intervento di compaction grouting su un edificio ... · una con cono sismico per la misura di vs;...

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GNGTS 2015 sessione 2.3

Intervento dI compactIon groutIng su un edIFIcIo resIdenzIaledanneggIato dal sIsma emIlIano del 2012 a san carlo (Fe) per la mItIgazIone del rIschIo dI lIQueFazIone: prImI rIsultatI dI un campo prova A. Colombi, M. Roversi, E. PallaraColombi & Roversi Associati Studio di Ingegneria, Ferrara, Italia

Introduzione. La sequenza sismica padana di maggio-giugno 2012, ha causato vistosi effetti di liquefazione (Crespellani et al., 2012; EMERGEO, 2012) nell’area dell’alto ferrarese. Molti edifici, residenziali e non, hanno subito danni ingenti a strutture ed elementi non strutturali a causa dei movimenti occorsi a seguito dei fenomeni di liquefazione avvenuti.

L’edificio oggetto di intervento è una struttura danneggiata durante il terremoto del maggio 2012 che rientra nella cosiddetta zona azzurra dell’abitato di San Carlo ovvero nelle aree nelle quali si sono manifestati gravi effetti di liquefazione a seguito del sisma (Determinazione RER n. 12418/2012).


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Al fine di recuperare l’agibilità dell’edificio, oltre ai previsti interventi di riparazione e miglioramento sismico sulle strutture in elevazione è necessario procedere con un intervento di mitigazione del rischio di liquefazione del terreno in corrispondenza dell’area di sedime del fabbricato. Trattandosi di un edificio esistente, il campo delle tecnologie impiegabili si riduce, non potendo nel caso di specie intervenire nelle porzioni interne delle zone di fondazione ma dovendo realizzare il consolidamento agendo solo dal perimetro esterno del fabbricato. Nel caso specifico si è scelto di procedere con un intervento di compaction grouting, ovvero di addensamento del terreno sabbioso causato dallo spiazzamento indotto dall’iniezione di miscele cementizie, mediante un reticolo di iniezioni perimetrali realizzato su più file ad inclinazione variabile per raggiungere la più ampia porzione di area di sedime interna al fabbricato. Al fine di valutare il grado di miglioramento ottenibile è stato progettato, realizzato ed interpretato un campo prova preliminare all’esecuzione del trattamento, come previsto dalla Determinazioni Dirigenziali della Regione Emilia Romagna n. 12418/2012 e n. 1105/2014. Il campo prova è consistito nel realizzare appositamente 6 colonne di trattamento di compaction grouting nell’area cortiliva adiacente al fabbricato; prima dell’esecuzione del trattamento colonnare è stata eseguita una CPTu per valutare le caratteristiche del terreno pre-trattamento proprio in corrispondenza della zona che sarebbe stata successivamente trattata; sono stati realizzati tre fori di sondaggio strumentati per eseguire delle prove cross-hole (effettuando la misura prima e dopo il trattamento); e sono state effettuate delle misure di Vs mediate indagini geofisiche superficiali tipo MASW. Sono inoltre state posizionate delle piastre annegate nel terreno superficiale utilizzate per misurare gli eventuali sollevamenti del terreno durante l’esecuzione del trattamento, avendo solo circa 4,5 m di ricoprimento di terreno non liquefacibile. Durante l’esecuzione del trattamento colonnare si sono misurati gli spostamenti verticali delle piastre precedentemente posizionate. Al termine del trattamento, lasciando un margine di tempo affinché facesse presa la boiacca di cemento iniettata, si sono ripetute le misure di Vs nei fori di sondaggio, è stata ripetuta la prova CPTu in corrispondenza di dove era stata eseguita pre-trattamento e si sono effettuate nuovamente le misure geofisiche di superficie. La nota presenta i primi risultati del campo prova che mostrano alcuni dati di interesse per studiare efficacia e limiti del trattamento di compaction grouting eseguito.

