ITPR990093A1 - Procedimento di consolidamento per terreni ed edifici. - Google Patents

Description

D E S C R I Z I O N E

annessa a domanda di breveto per INVENZIONE INDUSTRIALE avente per titolo: PROCEDIMENTO DI CONSOLIDAMENTO PER TERRENI ED EDIFICI.

Forma oggetto del presente trovato un procedimento di consolidamento per terreni ed edifici.

Il problema delle fondazioni dei terreni cedevoli si inserisce nel contesto più ampio del dissesto idrogeologico che affligge ormai in modo cronico la nostra penisola.

Il continuo e disuniforme abbassamento della falda, talvolta alternato ad innalzamenti di origine meteorica locale, provoca una continua serie di danni alle infrastrutture sia ad uso privato che industriale ed anche agli edifici di pregio storico e/o architettonico. In particolare, l’abbassamento delle falde acquifere è causa di cedimenti del terreno che producono fessurazioni negli immobili.

I terreni di natura argillosa possiedono infatti una particolare e complessa struttura cristallina che li rende singolari dal punto di vista della loro risposta al carico in relazione alla presenza di acqua.

I minerali argillosi sono fillosilicati idrati con strutture a fogli sovrapposti e legati, a loro volta basati sulla ripetizione bidimensionale di unità tetraedriche (T) aventi al centro un atomo di silicio, o più unità ottaedriche (O) aventi al centro un atomo di alluminio.

La sovrapposizione alternata di strati (O) e di strati (T) dà origine ai vari gruppi di minerali argillosi:

minerali con pacchetti a due strati (P/O) come la caolinite,

minerali con pacchetti a tre strati (P/O/T) come le smectiti,

minerali con pacchetti a tre strati più uno.

La possibilità di sostituzioni isomorfe di atomi di silicio con atomi di alluminio produce nel sistema pacchetto un eccesso di cariche negative che viene compensato da molecole di acqua e ioni metallici positivi, generalmente alcalini e alcalino ferrosi, oltre a ioni idrogeno e ammonio.

L’energia di coesione tra i pacchetti degli strati non è sufficiente a contrastare quella di idratazione degli ioni sicché, come compensazione, i pacchetti si circondano di un numero elevato e variabile di strati di acqua, presentandosi come delle strutture di forma lenticolare contenuti in sacchetti di molecole d’acqua pellicolare e ioni positivi, aventi un diametro medio inferiore a 2pm.

Quando l’acqua di falda si allontana libera spazi all’acqua interstiziale che defluisce e non svolge più la sua funzione di sostegno e contorno a quella pellicolare.

L’acqua pellicolare, non più trattenuta, tende a sfuggire riducendo le capacità portanti ed il volume del terreno.

Le fondazioni dell’immobile, non più immerse nell’acqua di falda, perdono la spinta idrostatica e gravano sul terreno di fondazione con un carico proprio che diventa circa il doppio del precedente.

I procedimenti tradizionali utilizzati per il consolidamento di terreni ed edifici mirano a curare l’effetto ma non le cause, sono molto invasivi e generalmente notevolmente costosi.

Tra questi procedimenti si può citare ad esempio la tecnica del “jet growting” con l’utilizzo di pali infissi o trivellati, nonché le iniezioni di materiale cementizio o resine per il riempimento dei vuoti creatisi nel terreno al di sotto delle fondazioni.

Tali interventi lasciano comunque profondi mutamenti nella fondazione dell’edificio o nel terreno, che possono essere addirittura di ostacolo ad interventi successivi ed inoltre in taluni casi presentano una difficoltà di precisione, nel senso che le iniezioni cementizie spesso non raggiungono l’obiettivo prefissato ma vanno a comprimere zone lontano da quelle che avrebbero dovuto essere trattate.

Tecniche meno invasive come l’elettrosmosi che consente di spostare l’acqua in setti porosi a mezzo di campi elettrici sono state sino ad oggi impiegate esclusivamente per il prosciugamento di terreni franosi od instabili o per la deumidificazione di terreni ed edifici, ossia esattamente per lo scopo contrario.

