoraggio, al loro successivo confronto, e quindi alle
considerazioni finali e alle conclusioni della ricerca. Pi specificatamente, dopo la
descrizione della sequenza lavorativa che caratterizza il sito in esame, si illustrano
sinteticamente le campagne dindagine geotecniche fin ad oggi eseguite e il tipo di
strumentazione caratterizzante il sistema di monitoraggio. In particolare si descrive in
dettaglio il modello geotecnico di sottosuolo desunto dal complesso dei risultati ottenuti
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Premessa _________________________________________________________________________
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nelle indagini in sito e nelle prove di laboratorio. Prima di illustrare i dati provenienti dalla
strumentazione di monitoraggio usati per lo studio e i confronti, si descrivono i criteri
seguiti nellimpostazione delle analisi numeriche eseguite, sia con riferimento
allimpostazione generale del problema sia con riferimento alla simulazione delle singole
fasi costruttive. A seguire si riportano e si commentano i dati provenienti dal sito pi
affidabili e significativi, descrivendo i criteri di elaborazioni cui sono stati sottoposti.
Particolare attenzione dedicata allillustrazione delle analisi numeriche, dalle quali sono
stati ricavati i risultati posti a confronto con i dati di monitoraggio. In fine si riportano le
considerazioni e le indicazioni che sono scaturite dalla intera ricerca, con le relative
osservazioni e conclusioni.
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Capitolo 1 Tecniche di esecuzione e allargo di gallerie _______________________________________________________________________________
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CAPITOLO 1 Tecniche di esecuzione e allargo di gallerie
1.1 Scavo di gallerie in terreni sciolti
Lo scavo in terreni sciolti difficilmente effettuato in assenza di una protezione nel
tratto di galleria appena scavato e ancora privo di rivestimento. Di corrente utilizzo la
realizzazione di gallerie con uno scudo, che in grado di garantire un ambiente di lavoro
sicuro, una maggiore efficienza delle operazioni di scavo e un minor disturbo del terreno
circostante in termini di spostamenti indotti. In terreni sciolti poco consistenti,
praticamente privi della componente di resistenza di tipo coesivo, non possibile
immaginare che una galleria possa autosostenersi senza la presenza di un rivestimento. In
prossimit del fronte, durante lavanzamento dello scavo, nasce la problematica relativa
allimpossibilit di mettere in opera da subito un rivestimento anche solo provvisorio. La
presenza dello scudo, e in particolare del corpo dello scudo, risolve totalmente tale
difficolt. Non solo, unito allestremit di taglio e opportunamente irrigidito, permette di
controllare e far avanzare lo scavo della galleria stessa, lasciando alla coda dello scudo il
compito di erigere e installare nuovi elementi di rivestimento, pompare malta di
riempimento tra rivestimento e parete della galleria, e provvedere allorganizzazione di
smaltimento dello smarino. Si comprende come lo scavo con limpiego di uno scudo possa
essere molto efficiente, oltre che pi sicuro per la manodopera, quando ogni operazione
coordinata e sincronizzata con tutte le altre.
Il coordinamento delle fasi di lavoro e le caratteristiche di avanzamento dello scavo
sono in funzione del tipo di scudo che si sceglie di adottare. Le differenze tra uno scudo e
laltro risiedono principalmente sulle modalit di scavo e sugli accorgimenti relativi alla
stabilit del fronte. Per quanto riguarda il primo aspetto, il sistema di scavo al fronte pu
essere di tipo manuale, semimeccanizzato o completamente meccanizzato.
Tendenzialmente il sistema pi utilizzato quello meccanizzato, mentre non si utilizza pi
il sistema manuale. Il sistema meccanizzato sicuramente pi vantaggioso rispetto a quello
semimeccanizzato per terreni attraversati praticamente omogenei nelle caratteristiche
fisiche e meccaniche. Ci comprensibile se si pensa che il sistema di scavo meccanizzato
consiste nella presenza di una testa rotante, la fresa, che realizza lo scavo a tutta sezione ed
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Capitolo 1 Tecniche di esecuzione e allargo di gallerie _______________________________________________________________________________
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munita di specifici strumenti taglienti, i cutters, da selezionare in maniera specifica per le
diverse condizioni geotecniche incontrate. Viceversa, quando i terreni sono eterogenei e si
possono trovare diverse condizioni geotecniche del terreno attraversato, lo scavo semi-
meccanizzato assicura unottimizzazione del lavoro per la sua pi flessibilit nelle
operazioni e modalit di scavo. La tecnica per garantire la stabilit del fronte un ulteriore
elemento che differenzia sostanzialmente il tipo di scudo. Il sostegno del fronte pu essere
raggiunto tramite lutilizzo di aria compressa, ma pi generalmente si impiegano fanghi
bentonitici in pressione applicati al fronte di scavo. La pressione di stabilizzazione pu
essere generata anche tramite la pressione del terreno stesso scavato, opportunamente
rimescolato e miscelato con additivi, in un apposita camera posizionata immediatamente
dietro la fresa.
Una scelta oculata della tecnica di scavo e del tipo di macchina da utilizzare permette
lottimizzazione nella realizzazione di gallerie, scelta non banale perch deve tenere conto
inevitabilmente di molti altri fattori oltre a quelli gi menzionati sopra, quali le condizioni
idrauliche, la lunghezza e le dimensioni della sezione della galleria, la velocit di
esecuzione dello scavo, il sistema di sostegno che si pensa di dover utilizzare e infine, ma
non ultimo per importanza, il costo della macchina.
Gli scudi utilizzati sono schematicamente illustrati nelle seguenti Tab. 1 e Tab. 2.
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Capitolo 1 Tecniche di esecuzione e allargo di gallerie _______________________________________________________________________________
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Tab.
1
Cla
ssifi
cazi
one
degl
i scu
di(a
).
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Capitolo 1 Tecniche di esecuzione e allargo di gallerie _______________________________________________________________________________
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Tab.
2
Cla
ssifi
cazi
one
degl
i scu
di (b
).
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Capitolo 1 Tecniche di esecuzione e allargo di gallerie _______________________________________________________________________________
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Esistono, comunque, anche situazioni in cui possibile far a meno dellutilizzo di scudi
di protezione: quando i terreni sono a grana fine molto consistenti, quando la sezione della
futura galleria molto ampia o la lunghezza della stessa tropo breve. In questi casi si
opera scavando puntualmente con mezzi meccanici (scavo in tradizionale), dopo aver
assicurato la stabilit di tutta la zona del fronte. Evidente come debba essere
profondamente curato, nella progettazione dello scavo in tradizionale, laspetto della
stabilit al fronte, essendo il requisito che assicura la possibilit di avanzamento dellopera
e la sicurezza del cantiere. Di solito si utilizza calcestruzzo proiettato fibrorinforzato che
pu essere considerato come sostegno permanente in condizioni di basse sollecitazioni o,
diversamente, come sostegno provvisorio per consentire la messa in opera delle centine. In
ogni modo, le tecniche di miglioramento o rinforzo sono di particolare aiuto in questi casi e
il tipo e la loro modalit di utilizzo funzione delle caratteristiche geotecniche e
geometriche del sito. Una breve descrizione sar riportata in seguito.
