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Il trattamento dei piani di appoggio dei rilevati stradali in terreni instabili
ambiente&territorio
Andrea Pugliaro(1)
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IL TRATTAMENTO DEI PIANI DI APPOGGIO
DEI RILEVATI STRADALI IN TERRENI INSTABILI
METODOLOGIA PER IL TRATTAMENTO DEI PIANI DI POSA DEI RILEVATI STRADALI MEDIANTE RIMOZIONE DI TERRENI NON IDONEI E SOSTITUZIONE CON MATERIALI ROCCIOSI, OTTIMIZZAZIONE DEGLI SPESSORI DEGLI STRATI E CONTROLLO QUALITÀ
Di seguito si descrive brevemente la metodologia adottata nell’ambito di un progetto di ricostruzione stradale in Azerbaigian per il trattamento del sottofondo naturale in terreni non idonei e instabili (terreni argillosi della superficie di appoggio dei rilevati, spesso in condizioni sature) su cui devono essere posizionati gli strati del rilevato e della pavimentazione. A causa di indagini geotecniche carenti e di una inadeguata valutazione delle caratteristiche dei terreni naturali in fase di progettazione, all’inizio dei lavori sono state intraprese le seguenti attività al fine di determinare le proprietà dei materiali sui quali deve essere costruito il rilevato stradale e, di conseguenza, per valutarne l’idoneità come terreni di fondazione nelle condizioni effettive del sito: • campionamenti e prove di laboratorio (proprietà dei materiali);
1. Il controllo Qualità 1. Quality Control
TREATMENT OF UNSTABLE ROADBEDS
METHODOLOGY FOR THE TREATMENT OF WEAK EMBANKMENT FOUNDATION BY REMOVING UNSUITABLE SOILS AND REPLACING WITH ROCK FILL MATERIAL, OPTIMIZATION OF LAYERS’ THICKNESSES AND QUALITY CONTROL
This report briefly describes the methodology adopted within a road reconstruction project in Azerbaijan for the treatment of the weak and unstable roadbed (existing clayey ground surface, often in saturated condition) upon which embankment and pavement layers have to be placed. Due to inadequate geotechnical investigations and insufficient consideration of foundation conditions during the design stage, the following activities have been undertaken from the start of the project in order to determine the properties of the materials upon which the embankment/subgrade is to be constructed and, accordingly, to assess their suitability as foundation materials under the actual site condition: • Sampling and Laboratory Testing (Material Properties); • inspections and Dynamic Cone Penetrometer (DCP) Testing (ASTM D6951) (Site Conditions). A methodology is presented for determining the thicknesses of unsuitable materials to be removed from the existing ground and replaced with rock fill material and, finally, the necessary quality control to be implemented during the construction works (Figure 1).
RILEVATI STRADALI
• ispezioni e Prove Penetrometriche Dinamiche (DCP) (ASTM
D6951) (condizioni del sito); Viene qui presentata una metodologia per determinare gli spessori di materiali non idonei da rimuovere dal terreno esistente e sostituire con materiali rocciosi e, infine, il controllo di qualità necessario da attuare durante i lavori di costruzione (Figura 1).
I CAMPIONAMENTI E LE PROVE DI LABORATORIO
Sono stati prelevati per la classificazione secondo la procedura AASHTO M 145, più di 100 campioni di terreno (distribuiti lungo l’intero progetto di ricostruzione stradale in un periodo di circa quattro mesi). I materiali del sottofondo naturale esistente sono classificabili principalmente nel sottogruppo A-7-6 (argille da media a alta plasticità secondo la carta di Casagrande). Diversi campioni (distribuiti nello stesso periodo di tempo e progressive chilometriche) sono stati sottoposti alla prove per la determinazione dell’indice di portanza CBR (al 95% del valore Proctor di riferimento e dopo imbibizione di quattro giorni in acqua) e il valore medio è risultato pari a 2,17%. Correlando i risultati delle prove di laboratorio CBR si sono ottenuti valori del modulo di deformazione (EDef) sempre inferiori a 15 MPa (valore minimo del modulo di deformazione al primo ciclo di carico su piastra generalmente previsto per il piano di posa dei rilevati). I risultati delle prove di laboratorio hanno evidenziato quindi che il terreno in sito, a causa delle scadenti caratteristiche meccaniche, non può essere ritenuto generalmente idoneo come terreno per il piano di appoggio dei rilevati e si è ravvisata pertanto la necessità di un miglioramento e rafforzamento dello stesso durante i lavori di costruzione (Figura 2).
