Jet grouting

Tra i metodi di miglioramento con modifiche fisiche e chimiche rientra quello denominato jet-grouting o di gettiniezione con il quale vengono modificate in sito le caratteristiche del terreno utilizzando l’effetto di getti fluidi ad altissima velocità ottenuti con pressioni elevate per disgregare il terreno e miscelarlo o anche sostituirlo parzialmente con un fluido stabilizzante formato da una miscela acqua-cemento.

Cenni storici

Tale sistema, nato in Giappone intorno al 1965, si è affermato nel giro di pochi anni in tutti i paesi europei ed americani tecnologicamente avanzati. Esso ha avuto un notevole sviluppo in Italia, paese di antiche tradizioni nel campo dei consolidamenti e delle fondazioni.

I motivi del rapido sviluppo di tale tecnica sono da ricercare nella sua versatilità di impiego; se si devono trattare terreni a granulometria fine o comunque chiusa, infatti, i sistemi tradizionali di consolidamento o impermeabilizzazione per impregnazione, claquage o compattazione, presentano notevoli limitazioni di natura tecnica od economica e possono inoltre comportare gravi problemi di inquinamento. Le tecniche jettings, mescolando il terreno direttamente in sito con cemento, permettono di trattare queste formazioni in modo omogeno, continuo e non inquinante.

Le prime esperienze di jet-grouting furono condotte in Giappone da Yamakado et al. nel 1965 ma fu solo nel 1970 che i sistemi jettings cominciarono ad essere utilizzati sistematicamente e che la loro tecnologia assunse aspetti differenziati e chiaramente individuati.

Nel 1970, infatti, furono sviluppate le tecniche “Chemical Churning Pile”, “Jet Grout”, “Jumbo Jet Special Grout”, “Column Jet Grout”.

Esecuzione ed attrezzature

La tecnologia del “jet grouting” consiste nell’iniettare, attraverso perforazioni di piccolo diametro (da 7 a 10 cm) volumi controllati di miscela cementizia in volumi controllati di terreno. Il trattamento può essere eseguito con tre diverse metodologie, le prime due perfezionate in Italia, la terza di origine giapponese:

1)    iniezione di sola miscela (sistema monofluido);

2)    iniezione di aria e miscela (sistema bifluido);

3)    iniezione d’aria, acqua e miscela (sistema trifluido).

Nel jet grouting monofluido la disgregazione del terreno avviene attraverso l’azione della miscela cementizia che ha anche la funzione di stabilizzazione.

Fig. 1.4.3.1: Sistema monofluido

Nel jet grouting bifluido l’azione disgregante è affidata ancora al getto di miscela ad altissima pressione, ma questo è guidato da un anulo d’aria compressa a circa 8-12 bar che ne limita la dispersione aumentandone, di conseguenza, il potere penetrante.

Fig. 1.4.3.2: Sistema bifluido

Nel jet grouting trifluido la funzione disgregante è invece demandata all’azione di un getto d’acqua (a circa 400 bar) a guida d’aria (a circa 5 bar) che realizza un processo di rottura e scavernamento del terreno completamente indipendente da quello d’iniezione. Il getto successivo di miscela, che avviene con pressioni dell’ordine di 50 bar, sostituisce il terreno scavato con la miscela stabilizzante.

Fig. 1.4.3.3: Sistema trifluido

Nella figura 1.4.3.4 sono riportati per i tre sistemi di trattamento i campi di variabilità dei principali parametri operativi, costituiti dalla velocità di trattamento (traslazione del monitor), dal volume di fluido iniettato per unità di lunghezza del foro, dalla portata erogata dagli ugelli e dalla pressione applicata.

Fig. 1.4.3.4: Campi di variabilità orientativi dei parametri operativi (Tornaghi, 1989)

Le oggettive condizioni di operatività dei cantieri, in termini di spazi disponibili, fasi di lavoro e soprattutto di terreno da trattare, determinano di volta in volta il metodo più appropriato di perforazione ed iniezione. La fig. 1.4.3.5 mostra schematicamente le attrezzature necessarie per la realizzazione di un trattamento jet grouting:

  • silos di cemento (1);
  • apparecchiatura di dosaggio e mescolamento (2);
  • pompa ad alta pressione da 400 a 500 CV di potenza (3);
  • pannello di comando e controllo automatico (4);
  • sonda per l’esecuzione del trattamento (5). Essa è dotata di una batteria d’aste cave con giunti di tenuta ad alta pressione; è connessa inferiormente alla valvola d’iniezione ed all’attrezzo di perforazione, di solito un tricono. Aste da 60, 76 e 90 mm di diametro esterno sono misure standard.

Fig. 1.4.3.5: Attrezzature necessarie per la realizzazione di un trattamento jet grouting

Il foro si esegue usualmente a rotazione o a rotopercussione. L’avanzamento a rotazione è preferibile nei terreni a granulometria media-fine, in quanto richiede sonde leggere. In terreni incoerenti  grossolani, e/o in presenza di blocchi lapidei, la rotopercussione può essere più conveniente in termini di produzione, ma richiede attrezzature più ingombranti se si vogliono minimizzare i tempi di manovra. La perforazione del terreno viene generalmente eseguita con la stessa sonda usata per l’iniezione ad alta pressione.