A prescindere da eventuali tecniche di miglioramento, quando presente un minimo di
coesione, nella progettazione delle gallerie comunque possibile valutare le condizioni di
stabilit nella zona del fronte e del retrofronte. Queste sono le zone dove ancora non
presente un rivestimento definitivo e deve essere previsto un sostegno provvisorio o una
pressione di stabilizzazione, come nel caso di scavo con scudi. In generale, per un primo
livello dello studio della stabilit, si pu far riferimento ai metodi dellanalisi limite. Di
particolare interesse nella valutazione sono due situazioni estreme: quando il tratto di
galleria in cui non presente il rivestimento definitivo sufficientemente lungo da poter
pensare di essere in condizioni piane o quando possibile pensare il rivestimento
definitivo in corrispondenza del fronte. In proposito, la letteratura propone relazioni di
facile comprensione e applicazione, distinguendo casi di terreni coesivi-attritivi, sopra o
sotto falda e casi di terreni coesivi in condizioni non drenate.
Altro aspetto nella progettazione di gallerie la scelta e dimensionamento del
rivestimento definitivo, aspetto non dimmediata risoluzione. Infatti il terreno non pu
essere considerato come un semplice carico esterno applicato al rivestimento, ma
necessario tener conto sia della complessa interazione tra rivestimento-terreno sia come la
messa in carico del rivestimento dipenda da molteplici fattori derivanti anche dal tipo di
terreno e dalle modalit di scavo. Molto spesso lesperienza del progettista ad essere
determinante nella scelta delle caratteristiche del rivestimento. Comunque unanalisi
strutturale necessaria oltre che cogente; una prima valutazione pu essere effettuata
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Capitolo 1 Tecniche di esecuzione e allargo di gallerie _______________________________________________________________________________
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utilizzando schemi semplificati in cui si applica il metodo delle curve caratteristiche, per
poi passare eventualmente ad analisi pi complesse in cui si fa uso di metodi di calcolo
numerici quali analisi agli elementi finiti.
Nella progettazione di gallerie doveroso tener conto anche dellambiente circostante in
cui si inserisce la nuova struttura. Lo scavo di una galleria, infatti, comporta
inevitabilmente una perturbazione dello stato tensionale e deformativo in un volume di
terreno dipendente dalle dimensioni dellopera e dalle caratteristiche geotecniche del
terreno stesso. Un esempio significativo riguarda le gallerie in ambiente urbano. Alle
problematiche costruttive e progettuali appena accennate si affianca un altro aspetto di
notevole importanza: linterazione con le costruzioni in superficie. Edifici e pi in generale
strutture di diversa natura, alcune anche di prevalente interesse storico e artistico, sono
condizionate dallo stato deformativo del terreno di fondazione conseguente allo scavo della
galleria sottostante; in questi casi imprescindibile limitare gli effetti dellinterazione per
non alterare la stabilit e la funzionalit. Il primo passo consiste nella valutazione degli
spostamenti in superficie in modo da poter avanzare delle indicazioni sulle possibile
problematiche, in termini di danni potenziali indotti. Lo studio pu essere molto
impegnativo e pu anche influenzare sostanzialmente la tecnica di scavo della galleria,
oltre a promuovere la pianificazione di opere di miglioramento e/o rinforzo per la
riduzione del campo di spostamenti previsto.
Come si visto, le tecniche di miglioramento e/o rinforzo sono indispensabili in molti
casi, quale la mitigazione delle problematiche relative ai danni potenziali indotti in
strutture preesistenti in superficie, lo scavo di gallerie in condizioni difficili o, come si
accennato precedentemente, quando si sceglie di adottare tecniche di scavo tradizionali. Di
seguito riportiamo brevemente le tecniche di miglioramento e/o rinforzo pi comunemente
utilizzate nella realizzazione di gallerie.
Nellambito degli interventi di miglioramenti possibile segnalare la tecnica delle
iniezioni, che pu essere praticata con diverse modalit dazione e utilizzando diversi
prodotti per le miscele di iniezione, in funzione delle caratteristiche del terreno da trattare e
delle prestazioni che si vogliono raggiungere. Anche il congelamento rientra nelle tecniche
di miglioramento; in presenza di terreni sotto falda possibile creare apposite zone
resistenti che permettono la stabilit a breve termine, sufficiente allo scavo e installazione
del rivestimento provvisorio o/e definitivo. La tecnica di congelamento stata utilizzata
con successo anche per problemi di stabilit di fondo scavo e un esempio ne la
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Capitolo 1 Tecniche di esecuzione e allargo di gallerie _______________________________________________________________________________
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costruzione della metropolitana milanese. Per raggiungere le zone da trattare, entrambi i
metodi di miglioramento possono essere eseguiti dalla superficie o dallinterno stesso della
gallerie, in funzione della copertura e delleconomia dellintervento.
Nellambito delle tecniche di rinforzo, nella costruzione di gallerie possibile prevedere
lintervento di jet-grouting. Anche in questo caso possibile eseguire lintervento sia a
partire dalla superficie, quando ovviamente la profondit modesta, sia dal fronte di scavo.
In questultimo caso possibile pensare di realizzare colonne sub-orizzontali in prossimit
della corona della gallerie per creare una sorta di protezione detto consolidamento a
ombrello.
Lo sviluppo di fenomeni di collasso pu essere evitato, inoltre, mediante un presostegno
o prerinforzo del fronte e della zona antistante, senza lausilio degli interventi di modifica
o rinforzo appena descritti. Molto comune, per esempio, lutilizzo di barre in vetroresina
infilate al fronte in modo da migliorare le condizioni di stabilit e ridurre le deformazioni
del terreno trattato, responsabili queste ultime anche di una significativa percentuale di
spostamenti indotti in superficie.
1.2 Allargo di gallerie
Lesigenza e il concetto dellallargo di gallerie preesistenti nasce negli ultimi tempi. Per
tale motivo non esistono, ad oggi, procedure ben consolidate che possano essere prese a
riferimento nella progettazione di lavori di allargamento. Tutto rimandato allesperienza
e alla fantasia del progettista oltre che alle possibilit tecnologiche su cui ci si pu
basare. possibile far riferimento a lavori in cui, semplicemente, si operato smantellando
il rivestimento esistente in mattoni. Lavori comunque sporadici perch lampliamento della
capacit di una via di comunicazione stata finora soddisfatta progettando e costruendo
nuove infrastrutture e nuovi tratti stradali-ferroviari di pi alta capacit. Linteresse
nellammodernamento e/o adeguamento delle infrastrutture preesistenti nato per vari
motivi tra i quali la presenza di numerosi vincoli paesaggistici, destinati con il tempo a
aumentare in numero e vigore, che limitano le possibilit di perturbare e modificare siti
protetti. Lallargo di gallerie preesistenti porta con se anche un ulteriore aspetto degno di
studio che consiste nella modifica e gestione del traffico. Impegnando le gallerie nei lavori
di allargo, infatti, necessario prevedere la deviazione del traffico o di adottare tecniche di
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Capitolo 1 Tecniche di esecuzione e allargo di gallerie _______________________________________________________________________________
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scavo compatibili con lo stesso. Analizzando questultima alternativa, una possibilit
quella di adottare tecniche costruttive che prevedano la presenza di uno scudo di
protezione della sede stradale e che tengano conto dei conseguenti ridotti spazi operativi.