Scopo del presente trovato è quello di eliminare i suddetti inconvenienti rendendo disponibile un procedimento che intervenga sulle cause e non sugli effetti dei cedimenti, mantenga la sua efficacia inalterata nel tempo, non alteri e per quanto possibile ripristini le condizioni originali del terreno, sia poco invasivo e per nulla distruttivo ed abbia anche costi contenuti.

Detti scopi sono pienamente raggiunti dal procedimento oggetto del presente trovato, che si caratterizza per quanto contenuto nelle rivendicazioni sotto riportate ed in particolare per il fatto che prevede di utilizzare Telettrosmosi per ottenere la cessazione del drenaggio e la ricostituzione della falda perduta mediante richiamo della falda stessa o costituzione e mantenimento di una falda artificiale.

Ciò si ottiene collocando nel terreno una prima pluralità o insieme di elettrodi negativi ed una seconda pluralità o insieme di elettrodi positivi in modo tale che, collegando le due pluralità di elettrodi ad una centrale di alimentazione il campo elettrico così applicato produca interruzione di detto deflusso e la inversione del senso di moto dell’acqua con il richiamo dell’acqua stessa.

Preferibilmente la centrale di alimentazione eroga una differenza di potenziale contraria a quella prodotta dal deflusso dell’acqua.

Gli elettrodi negativi sono normalmente collocati nel terreno immediatamente sottostante le fondazioni preferibilmente al centro del bulbo delle pressioni, mentre gli elettrodi positivi sono normalmente collocati nel terreno circostante le murature ad alcuni metri da esse e ad una distanza dai corrispondenti elettrodi negativi pari a circa 4-10 d, in cui d è lo spessore del muro di fondazione sovrastante l’elettrodo negativo.

Questa ed altre caratteristiche risulteranno meglio evidenziate dalla descrizione seguente di una preferita forma di realizzazione descritta a puro titolo esemplificativo e non limitativo.

II presente procedimento prevede originalmente l’applicazione della tecnologia elettrosmotica non per prosciugare o deumidificare bensì per richiamare in loco la falda che si è allontanata o abbassata.

Ciò viene fatto sfruttando la struttura intima stessa dei terreni argillosi che può essere assimilata ad una rete di innumerevoli capillari ottenuti dalle superfici silicatiche delle lenticole di argilla.

Benché nel complesso il terreno sia ovviamente elettricamente neutro, nel suo interno l’acqua interstiziale è nelle condizioni di possedere un potenziale elettrico superiore a quello della superficie delle lenticole così che l’applicazione di un campo elettrico esterno ne induce la migrazione verso l’elettrodo negativo.

Al contrario, se l’acqua interstiziale ha la possibilità di fluire e di allonana verrà a crearsi uno scompenso di cariche ed un conseguente campo elettrico misurabile come differenza di potenziale tra diversi punti del terreno ed è proprio su questo che il presente procedimento agisce.

Qualora poi nel terreno circostante la muratura non dovesse esserci acqua a sufficienza per un eccessivo allontanamento della falda, quest’ultima verrà artificialmente creata mediante una fonte esterna che immette acqua direttamente in prossimità degli elettrodi positivi (pozzi anodici), la quale migrerà verso gli elettrodi negativi.

La tecnologia elettrosmotica ha il pregio di essere economica, non invasiva e reversibile pertanto consente di mettere in sicurezza l’immobile per un intervallo di tempo pressoché indefinito, in modo da concedere sufficiente spazio, allo studio ed alle pianificazioni di interventi di restauro e di eventuale consolidamento anche di altro tipo.

Un altro vantaggio della tecnica elettrosmotica, oggetto del presente trovato, è dato dall’aumento di resistenza che può produrre nei terreni attraverso una variazione granulometrica dell’argilla fine (circa 2 pm) esistente in fondazione. Ciò è particolarmente utile nel caso in cui vi siano cedimenti dovuti ad eccessi di carico aggravati dall’abbassamento della falda, per i quali occorre non solo ricreare la falda scomparsa ma anche aumentare la portanza del terreno.

In ogni caso il costo di un intervento mediante le tecnologia di elettrosmosi è circa un ordine di grandezza inferiore al costo di un classico intervento di stabilizzazione mediante micropali o jet-growting.