Le operazioni necessarie per l’esecuzione del jet grouting mono-fluido e bi-fluido, che sono i sistemi più usati, si articolano principalmente in due fasi (fig. 1.4.3.6):

Prima fase: fase di andata o perforazione, in cui si inserisce nel terreno la batteria d’aste, munita della valvola porta ugelli, fino alla profondità di trattamento richiesta dal progetto.

Seconda fase: fase di ritorno o di estrazione. La batteria d’aste viene estratta a velocità di risalita ed angolare programmate mentre si effettua l’iniezione della miscela attraverso gli ugelli.

Fig. 1.4.3.6: Schemi operativi dell’intervento jet grouting

A seguito del trattamento, le caratteristiche meccaniche del terreno interessato risultano incrementate fino a raggiungere valori di permeabilità e resistenza confrontabili con quelli di un calcestruzzo.

Parametri operativi

I principali parametri operativi sono:

  • pressione d’iniezione;
  • numero e diametro degli ugelli;
  • rapporto acqua/cemento della boiacca d’iniezione;
  • tempo d’insistenza del getto.

La pressione d’iniezione è controllata con manometri, da essa dipende l’energia del getto e quindi il suo raggio d’azione. Generalmente si adottano pressioni d’esercizio pari a 40-60 MPa.

Il numero e il diametro degli ugelli determinano, con la pressione, la portata d’iniezione, cioè il volume di miscela immessa nel terreno nell’unità di tempo e, di conseguenza, la velocità di trattamento. Non disponendo di macchine d’iniezione di elevata potenza conviene limitare il numero degli ugelli.

Il rapporta acqua-cemento della boiacca d’iniezione è il paametro che principalmente influenza le proprietà meccaniche della colonna e le caratteristiche iniziali della massa terreno-boiacca. Da prove di laboratorio e in sito si è ricavato che esso è in stretta relazione con la resistenza alla compressione semplice.

Il tempo d’insistenza del getto dipende dalla velocità di estrazione della batteria d’aste e dalla velocità di rotazione della stessa. Se la velocità d’estrazione è eccessivamente ridotta, il getto, non avendo energia sufficiente per creare ulteriore diametro, fuoriesce attraverso l’intercapedine aste-foro. Esiste inoltre un limite inferiore anche per la velocità di rotazione, al di sotto del quale si hanno effetti di riflessione del getto che ne diminuiscono l’efficienza.

Fig. 1.4.3.7: Valori tipici dei parametri operativi

Prodotto del consolidamento

Utilizzando il sistema monofluido si realizzano colonne con diametro variabile da 0,4 a 1,4 m, a seconda delle caratteristiche del terreno e in relazione ai parametri operativi impiegati.

Il sistema bifluido aumenta la potenza del getto e la sua capacità di penetrazione: l’incremento del diametro, rispetto al sistema monofluido, varia dal 30% al 70%, mentre sono penalizzate le resistenze meccaniche, per effetto dell’inglobamento d’aria all’interno del materiale trattato.

Con il sistema trifluido, che per motivi tecnici non può essere impiegato per trattamenti in sub orizzontale, si possono realizzare colonne di diametro anche superiore ai 2 m, ma i maggiori costi, la  minore flessibilità operativa e soprattutto il rischio di provocare allentamenti nel terreno, ne hanno eliminato l’impiego.

Per realizzare colonne di diametro notevole con il sistema monofluido si può utilizzare il sistema della “doppia passata”, in cui alla fase di iniezione con sospensione stabilizzante si fa precedere un’iniezione d’acqua ad altissima pressione, che produce una disgregazione preliminare del terreno.

Applicabilità ai diversi tipi di terreno

Il jet grouting può essere utilizzato in tutti i terreni granulari ed in quei terreni coesivi che presentano resistenza al taglio tale da renderli attaccabili dal getto. Questo offre il notevole vantaggio di poter trattare terreni eterogenei, garantendo consolidamento ed impermeabilità uniformi indipendentemente dalla natura dei terreni incontrati.

La presenza di falda in regime idrostatico non compromette in nessun modo i risultati del trattamento, in regime idrodinamico, invece, l’impiego di particolari accorgimenti come l’uso di acceleranti ha permesso di ottenere buoni risultati anche a fronte di velocità di 0,1 cm/sec.

Criteri di progetto e dimensionamento

La progettazione di un intervento di consolidamento del terreno mediante jet grouting deve svilupparsi attraverso le seguenti fasi:

  • esecuzione di indagini preliminari sul terreno e campi prova;
  • scelta del tipo di miscela e dei parametri operativi;
  • scelta della geometria e dimensionamento dei trattamenti;
  • individuazione del modello matematico più rispondente per lo studio dell’evoluzione tensionale e deformativa;
  • scelta dei sistemi di controllo.