Descrizione dell’edificio. L’edificio oggetto delle valutazioni contenute nella presente relazione è ubicato in località San Carlo, Comune di Sant’Agostino (FE). Il fabbricato, di proprietà privata, è isolato e bifamiliare; è costituito da un’unica unità strutturale autonoma avente un piano seminterrato, un piano rialzato ed un sottotetto non praticabile. L’altezza di piano è di circa 3,00 m, mentre la superficie in pianta è all’incirca di 250 m2, suddivisa in due unità immobiliari ad uso abitativo.

Dal punto di vista strutturale l’edificio è di tipo misto: il piano semiinterrato è costituito da setti in c.a. di spessore 30 cm, mentre il piano rialzato presenta murature portanti a tessitura regolare, in blocchi di laterizio semipieni di spessore 25 cm. I solai di piano sono in latero-cemento, altezza h=20+4, gravati dalla presenza di massetti e pavimenti, ed ovunque sono presenti cordoli in c.a.. Il coperto, a quattro falde, è realizzato in muretti e tavelloni poggianti sul solaio di sottotetto. Sul lato fronte strada del fabbricato, vi è un porticato realizzato con soletta in c.a. di spessore 20 cm appoggiata a pilastri, anch’essi in c.a., aventi sezione 45x45 cm2, debolmente armati.

I setti in c.a. perimetrali scaricano su una ciabatta di fondazione avente spessore di 40 cm e larghezza 100 cm, mentre la ciabatta di fondazione dei setti interni, sui quali scaricano due campi di solaio, è larga 140 cm. Alla base dei pilastri del porticato sono invece presenti plinti isolati gettati contro terra e debolmente armati. A seguito degli eventi sismici del maggio 2012 il sito sede dell’edificio è stato colpito da significativi effetti di liquefazione dei terreni. Tali fenomeni hanno comportato:

• l’apertura di una lesione longitudinale nel terreno a confine con la zona di porticato frontale evidenziata oltre che dall’apertura nella zona cortiliva antistante il fabbricato, dalla rottura

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della recinzione in c.a. di confine e dalla rottura della pavimentazione esterna;• i movimenti indotti hanno avuto effetto sui plinti di fondazione dei pilastri del porticato

con conseguente rotazione degli stessi e induzione di cerniere plastiche alla base e allatesta dei pilastri e con conseguenti lesioni nella soletta di copertura del fabbricato;

• lesioni e movimenti delle pavimentazioni esterne in corrispondenza del porticato;• lesioni nelle murature perimetrali nella zona di fabbricato adiacente al porticato;• lesioni in murature interne e all’attaccatura dei solai;• complessiva lieve ma presente rotazione dell’intero fabbricato;• fuoriuscite di sabbia nella zona cortiliva in corrispondenza di un pozzo artesiano nella

porzione retrostante della casa indice dell’avvenuta liquefazione;• movimenti e rotture nella pavimentazione in c.a. esterna nella porzione sul retro dell’edificio

che hanno interessato anche le linee fognarie e di raccolta acque meteoriche.In relazione all’ordinanza n. 51 del 5 ottobre 2012 e s.m.i. del Commissario Delegato per

la Ricostruzione, l’edificio presenta un livello di danno e di carenze che associato al fattore di accelerazione specifico ne porta la classificazione ad un livello di inagibilità di tipo E0, per il quale oltre alle riparazioni dei danni è necessario procedere con interventi di miglioramento sismico, ivi compresi quelli riferibili al terreno di fondazione, per ottenere l’agibilità della struttura.

Caratterizzazione geotecnica. Per le valutazioni geotecniche e sismiche in sede di progetto si è fatto riferimento alle seguenti indagini effettuate in sito:

• n. 2 verticali penetrometriche con punta elettrica e piezocono (SCPTU1 e CPTU2) di cuiuna con cono sismico per la misura di VS;

• n. 1 sondaggio geognostico a carotaggio continuo eseguito dalla Regione Emilia Romagnanell’area cortiliva del fabbricato spinto fino alla profondità di 30 m da piano campagna.

