Il congelamento artificiale del terreno

ING. SIMONE DI MAGGIO Studio di Ingegneria EUROINGEGNERIA
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Il congelamento del terreno

Descrizione ed applicazioni.

Il congelamento artificiale del terreno (di seguito denominato: AGF “Artificial Ground
Freezing”) rappresenta una tecnica di consolidamento ed impermeabilizzazione del suolo,
ottenuta mediante decremento della temperatura dell’acqua presente nel terreno sino ad un
valore ragionevolmente inferiore a quello di congelamento della stessa.
Qualsiasi opera di scavo al di sotto del piano campagna, sia essa a cielo aperto od in
sotterraneo, seppure poco profonda, deve essere soggetta a verifica della stabilità del fronte
rispetto alla tendenza al collasso ed alle eventuali venute d’acqua.
Con il duplice effetto di stabilizzare e proteggere dalle acque sotterranee, l’AGF risulta
essere un’alternativa (quando non rappresenti l’unica soluzione possibile) efficace,
affidabile e sicura ai tradizionali metodi di consolidamento e impermeabilizzazione del
suolo.
Il metodo risponde in maniera eccellente a diverse necessità progettuali quali:
stabilizzazione di scarpate, realizzazione di trincee, scavo di pozzi e tunnel sotterranei,
realizzazione di temporanee strade di accesso su terreni incoerenti con scarse proprietà
meccaniche, etc.
Data la sua natura provvisoria e l’ assoluta reversibilità del metodo, l’AGF risulta essere un
processo ad impatto ambientale nullo che non comporta, quindi, alcuna alterazione delle
proprietà chimiche delle acque che interessano il “muro di ghiaccio”.
La Figura 1.1 mette in relazione le varie tecniche di consolidamento/allontanamento delle
acque profonde con le tipologie di terreno su cui queste possono essere attuate; risulta
immediatamente evidente la completa applicabilità del metodo Ground Freezing.
La prima applicazione del congelamento del terreno risale al 1862 per la realizzazione di
una miniera a Swansea, nel sud del Galles, dove vennero affondati nel terreno tubi in ferro

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Il presente documento si intende di esclusiva proprietà dell’ Ing. Di Maggio Simone che ne vieta qualsiasi
riproduzione (anche di parte dello stesso) senza espressa autorizzazione scritta.


entro i quali circolava una soluzione salina in grado di congelare il suolo grazie a macchine
frigorifere; la stessa soluzione venne collaudata e definitivamente brevettata nel 1883
dall’Ing. Poetsch per l’escavazione di un pozzo della miniera di Archibald nella cittadina di
Schneidlüngen in Germania.

Figura 1.1: Fattibilità dei metodi in relazione alla natura del terreno.

Al fine di descrivere sinteticamente il “processo Poetsch” si riporta, di seguito, un estratto
da “Il giornale del Genio Civile”(volume 25, 1887):
“ Il sistema Poetsch consiste essenzialmente nel far congelare l’acqua che imbeve il
terreno, ove trattasi di fare l’escavazione, col farvi passare, per mezzo di opportune
tubazioni, una soluzione salina mantenuta a bassissima temperatura mediante una o più
macchine a ghiaccio.
Nel terreno congelato il lavoro di scavo viene eseguito all’asciutto e col mezzo degli
ordinari strumenti come se si trattasse di un’arenaria o d’una puddinga. ”; e poi,
successivamente, si fa un accenno alle macchine frigorifere usate nel processo: “ Le

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macchine adoperate per produrre il freddo sono del tipo Carrè il principio delle quali è,
come è noto, il seguente.
Riscaldando una soluzione d’ammoniaca, questo gas si sprigiona dall’acqua e passa in un
condensatore ove, per effetto della sua stessa pressione, si riduce allo stato liquido.
Questo liquido si fa quindi nuovamente evaporare e si ricostituisce la soluzione primitiva
che viene nuovamente impiegata nel modo medesimo.
È durante l’evaporazione che si ha la produzione del freddo; si possono ottenere
temperature di oltre a -30° ma in pratica non conviene scendere oltre a -25°.
Il rendimento delle macchine è di 2000 calorie negative per ogni chilogramma di carbone
consumato. “.
Fra il 1884 ed il 1990 in tutto il mondo, sulla base di ricerche e studi bibliografici, si
possono annoverare circa 350 applicazioni di AGF concentrate prevalentemente in Belgio,
Germania, Gran Bretagna, Stati Uniti e Canada e riguardanti soprattutto la realizzazione di
pozzi minerari e gallerie.
In Italia, tale tecnologia, non ha avuto molte applicazioni fatta eccezione di qualche caso
sporadico per lo scavo di brevi tratti di gallerie e tunnel; di recente applicazione possiamo
ricordare:

• il congelamento del terreno per la realizzazione della nuova Linea 1 della
Metropolitana di Napoli (progetto del 1997), in particolar modo dei pozzi di
stazione della Tratta Bassa, ovvero quella più prossima al golfo di Napoli;
• il congelamento del terreno nella realizzazione delle due gallerie nei pressi di
Courmayeur (AO), sull'autostrada Monte Bianco – Aosta.

Da ciò emerge che, seppure questa tecnica sia largamente collaudata ed abbia sempre
risposto efficacemente alle esigenze, è stata avvolta da un grande scetticismo sia da parte
dei contractors stessi per gli alti costi di investimento e per la necessità di formare tecnici e
manodopera altamente specializzati, sia da parte delle committenze a causa dei costi di
realizzazione, sicuramente non trascurabili, senza però analizzare fino in fondo gli enormi
vantaggi in termini di sicurezza, tempi di realizzazione ed affidabilità del metodo.

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Tecniche di congelamento

Il congelamento artificiale del terreno può essere applicato ogni qualvolta si presenti la
necessità di realizzare l’asportazione di una parte di terreno in totale sicurezza rispetto al
collasso e/o alla venuta d’acqua all’interno del foro praticato.
Importante, al fine di valutare la fattibilità del metodo, è la presenza di condizioni di
idrostaticità, aspetto indispensabile al fine di rendere fattibile o quantomeno vantaggiosa la
tecnologia rispetto ad altre possibili.
La presenza di acqua fluente porterebbe, infatti, ad un immediato equilibrio termico fra
l’acqua e ed il fluido refrigerante della sonda, così da ridurre (se non annullare) la capacità
delle tubazioni congelanti di sottrarre calore al terreno.
Un attenta indagine deve essere anche finalizzata a rilevare la presenza di infiltrazioni,
seppure di scarsa entità, di acque superficiali in prossimità della sezione di scavo poiché,
causa la loro temperatura prossima a quella ambiente, potrebbero inficiare localmente
l’efficienza di alcune sonde così da creare “finestre” sul “muro di ghiaccio” con
conseguente allagamento del foro e perdita della resistenza meccanica cercata.
L’AGF può essere utilizzata sia per creare una barriera verticale come nel caso di pozzi e
trincee, (fig.1.2), sia in orizzontale per realizzare tunnel sotterranei (fig.1.3), sia in
direzione obliqua come per lo scavo delle discenderie delle stazioni metropolitane, per la
realizzazione di muri di sostegno e per opere di consolidamento temporaneo (fig.1.4) o, in
caso di interventi di limitata profondità, per intervenire direttamente dal piano campagna
(fig.1.5).

Figura 1.2: Tecniche di congelamento per la realizzazione di pozzi e trincee; interventi dal p.c.(i,ii).
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Figura 1.2: Tecniche di congelamento per la realizzazione di pozzi e trincee; interventi in profondità (iii,iv).

Figura 1.3: Tecnica di congelamento per la realizzazione di tunnell sotterranei; particolare del nodo di
continuità fra due steps successivi.

Figura 1.4: Tecniche di congelamento per la realizzazione di muri di sostegno e consolidamento
temporaneo.
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Figura 1.5: Tecniche di congelamento per la realizzazione di tunnel sotterrani di scarsa profondità;
interventi dal p.c.