La situazione evidenziata dai risultati delle prove laboratorio è ulteriormente aggravata dalle seguenti condizioni rilevate sul posto: • presenza di acqua stagnante e inadeguatezza dei sistemi di drenaggio delle acque superficiali/sotterranee (ulteriore riduzione della capacità portante dei terreni); • presenza di sali idrosolubili. Per supportare con prove di laboratorio quanto osservato in cantiere, per ciascuna area specifica sono state eseguite delle prove penetrometriche dinamiche (metodo di prova: ASTM D6951). Il penetrometro dinamico leggero (DCP) deve essere utilizzato per identificare i punti deboli del piano d’appoggio del rilevato. La prova DCP può essere espressa anche in termini di CBR in situ: tuttavia, tale CBR deve essere inteso solo per valutare la resistenza dei materiali nelle condizioni specifiche di cantiere e delle sue variazioni (ciò significa che per lo stesso materiale il CBR in situ differisce dal CBR misurato in laboratorio).
SAMPLING AND LABORATORY TESTING
More than one hundred soil samples (spread along the entire road reconstruction project in a period of about four months) have been collected for classification according to AASHTO M 145 procedure. The existing roadbed materials are mainly classifiable in the subgroup A-7-6 (clays of medium to high plasticity according to Casagrande’s plasticity chart). Several samples (spread along the same aforementioned period and chainages) have been also tested for California Bearing Ratio (CBR) and the average value (at 95% MDD after four days soaked) is 2.17%. By correlating the laboratory CBR test results the Modulus of Deformation (EDef) values are always lower than 15 MPa (minimum modulus of deformation value, from plate bearing test / first cycle, generally required for the roadbed). These laboratory tests results are therefore highlighting that the roadbed materials are to be definitely considered substandard and, finally, generally not suitable as a foundation and it is therefore recognized the necessity of a foundation improvement and strengthening during the construction works (Figure 2).
The situation highlighted by the laboratory test results is further worsened by the following site conditions: • presence of stagnant water and inadequate drainage systems (further lowering of the bearing capacity of existing ground); • presence of water-soluble salts. As supporting evidences of the above observed site conditions, several dynamic cone penetrometer tests have been carried out for each specific area (test method: ASTM D6951). The dynamic cone penetrometer (DCP) shall be used to identify soft spots in the roadbed. The DCP measurement results in a field or in situ CBR, however such CBR has only to be intended to evaluate the strength of the materials at site under prevailing conditions and its variations (this means that the in situ CBR differs from the laboratory CBR of the same material).
CONCLUSIONS AND PROPOSED METHODOLOGY
With reference to the Contract Drawings and Technical Specifications the following samples shall be collected for laboratory testing (soil classification/CBR) in order to confirm, for each specific area, the expected materials unsuitability (any materials eventually found suitable shall be re-used): • samples within the existing subgrade/embankment; • samples below the existing subgrade/embankment (roadbed).