Per le analisi di risposta sismica locale si sono inoltre utilizzati dati ed informazioni derivanti da studi effettuati sull’area di San Carlo (e.g. Facciorusso et al., 2012).

Le due verticali hanno raggiunto profondità da p.c. 25,8 m e 24,3 m rispettivamente; non si è riusciti a raggiungere profondità maggiori a causa della perdita del raggiunto limite del contrasto di spinta.

In Fig. 1a è mostrata la sequenza stratigrafica del sito in corrispondenza dell’edificio oggetto di intervento. L’edificio si trova a cavallo di un rilevato interpretato come un paleo argine del fiume Reno (Calabrese et al., 2012), presentando una quota di piano campagna differente di circa 2,5 m tra fronte dell’edificio e retro (Fig. 1a).

Lo strato liquefacibile rilevante ai fini degli effetti sulla sovrastruttura è quello compreso tra circa 5 e circa 10 m di profondità dal piano campagna più basso (unità litologica D in Fig. 1a).

Per le analisi di liquefazione è stato impiegato il metodo di Robertson (2012) utilizzando l’approccio di calcolo suggerito dalle linee guida AGI (2005). L’accelerazione di sollecitazione è stata ricavata, essendo il sito di categoria S2 ai sensi delle NTC2008, mediante un’analisi di risposta sismica locale effettuata con il codice di calcolo EERA (non si discuteranno in questa sede per brevità gli aspetti legati a tali valutazioni). L’accelerazione di ingresso è risultata pari a 0,250 g mentre come magnitudo per eseguire le valutazioni sono stati impiegati sia il valore di 6,14 (assunto come massimo valore per la zona sismogenetica in accordo alla DAL 112/2007), sia il valore di 5,9 (assunto come valore prossimo a quello sperimentato dal sito in occasione degli eventi sismici del 2012). Nella Fig. 1b è mostrato il profilo del fattore di sicurezza a liquefazione con la profondità per le magnitudo 5,9 e 6,14 ottenuto applicando il metodo di Robertson (2012) alla verticale CPTU1 di progetto. Per lo strato liquefacibile di interesse il fattore di sicurezza varia tra 0,7 e 0,9 per la magnitudo pari a 6,14 e tra 0,76 e 0,97 per la magnitudo pari a 5,9 (valori analoghi sono ottenuti dalle elaborazioni fatte sulla verticale CPTU2 che viene omessa per esigenza di sintesi).

Intervento di mitigazione del rischio di liquefazione. Per poter ridurre il rischio indotto da potenziali effetti di liquefazione nel caso occorrano nuovi eventi sismici paragonabili a quelli


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verificatisi nel maggio/giugno 2012, è necessario migliorare le caratteristiche meccaniche di resistenza dello strato sabbioso situato tra circa 5,0 m e circa 10,0 m di profondità da piano campagna situato alla quota di ingresso del piano semi-interrato dell’edificio. Tra metodi disponibili si è scelto di utilizzare la tecnologia del compaction grouting che ha lo scopo di addensare il materiale sabbioso presente mediante l’iniezione di opportune malte. Tale tecnica risulta tra quelle suggerite dalla Determinazione 12418/2012 ed è stata scelta per coniugare

Fig. 1 – a) Sezione stratigrafica con verticali CPTU di progetto (lo strato liquefacibile da trattare è l’unità D tra 5 e 10 m di profondità). b) Risultati della verifica a liquefazione (CPTU1) in termini di profilo del fattore di sicurezza con la profondità per l’unità litologica D per magnitudo pari a 6,14 e 5,9 (la linea continua indica un valore di 1,25 secondo EC8).

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la necessità di consolidare il terreno sabbioso, la capienza economica del finanziamento e l’esigenza di intervenire solo perimetralmente, potendo trattare l’area di sedime inclinando le verticali di perforazione.