Un sistema molto efficace, utilizzato nei centri abitati per consolidare il terreno mentre
vengono approfondite le fondazioni di un edificio esistente (per es. al fine di realizzare un
parcheggio sotterraneo), è quello di creare elementi di terreno congelato di forma ellittica e
secanti fra loro in modo che possano scambiarsi mutuamente le sollecitazioni indotte dalla
sovrastruttura (figura 1.6); è necessario un attento monitoraggio al fine di evitare locali
perdite di prestazione della barriera di ghiaccio che potrebbero inficiare la stabilità di tutta
la costruzione.

Figura 1.6: Tecniche di congelamento per la realizzazione di opere di consolidamento sottofondazione.

La configurazione delle sonde congelatrici dipende dalla forma della sezione da scavare e
dalle dimensioni della stessa, anche se la disposizione ideale resta comunque quella
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circolare dove le tensioni indotte si traducono in sforzi di compressione uniformi e sforzi di
trazione minimi.
Le tubazioni vengono immerse fino alla profondità desiderata o, nel caso in cui lo scavo sia
particolarmente profondo, nei limiti di precisione garantiti dagli strumenti di perforazione;
in casi particolari e piuttosto estremi, si può ricorrere alla tecnologia HDD (Horizzontal
Directional Drilling).
Quando le sonde congelatrici vengono affondate nel terreno, si dà avvio alla prima fase del
congelamento (PFP “Primary Freeze Period”), ovvero quella in cui viene impiegata la
massima potenza frigorifera necessaria a formare i cilindri di terreno congelato attorno alla
sonda.
Le colonne di ghiaccio aumentano gradualmente il loro raggio con il variare del tempo fino
ad accostarsi ed infine a compenetrarsi; a questo punto il “muro di ghiaccio” è formato e si
dà avvio alla seconda fase, esclusivamente di mantenimento del freddo (SFP “Secondary
Freeze Period”) in cui la potenza frigorifera erogata è sensibilmente inferiore a quella della
PFP.
Non appena si è giunti al termine della PFP, la corona di terreno ghiacciato è formata, il
terreno è impermeabile e consolidato e si può procedere allo scavo ed alla posa in opera del
rivestimento definitivo (figura 1.7); al termine dei lavori, quando ormai il foro è
completamente protetto dalle acque profonde e stabilizzato grazie alle opere di sostegno
definitive, si può procedere alla fase
di scongelamento proseguendo, comunque, con un attento monitoraggio al fine di garantire
il ripristino delle condizioni preesistenti.

Figura 1.7: Evoluzione del congelamento in funzione della disposizione delle sonde congelatrici.

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Le tubazioni infisse nel terreno, entro le quali circola il fluido refrigerante, sono formate da
due tubi concentrici aventi le funzioni di:

− quello più interno capta il flusso di refrigerante dall’anello di distribuzione e lo
convoglia fino alla base della sonda;
− quello più esterno, a diretto contatto con il terreno, accoglie il flusso in risalita e
permette lo scambio di calorie tra il liquido ed il terreno.

Questa configurazione da luogo ad un elemento congelato dalla tipica forma a “pera”
dovuta al fatto che il maggiore effetto refrigerante si ottiene alla base della sonda; il fluido,
risalendo lungo l’anello esterno, acquista calorie dal terreno diminuendo progressivamente
il suo potere congelante.
Questa disomogeneità che c’è fra la sezione basale e quella più superficiale potrebbe
comportare problemi, ad esempio, di permeabilità dell’acqua causata da un non completo
serraggio dei cilindri di ghiaccio in sommità; per ovviare a questo inconveniente, possono
essere istallate altre tubazioni refrigeranti più in superficie oppure si può invertire il ciclo
ad intervalli regolari, facendo passare il fluido prima nella tubazione esterna per poi farlo
risalire in quella più interna (figura 1.8; i).
Qualora il congelamento dovesse interessare solo alcuni strati profondi ed essere quindi
selettivo, è possibile utilizzare delle specifiche sonde in cui è inserita una tubazione
secondaria che, alla quota desiderata, capta il fluido refrigerante e lo riconduce in
superficie evitando lo scambio termico con il terreno (figura 1.8; ii).
La disuniformità del cilindro, lungo tutta la sua altezza, può essere dovuta anche alla
differenza di conducibilità termica, λ, fra gli strati attraversati (figura 1.8; iii).