Per quanto riguarda le potenze elettriche da installare e i tempi necessari per la stabilizzazione, si può fare ad esempio riferimento ad un cantiere tipo con 50m di perimetro di fondazione e si può affermare che rimpianto di ricostituzione della falda ha la necessità di assorbire una corrente continua dell’ordine di grandezza di 1 A ad una tensione di circa 10-15 V.

Il fabbisogno di acqua attraverso i pozzi anodici è di alcune decine di litri per ogni metro cubo di fondazione.

Nel corso del processo comunque il passaggio di corrente si riduce con legge asintotica fino ad annullarsi a causa delle variazioni di conducibilità che intervengono nel terreno, mentre la richiesta di acqua nel sistema si riduce con andamento irregolare.

L’estensione della falda artificiale viene completata nel giro di qualche settimana riportando le condizioni del terreno sostanzialmente a quelle originali.

Per quanto concerne il “consolidamento per agglomerazione” delle argille della sottofondazione, si applicano tensioni in corrente continua di qualche decina di Volt con intensità di corrente di poche centinaia di mA per ogni metro cubo di sottofondazione interessato con un consumo globale di qualche migliaio di KWh in 40-60 giorni.

In tali condizioni ogni metro cubo di sottofondazione, considerato come beneficiario di tutta la corrente circolata, potrebbe assorbire alcune decine di KWh, valore sufficiente a ridurre la presenza di argille fini, ottenendo un aumento sostanziale della capacità portante.

Il presente procedimento prevede le seguenti fasi:

- foratura fino ad una profondità che è al di sotto del piano inferiore della sottofondazione di circa 2d (con d=spessore del muro di fondazione), e dissalazione accuratissima della zona di diffusione in prossimità degli elettrodi positivi, impiegando ad esempio la tecnologia di cui al brevetto per invenzione industriale n. 1288042 della stessa Richiedente;

- immissione di materiale di contatto e antisale (ad esempio malta additivata con grafite lamellare stratificata al 3-3,5% in peso) in prossimità degli elettrodi positivi; - inserimento degli elettrodi positivi nelle forature trattate nel modo descritto ed immissione di elettrodi negativi di tipo metallico nella zona del bulbo delle pressioni; preferibilmente ciascun elettrodo positivo è formato da una coppia di elettrodi: uno in resina ed uno metallico in lega eutettica bicomponente (stagno-piombo) o tricomponente (stagno-piombo-argento), quest’ultimo fungente da elettrodo sacrificale in quanto destinato a consumarsi in breve tempo;

- applicazione, eventualmente alternata, dei sistemi di reidratazione di disidratazione del bulbo delle pressioni fino al risultato ottenuto;

- rifornimento eventuale di acqua esterna, con eventuale aggiunta di Cloruri di Calcio (CaCl2), cloruri di magnesio (MgCl2) e malte espansive per portare ad un incremento di portanza del terreno pari a 3 - 6 volte la portanza prima del l’applicazione del procedimento in conseguenza delle particolari reazioni chimiche che si esplicano durante l’applicazione del campo elettrico: infatti gli ioni Ca44 e Mg44 formano ponti di cationi bivalenti fra le micelle susseguenti del materiale smectitico;

- monitoraggio periodico dell’acqua immessa, dei livelli piezometrici e monitoraggio della portanza.

L’utilizzo di elettrodi negativi in ferro consente di usufruire dell’ulteriore vantaggio di una protezione catodica delle fondazioni dalla corrosione.

L’utilizzo di elettrodi positivi di Al e/o Mg ha lo stesso effetto dell’aggiunta di cloruri di calcio o di magnesio nel terreno, poiché detti elettrodi sono destinati a consumarsi liberando ioni Mg44 e Al444.

Se si definisce con d lo spessore del muro di fondazione, il bulbo delle pressioni si estende in modo significativo al di sotto di detto muro per circa 4d in profondità e 2d in larghezza.

L’eletrodo negativo viene posizionato normalmente il più possibile vicino al centro del bulbo delle pressioni (ad esempio con foro obliquo in cui è introdotta una punta di ferro fungente da elettrodo), mentre l’elettrodo positivo viene posizionato ad una distanza di 4 - 10 d rispetto all’elettrodo negativo.

L’elettrosmosi consiste nel movimento di un liquido attraverso un capillare (o attraverso gli innumerevoli capillari di un diaframma poroso) per effetto dell’applicazione di una differenza di potenziale elettrico.