In presenza di terreni di scadenti caratteristiche meccaniche, cui si associano limitate
capacit di autosostegno del cavo, lavanzamento del fronte pu essere preceduto dalla
realizzazione di un guscio resistente inserito nel terreno, avente funzione di rivestimento
provvisorio, realizzato mediante intasamento con betoncino fibrorinforzato di unincisione
anulare scavata meccanicamente mediante una lama metallica, il cosiddetto pretaglio, di
diametro maggiore rispetto a quello della nuova galleria. In questo modo si ottiene una
struttura provvisoria in grado di scaricare alle imposte sollecitazioni altrimenti
incompatibili con la resistenza intrinseca dellammasso, garantendo la stabilit del fronte
scavo e della cavit. Un intervento di questo genere, comunemente detto intervento del
pretaglio, si inserisce nellevoluzione dei tradizionali metodi di scavo verso soluzioni in
grado di determinare la creazione di effetti arco artificiali quale elementi fondamentali per
migliorare le condizioni di stabilit delle gallerie in terreni sciolti e/o in condizioni difficili.
Non solo, tale metodo pu garantire una riduzione delle deformazioni, che normalmente
iniziano a svilupparsi ancor prima del passaggio del fronte di scavo. Aspetto questultimo
di particolare importanza quando si opera in gallerie poco profonde, caratterizzate dalla
presenza di edifici preesistenti in superficie.
Come si vedr pi in dettaglio nel prossimo capitolo, lapplicazione di tale tecnica
innovativa stata adottata per lampliamento della galleria di Nazzano.
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Capitolo 2 La galleria di Nazzano _______________________________________________________________________________
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CAPITOLO 2 La galleria di Nazzano
Il problema dellampliamento di gallerie di attuale interesse nei lavori di allargamento
da due a tre corsie di sedi autostradali. In particolare lautostrada A1 (E45), nel tratto tra
Roma Nord e Orte ha subito un ridimensionamento per far fronte alla cresciuta domanda,
realizzando una corsia di marcia in pi per ogni carreggiata. Il ridimensionamento della
sede autostradale da due a tre corsie pi una di emergenza, dal chilometro 522+000 al
chilometro 523+200, prevede lampliamento della galleria di Nazzano. Tale galleria prende
il nome dal paese che sottopassa parzialmente, situato nel parco della valle del Tevere, a
meno di 50 Km dalle porte di Roma nord, arroccato su un rilievo di modesta altezza, con
quota del centro urbano di 202 m s.l.m (Fig. 1). Lampliamento della galleria prevede una
sequenza di fasi di lavoro che richiede unorganizzazione relativamente complessa del
processo costruttivo.
Fig. 1 - Ubicazione geografica della galleria di Nazzano.
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Capitolo 2 La galleria di Nazzano _______________________________________________________________________________
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In questo capitolo si illustrano dapprima dettagliatamente le operazioni che
contraddistinguono la tecnica di scavo. Di seguito si riportano tutte le informazioni che
caratterizzano il sito sotto laspetto geotecnico e geologico, riportando i risultati delle
campagne dindagine geotecnica cui stato oggetto e, quindi, descrivendo il relativo
sistema di monitoraggio.
2.1 Descrizione dellopera e dei lavori di allargo
Nella lavorazione di allargo della galleria possibile individuare alcune fasi principali
che caratterizzano lintero processo: la realizzazione del pretaglio e il suo intasamento per
creare un guscio di calcestruzzo fibrorinforzato con funzione di rivestimento preliminare;
la demolizione del rivestimento della galleria preesistente e del terreno al di sotto del
guscio; la messa in opera del nuovo rivestimento definitivo; lintasamento
dellintercapedine tra il guscio ed il rivestimento e la precompressione del rivestimento
definitivo. Il pretaglio consiste nellesecuzione in avanzamento, dal fronte di scavo, di
unincisione anulare di diametro leggermente superiore a quello della futura galleria e
leggermente inclinato verso lesterno al fine di permettere la sovrapposizione di parte dei
gusci. Durante lesecuzione dei lavori, la sede stradale protetta da uno scudo metallico
posto allinterno del rivestimento preesistente che, bench riduca lampiezza della
carreggiata, consente di mantenere due corsie eliminando la sola corsia di emergenza (Fig.
2). Durante lallargamento della galleria, al fine di mantenere lesercizio, non pu essere
realizzato il nuovo arco rovescio, ma un collegamento strutturale di tipo provvisionale tra il
nuovo rivestimento ed il vecchio arco rovescio. Completato lallargamento, tutto il traffico
veicolare avviene nella nuova galleria, ormai di dimensioni tali da contenere due corsie per
senso di marcia. I lavori vengono spostati nellaltra galleria, in questa fase chiusa al
traffico. Al completamento dei lavori della seconda galleria, nella quale larco rovescio
realizzato contestualmente alla messa in opera del rivestimento definitivo, il traffico si
sposta ancora interamente in questultima per consentire il completamento della prima
galleria con la realizzazione del nuovo arco rovescio. Lopera finita, per ciascuna galleria,
presenta tre corsie di marcia pi la corsia di emergenza (Fig. 2).
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Capitolo 2 La galleria di Nazzano _______________________________________________________________________________
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Fig. 2 Fase delle lavorazioni e traffico.