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Figura 1.8: Schemi di sonde congelatrici (i,ii) e possibile profilo del “cilindro” di ghiaccio (iii).

Sistemi di refrigerazione

Il metodo convenzionale, ovvero quello conosciuto fin dal 1883, viene denominato “Brine
Method” (o “Metodo indiretto”) ed utilizza impianti di refrigerazione di media-grossa
taglia dove il fluido termovettore è costituito da una “salamoia” di Cloruro di Calcio
(CaCl2) ed acqua.
Il metodo alternativo al suddetto prende il nome di “Cryogenic Method” (o “Metodo
Diretto”) e consiste nel far circolare all’interno delle sonde congelatrici Azoto liquido (LN)
che sarà, alla fine del ciclo, espulso direttamente in atmosfera.
Esiste infine un altro metodo, “Metodo Misto”, nient’altro che la fusione dei suddetti
processi in cui la fase primaria è affidata all’Azoto liquido mentre la fase di mantenimento
è garantita dalla salamoia.

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Brine Method

Il congelamento del terreno avviene per il tramite di una salamoia di Cloruro di Calcio ed
acqua (il punto di congelamento dell'eutettico CaCl2/H2O, che si ottiene alla
concentrazione del 29.85 % in massa di CaCl2, è di – 54,23 °C) che viene, a sua volta,
raffreddata da potenti “chiller” ovvero macchine frigorifere compatte in cui il ciclo
frigorifero è affidato a: compressore, valvola di laminazione, condensatore ed evaporatore
(figura 1.9).

Figura 1.9: Schema del funzionamento di un impianto di refrigerazione per il Ground Freezing.

Il fluido frigorifero viene pompato all’interno del circuito a temperature che variano fra i -
20°C ed i -40°C.
In figura 1.10, dove vengono riportate le caratteristiche della salamoia, si può notare
come una soluzione troppo densa risulti pericolosa al pari di una troppo leggera, per il
range di temperature suddette, causa il possibile passaggio allo stato solido all’interno
dell’evaporatore; il peso specifico del fluido si attesta su valori di 1,24 – 1,28 Kg/dm3.

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Figura 1.10: Caratteristiche della salamoia Cloruro di Calcio – Acqua.

Gli impianti utilizzati per il congelamento del terreno sono molto compatti, assemblati su
misura, facilmente trasportabili su camion e montabili in cantiere con rapidità; richiedono
la presenza di acqua e di energia elettrica, che, qualora quest’ultima non fosse reperibile
con facilità, può essere prodotta da appositi gruppi elettrogeni diesel.
La costruzione del “muro di ghiaccio” avviene in un lasso di tempo che può variare da 20 a
90 giorni (da 3 settimane a 3 mesi) a seconda di:

− volume di terreno da congelare;
− natura del terreno;
− conduttività termica degli strati;
− contenuto d’acqua, w, del terreno;
− temperatura di congelamento dell’acqua1;
− passo fra le sonde congelatrici e loro profondità;
− potenzialità dell’impianto scelto, etc.

1
La temperatura di congelamento dell’acqua può risultare notevolmente depressa a causa di una forte
concentrazione di sali che alza notevolmente il punto di fusione del ghiaccio.

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Il metodo a salamoia fa affidamento su pompe di circolazione molto potenti che hanno il
compito di gestire grandi portate di refrigerante e su temperature differenziali, fra mandata
e ritorno, piuttosto basse.
La temperatura passa repentinamente dai 15°C ai 5°C entro i primi 25 giorni dall’inizio del
congelamento e poi, al di sotto dei 0°C, decresce più lentamente portandosi ad un valore
costante di ∆T = 5°C fra la tubazione di mandata e quella di ritorno (figura 1.11).
Durante il “Primary Freeze Period”, ovvero la fase più delicata del processo, possono
essere necessari più impianti collegati in serie al fine di garantire alte prestazioni di
congelamento; nel “Secondary Freeze Period” dove le potenze frigorifere richieste dal
sistema sono notevolmente inferiori a quelle della precedente fase, l’impianto ausiliario
deve rimanere sempre disponibile al fine di garantire la sicurezza rispetto a possibili guasti
dell’impianto principale oppure a temporanee necessità di potenziare il congelamento2.

