Experimental study on the hydro-mechanical behavior of soils improved using the CSM technology

Deep Mixing Methods (DMMs) can be regarded as constantly evolving technologies for improving soil properties in order to satisfy predefined design requirements. Their applications are very common in geotechnical engineering and, in some cases, they can be conveniently selected instead of more traditional techniques. Despite DMMs are customarily used to strengthen soft soils like peats, clays, and silts, they can also be used very effectively in various subsoil configurations for several purposes, as, for instance, in the case of soil liquefaction prevention or cut-off/retaining walls. Even if soil mixing practice has become very consolidated in geotechnical engineering and numerous researchers in the past have tried to develop predictive equations taking into account the more relevant factors affecting the strength of DM constructions, i.e. influence of binder, soil, mixing and curing conditions, there is still no widely applicable formula for the estimation of the field strength characterized by a reasonable level of accuracy. Predictions are normally based on the mechanical behaviour of laboratory prepared mixtures, which, most of the time, significantly differ from in-situ treated soils due to the specific mixing, curing, and subsoil conditions encountered at the site. Technical standards were recently developed to provide general guidelines for the production of good quality laboratory mixed soil samples. Similarly, other codes concerning the critical deep mixing site construction aspects were introduced in several counties in order to improve the quality assurance and quality control (QA/QC) programmes conceived to verify the treatment effectiveness. However, a direct correlation between laboratory and field mixing performance is still far from being described, probably owing to the lack of a sufficient number of well documented case histories. In this research, a comparison tool between laboratory and field procedures has been tentatively deduced from energetic considerations depending on mixing efforts transferred to the soil to be treated using different devices. This thesis mainly focuses on the results of a comprehensive experimental investigation carried out on treated soil mixtures collected from several worldwide jobsites in which the Cutter Soil Mixing (CSM) technology was used. CSM, launched since 2003, is a recent and efficient system that, besides other DMMs, has the advantage of a high level of process control providing detailed information regarding the in-situ mixing method. The elaboration of these data, which significantly support the usual QA/QC procedures, has been used to define a new easily determinable site parameter closely related to the mixing efficacy, which, in turn, greatly influences the performance attained. As other DM methods, CSM produces some amount of spoil material, which is deemed to contain part of the binder introduced into the soil to activate hydration reactions once combined with both water and minerals in the ground. Since no estimation methods are available to evaluate the binder loss, an approximate amount of binding material is customarily added and mixed with the natural soil, hampering the performance prediction. To remedy this situation, a new formulation has been proposed to estimate the binder loss and to compute a more proper cement content. During the research activity, mechanical, hydraulic, mineralogical, and micro-structural tests were carried out in order to describe in detail the behaviour of the CSM treated material from different points of view and to acquire a reliable picture of the main factors affecting the relevant properties of stabilized soils. The obtained test results allowed to develop a new mathematical model for the evolution of the mechanical strength of granular and cohesive soils treated with the CSM technique as a function of the specific site conditions. The defined procedure has proved to be very effective in the major part of the case histories considered in this work.