La metodologia proposta, consiste nell’iniezione lenta e controllata nel terreno di una miscela di boiacca cementizia (con un rapporto acqua/cemento pari a circa 0.5). Il meccanismo di iniezione prevede lo spiazzamento del terreno in situ, mediante formazione di una colonna cementizia non armata, senza permearlo o fratturarlo; il risultato è un addensamento del terreno naturale nell’intorno della verticale di iniezione con conseguente aumento della resistenza alle sollecitazioni cicliche.

La maglia ed il diametro del trattamento sono definiti in modo da migliorare la resistenza dei terreni granulari nei confronti dei possibili fenomeni di liquefazione.

Si è valutato in maniera teorica il livello di resistenza da raggiungere per rendere il fattore di sicurezza superiore ad 1 andando ad incrementare il valore di resistenza alla punta del penetrometro statico: in particolare, partendo dai valori di CSR attesi, è stato determinato a ritroso il valore della resistenza alla punta minima (qc_minima) necessaria per evitare fenomeni di liquefazione dello strato sabbioso. La determinazione della qc_minima consente inoltre di stimare il grado di addensamento da ottenersi punto per punto per riuscire a soddisfare le verifiche; tale stima è stata effettuata impiegando la nota relazione di Jamiolkowski et al. (1985). La stima del diametro delle colonne e della spaziatura che dovrà avere la maglia adottata al fine di garantire la richiesta densità relativa può essere calcolata seguendo le linee guida fornite da Mitchell (1981). Utilizzando i valori minimi di densità relativa ottenuti così come precedentemente descritto, fissando in 1,5 m in valore di spaziatura tra le colonne, è stato calcolato che il valore minimo del diametro del trattamento da ottenersi per poter soddisfare le verifiche è pari a 560 mm, per cui si è deciso di adottare un diametro teorico di calcolo di 600 mm. Fissato quindi il diametro equivalente delle colonne in 600 mm e la spaziatura in 1.5 m è stata valutata la densità relativa teorica finale che si pensa di ottenere sul terreno granulare presente tra le colonne trattate. Sulla base di questa è stata valutata la resistenza alla punta teorica che si dovrebbe ottenere con il trattamento.

Dovendo intervenire su un edificio esistente è evidente che la maglia del reticolo di iniezione non potrà essere la stessa di un intervento eseguito in campo libero.

Il reticolo di iniezione è stato pensato dunque lungo perimetro esterno dell’edificio con una maglia simile a quinconce; a seconda dello spazio disponibile per le manovre della sonda si eseguiranno due o tre file di iniezioni. I tre ordini di iniezioni avranno inclinazioni differenti, comprese tra un minimo di 0° e un massimo di 35° rispetto alla verticale: in questo modo il trattamento interesserà una più ampia porzione di terreno di fondazione, in corrispondenza dello strato da trattare.

Campo prova realizzato. Con riferimento a quanto previsto dall’Allegato 4 della “Determinazione RER n° 12418 del 02/10/2012 è stato realizzato, interamente finanziato dai fondi regionali per la ricostruzione, nella zona retrostante l’abitazione, un campo prova per verificare efficacia e limiti del metodo di consolidamento progettato teoricamente.

Il campo prova è costituito da una maglia di n. 6 verticali di iniezione con interasse 1.5 m: l’efficacia del trattamento è stata valutata sulla base della variazione delle velocità di propagazione delle onde di taglio Vs nell’area trattata e della variazione della resistenza alla punta qc. A tal fine è stata eseguita una verticale CPTU pre-trattamento (ubicata al centro di una maglia di trattamento) e una verticale CPTU post trattamento; prima del trattamento sono stati eseguiti tre fori di sondaggio con disposizione a triangolo strumentati per eseguire le misure di Vs e Vp sia pre trattamento che post secondo due percorsi lungo i lati del triangolo. Come misura geotecnica ulteriore sono state eseguite delle MASW sempre precedentemente e successivamente alle iniezioni.