2. Il materiale esistente del piano di posa del rilevato 2. The existing roadbed material
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CONCLUSIONI E METODOLOGIA PROPOSTA
Con riferimento ai disegni e alle specifiche di progetto, i seguenti campioni devono essere prelevati per le prove di laboratorio (classificazione/CBR) al fine di confermare, per ciascuna area specifica, la prevista inidoneità dei materiali (tutti i materiali eventualmente ritenuti idonei devono essere riutilizzati): • campioni nell’ambito del rilevato esistente; • campioni al di sotto del rilevato esistente (piano di posa del rilevato). Se tale inidoneità è confermata, devono essere intraprese le seguenti attività: • rimozione dei materiali non idonei del rilevato esistente fino al livello del terreno naturale (piano di appoggio del rilevato); • escludendo le aree impregnate/sommerse d’acqua o dove i materiali appaiono troppo morbidi e instabili, il piano di appoggio del rilevato deve essere compattato per l’intera larghezza della costruzione. Devono essere effettuate delle prove di densità in sito per verificare il grado di compattazione ottenuto (a causa delle proprietà argillose di questi terreni e al fine di migliorare l’efficienza di compattazione, devono essere adottati i rulli a piede di pecora); • esecuzione di prove penetrometriche dinamiche (DCP) test sul piano di appoggio del rilevato al fine di definire lo spessore corretto di materiale morbido/instabile da rimuovere (ai fini di questo lavoro valori dell’indice di penetrazione DCP ≥ 70 mm/COLPO individuano i materiali instabili). Nota 1) Poiché le scadenti caratteristiche meccaniche del terreno in posto (argille da media a alta plasticità in base alla prove di classificazione e CBR) sono tali da rendere il piano di appoggio del rilevato potenzialmente instabile nelle condizioni a lungo termine (ossia nelle condizioni climatiche e idrogeologiche più sfavorevoli) a causa di cedimenti potenziali molto elevati, circa 30 cm di questi materiali devono sempre essere rimossi (requisito minimo per la stabilità a lungo termine indipendentemente dai risultati delle prove DCP). I risultati delle prove DCP vengono utilizzati per determinare lo spessore di ulteriore terreno morbido/instabile (oltre ai citati 30 cm) da rimuovere, solo se necessario, in base alle condizioni del sito (terreni saturi o parzialmente saturi); Nota 2) I campionamenti, le prove di laboratorio e le prove DCP devono essere eseguiti in numero sufficiente a garantire la rappresentatività dei risultati ottenuti. Infine, i materiali non idonei del piano di posa del rilevato devono essere rimossi e sostituiti con i seguenti materiali idonei (dopo la rimozione di materiale non idoneo, la superficie del terreno, ove possibile, deve essere compattata per l’intera larghezza della costruzione): 1. opzione 1 (zone umide): riempimento con materiale roccioso alluvionale con D max = 200 mm (l’impiego di roccia frantumata, di cava, sarebbe preferibile, tuttavia non sembra disponibile nel Paese). La granulometria deve essere ben assortita in modo da ottenere un accurato intasamento dei vuoti e, di conseguenza, uno strato denso. Uno strato di geotessile pesante deve essere posato sopra il riempimento di pietra compattato (Figura 3); 2. opzione 2 (zone asciutte al fine di ridurre i costi): riempimento con materiale roccioso alluvionale a granulometria
3. Strato in materiale roccioso e geotessile 3. Stone fill layer and geotextile
If such unsuitability is confirmed, the following activities shall be undertaken: • removal of the existing unsuitable subgrade/embankment materials up to the natural ground level (roadbed); • excluding the waterlogged areas or where the materials appear too soft and unstable, the roadbed shall be compacted over the full width of construction. Field density tests shall be done to check the obtained degree of compaction (due to the clayey properties of the existing unsuitable roadbed and in order to improve the compaction efficiency the sheepsfoot rollers shall be adopted); • execution of Dynamic cone penetrometer (DCP) tests on the existing ground surface (roadbed) in order to define the correct thickness of soft/unstable roadbed material to be removed (for the purpose of this work, penetration index values DCP ≥ 70 mm/BLOW identify the unstable materials). Note 1) Since the poor mechanical properties of the soil in place (clay of medium to high plasticity according to soil classification and CBR) make the embankment foundation potentially unstable in the long-term conditions (i.e. in the most unfavourable climatic and hydrogeological conditions) due to very high potential settlements, approximately 30 cm of these materials must always be removed (minimum requirement for the long-term stability regardless of DCP test results). The DCP test results are used to determine the thickness of additional soft/unstable material to be removed (in addition to the aforementioned 30 cm) if necessary according to the encountered site conditions (saturated or partially saturated soils). Note 2) Samples for laboratory testing and DCP tests shall be arranged for each construction lot in sufficient number to ensure the representativeness of results obtained. Finally, unsuitable roadbed materials shall be removed and replaced with the following suitable materials (after unsuitable material removal, the ground surface, where possible, shall be compacted over the full width of construction): 1. option 1 (wet areas): filling with alluvial rocky material with