Le indagini preliminari sono molto importanti in quanto consentono di valutare la fattibilità del jet grouting e di determinare i principali parametri caratteristici di esecuzione. Le principali sono sondaggi geognostici per la conoscenza generale dei tipi di terreno da trattare, prove penetrometriche statiche o dinamiche per la determinazione della consistenza relativa del terreno, prove di permeabilità in sito e/o in laboratorio, prove d’iniezione in un campo prova rappresentativo delle reali condizioni operative.

E’ molto importante inoltre disporre di un efficace sistema di controllo sugli interventi di consolidamento. Si distinguono controlli durante il trattamento e controlli dopo il trattamento. Durante il trattamento si verificano l’affidabilità delle principali componenti meccaniche ed elettriche che presiedono al controllo ed alla registrazione continua dei parametri operativi, la corretta direzione delle perforazioni, gli eventuali movimenti in superficie del terreno circostante,..

Dopo il trattamento si eseguono prove di carico e prove di carotaggio sonico per verificare il miglioramento delle caratteristiche meccaniche, la continuità e l’eventuale compenetrazione di colonne.

Applicazioni

La tecnica di consolidamento jet grouting ha trovato largo impiego in diversi campi dell’ingegneria civile, grazie allo studio e alla messa a punto di schemi progettuali specifici, che ben si adattano alle più svariate condizioni operative.

Le prime applicazioni si riferiscono all’esecuzione di opere di contenimento e di fondazione, forse a causa della forma colonnare del trattamento, che richiama quella del palo.

Ad esse seguirono rapidamente impieghi sempre più sofisticati e geniali per la stabilizzazione di versanti, lo scavo di gallerie in terreni sciolti, la realizzazione di opere idrauliche.

Opere di sostegno

In tema di contenimento di scavi a cielo aperto e trincee artificiali si è verificata una notevole evoluzione di schemi progettuali (fig. 1.4.3.8):

Fig. 1.4.3.8: Applicazioni di jet grouting nelle opere di sostegno

Le prime geometrie realizzate consistevano in una fila di colonne di terreno consolidato più o meno accostate, eseguite lungo il contorno del futuro scavo. Geometrie di questo tipo, pur efficaci per il contenimento provvisorio di scavi in terreni alluvionali o coesivi, di discrete caratteristiche geomeccaniche, non erano però sufficientemente affidabili per protezioni definitive.

A questo scopo si è quindi passati a schemi più complessi, che prevedevano più ordini di colonne jet grouting disposte a quinconce. Questa soluzione, grazie agli eccellenti risultati forniti ed alla facilità e rapidità realizzativa, si è imposta rapidamente soppiantando spesso le tecnologie più tradizionali.

Stabilizzazione di versanti

La fig. 1.4.3.9 riassume alcune tipologie caratteristiche. Si va da quella “a ventaglio”, al contenimento “a speroni” di jet grouting disposti planimetricamente in senso radiale, su un arco di circonferenza, per finire con la tipologia “a pozzo”, sempre molto efficace.

Fig. 1.4.3.9: Applicazioni di jet grouting nella stabilizzazione di versanti

Fondazioni e sottomurazioni

Il jet grouting ha trovato numerose applicazioni in lavori di fondazione o sottomurazione. Per quanto riguarda le fondazioni, si sono utilizzate soprattutto due tipologie (fig. 1.4.3.10):

“Dirette consolidate” che realizzano un graduale passaggio di rigidezze crescenti; risultano particolarmente idonee in zone soggette a sismi.

“A pozzo” largamente impiegate per costruzioni da realizzare su versanti o in alvei fluviali.

Fig. 1.4.3.10: Applicazioni di jet grouting nelle fondazioni

La realizzazione di pozzi con il sistema jet grouting è un’operazione molto rapida ed economica, veramente insostituibile operando sotto falda. Eseguendo una coronella continua sul perimetro del futuro pozzo, ed un tappo sul fondo, costituiti da colonne di terreno consolidato, si può scavare il pozzo lavorando all’asciutto, all’interno della coronella, fino a raggiungere la sommità del tappo di fondo e, susseguentemente, effettuare all’asciutto i getti di calcestruzzo necessari per riempire il volume scavato fino al piano d’imposta del plinto di fondazione.

Opere idrauliche

In tema di opere idrauliche il jet grouting ha trovato applicazioni soprattutto in lavori d’impermeabilizzazione di dighe e di protezione di argini.

Gallerie

In tema di gallerie, il jet grouting, nei progressi compiuti negli ultimi dieci anni, ha avuto un ruolo fondamentale. In particolare la sua applicazione in sub orizzontale ha permesso di superare in un sol colpo tutte le difficoltà connesse con l’avanzamento di un cavo in terreni privi di coesione.

Anche in questo caso è stata fondamentale l’ideazione di uno schema statico adatto alle caratteristiche del terreno trattato; uno schema statico, cioè, che facesse lavorare il materiale consolidato prevalentemente a compressione e taglio. Si tratta del famoso trattamento “ad ombrello” lanciato in avanzamento, con cui si innesca nel terreno un “effetto arco” in anticipo sullo scavo.