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Capitolo 2 La galleria di Nazzano _______________________________________________________________________________
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La sequenza delle operazioni che contraddistingue la realizzazione dellallargo della
singola gallerie per mezzo della tecnica del pretaglio, che costituisce il modulo ripetitivo di
tre metri di lunghezza su cui si basa lintero processo di avanzamento dello scavo,
descritta nel seguito, prendendo a riferimento una sezione longitudinale della galleria:
1) esecuzione del pretaglio;
GALLERIA ALLARGATA
2) riempimento del pretaglio con betoncino fibrorinforzato ad alta resistenza e rapida
presa e successiva posa in opera di un arco di conci del rivestimento definitivo; a
seguire, dopo lintasamento con betoncino dellintercapedine tra il guscio e larco,
si esegue la precompressione di questultimo mediante un martinetto posto in
corrispondenza del concio di chiave;
GALLERIA ALLARGATA
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Capitolo 2 La galleria di Nazzano _______________________________________________________________________________
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3) avanzamento di un metro dello scavo;
GALLERIA ALLARGATA
4) posa in opera del secondo arco di conci del rivestimento definitivo;
GALLERIA ALLARGATA
5) avanzamento di un metro dello scavo;
GALLERIA ALLARGATA
GALLERIA EISTENTE
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Capitolo 2 La galleria di Nazzano _______________________________________________________________________________
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6) posa in opera del terzo arco di conci del rivestimento definitivo;
GALLERIA ALLARGATAGALLERIA ALLARGATA
GALLERIA EISTENTE
7) avanzamento di un metro dello scavo;
GALLERIA ALLARGATAGALLERIA ALLARGATAGALLERIA ALLARGATA
GALLERIA EISTENTE
La modalit di esecuzione del pretaglio andata affinandosi nel corso dei lavori. In un
primo momento si effettuata la realizzazione completa dellincisione anulare per tutta
lestensione dellarco di volta e poi lintasamento con betoncino fibrorinforzato della
stessa. Successivamente, pur mantenendo la stessa profondit in avanzamento, il pretaglio
consistito nel realizzare a tratti lincisione anulare, ognuna di ampiezza variabile da 2 a
3.5 metri, e nellimmediato intasamento con betoncino, a partire dal piede destro della
galleria.
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Capitolo 2 La galleria di Nazzano _______________________________________________________________________________
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2.2 Inquadramento geologico
In questo paragrafo si riportano le principali caratteristiche geologiche derivanti
dallosservazione diretta in sito e da una prima campagna di indagine. Tale campagna
stata integrata successivamente da una nuova e pi estesa serie di indagini, dalle quali
scaturita la caratterizzazione geotecnica definitiva.
I versanti in cui sono presenti gli imbocchi delle gallerie presentano pendenze piuttosto
elevate. Le stesse inclinazioni caratterizzano i pendii nella zona centrale del rilievo dove
sorge il centro dellabitato. I terreni che costituiscono larea dinteresse dei lavori,
appartengono a depositi marini plio-pleistocenici e sono costituiti da sabbie limose, sabbie
e ghiaie. In particolare si riscontrano successioni di sedimenti a granulometria
prevalentemente fine con la tendenza a divenire pi grossolani procedendo verso la parte
alta della serie. Le gallerie sono localizzate in un litotipo sabbioso, verso la parte alta della
successione di depositi appena descritta. In particolare, tale litozona costituita da sabbie
medio-fini di colore giallo-nocciola da debolmente a mediamente limose alternate da limi
da debolmente sabbiosi ad argillosi di colore grigio in orizzonti irregolari. Si possono
anche riconoscere lenti e/o paleocanali di ghiaie in matrice sabbiosa fine. Riassumendo, la
successione locale sembra essere costituita da due principali formazioni litologiche che
possono essere brevemente descritte partendo dal basso verso lalto. La prima formazione
caratterizzata da limo sabbiosi e/o argillosi, da mediamente consistenti a consistenti, di
colore grigio-azzurro; la formazione pi superficiale costituita da sabbie fini limose di
colore avana, da mediamente a molto addensate, talora debolmente cementate. Questi
terreni sono spesso interessati da sottili livelli arenacei, discontinui e fratturati, a
comportamento sostanzialmente litoide.
Infine, mediante le misure piezometriche stata rilevata una falda con superficie libera
localizzabile nei terreni limosi sabbiosi e/o argillosi di base, il cui livello raggiunge una
quota pari a circa quella dellarco rovescio della galleria esistente.
La geologia del luogo prevede, al di sotto dei limi sabbiosi, una potente formazione
costituita da argille consistenti plioceniche. In Fig. 3 possibile vedere una sezione
longitudinale della geologia dellammasso, in cui si posizionano le due gallerie,
relativamente ai due litotipi pi superficiali.
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Capitolo 2 La galleria di Nazzano _______________________________________________________________________________
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Fig. 3 sezione longitudinale dellammasso in cui sono realizzate le due gallerie
2.3 Caratterizzazione geotecnica
Nellambito della Convenzione tra Autostrade per lItalia S.p.A. ed il Dipartimento di
Ingegneria Strutturale e Geotecnica i terreni interessati dallallargamento delle due gallerie
sono stati oggetto di una campagna di indagini integrativa; ci ha permesso di finalizzare la
caratterizzazione geotecnica, con prove geotecniche in sito e di laboratorio
contestualmente allinstallazione della strumentazione di monitoraggio.
Nellambito delle attivit previste per la messa in opera degli strumenti di monitoraggio
(estenso-inclinometri e piezometri), sono stati eseguiti 39 perforazioni, di cui 14 sondaggi
a carotaggio continuo durante i quali stato possibile prelevare campioni indisturbati ed
altri disturbati per lesecuzione di prove di laboratorio. Intendendo con S sondaggio a
carotaggio continuo e con D sondaggio a distruzione di nucleo, in Fig. 17 si pu
osservare lubicazione lungo le varie sezioni delle perforazioni eseguite. I campioni
prelevati, sono in numero di 100 di cui 60 sono stati sottoposti a prova.
I campioni sono stati sottoposti a prove di laboratorio per determinare sia le
caratteristiche di resistenza sia di deformabilit. Si sono condotte, pi precisamente, 5
prove edometriche, 10 prove in colonna risonante, 39 prove di taglio diretto, 4 prove
triassiali consolidate non drenate.
Le prove eseguite nella campagna di indagine integrativa consistono, non solo in prove
di laboratorio, ma anche in prove in sito. Le prove in sito constano in prove
pressiometriche e penetrometiche dinamiche nonch prove di tipo geofisico quali le cross-
hole. Le prove penetrometriche statiche sono state effettuate lungo le perforazioni che
costituiscono le prime due sezioni strumentate e lungo le verticali dellultima sezione
collocata a ridosso dellimbocco lato Sud delle due gallerie. Le prove pressiometriche, in
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numero di dieci, sono state eseguite lungo una stessa verticale corrispondente al sondaggio
S13, facente parte dalla quarta sezione.
La presenza di una campagna di indagine pregressa ha permesso le osservazioni di
carattere geologico sopra esposte e ha indicato quali fossero le caratteristiche stratigrafiche
del sito. Grazie anche alla semplicit della geologia del sito, le ulteriori informazioni di
natura stratigrafica acquisite con la campagna di indagine integrativa hanno confermato
quanto gi noto. La superficie di separazione tra la formazione arenacea superficiale
(sabbia variamente cementata) e la sottostante formazione di limo sabbioso grigio
sostanzialmente suborizzontale e localizzata ad una quota media assoluta di 165 m.
Lintradosso dellarco rovescio delle gallerie attuali si trova ad una quota di 166 m s.l.m.
pertanto le gallerie sono scavate completamente nella formazione sabbiosa superficiale.
Caratteristica della formazione sabbiosa la presenza di livelli suborizzontali fortemente
cementati intercalati a livelli meno cementati.