Dmax = 200 mm (the use of quarried, fractured, material is preferable, however it seems not available in the Country). The gradation shall be well graded in order to obtain an accurate clogging of voids and, accordingly, a dense layer. A layer of heavy geotextile shall be laid over the compacted stone fill (Figure 3);
RILEVATI STRADALI
ben assortita con D max
= 200 mm in combinazione con materiale da rilevato proveniente da cava di prestito secondo proporzioni da confermare durante la compattazione dello strato di riempimento in pietra (strato inferiore). Sebbene non previsto dai documenti contrattuali, si raccomanda la posa di uno strato di geotessile pesante sopra il riempimento di pietra compattato. Il materiale roccioso utilizzato per sostituire il materiale non idoneo deve essere adeguatamente compattato fino a completa stabilizzazione. La presenza di materiale argilloso sulla superficie (risalito dal terreno esistente attraverso lo strato di riempimento di pietra durante la compattazione) è la prova che lo strato sta ancora affondando e quindi, in questi casi, occorre aggiungere ultriore materiale roccioso e proseguire la compattazione. Nelle zone asciutte e sulla base dei risultati delle prove DCP (vale a dire per valori di numero DCP inferiori a 70 mm/COLPO e, quindi, nei casi in cui lo spessore massimo di terreno da rimuovere è 30 cm) si raccomanda, al fine di ridurre i costi, di compensare lo spessore della pietra affondata nel terreno naturale mediante l’impiego di materiale da rilevato sulla parte superiore dello strato fino al raggiungimento della quota prevista. Tutti i materiali di scavo non idonei devono essere trasportati a discarica. Ai fini del controllo qualità e delle approvazioni finali, alle sopraccitate ispezioni da eseguire durante i lavori di costruzione, il primo strato compattato del rilevato (ossia lo strato che segue il riempimento di pietra, Figura 4) deve essere verificato mediante diversi passaggi con camion carichi e, di conseguenza, sottoposto a prove di densità in sito e prove di carico su piastra con diametro minimo pari a 456 mm (il modulo di deformazione al primo ciclo di carico è in ultimo richiesto per confermare la stabilizzazione del piano di appoggio del rilevato, Figura 5). Va infine sottolineato che ogni qualvolta l’Impresa si trovi ad affrontare situazioni non previste, devono essere condotte nuove indagini e prove sul campo al fine di confermare l’idoneità dei metodi di costruzione proposti e garantire la qualità dei lavori richiesta. n
(1) Senior Materials Engineer, Independent Consultant 2. option 2 (dry areas in order to reduce the costs): filling with well graded alluvial rocky material with Dmax = 200 mm in combination with embankment material from borrow pit according to proportions to be confirmed during the compaction of the stone fill layer (bottom layer). A layer of heavy geotextile over the compacted stone fill, although not included in the contract documents, is recommended. The rocky material used to replace the unsuitable material shall be properly compacted till complete stabilization. The occurrence of clayey material on the surface (raised from the existing ground through the stone fill layer during the compaction) is the evidence that the layer of stones is still sinking and therefore, in these cases, it is necessary to add further rocky material and continue compaction. In the dry areas and according to the DCP test results (i.e. for DCP number values lower than 70 mm/BLOW and, therefore, where the maximum soil thickness to be removed is 30 cm) it is recommended, in order to reduce costs, to compensate the thickness of stone sunk in the existing unsuitable roadbed by using subgrade material on the top of the stone fill layer in order to reach the required level. All excavated unsuitable materials have to be transported from site and stockpiled to the spoil dumping areas only. For quality control and approval purposes, in addition to the above mentioned site inspections to be performed during the construction works, the first compacted layer of subgrade/embankment material (i.e. the next layer after the stone filling, Figure 4) shall be checked with proof rolling with loaded truck and, accordingly, tested for field density and plate load with bearing plate of 456 mm minimum diameter (the modulus of deformation from the first cycle is finally required to confirm the roadbed stabilization, Figure 5). It should be finally emphasized that whenever the Contractor is facing unexpected site conditions, new investigations and field trials shall be arranged to confirm the suitability of the proposed construction methods and ensure the required quality of works. n
(1) Senior Materials Engineer, Independent Consultant
4. Il primo strato del rilevato 4. The first embankment layer 5. La prova di carico su piastra 5. The plate load test
