Underground Printing of Impermeable Walls using WISPULS (Wire Saw Printing of Underground Layers and Surfaces) Technology: a feasibility study based on literature review

Water seepage from the canals or rivers through the levees causes severe damages to infrastructure or building foundations behind, and also in long term it can cause piping and breaching of the levee structures made by earth material. In this aspect, impermeable diaphragm walls under the ground is a solution method to block water seepage. The technologies currently availbale have the drawback of being relatively slow, to overcome this problem a new technology has been proposed by JK Haasnoot Holding B.V. from the Netherlands. The method is called WISPULS (Wire Saw Printing of Underground Layers and Surfaces). The main function of the machine is to form an underground cut-off wall with the method of excavating a narrow trench deeply through the ground by a wire cutting system and injecting a slurry composed of bentonite clay and cement to provide impermeabililty due to mechanical properties of bentonite. Regarding to this idea, the main purpose of this thesis is to make a feasibility study for WISPULS machine in terms of trench stability, rheologic & mechanical properties of cement & bentonite mixture (plastic concrete) and also estimate the soil cutting forces on the blades needed for trenching process. In the first part of thesis, trench stability and factors effecting it have been analyzed. Scientific literature for possible failure mechanisms as wedge failure and weak sub-layer failure have been checked. An Excel worksheet is implemented to obtain safety factor according to analitical methods published in the literature and parametric analyses are conducted to understand the impact of different parameters considering realistic stratigraphic profiles. In second chapter, rheological & mechanical properties and their variation with different cement, water and bentonite mixing proportions for plastic concrete mortars have been analyzed. Experimental results published in the literature are analyzed to obtain ranges of values and the effects of materials on flowability, impermeabililty and strength of cement & bentonite mixtures. So the purpose of second part is to obtain optimal ranges for mixing proportion. The last chapter of project is estimating the soil cutting forces. In this part, different force calculation models published by authors are analyzed and implemented on different realistic stratigraphies to validate models with eachh other. Hovewer according to their calculative outline and parameters used, the deviation between the numerical results are barely high so field testing methods like soil mechanical resistive force sensors are also introduced to understanding of exact result accesibility.

L’infiltrazione d’acqua dai canali o dai fiumi attraverso gli argini provoca gravi danni alle infrastrutture e alle fondazioni degli edifici retrostanti e, a lungo termine, può determinare fenomeni di piping e rottura degli argini costituiti da materiale terroso. In tale contesto, la realizzazione di diaframmi impermeabili sotterranei rappresenta una soluzione efficace per bloccare le infiltrazioni. İ metodi più diffusi hanno lo svantaggio di richeidere tempi di realizzazione piuttosto lunghi, per ovviare a questo problema è attalmente in fase di sviluppo da parte di JK Haasnoot Holding B.V. (Paesi Bassi) una nuova tecnologia chiamata WISPULS (Wire Saw Printing of Underground Layers and Surfaces). La funzione principale della tecnologia è la formazione di una barriera sotterranea impermeabile mediante lo scavo di una trincea stretta e profonda attraverso un sistema di taglio a filo, successivamente riempita con una miscela di bentonite e cemento in grado di garantire impermeabilità grazie alle proprietà meccaniche della bentonite. Sulla base di questa idea, l’obiettivo principale del presente lavoro di tesi è condurre uno studio di fattibilità della macchina WISPULS in termini di stabilità della trincea, delle proprietà reologiche e meccaniche della miscela di cemento e bentonite (calcestruzzo plastico), nonché stimare le forze di taglio del terreno agenti sulle lame necessarie al processo di scavo. Nella prima parte della tesi è stata analizzata la stabilità della trincea e i fattori che la influenzano. È stata svolta un’analisi della letteratura scientifica relativa ai possibili meccanismi di collasso, quali la rottura a cuneo e la rottura di strati deboli. In base ai metodi numerici proposti da diversi autori, è stato sviluppato un foglio di calcolo Excel per il calcolo del fattore di sicurezza, ed è stata eseguita un’analisi dell’impatto dei diversi parametri su profili stratigrafici realistici. Nel secondo capitolo sono state esaminate le proprietà reologiche e meccaniche delle malte di calcestruzzo plastico, e la loro variazione in funzione delle diverse proporzioni di cemento, acqua e bentonite. A tal fine, sono state analizzate le ricerche e le sperimentazioni condotte da vari autori, con l’obiettivo di definire intervalli di valori rappresentativi e di comprendere gli effetti dei materiali sulla lavorabilità, impermeabilità e resistenza delle miscele cemento-bentonite. Lo scopo di questa parte è identificare i range ottimali per le proporzioni di miscelazione. L’ultima parte del lavoro riguarda la stima delle forze di taglio del terreno. In questa sezione sono stati analizzati diversi modelli di calcolo presenti in letteratura e applicati a stratigrafie rigide e soffici, al fine di confrontare e validare i risultati tra loro. Tuttavia, in base agli approcci di calcolo e ai parametri adottati, è emersa una notevole deviazione tra i risultati numerici; per questo motivo sono stati introdotti anche metodi sperimentali in situ, come i sensori di resistenza meccanica del terreno, per migliorare l’affidabilità e l’accessibilità dei risultati effettivi.