La quantità di liquido trasferita attraverso il setto poroso è proporzionale all’intensità della corrente che ha attraversato il setto ed è indipendente dall’area e dallo spessore di questo.

Quando un liquido fluisce attraverso un diaframma poroso, agli estremi di esso si genera una differenza di potenziale (potenziale di flusso ) che è direttamente proporzionale alla differenza di pressione che genera il flusso ed è indipendente dall’area e dallo spessore del diaframma.

Immergendo un tubo di vetro in una soluzione contente elettroliti, la superficie solida è in grado di adsorbire selettivamente su di essa una parte degli ioni negativi disciolti.

Ciò fa sì che sulla superficie del tubo si venga ad avere un eccesso di cariche negative.

I cationi, liberi della soluzione, tendono ad affollarsi in prossimità della superficie della fase solida formando inizialmente un secondo strato, piuttosto ordinato, di cariche positive e via via verso l’interno della soluzione un terzo strato diffuso di cationi.

L’insieme dei primi due strati viene chiamato doppio strato compatto di Helmoltz ed è assimilabile come comportamento a quello di un condensatore piano la cui armatura negativa coincide con la superficie vitrea e la cui armatura positiva possiede una forma diffusa a partire dallo strato parzialmente ordinato di cationi.

Lo spessore del doppio strato compatto è del’ordine di circa IO'8 m ovvero una lunghezza pari al diametro di alcuni cationi mentre se si comprende anche la zona diffusa si ottiene un valore di IO'7 m.

Gli effetti del doppio strato, essendo di tipo superficiale, si manifestano maggiormente entro cavità cilindriche molto piccole come i capillari o tra due pacchetti lenticolari delle argille e ciò in relazione al fatto che per esse il rapporto superficie / volume è molto grande.

Le cavità di interesse sono gli innumerevoli canalicoli che sono presenti nei più comuni materiali litoidi usati nell’edilizia i quali inoltre essendo costituiti quasi esclusivamente da silicati, presentano la medesima selettività di adsorbimento del vetro.

La differenza di potenziale tra la soluzione “lontana”, assunto come valore zero e quello della superficie solida è detto Potenziale Elettrocinetico o Potenziale Zeta, convenzionalmente simboleggiato da ζ, il suo valore può essere positivo, nullo o negativo e giungere in valore assoluto ad un massimo osservato di circa 0.2 V (generalmente è comunque un valore compreso tra 10 mV e 100 mV).

Gli ioni positivi contenuti nella zona diffusa creano una regione di soluzione con una densità media di carica non nulla la quale, sotto l’influenza di uh campo elettrico esterno, è in grado di muoversi a causa della forza di trascinamento viscoso esercitata dai cationi in migrazione.

Si può dimostrare che se

E (V/m) - intensità del campo elettrico applicato,

η (Pa - s) = viscosità dinamica del solvente,

ε (F/m) = costante dielettrica della soluzione,

allora la velocità di flusso v (m/s) della soluzione elettrolitica attraverso il capillare è dato dalla relazione

Moltiplicando per la sezione del capillare nr2 otteniamo la permeabilità elettroosmotica ovvero la portata di liquido espressa in metri cubi.

Richiamando la legge di Ohm e introducendo la conduttanza specifica della soluzione ed L la lunghezza del capillare in metri, si ottiene I = V / R =

e quindi la portata di liquido che rimane valida sotto

il profilo indicativo anche per i diaframmi porosi.

Il potenziale che si origina agli estremi del capillare forzando la soluzione a fluire attraverso il capillare mediante una differenza di pressione

, anch’essa valida per i diaframmi porosi.

Poiché il potenziale di flusso può essere stimato anche con un semplice tester, si intuisce che attraverso quest’ultima relazione è possibile attribuire rapidamente alla massa di terreno una pressione caratteristica di drenaggio che in generale vale da zona a zona ed il cui valore è sperimentalmente legato alla presenza di zone a costante abbassamento piezometrico.

Attraverso considerazioni di tipo termodinamico si può giungere anche ad una relazione che lega il potenziale elettrocinetico alla concentrazione di sali nella soluzione ma dall’evidenze sperimentali risulta che il potenziale elettrocinetico è poco influenzato dalle piccole concentrazioni saline mentre può addirittura cambiare di segno ad elevate concentrazioni producendo il fenomeno molto spesso osservato dell’inversione di campo.