Figura 1.11: Curve caratteristiche della salamoia.

Le sonde congelatrici verranno dimensionate sulla base dei tradizionali principi di idraulica
al fine di garantire un regime di moto laminare (minimo scambio termico) nella tubazione
×
di mandata, ovvero quella più interna alla sonda (Re = numero di Reynolds = <2000;
ν

2
Come riportato dalla normativa anglosassone (BS “ British Standards”).
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dove U=velocità media del fluido, d= diametro della tubazione, ν = viscosità cinematica
del fluido), mentre si cercherà di raggiungere un regime di moto turbolento (massimo
scambio termico) nell’anello più esterno, quello dove il refrigerante torna in superficie
scambiando con il terreno; i diametri utilizzati più frequentemente variano tra i 150 mm ed
i 250 mm.
Le singole sonde possono essere collegate fra loro in parallelo mediante un anello di
distribuzione ed uno di ritorno, in serie, oppure in serie e parallelo.
Per la realizzazione di pozzi profondi, dove le tubazioni devono raggiungere profondità di
50 m ed oltre, si utilizza il sistema in parallelo (figura 1.12; i) mentre per scavi poco
profondi, la disposizione in serie potrebbe essere sufficiente; il metodo misto consiste nel
creare una breve “catena” di sonde collegate in serie e poi affiancata ad un’altra “catena”
in cui il flusso di refrigerante circola in senso inverso a quella adiacente così da rendere
omogenea l’estrazione di calore dal terreno (figura 1.12; ii).

Figura 1.12: Possibili connessioni fra le sonde congelatrici.

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Cryogenic Method

Il metodo utilizza un gas molto comune in natura come l’Azoto (simbolo chimico “N”)
presente nell’atmosfera terrestre per il 79% dei suoi costituenti.
Tale gas, a pressione atmosferica, presenta una temperatura di ebollizione di -196°C,
motivo per cui in atmosfera non è presente in forma liquida; comprimendo il gas ad alte
pressioni lo si riesce a portare allo stato liquido con notevole guadagno in termini di
volume occupato.
L’azoto liquido (LN “Liquid Nitrogen”) viene così facilmente trasportato e stoccato in
cantiere in apposite cisterne; sfruttando la sovrappressione che è stata necessaria per
renderlo liquido, lo si fa circolare all’interno delle tubazioni senza l’ausilio di pompe o
compressori e, una volta esaurito il ciclo, si fa espandere direttamente in atmosfera (ciclo
aperto).
Risulta essere un metodo veloce, pulito in quanto l’azoto non è inquinante ambientale, non
richiede ne macchine frigorifere ne grandi forniture di energia elettrica fatta eccezione
della corrente a 230 V per il funzionamento delle piccole strumentazioni elettriche di
controllo e gestione; il costo, però, risulta essere notevolmente più alto rispetto al Brine
Method causa le ingenti quantità di fluido frigorigeno, a perdere, richieste dal sistema.
Il metodo può risultare conveniente in caso di brevi periodi di congelamento e per volumi
modesti di terreno interessato dal processo.
Contrariamente a quanto visto con il precedente metodo, l’utilizzo di LN comporta bassa
portata di refrigerante e ∆T molto elevati tanto che, per completare la fase attiva del
congelamento e formare la barriera di ghiaccio, si impiegano dai 2 giorni ad i 6 giorni.
La temperatura alla quale il gas viene disperso in ambiente è di circa -100°C, temperatura
ancora molto bassa che farebbe suggerire un riutilizzo del gas prima dell’evacuazione se
non fosse che il potenziale termico si manifesta in termini di calore sensibile e l’azoto,
ormai allo stato gassoso, presenta una capacità di scambio termico per metro di lunghezza
assai più bassa dell’azoto allo stato liquido:

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− Azoto allo stato liquido λ = 0,146050
×

− Azoto allo stato gassoso λ = 0,025724 , (17,6 %).
×

Si è dimostrato anche che la variazione di ∆T per unità di lunghezza delle sonde decade
piuttosto rapidamente così da formare delle “colonne di ghiaccio” disomogenee, con
un’accentuata forma a “pera” in cui la sezione si restringe dal basso verso l’alto.
I motivi sopraelencati hanno portato, dopo diversi tentativi, ad accantonare l’ipotesi di un
eventuale ri-utilizzo del gas.