E’ stato inoltre predisposto un sistema di monitoraggio topografico, mediante annegamento di 4 piastre cui sono saldate delle mire topografiche, per valutare gli eventuali innalzamenti sul


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piano campagna durante le operazioni di iniezione, con lo scopo di stabilire se in condizioni di campo libero siano sufficienti i 4 m di ricoprimento di terreno non liquefacibile presenti.

In Fig. 2 è mostrata la configurazione del campo prova. L’ubicazione del campo prova, nell’area cortiliva retrostante il fabbricato oggetto di intervento, aveva una quota topografica più bassa rispetto a quanto mostrato in Fig. 1, risultando infatti dall’indagine CPTU pre-trattamento, lo strato liquefacibile (unità litologica D) con tetto a 4 m circa di profondità dal piano campagna e base a circa 9 m da piano campagna. Il trattamento di compaction grouting del campo prova è stato pertanto effettuato da 4 a 9 m di profondità. Il profilo del fattore di sicurezza a liquefazione

Fig. 2 – Schema planimetrico e sezione trasversale del campo prova eseguito.

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dalla prova eseguita in corrispondenza del campo prova ha fornito valori compresi tra 0.66 e 0.87 per la magnitudo 6.14 e tra 0.75 e 0.95 per magnitudo 5.9.

La Fig. 3a mostra la variazione di resistenza alla punta penetrometrica misurata pre e post trattamento. Dopo le iniezioni la prova penetrometrica eseguita (CPTU2 in Fig. 3a) è andata a rifiuto a 6.2 m circa di profondità. E’ presumibile che in tale zona possa essere presente una parte di getto che potrebbe aver occupato una porzione superiore in pianta a causa ad esempio di una via preferenziale di filtrazione. Ne è stata eseguita una seconda (CPTU2 in Fig. 3a) spostandosi in pianta di circa 20 cm; quest’ultima prova non è andata a rifiuto e ha fornito valori per tutto il tratto oggetto di intervento. Sempre in figura 3a è riportata la variazione percentuale della resistenza alla punta per il tratto trattato come risulta dalle misure condotte nelle verticali penetrometriche 2 e 3. Quello che si osserva è che mediamente nella parte centrale dello stato trattato si osserva (anche se con variazioni locali anche significative) un incremento di resistenza alla punta medio compreso tra il 30% ed il 40%, con picchi locali anche del 70-80%. Al tetto e alla base dello strato però l’intervento sembra perdere di efficacia risultando la resistenza penetrometrica sostanzialmente invariata. La perdita di efficacia potrebbe essere dovuta alla presenza del terreno fine di confinamento dello strato che deformandosi potrebbe ridurre la capacità di spostamento del getto e pertanto di irrigidimento del terreno granulare. Ripetendo le valutazioni del fattore di sicurezza a liquefazione si ottiene un valore medio (mediando ove possibile tra le due verticali CPTU post trattamento) variabile tra 0.9 e 1.2 per magnitudo 6.14 e tra 0.95 e 1.3 per magnitudo 5.9, ad eccezione in particolare dell’ultimo metro compreso tra 8 e 9 m circa di profondità nel quale l’incremento di resistenza è risultato trascurabile.

Le prove di cross hole hanno mostrato che in termini di Vs si osserva un incremento della parte centrale dello strato compreso tra il 20 ed il 28% (con valori assoluti di incremento tra 50 e 80 m/s); tale incremento risulta ridotto fino ad annullarsi raggiungendo i bordi dello strato a contatto con i terreni fini più deformabili (Fig. 3b). Meno chiari i risultati forniti dagli andamenti delle velocità di compressione pre e post trattamento per le quali si osserva mediamente un incremento di Vp ma con zone in cui tale incremento non si è verificato o addirittura si è trasformato in decremento. I risultati delle Vp sono però da considerarsi indicativi in quanto affetti da maggiore incertezza interpretativa (Fig. 3b).