Per quanto riguarda la distribuzione delle pressioni interstiziali, si conferma che la falda
sostanzialmente in condizioni idrostatiche con superficie libera posta a circa 168 m
s.l.m.; la galleria si trova, quindi, interessata da un battente idraulico di circa 2 m (Fig. 4).
limo sabbioso
sabbia
Fig. 4 - Successione stratigrafica
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Di seguito si riportano prima la descrizione delle modalit di esecuzione ed
interpretazione delle prove in sito e di laboratorio, poi si illustrano i risultati con i relativi
commenti.
Prove in sito e di laboratorio per la determinazione dei parametri meccanici di resistenza
e deformabilit: caratteristiche della modalit di esecuzione e di elaborazione delle prove
Grazie al cospicuo numero di provini a disposizione prelevati in sito stato possibile
eseguire prove mirate ad individuare i valori numerici dei parametri sia di resistenza sia di
deformabilit. In considerazione della natura dei terreni, sono state scelte di volta in volta
le prove pi adatte. Per quanto riguarda i parametri di resistenza in particolare sono state
eseguite sia prove di laboratorio, quali prove di taglio diretto e prove di compressione
triassiale, sia prove in sito quali le prove penetrometriche statiche. Per quanto riguarda le
prove finalizzate alla determinazione dei parametri di deformabilit, sono state ancora una
volta eseguite prove sia di laboratorio, come quelle in colonna risonante e le prove
edometriche, sia prove in sito quali le prove pressiometriche, le prove penetrometriche
statiche e le prove geofisiche cross-hole. Nel seguito illustriamo le modalit esecutive delle
principali prove in sito e, successivamente, le modalit esecutive delle prove di laboratorio
ed i criteri di interpretazione seguiti.
Le prove in sito
Le prove pressiometriche sono un valido strumento per la determinazione in sito dei
parametri di deformabilit dei terreni. Nellindagine in oggetto, le prove sono state eseguite
con il pressiometro Menard, che richiede la realizzazione di una tasca nel foro di
sondaggio, allinterno del quale si esegue la prova. Il disturbo legato allinstallazione,
riconducibile allannullamento della tensione orizzontale totale ed alle distorsioni indotte
su un volume non sempre piccolo di terreno nellintorno del pressiometro, comporta la
difficolt di valutare bene la tensione litostatica iniziale (di cui si pu fare solo una stima)
e, inoltre, per determinare i moduli di deformabilit del terreno necessario impiegare
correlazioni empiriche (coefficienti reologici) con il modulo pressiometrico ottenuto dalla
pendenza del cosiddetto tratto pseudo-elastico della curva pressiometrica. Il modulo di
Young, tuttavia, pu essere determinato eseguendo un ciclo di scarico e successivo
ricarico; in questo caso, infatti, il modulo di Young pu essere valutato direttamente dalla
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Capitolo 2 La galleria di Nazzano _______________________________________________________________________________
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pendenza media della curva pressiometrica in corrispondenza del ciclo, senza dover fare
ricorso alluso di correlazioni empiriche. Operando in questo modo, di fatto, si ipotizza che
la deformabilit del terreno nel ciclo sia sostanzialmente coincidente con la deformabilit
vergine (quella che si sarebbe ottenuta in assenza di disturbo dovuto allinstallazione del
pressiometro); tale ipotesi, tuttavia, potrebbe sottostimare la rigidezza reale nei terreni
caratterizzati da sensitivit strutturale.
A partire dai dati sperimentali, il modulo di Young, E, pu essere ottenuto mediante la
seguente espressione:
E=2 (1+) p/c essendo:
p lintervallo di pressioni prescelto, c la corrispondente deformazione volumetrica, il coefficiente di Poisson. Infine, va precisato che nei terreni a grana grossa, per i quali la prova eseguita in
condizioni drenate, nella precedente relazione il valore di quello relativo allo scheletro solido, ', ed il corrispondente valore del modulo di Young ottenuto espresso in termini di tensioni efficaci, E'. Per le argille, viceversa, poich la prova avviene in condizioni
sostanzialmente non drenate, possibile impiegare la precedente relazione per ricavare il
modulo non drenato, Eu, utilizzando il coefficiente di Poisson in condizioni non drenate,
u, di valore pari a 0.5. Nel caso in esame i terreni interessati dalle prove pressiometriche non possono essere considerati terreni a bassa permeabilit. Lunico litotipo che potrebbe
presentare delle incertezze a tal proposito il terreno della formazione sottostante le
sabbie. Questo terreno, come si accennato precedentemente, costituito prevalentemente
da limo, con significative percentuali di sabbia e il comportamento nei riguardi dei
fenomeni idrodinamici, riscontrato grazie a prove edometriche, indicano coefficienti di
consolidazione cv molto alti, tali da permettere di considerare tale litotipi in condizioni
drenate durante lesecuzione delle prove pressiometriche. Per tali motivi, nelle elaborazioni
stato impiegato un valore di pari a =0.25 per entrambi le formazioni che interessano il sito. Il valore del modulo di Young ricavabile dalla prova pressiometrica riferibile ad
un livello di deformazione medio-basso, risultando generalmente pi basso del modulo
elastico a piccolissime deformazioni, derivato dalle prove di colonna risonante o di
torsione ciclica.
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Per quanto riguarda le prove penetrometriche dinamiche standard (campionatore di tipo
Raymond), i risultati sono stati principalmente utilizzati per la determinazione dellangolo
dattrito, , dei terreni a prevalente composizione sabbiosa; a tal fine, sono state impiegate le correlazioni proposte da Schmertmann (1978) che lega la densit relativa Dr (%) della
sabbia con il valore dellangolo dattrito di picco . Grazie ai numero di colpi NSPT provenienti dalla prove penetrometriche statiche possibile, dalle relazioni di Skempton
(1986), determinare il valore della densit relativa Dr (%). In particolare, prima si
determina il valore corretto del numero di colpi N1, che corrisponde al valore di NSPT
riferito a un valore dellefficienza del sistema di battitura pari al 60% e corretto per tener
conto del livello tensionale in corrispondenza del quale stata eseguita la prova:
SPTN1 NCN = dove
10012C 'vo
N += nel caso di sabbie fini
10023C 'vo
N += nel caso di sabbie grosse
(con 'vo in kPa)
fatto ci si determina la densit relativa con la seguente relazione:
60DN
2R
1 =
Una volta determinato il valore della densit relativa, si entra allabaco di
Schmertmann, in funzione di quattro tipi di terreno, e si determina langolo dattrito di
picco.
I valori ottenuti dalle prove penetrometriche statiche sono stati anche impiegati per la
stima del modulo di Young, E', mediante la seguente relazione:
SPTN7E' = in MPa
Le prove di laboratorio.
