Mezzi iniettabili

Il metodo di iniezione di miscele può essere applicato in due grandi categorie quali:

  • i pori dei terreni granulari che formano uno schema di solito assai complesso;
  • le fessure che presentano un’apertura sensibilmente costante ed un reticolo più determinabile.

E’ questa diversa forma dei vuoti che differenzia totalmente l’iniezione delle rocce da quella dei depositi alluvionali e che ha comportato uno sviluppo assai più difficoltoso e ritardato nel secondo caso.

Questo processo consiste nella permeazione di un fluido viscoso pertanto i criteri di iniezione sono basati sulla permeabilità del mezzo e su altre caratteristiche ad essa correlate:

  • granulometria;
  • porosità e densità;
  • dimensione dei pori.

La scelta della miscela dipende comunque anche dalla compatibilità chimica e mineralogica tra miscela e terreno da iniettare, e dalle proprietà meccaniche o idrauliche richieste al terreno trattato.

Criteri basati sulla granulometria

Lo studio granulometrico permette di ottenere diversi parametri, più o meno importanti e correlabili con la permeabilità, ad esempio la composizione riferita a classi granulometriche convenzionali, il diametro efficace d10, il grado di uniformità U=d60/d10. Diversi autori hanno cercato di valutare l’iniettabilità dei terreni in base ai valori assunti da questi termini:

Criterio di Mitchell e Katti (1981) per sospensioni

Definiti i rapporti  e (in cui i pedici m e t si riferiscono rispettivamente alla miscela e al terreno), gli autori hanno determinato che se  N<11 e Nc<6 non è possibile iniettare, mentre se N>24 e Nc>11 è possibile farlo. Sono quindi in genere iniettabili con sospensioni i terreni granulari (sabbie e ghiaie).

Criterio di Cambefort (1967)

Egli ha ipotizzato che le particelle del terreno fossero sferiche e ha determinato la superficie specifica per ogni diametro d:

S0 = 6/d             se riferita all’unità di volume [1/m]

SS = 0.222/d       se riferita all’unità di peso (assunto γS=27 kN/m3) [m2/kN]

Integrando tra il valore minimo e il valore massimo del diametro, ha quindi ottenuto la superficie specifica integrale:

Dividendo la curva granulometrica in classi con dm pari al diametro medio di ciascuna classe, si è sostituito l’integrale con la sommatoria seguente:

In base a S0,int Cambefort ha quindi fornito i criteri di iniettabilità, riportati nella figura 4.1.

Criteri basati su d10, d50 e grado di disuniformità U=d60/d10

Criteri di questo tipo hanno fornito indicazioni discordanti. Si può comunque affermare che al diminuire di d10 o all’aumentare del grado di disuniformità U, diminuisce l’iniettabilità.

Commento sui criteri basati sulla granulometria

Il criterio granulometrico è stato adottato da molti Autori i quali sono però arrivati a conclusioni abbastanza discordanti, come dimostrano le seguenti curve granulometriche limite, al limite di penetrabilità dei prodotti indicati. Come si può notare, le soluzioni pure a base di resine non compaiono nella figura, per esse non vi è in teoria un vincolo granulometrico. Altrettanto vale per le soluzioni colloidali per le quali però, per ragioni pratiche ed economiche, viene comunque fissato un limite minimo.

Fig. 4.5: Curve granulometriche corrispondenti ai limiti di penetrabilità con sospensioni

e soluzioni colloidali, secondo vari autori (da Cambefort)

Fig. 4.6: Confronto tra la diversa permeazione delle miscele (After Clarke, 1984)

Criteri basati sulla porosità

La porosità n, volume totale dei vuoti riferito all’unità di terreno, aumenta con la finezza granulometrica (cioè col diminuire della dimensione media dei pori), a parità di densità relativa Dr. Viceversa, a parità di terreno, n diminuisce all’aumentare di Dr. Valori indicativi della porosità in terreni iniettabili sono:

  • 0.2 ≤ n ≤ 0.3         per terreni grossolani
  • 0.3 ≤ n ≤ 0.4         per terreni fini

Il volume dei vuoti riempiti non supera di solito il 50% della porosità globale, anche nei casi di miglior successo ai fini del risultato.

Criteri basati sulla dimensione dei pori

La superficie dei pori si ricava per via teorica dalla superficie specifica e dalla porosità oppure sperimentalmente mediante il porosimetro, strumento che permette di saturare il terreno con il mercurio a pressioni di 3.5-7000 kPa con misura del volume che penetra. Da questa, essendo il diametro dei pori dP =1228/p (dP in μm e p in kPa), si ricava una curva V-dP che permette di risalire al diametro dei pori medio o al valore modale della distribuzione.

Criteri basati sulla permeabilità

Usare la permeabilità k è più agevole della granulometria perché si usa un unico valore di confronto. Essa è usualmente espressa dall’equazione fondamentale di Darcy, che regola il flusso laminare dell’acqua in un mezzo poroso, ossia

e rappresenta la velocità di flusso corrispondente a valori unitari della portata Q, della sezione filtrante A, e del gradiente idraulico i; può essere determinata direttamente mediante prove in sito o in laboratorio.