II problema tuttavia può essere agevolmente risolato controllando la polarità degli elettrodi con una centrale di alimentazione.

Nel caso in cui si voglia ottenere come risultato principale l’interruzione del drenaggio naturale, le tensioni applicate non sono tali da destare preoccupazioni per la presenza di sali che, in generale comunque nei terreni non sono così influenti come nelle murature da deumidificare.

Nelle murature infatti si verifica il fenomeno della concentrazione successiva mentre, al contrario, le falde più superficiali sono soggette a diluizioni periodiche dovute a filtrazione dell’acqua in conseguenza delle precipitazioni atmosferiche.

Claims (9)

1. RIVENDICAZIONI 1. Procedimento di consolidamento per terreni ed edifici soggetti a drenaggio e/o a allontanamento della falda acquifera, caratterizzato dal fatto che prevede di utilizzare l’elettrosmosi per ottenere la cessazione di drenaggio e la ricostituzione della falda acquifera mediante richiamo della falda stessa o costituzione e mantenimento di una falda artificiale.
2. 2. Procedimento secondo la rivendicazione 1), in cui è prevista la collocazione nel terreno di una prima pluralità di elettrodi negativi e di una seconda pluralità di elettrodi positivi in modo tale che, collegando le due pluralità di elettrodi ad una centrale di alimentazione il campo elettrico così applicato produca rinterruzione di deflusso di acqua e la inversione del senso di moto dell’acqua con il richiamo dell’acqua stessa.
3. 3. Procedimento secondo la rivendicazione 2), in cui la centrale di alimentazione eroga una differenza di potenziale contraria a quella prodotta dal deflusso dell’acqua.
4. 4. Procedimento secondo la rivendicazione 2), in cui gli elettrodi negativi sono collocati nel terreno immediatamente sottostante le fondazioni preferibilmente al centro del bulbo delle pressioni, mentre gli elettrodi positivi sono collocati nel terreno circostante le murature ad alcuni metri da esse e ad una distanza dai corrispondenti elettrodi negativi pari a circa 4-10 d, in cui d è lo spessore del muro di fondazione sovrastante l’elettrodo negativo.
5. 5. Procedimento secondo la rivendicazione 2), in cui sono previste le seguenti fasi: - foratura fino ad una profondità che è al di sotto del piano inferiore della sottofondazione di circa 2d (con d=spessore del muro di fondazione), e dissalazione accuratissima della zona di diffusione in prossimità degli elettrodi positivi; - eventuale immissione di materiale di contatto e antisale (ad esempio malta additivata con grafite lamellare stratificata al 3-3,5% in peso) in prossimità degli elettrodi positivi; - inserimento degli elettrodi positivi nelle forature trattate nel modo descritto ed immissione di elettrodi negativi di tipo metallico nella zona del bulbo delle pressioni; - applicazione, eventualmente alternata, dei sistemi di reidratazione di disidratazione del bulbo delle pressioni fino al risultato ottenuto; - rifornimento eventuale di acqua esterna; - monitoraggio periodico dell’acqua immessa, dei livelli piezometrici e monitoraggio della portanza.
6. 6. Procedimento secondo la rivendicazione 5), in cui ciascun elettrodo negativo è formato da una coppia di elettrodi: uno in resina ed uno metallico in ferro o in lega eutettica bicomponente (stagno -piombo) o tricomponente (stagno-piomboargento), quest’ultimo fungente da elettrodo sacrificale in quanto destinato a consumarsi in breve tempo;
7. 7. Procedimento secondo la rivendicazione 5), in cui durante il rifornimento di acqua esterna è prevista l’aggiunta di Cloruri di Calcio (CaCl2), cloruri di magnesio (MgCl2) e/o malte espansive per portare ad un incremento di portanza del terreno fino a 6 volte la portanza prima dell’applicazione del procedimento.
8. 8. Procedimento secondo la rivendicazione 2), in cui gli elettrodi negativi sono in ferro.
9. 9. Procedimento secondo la rivendicazione 2), in cui gli elettrodi positivi sono in Al e/o Mg.