Prima di descrivere le prove di laboratorio, doveroso ricordare le rilevanti difficolt di
prelevare provini indisturbati in terreni sabbiosi, anche se variamente cementati come in
questo caso. Buoni risultati si ottengono se le operazioni di prelievo sono particolarmente
curate e condotte con attenzione da personale esperto e se si impiegano campionatori che
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riducono il pi possibile gli effetti della perturbazione dovuta al carotaggio; in questo caso
si possono raggiungere buoni risultati nel campionamento utilizzando i campionatori doppi
a scarpa avanzata tipo Mazier. Queste sono i principali accorgimenti adottati nel sito in
esame per permettere lestrazione di provini potenzialmente indisturbati.
Come gi accennato, la quota piezometrica lambisce inferiormente la formazione
sabbiosa e ci, data la natura del terreno, comporta la sua incompleta saturazione; peraltro,
poich le operazioni di prelievo sono state eseguite con circolazione dacqua, anche
probabile che i campioni possano avere assorbito acqua e, dunque, bench potenzialmente
strutturalmente indisturbati, possano presentare contenuti dacqua maggiori rispetto a
quelli effettivamente presenti in natura. Tutto ci premesso, tenuto anche conto della
pratica impossibilit, con attrezzature standard, di interpretazione dei risultati di prove
meccaniche di resistenza eseguite su materiale non completamente saturo e della
saturazione del materiale in sito attesa prossima allo zero, le prove di taglio diretto sono
state eseguite su provini asciutti. La scelta, in realt, pu essere duplice: oltre ad operare
con provini asciutti, possibile pensare di saturare il provino e poi sottoporlo alla prova di
taglio diretto. Questultima opzione stata scartata sia per la maggior difficolt
nellassicurare una completa saturazione del terreno, sia per i tempi maggiori che avrebbe
richiesto la preparazione dei provini dovuti alla loro durata dimbibizione. I provini sono
stati asciugati per evaporazione in forno ventilato a basse temperature (35 C). Da
sottolineare che questultima modalit di esecuzione della prova di taglio stata adottata
esclusivamente per i campioni sabbiosi prelevati al di sopra della falda. Per quanto
riguarda la rimanente parte dei campioni (campioni limosi sopra falda o campioni prelevati
al di sotto della superficie libera della falda), le prove sono state eseguite in modo standard,
lavorando in presenza di acqua.
Come si gi avuto modo di dire, le prove di laboratorio per determinare le
caratteristiche di resistenza dei terreni sono sia prove triassiali consolidate-non drenate sia
prove di taglio diretto. Il comportamento a rottura di un elemento di terreno funzione del
particolare percorso di carico che si impone per raggiungere le condizioni di
plasticizzazione. In altre parole, indipendentemente dalla struttura del terreno anche
questultimo importante aspetto che aiuta nella comprensione e/o previsione del
comportamento a rottura di un terreno - lo stress-path a cui si sottopone un provino pu
condizionare profondamente le modalit di rottura di uno stesso tipo di terreno.
Ipotizzando un legame costitutivo semplice quale quello elasto-plastico perfetto con
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criterio di resistenza alla Mohr-Coulomb, si hanno a disposizione solo due grandezze per
definire i parametri di resistenza di un terreno c' e '. La loro scelta deve tener conto, quindi, del particolare percorso a rottura che si prevede avvenga in sito, e ci possibile
solo se si conducono le prove di laboratorio scegliendo un oculato percorso di carico a
rottura. La migliore indagine del comportamento dei terreni prevedrebbe di portare a
rottura i provini, a partire dallo stato tensionale litostatico, sottoponendoli a percorsi di
carico simili a quelli che lelemento di volume in questione subirebbe in sito per effetto
della realizzazione della specifica opera. Questo modo di procedere, tuttavia, non
perseguibile in quanto richiederebbe luso di apparecchiature in grado di applicare in modo
indipendente le tre tensioni principali e inoltre, di poterne prevedere la rotazione. In
condizioni di assialsimmetria, sarebbe possibile impiegare celle triassiali che consentono il
controllo del percorso di carico (celle del tipo di Bishop & Wesley); allo stato attuale,
tuttavia, luso di questo genere di apparecchiature non ancora comune. Si rinuncia, in tal
modo a riprodurre fedelmente i percorsi di carico che subirebbero gli elementi di terreno,
mirando solo a cogliere il comportamento a rottura il pi simile possibile alla realt. Nelle
prove standard di laboratorio lunica grandezza iniziale controllabile e regolabile la
pressione di confinamento ed per questo importante il valore che si sceglie per tale
pressione durante le prove a rottura. In altre parole, semplificando, possibile affermare
come i parametri di resistenza c' e ' dipendano, per uno stesso terreno, dalla pressione di confinamento. Ci si domanda quale possa essere, nella programmazione delle prove di
laboratorio, il criterio da seguire al fine di determinare il valore delle tensioni di
confinamento in modo tale che, tenuto conto degli specifici percorsi di carico attesi durante
la fase deviatorica della prova, si raggiungano le condizioni di rottura negli stessi intervalli
tensionali nei quali la rottura attesa in sito. Una soluzione consiste nel determinare lo
stato tensionale iniziale efficacie in sito per poi stabilire se le tensioni di confinamento
applicate in laboratorio debbano essere inferiori, circa uguali o superiori a queste. Di
seguito si illustra dettagliamene come si proceduto, con riferimento al caso specifico di
allargamento della galleria autostradale, operazione che prevede un considerevole scavo di
terreno.
Nella realizzazione di scavi e in particolare di gallerie, si pu osservare che i percorsi
tensionali sono generalmente caratterizzati da importanti riduzioni della tensione efficace
media. Prendendo in esame una condizione litostatica iniziale caratterizzata da un
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Capitolo 2 La galleria di Nazzano _______________________________________________________________________________
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coefficiente di spinta in quiete inferiore allunit, i percorsi tensionali drenati tipici sono
riportati nella figura seguente (Fig. 5):
Fig. 5- Percorsi tensionali drenati corrispondenti allo scavo di una galleria.
Pi precisamente, possibile distinguere tre zone con percorsi tensionali diversi; fatta
eccezione per una zona di terreno di piccola estensione nellintorno del punto C, nella
quale a causa delleffetto arco si osservano incrementi della pressione media (s'), lo scavo
caratterizzato da riduzioni di s', ovvero da sensibile riduzione della tensione efficace
media. In generale, pertanto, con riferimento alla teoria dello stato critico, nel caso di
esecuzioni di scavi e gallerie, indipendentemente dalla storia delle sollecitazioni
(sinteticamente esprimibile dal grado di sovraconsolidazione OCR) e fatta eccezione per
porzioni di terreno di limitata estensione, le condizioni di rottura si raggiungono in
corrispondenza della superficie di Hvorslev e sono caratterizzati da 0' pc e 0' p e da un successivo decadimento della resistenza sino al raggiungimento delle condizioni di stato
critico. Ritornando a quanto sottolineato precedentemente, si deduce che il modo migliore
per determinare sperimentalmente i parametri di resistenza, impiegando le usuali
apparecchiature di laboratorio, quello di stabilire i valori delle tensioni iniziali di
confinamento cui consolidare i provini, prima di procedere con la fase di rottura, a valori
inferiori a quelli litostatici iniziali (Fig. 6, Fig. 7). In dettaglio, nelle prove di taglio diretto
sono stati adottati valori della tensione efficace assiale di confinamento pari a 0.25, 0.50 e
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0.75 della tensione verticale efficace litostatica; analogamente, per le prove triassiali
consolidate e non drenate stata utilizzata una pressione media efficace di confinamento
pari a 0.25, 0.50 e 0.75 della pressione media efficace in sito. Nel calcolo di questultima si
ipotizzato un valore del coefficiente di spinta in quiete k0 pari a 0.5.