Diversi autori hanno proposto correlazioni tra la permeabilità ed altri parametri, ad esempio:

Hazen con k in cm/s, C costante variabile da 40 a 150 per sabbie con  grani da 0.1 a  3 mm e grado di disuniformità U inferiore a 5;

Kozeny con k in cm/s, S0 superficie specifica in cm-1, n porosità, f fattore di  forma pari ad 1 per grani sferici e a 1.4 per grani spigolosi;

Loudon 

Cambefort  ha determinato un criterio di iniettabilità basato sul confronto tra le dimensioni dei vuoti dello scheletro solido e quelle dei grani della miscela, basato sulla seguente formula:

dove C=600800, con dm (diametro medio dei grani della miscela) in micron e k in m/s.

Fig. 4.7: Limiti di iniettabilità di sabbie e ghiaie in funzione della permeabilità (Cambefort, 1967)

Il limite di 10-6 riferito alle miscele più penetranti (resine organiche) si basa su considerazioni di carattere pratico, nel senso che ci si prefigge di poter raggiungere una buona impregnazione in tempi brevi. Il trattamento di terreni ancora meno permeabili è possibile ma bisogna osservare che la diffusione della miscela avviene parzialmente per effetto “claquage” cioè attraverso il riempimento di micro fessure prodotte nel corso dell’iniezione: se ben controllati tali effetti possono essere favorevoli all’esito globale del trattamento.

Bisogna comunque sottolineare che è difficile stabilire regole generali in quanto la penetrabilità di un terreno in sito, ai fini del risultato, è spesso superiore a quella determinata in laboratorio o basata su criteri di impregnazione uniforme.

Caratteristiche chimiche e mineralogiche del terreno

Prima di procedere ad un intervento è bene verificare che la miscela sia compatibile a breve e lungo termine con la mineralogia delle particelle, la chimica dell’acqua interstiziale (acque molto dolci, acide o seleniose) e la presenza di gas disciolti o prodotti dal terreno. In tutti i casi dubbi o non ben chiariti dall’esperienza si dovranno fare specifiche indagini di laboratorio per accertare l’influenza del tipo di ambiente nel quale è previsto l’intervento. Si eseguiranno quindi degli interventi correttivi, ad esempio introdurre piccole percentuali di argilla o bentonite nelle sospensioni cementizie stabili, che permette di ridurre o annullare la suscettibilità del cemento agli agenti aggressivi.

I rischi nell’utilizzo delle resine sono generalmente limitati alla fase di consolidazione, avvenuta la presa, infatti, il mezzo non degrada, per cui è necessario e utile il controllo in laboratorio su campioni di terreno trattato per qualche giorno.

Proprietà meccaniche dei terreni trattati

Le proprietà meccaniche (resistenza e deformabilità) vengono usate come termine di paragone per valutare i dati di riferimento iniziali con i requisiti finali del consolidamento.

Se l’iniezione avviene per impregnazione (senza alterazione dell’indice dei vuoti della frazione granulare), l’effetto è quello di conferire coesione al terreno, mantenendo inalterato l’angolo di attrito. Se l’iniezione è spinta troppo, si ottiene il completo annegamento dei grani nella miscela e quindi il prodotto è un mezzo puramente coesivo e si perde l’attrito. Se ci sono reazioni tra terreno e miscele, il terreno diventa un “mezzo continuo” con caratteristiche meccaniche diverse; ciò avviene di solito nell’iniezione di sabbie fini, generalmente silicee, con soluzioni a base di silicato sodico.

Iniezioni nelle rocce fessurate

Anche nel caso di iniezioni in roccia è necessario, al fine di definire le modalità d’iniezione ed i tipi più appropriati di miscele, conoscere con precisione la natura della roccia, il suo stato di fessurazione e la presenza o meno di una circolazione delle acque sotterranee.

Il miglior approccio iniziale al problema è ovviamente l’ispezione diretta con pozzi, gallerie o trincee ma questa non è sempre consentita per motivi di costo e di tempo. Diventa comunque indispensabile eseguire sondaggi e prove in sito, sia come completamento dell’ispezione diretta, sia in sua sostituzione.

Fattore importante nella valutazione delle modalità operative e dei risultati attesi è la conoscenza della permeabilità della massa lapidea che può essere legata alla porosità (o “permeabilità in piccolo” es. arenarie) o alla fratturazione (o “permeabilità in grande” es. roccia fratturata). Se una roccia è porosa può drenare l’acqua della miscela non permettendo l’avanzamento della miscela stessa.

La permeabilità in grande si misura con le prove Lugeon: esse consistono in prove di pompaggio a pressione in porzioni di foro isolate con otturatore. (Unità Lugeon = portata in l/min per metro di foro ad una pressione di 1 MPa). Sono iniettabili rocce fini a 1-3 uL.

Un ulteriore problema sono le rocce carsiche: queste sono formazioni calcaree nelle quali l’acqua sotterranea ha disciolto la roccia creando cavità di dimensioni molto variabili e a volte anche molto grandi. In questi casi è difficile prevedere, anche nel caso di avere a disposizione sondaggi, il reale stato fessurativo e la distribuzione dei vuoti della roccia e, di conseguenza, è difficile ragionare con le tecniche dei terreni.