Considerazioni conclusive

La scelta del metodo più adatto, quindi, deve essere condotta in maniera scrupolosa e
necessita di alcune considerazioni preliminari relative all’organizzazione del lavoro nei due
processi di congelamento che differiscono per:

− attrezzatura e relativa istallazione;
− tempi di messa a regime dell’impianto;
− quantità e qualità della manodopera;
− controllo e getione della sicurezza;
− controllo e monitoraggio durante l’esecuzione dei lavori;
− tempi di esecuzione dei lavori;
− costi.

Per quanto riguarda gli aspetti legati all’impegno economico - finanziario delle due
soluzioni possiamo riportare, in via del tutto esemplificativa, una valutazione
dell’incidenza economica delle tre “macrofasi” di entrambe i metodi, sul costo totale
(figura 1.13).

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Figura 1.13: Percentuale di incidenza delle macrolavorazioni sul costo complessivo .

La scelta di uno dei due metodi, o di entrambe qualora opportuno (Metodo Misto), è
influenzata, come vedremo più avanti, anche dalle caratteristiche del terreno che si andrà
ad attraversare vista la stretta dipendenza che c’è fra resistenza meccanica - temperatura
del terreno congelato – tempi di applicazione dei carichi e, forse di maggiore rilevanza, la
relazione che intercorre fra “suscettibilità al criosollevamento” e tempi di congelamento.
È proprio il fenomeno del “criosollevamento” che induce, spesso, all’adozione del Metodo
Misto che consente prestazioni ottimali su terreni difficili in cui sia previsto il
mantenimento del freddo per periodi piuttosto lunghi; il Metodo Diretto consente nella
prima fase (PFP) di congelare in tempi brevi il terreno così da arrestare, o quantomeno
limitare, il fenomeno del sollevamento mentre il Metodo Indiretto permette, nella seconda
fase (SFP), di mantenere il range di temperature con un impegno di tipo economico assai
ridotto.

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Proprietà dei terreni congelati

Classificazione

Tecniche di campionamento

Proprietà termiche

• Conducibilità termica
• Capacità termica
• Diffusività termica

Il Criosollevamento (Frost Heave)

• Teoria capillare
• Modello di Miller
• Suscettibilità

Effetti dello scongelamento

• Teoria della consolidazione
• Riduzione dell’indice dei vuoti
• Indebolimento allo scongelamento
• Effetti del ciclo gelo-disgelo

Proprietà meccaniche dei suoli congelati

• Resistenza a trazione, compressione e taglio
• Comportamento al creep

Il caso oggetto di studio
La “Linea B1: tratta Bologna – Jonio”
della metropolitana di Roma

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Il Pozzo di Ventilazione PI 30

• Storia del Pozzo
• I cunicoli di raccordo tra il pozzo e le due gallerie

Il progetto del congelamento

L’esecuzione del congelamento

Il monitoraggio del congelamento

Finalità del monitoraggio

Modalità di esecuzione e di acquisizione dati

Elaborazione e graficizzazione dei dati

La Modellazione con il Metodo agli Elementi Finiti

Il Metodo agli Elementi Finiti (FEM)

Analisi termiche agli elementi finiti

Applicazioni FEM al congelamento del terreno

• Diffusione dell’energia termica generata da una sonda congelatrice

• Interazione tra 2 sonde congelatrici

• Applicazione al caso reale (Back Analysis)
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Note:

Immagini, tabelle e grafici riportati nel presente documento sono estratti dai seguenti
testi:
− Harris J.S. (1995), Ground Freezing in Practice, Thomas Telford;
− Gallavresi F. (1982), “Il congelamento del terreno nell’ingegneria civile”,
L’industria delle costruzioni: rivista tecnica dell’Associazione Nazionale
Costruttori Edili, anno: 16, n°133.

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