(kP
a)
'p
v1,LAB' ' v2,LAB' v3,LAB
stato tensionalelitostatico
cerchio a rottura in sito (p' decresce)
' (kPa)n
' cs
v0' ' h0
Fig. 6 - Prova di taglio diretto: scelta appropriata delle tensioni verticali efficaci
'cs
superficie limite di trazione
p pc'=0 '=0
Fig. 7 - Prova Triax CU: scelta appropriata delle tensioni di confinamento
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Risultati delle prove geotecniche in sito e di laboratorio
I risultati ottenuti dallinterpretazione delle prove di laboratorio e delle prove in sito,
distinti per sezione, sono sinteticamente riassunti nelle seguenti tabelle: Tab. 3, Tab. 4,
Tab. 5, Tab. 6, Tab. 7, Tab. 8; in particolare, sono riportate le principali grandezze fisiche
(peso di volume e distribuzione granulometrica) e meccaniche (parametri di resistenza in
tensioni efficaci di picco e di stato critico). Inoltre, per facilit di lettura, gli stessi dati sono
rappresentati graficamente nelle seguenti figure: Fig. 8, Fig. 9, Fig. 9, Fig. 10, Fig. 11, Fig.
12 in funzione della profondit e per litotipo. I simboli pieni si riferiscono alla formazione
sabbiosa mentre quelli vuoti alla sottostante formazione limosa. Analogamente, in Fig. 13
si riportano il complesso dei risultati delle prove di laboratorio e in sito, riguardanti le
caratteristiche meccaniche di deformabilit espresse per mezzo del modulo di Young E. In
questultimo grafico sono stati inseriti anche i risultati provenienti dalla precedente
campagna dindagine, evidenziati con il colore grigio.
Di seguito si illustrano i valori delle grandezze fisiche e meccaniche pi significativi ai
fini della definizione del modello geotecnico di sottosuolo. Prima si commentano i
parametri che caratterizzano il litotipo pi superficiale, quello sabbioso, poi si passa alla
descrizione del litotipo pi profondo, sabbioso limoso. Successivamente si descrivono i
valori dei parametri meccanici di deformabilit in termini di modulo di rigidezza E per
entrambi i litotipi. Nella descrizione dei due litotipi si fa riferimento a tutti i risultati a
disposizione. Ci possibile per levidente ripetitivit delle caratteristiche meccaniche dei
terreni lungo lo sviluppo delle due gallerie.
Iniziando con il litotipo pi superficiale, possibile subito chiarire perch landamento
con la profondit dei valori del peso dellunit di volume risulta alquanto variabile, da un
minimo di 16 kN/m3 ad un massimo di circa 20.4 kN/m3. Tali valori sono stati ottenuti in
corrispondenza del contenuto dacqua che il materiale aveva al momento dellapertura dei
campioni; poich parte dellacqua presente potrebbe essere dovuta alle fasi di carotaggio e
di campionamento, tale dispersione, oltre a fatti naturali, potrebbe essere, almeno in parte,
dovuta a questo fenomeno; inoltre, per la stessa ragione, i pesi dellunit di volume devono
ritenersi estremi superiori rispetto a quelli effettivamente presenti in sito. Fatte salve alcune
situazioni puntuali, la frazione granulometrica predominante quella sabbiosa con
percentuale di fino (argilla) generalmente inferiore al 10%.
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I valori dei parametri di resistenza determinati grazie alle prove di laboratorio sono stati
interpretati ipotizzando che il litotipo in questione avesse una resistenza di tipo sia coesivo
sia attritivo. La componente coesiva riconducibile alla cementazione, piuttosto variabile
della sabbia. Per quanto attiene i valori dellangolo di resistenza al taglio, questi sono
prevalentemente compresi tra 34 e 39, anche se in qualche caso sono stati raggiunti
valori superiori, sino a 43. Valori dellangolo dattrito generalmente compresi tra 34 e
38 si ottengono anche interpretando, con la procedura proposta da Schmertmann, i
risultati delle prove penetrometriche dinamiche eseguite in sito. Va osservato che alcune
prove SPT non sono state interpretate in quanto hanno raggiunto le condizioni di rifiuto;
ci riconducibile alla presenza di forti addensamenti o/e di legami di cementazione.
I valori dellangolo di attrito dello stato critico CS sono generalmente compresi tra 30 e 37.
La coesione assume valori generalmente dispersi, alquanto variabili, e compresi tra 0 e
150 kPa. Va comunque osservato che la maggior parte dei provini non supera la coesione
di 50 kPa, e solo 3 provini raggiungono una coesione pari a 150 kPa. Tale variabilit risulta
giustificata e compatibile con quanto si pu osservare in corrispondenza dei diversi
affioramenti presenti in zona, dai quali si evince la variabilit del grado di cementazione.
Va precisato che la parte litoide della formazione arenacea non stata oggetto di prove per
insufficiente quantit del materiale. Spezzoni di carota ben cementata di modesta
lunghezza, presenti allinterno dei campioni, non sono stati considerati adatti ad essere
sottoposti a prove meccaniche di resistenza. Considerata la natura dei terreni e le
conseguenti difficolt di campionamento, si devono sottolineare due aspetti. Il primo:
durante il campionamento sono ipotizzabili effetti di disturbo non quantificabili, tendenti a
ridurre la resistenza del materiale; il secondo: il materiale prevalentemente a grana grossa
campionabile che stato possibile sottoporre a prove di laboratorio quello pi addensato
e/o cementato e quindi caratterizzato da parametri di resistenza pi elevati. Questultimo
aspetto sovrastima le caratteristiche di resistenza della formazione sabbiosa.
Limpossibilit di una completa indagine sullammasso in oggetto, caratterizzato da una
cementazione diffusa ma estremamente variabile, rende difficile la previsione della
stabilit della galleria durante quelle fasi di scavo nelle quali il fronte e la volta in
allargamento non siano confinate.