I metodi di miscelazione profonda (DMMs) possono essere intesi come tecnologie in costante evoluzione atte al miglioramento delle proprietà dei terreni naturali al fine di soddisfare predefiniti requisiti di progetto. La loro applicazione è molto comune nel campo dell’ingegneria geotecnica e, in un sempre maggior numero di ambiti d intervento, tali metodi possono rivelarsi una valida alternativa alle tecniche di costruzione più tradizionali. Nonostante i DMMs siano solitamente usati per incrementare la resistenza di terreni soffici quali torbe, argille e limi, essi possono anche essere impiegati molto efficientemente in configurazioni di sottosuolo diverse e per svariati scopi, come, ad esempio, per la mitigazione del rischio di liquefazione di sabbie sciolte o per la costruzione di muri di ritenuta e/o barriere idrauliche. Sebbene la miscelazione dei terreni sia entrata a far parte di diritto della prassi ingegneristica internazionale e malgrado numerosi ricercatori abbiano tentato in passato di sviluppare equazioni in grado di tener conto dei fattori più significativi aventi risvolti diretti sulle prestazioni delle costruzioni in terreno migliorato (tipo di legante utilizzato, natura del terreno stabilizzato, condizioni di miscelazione e maturazione), attualmente non esistono formule applicative di ampio utilizzo e caratterizzate da un ragionevole livello di accuratezza per la stima del resistenza in sito di questo tipo di strutture. Le stime, comunemente, sono basate sul comportamento meccanico di miscele appositamente preparate in laboratorio che, nella maggior parte dei casi, differiscono sensibilmente dai terreni trattati in sito, in ragione delle particolari e specifiche condizioni di miscelazione, di maturazione e stratigrafiche incontrate in cantiere. Diversi regolamenti tecnici sono stati recentemente sviluppati per fornire linee guida generali sulla preparazione in laboratorio di campioni di terreno stabilizzato di buona qualità. Allo stesso tempo, altre normative riguardanti i principali aspetti costruttivi di opere realizzate per mezzo della tecnica della miscelazione profonda sono state introdotte in molti paesi, allo scopo di completare e perfezionare le procedure di controllo di qualità (QA/QC) concepite per la verifica dell’efficacia di questi trattamenti. Tuttavia, una correlazione diretta tra le prestazioni ottenibili da una miscelazione in laboratorio ed una eseguita in sito è ad oggi ancora lontana dall’essere individuata, probabilmente a causa della limitata disponibilità di un numero sufficiente di casi reali ben documentati. A tal proposito, nel corso della ricerca è stato definito un valido strumento di comparazione a partire da considerazioni di carattere energetico basate sugli sforzi trasferiti al terreno da parte di dispositivi di miscelazione di laboratorio e di cantiere. Questo lavoro di tesi si concentra prevalentemente sui risultati di una vasta campagna d’indagine condotta su miscele stabilizzate ottenute mediante l’impiego della tecnica del Cutter Soil Mixing (CSM) in svariati cantieri nel mondo. Il CSM, introdotto nel 2003, è un innovativo ed efficiente sistema di miscelazione che, a differenza dei tradizionali DMMs, presenta il vantaggio di un elevato controllo del processo di produzione, in grado di fornire molteplici informazioni relative al trattamento in-situ. Dall’elaborazione di questi dati di supporto alle usuali procedure QA/QC, si è potuto derivare un nuovo parametro, facilmente determinabile in cantiere, legato intrinsecamente all’efficacia della miscelazione e, conseguentemente, alle prestazioni raggiunte dall’opera. L’attrezzatura CSM, al pari degli altri DMMs, genera, durante il suo impiego, del materiale di refluo contenente parte del legante introdotto nel sottosuolo per l’attivazione delle reazioni di idratazione dello stesso con l’acqua e i minerali presenti nel terreno. Dal momento che ad oggi non sono disponibili criteri di stima di tale perdita di legante, una quantità imprecisata di agente stabilizzante è solitamente aggiunta e miscelata al terreno vergine. Ciò rende ancora più difficoltosa la previsione del comportamento della miscela finale. Per ovviare a tale situazione, è stato ricavato, a partire da semplici e ragionevoli ipotesi sulla composizione del refluo, un nuovo approccio analitico attraverso il quale è possibile valutare un contenuto di legante certamente più rappresentativo delle reali condizioni in sito. Durante l’attività di ricerca sono state svolte prove di tipo meccanico, idraulico, mineralogico e micro-strutturale al fine di descrivere in modo dettagliato e sotto diversi punti di vista il comportamento del materiale trattato mediante CSM ed acquisire, così, una rappresentazione attendibile dei principali fattori in grado di influenzarne le più significative proprietà. I risultati ottenuti dalle prove hanno permesso di sviluppare una procedura per la determinazione dell’evoluzione della resistenza di terreni granulari e coesivi migliorati con CSM in funzione delle specifiche condizioni del sito. La formulazione individuata si è dimostrata affidabile nella stima della resistenza effettivamente raggiunta in cantiere nella maggior parte dei casi analizzati in questo lavoro.