Comportamento analogo è stato registrato dall’interpretazione delle MASW eseguite (interpretazione a cura del Dott. Geol. Nasser Abu Zeid). Le pseudosezioni della variazione assoluta e percentuale di Vs da prove MASW mostrate in Fig. 3c mostrano una variazione percentuale che raggiunge il 30% (in termini assoluti di 80-100 m/s) al centro dello strato trattato, riducendosi al 10% verso il bordo.

Le tre tipologie di prove utilizzate nel campo prova hanno pertanto fornito valori comparabili circa l’efficacia di trattamento sia come valore di incremento fornito sia per modalità di funzionamento del trattamento eseguito.

Le misure di sollevamento al piano campagna hanno mostrato una certa dispersione di risultati. Le due mire topografiche in asse alla maglia di trattamento hanno mostrato un sollevamento medio pari a circa 3.1 mm, mentre le due poste subito fuori dalle maglie una misura media pari a 2.4 mm. Dalle misure effettuate in condizione di free field con 4 m di ricoprimento i risultati di sollevamento a piano campagna hanno fornito risultati che possono considerarsi accettabili in funzione dell’applicazione al di sotto del fabbricato (per il quale gioca naturalmente un ruolo importante, al fine di limitare il problema, anche il carico trasmesso dall’edificio esistente per azioni gravitazionali). Per l’intervento comunque è stato predisposto un sistema di monitoraggio topografico di precisione del fabbricato da eseguirsi durante e alla fine del trattamento di iniezione, che ha mostrato in sostanza una assenza di effetti indotti.

Considerazioni riassuntive. La nota riporta sinteticamente i primi risultati di un campo prova effettuata a San Carlo (FE) per la verifica di efficacia e limiti di un intervento di compaction grouting eseguito per la riduzione del rischio a liquefazione di uno strato liquefacibile posto a profondità 5-10 da piano campagna. Il campo prova ha mostrato come nel caso in esame con


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Fig. 3 – Risultati del campo prova: a) confronto resistenza alla punta delle CPTU e conseguenti fattori di sicurezza a liquefazione pre e post trattamento; b) misure di Vs e di Vp pre e post trattamento da prove Cross-Hole lungo la sezione trasversale al campo prova; c) pseudosezione della variazione assoluta e percentuale di Vs da prove MASW (elaborazione Dott. N. Abu Zeid).

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i parametri di trattamento utilizzati si ottiene un incremento medio di rigidezza e resistenza del terreno addensato dal trattamento pari a circa il 30% di quelle iniziali. Apparentemente la tecnica mostra dei limiti di efficacia al tetto e alla base dello strato a confine con litologie argillose deformabili. L’incremento di rigidezza e resistenza raggiunto permette di considerare l’intervento come di riduzione del rischio ma ad un primo esame, per quanto osservato nello specifico campo prova, appare di efficacia inferiore alle previsioni teoriche ottenibili con metodi semplificati di dimensionamento. Un’ulteriore informazione ottenuta è che nel campo prova si sono osservati solo modesti movimenti superficiali al piano campagna (dell’ordine di qualche millimetro) con un ricoprimento di 4 m rispetto allo strato trattato che ne ha permesso l’impiego al fabbricato esistente.

Riconoscimenti. Si ringrazia il Dott. Geol. Thomas Veronese per la cura e professionalità non comune nell’esecuzione delle indagini penetrometriche in sito, il Dott. Geol. Nasser Abu Zeid di Team Geofisica srl per le elaborazioni delle prove geofisiche di superficie, il Dott. Geol. Farinatti di IN.DA.G.O snc per le misure di cross-hole, la società LIFE srl nella persona dell’Ing. Sergio Tralli per il coordinamento generale della campagna sperimentale e per il monitoraggio topografico, la società Infomap srl nella persona del Dott. Geol. Andrea Diegoli per l’attenta esecuzione dell’intervento di compaction grouting.

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