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Passando alla descrizione del litotipo sottostante, si pu subito sottolineare come tale
formazione sia caratterizzata granulometricamente dalla presenza predominante di limo
anche se puntualmente la componente sabbiosa pu risultare elevata. Il peso dellunit di
volume risulta poco disperso variando con la profondit nellintorno del valore medio pari
a circa 20 kN/m3. Per quanto attiene la resistenza si ottengono valori dellangolo dattrito
generalmente inferiori a quelli della formazione sovrastante. Anche se in qualche caso
sono stati raggiunti valori superiori a 43, i valori dellangolo di resistenza al taglio sono
prevalentemente compresi tra 31 e 36. Anche in questo caso langolo dattrito a grandi
deformazioni generalmente inferiore allangolo dattrito di picco corrispondente, e oscilla
tra 31 e 35 con qualche eccezione in cui si raggiungono valori di 36 - 38.
Per quanto riguarda la coesione efficace i valori sono alquanto variabili, variano tra 0 a
70 kPa, fatta eccezione per 3 valori che superano i 120 kPa.
Come si accennato precedentemente, nella descrizione dei parametri fisici e meccanici
di resistenza delle due formazioni sono stati presi in esame i valori provenienti dalle prove
eseguite in tutte le cinque sezioni senza distinzioni fra sezione e sezione. Questo
possibile per levidente ripetitivit delle caratteristiche meccaniche dei terreni lungo lo
sviluppo delle due gallerie. Nonostante ci sembra interessante sottolineare qualche
differenza delle caratteristiche meccaniche riscontrate fra le cinque sezioni. In particolare,
per quanto riguarda il litotipo sabbioso si pu notare un discreto miglioramento delle
caratteristiche di resistenza in termini di angolo dattrito al passaggio dalla prima sezione
allultima. Ci attestato anche dai risultati delle prove penetrometriche dinamiche, nelle
quali si ha un aumento della percentuale di prove che raggiungono le condizioni di rifiuto
passando dalla prima sezione alla quinta. In particolare, questultima caratterizzata
dallassenza di dati elaborabili visto che tutte le prove hanno raggiunto le condizioni di
rifiuto.
Prima di illustrare i valori dei parametri meccanici di deformabilit si riportano alcune
considerazione sulla rappresentativit degli stessi. Le prove di laboratorio per la
determinazione dei parametri meccanici i deformabilit del terreno sono essenzialmente le
prove in colonna risonante e le prove edometriche. Entrambi hanno dato delle valide
indicazioni, ma non del tutto esaurienti a causa della natura dei terreni prevalentemente a
grana grossa. Per quanto riguarda il litotipo sabbioso pi superficiale, sono state condotte
prove di colonna risonante. La difficolt di ottenere provini di terreno indisturbato
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cilindrici da campioni di terreno prevalentemente sabbiosi, ha comportato serie difficolt
nel testare la deformabilit per mezzo della prova di colonna risonante. In altre parole i
campioni che sono stati sottoposti a prova in colonna risonante sono solo quelli che hanno
presentato o una spiccata cementazione del materiale o una sufficiente percentuale di
terreno a grana fine in grado di assicurare un minimo di consistenza necessaria per
confezionare il provino. I valori di rigidezza che si sono ottenuti, quindi, non possono
essere considerati caratteristici del comportamento globale di tutto lammasso di terreno,
ma piuttosto delle zone di terreno pi cementate o con alto percentuale di materiale a grana
fine che fanno parte dellintero litotipo superficiale. Guardando in dettaglio la
granulometria dei campioni sottoposti a prova, per, si nota che il materiale testato
caratterizzato non tanto da una forte cementazione quanto da una considerevole
componente di materiale fino, che ha assicurato la lavorabilit del terreno e la possibilit di
ottenere provini cilindrici indisturbati.
Il litotipo pi limoso sottostante le due gallerie sono stati testati con prove di laboratorio
edometriche e di colonna risonante. In questo caso va sottolineato come le prove
edometriche hanno confermato la sostanziale tendenza del terreno, almeno per la zona pi
superficiale dello strato interessato dal sondaggio a carotaggio continuo, a comportarsi pi
come materiale a grana grossa, con valori relativamente alti della permeabilit, piuttosto
che come un terreno a grana fine. Ci comunque confermato dallanalisi dei limiti di
Atterberg in cui non possibile determinare il limite di plasticit.
Facendo riferimento alla Fig. 13 possibile commentare le caratteristiche meccaniche
di deformabilit dei terreni in sito. La rigidezza di un terreno funzione dello stato
deformativo a cui sottoposto: passando da piccole deformazioni a grandi deformazioni, la
deformabilit del terreno aumenta sensibilmente. Alla luce di quanto detto possibile
notare tale tendenza dai risultati che si hanno a disposizione. Per quanto riguarda le prove
edometriche il parametro di deformabilit che si ottiene relativo alle medie deformazioni;
le prove penetrometriche statiche danno una stima di valori della deformabilit per medie-
alte deformazioni; dalle prove pressiometriche si ricavano valori relativi a medio-basse
deformazioni come anche dalle prove dilatometriche; i risultati provenienti dalle prove in
colonna risonante si riferiscono a piccole deformazioni e infine le prove geofisiche di tipo
cross-hole danno valori della deformabilit per piccolissime deformazioni.
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I valori del modulo di rigidezza di Young E provenienti dalle prove edometriche
variano da 50 a 250 MPa. Ci pu attribuirsi allo variazione dello stato tensionale presente
in sito: si pu vedere come allaumentare della profondit e quindi della tensione di
confinamento aumenta la rigidezza del materiale. Va sottolineato che i valori del modulo
E ricavato dalle prove edometriche sono ricavati a partire dalle curve di scarico.
Per quanto riguarda i valori del parametro di rigidezza determinabili dalle prove
peneterometriche statiche mediante correlazione di Skempton e Schmertmann, possibile
notare come questi siano i valori mediamente pi bassi fra tutti quelli ricavati dalle altre
prove, oscillando tra 20 e 60 MPa. Va comunque ricordato che i parametri di deformabilit
ricavati utilizzando le prove SPT sono affetti dallimprecisione delle necessarie
correlazioni da impiegare, non essendo le SPT prove che consentono misure dirette della
deformabilit. Le prove pressiometriche forniscono un ottima stima dei parametri di
rigidezza nel campo di deformazioni che si verificano in sito (medie-basse). In figura si
evidenzia la discordanza dei valori provenienti dalle prove pressiometriche della campagna
dindagine precedente con quelli provenienti dalla pi recente campagna dindagine
integrativa. Allineandosi anche ai risultati provenienti dalle prove dilatometriche si
ritiengono pi realistici i valori dei moduli di Young ottenuti nelle prove pressiometriche
pi recenti (in nero), compresi tra 80 e 200 MPa. Le prove di laboratorio in colonna
risonante sui limi sabbiosi indicano valori della deformabilit pi bassi rispetto a quelli
della formazione sabbiosa superficiale. Mentre il modulo E per i primi varia tra 400 e 600
MPa, per il litotipo sabbioso il valore di E oscilla tra 50 e 400 MPa.
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Capitolo 2 La galleria di Nazzano _______________________________________________________________________________
34
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