5.1 Prove di laboratorio per la valutazione delle caratteristiche geomeccaniche
5.1.2 Miscelatore torsionale
Si tratta di uno strumento innovativo, progettato per confrontare i parametri della massa condizionata con quelli del materiale al naturale. Dal momento che questa apparecchiatura non è basata su nessun altro tipo di prova geotecnica che sia già esistente, i risultati che si ottengono vengono utilizzati come indicazioni sulle differenze che si sviluppano a seguito del condizionamento, senza poter fornire valori dei parametri ricavati che abbiano una accertata valenza assoluta ma bensì solo relativa ai singoli casi.
Con queste premesse, l’obiettivo del dispositivo è quello di quantificare la resistenza che il campione di materiale oppone nei confronti della rotazione delle pale di
71 miscelazione, cercando di riprodurre un meccanismo simile a quello che avviene all’interno della camera di scavo.
Una significativa caratteristica del dispositivo è quella di poter applicare una pressione idrostatica attraverso aria compressa al campione di terreno contenuto nel serbatoio ricreando ancora più effettivamente la situazione reale che si ha nelle TBM-EPBs.
È permesso in questo modo studiare il comportamento delle masse di terreno, sia naturali che condizionate, miscelando il materiale con diverse pressioni di esercizio predefinite registrando nel frattempo i valori di coppia corrispondenti.
Questo è stato oggetto di studi in passato (Martinelli, 2016) ma in questa campagna di prove non si è studiato il materiale pressurizzato quindi è un aspetto che non verrà trattato.
C’è la possibilità, inoltre, di aggiungere e miscelare gli agenti condizionanti come schiuma e acqua con il terreno direttamente all’interno del serbatoio, posto eventualmente in pressione simulando ancora più dettagliatamente le condizioni operative in camera di scavo. Tra l’altro con questo apparato è possibile lo studio di tipologie di terreni aventi distribuzione granulometrica molto eterogenea consentendo la presenza di elementi alquanto grossolani che solitamente sono complicati da studiare con i macchinari di prova usuali.
Un'altra questione che può essere indagata attraverso il macchinario è l’evoluzione dell’usura delle parti meccaniche, aspetto molto importante non solo nelle TBM da roccia ma anche nelle TBM-EPBs.
Questo aspetto è stato oggetto di più studi (Barbero et al., 2012; Oñate Salazar et al., 2016) ma non verrà preso in considerazione in questo elaborato in quanto questo specifico argomento non è stato affrontato.
Il macchinario (Figura 5.1, a) consiste in un serbatoio cilindrico di acciaio inox (altezza 613 mm, diametro interno 600 mm, capacità complessiva 0,13 𝑚3), concepito per evitare la corrosione e per facilitare poi le operazioni di ripulitura post svuotamento del materiale, è dimensionato a resistere a pressioni interne fino 10 bar, pertanto superiori alle normali pressioni raggiunte nelle macchine tipo EPBs.
72 Le dimensioni del diametro sono state scelte tenendo in considerazione il fatto che un diametro eccessivamente piccolo avrebbe portato ad indurre effetti di contorno sul terreno contenuto facendolo apparire più rigido delle sue effettive condizioni.
Aperto nella parte superiore per consentire il riempimento, viene sigillato con una spessa piastra di chiusura (25 mm), quando è usato in pressione, dove sono predisposte aperture per i dispositivi necessari a questo tipo di utilizzo (Figura 5.1, b). Come strumento di miscelazione è stato adottato un sistema di quattro coppie di pale deformate e non allineate tra loro (Figura 5.1, c) saldate ad un albero centrale.
La rotazione in senso orario genera un movimento del materiale verso il basso, mentre la rotazione opposta antioraria produce un movimento ascendente. Con questo meccanismo e disposizione risulta migliorata la miscelazione terreno-schiuma.
Il movimento delle pale è assicurato da un motore elettrico che permette di raggiungere come velocità massima di rotazione i 32 giri/min, fornendo come valore massimale di coppia in rotazione 500 Nm.
Figura 5.1 - Disegno tecnico del miscelatore torsionale-vista laterale (a);
piastra di chiusura-vista dall'alto; sistema di pale (c). (Martinelli, 2016)
73 Attraverso il software implementato appositamente per il controllo di questo dispositivo si può sia registrare i vari parametri misurati, sia impostare la velocità e il senso di rotazione delle pale. Lo strumento è capace inoltre di misurare in contemporanea differenti parametri durante la fase di rotazione del sistema di pale:
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Coppia torcente delle lame in rotazione: Viene misurata con una cella di carico solidale ad una barra metallica collegante il motore al telaio che sorregge l'apparecchio. Il momento è poi calcolato dal software moltiplicando il carico registrato sulla cella per la lunghezza nota del braccio di leva.-
Pressione interna superiore e inferiore: Misurata, solo in caso di uso in pressione dello strumento, attraverso due distinti trasduttori posti rispettivamente nella parte superiore del serbatoio e al suo fondo.Un’operazione importante è il campionamento dei valori di coppia torcente a vuoto, ossia i valori misurati quando vengono fatte ruotare le pale senza che il serbatoio fosse riempito col materiale. Il software poi in fase di acquisizione durante la prova effettiva sul terreno rimuove automaticamente questi valori da ciò che viene misurato dalla cella di carico fornendo in questo modo la coppia netta, ovvero quella indotta solo dalla resistenza e dall'attrito del materiale che è il vero dato ricercato dal test.
5.1.2.1 Applicazione della prova con miscelatore torsionale al caso studio
Come già detto in precedenza, in questo studio non è stato previsto l’utilizzo di questo strumento in pressione, cosa per la quale era stato invece ideato originariamente.
Non essendo necessaria l’applicazione della pressione, il serbatoio non è stato sigillato con la piastra di copertura ma è stato lasciato aperto per tutto il periodo di conduzione della prova, quindi sia durante lo svolgimento vero e proprio con l’albero in rotazione, sia durante i periodi di riposo in cui il materiale veniva lasciato inalterato al suo interno.
Questa modalità di esecuzione della prova è stata la medesima tanto per le due tipologie di terreno naturale, tanto per i campioni di terreno condizionato.
74 Questo ha favorito la creazione di condizioni affinché il terreno condizionato potesse essere conservato in maniera standard per tutte le prove non alterando il suo rilascio del contenuto di acqua e il processo di decadimento degli agenti condizionanti.
Per garantire di operare in uguali condizioni per tutte le prove si è deciso di riempire il serbatoio sempre allo stesso livello, occupando all’incirca due terzi della capienza totale, perché si era notato in precedenza che a livelli maggiori di riempimento corrispondevano coppie nette misurate dallo strumento più elevate probabilmente dovute al maggior peso che grava sulle lame in rotazione e alla maggiore compattazione indotta sul terreno.
La coppia torcente che viene misurata non è stata ancora correlata da nessuna relazione alle grandezze meccaniche note, ma presumibilmente esiste un legame riconducibile alla resistenza a taglio del terreno.
Data la mancanza di questa relazione con una grandezza meccanica generale, alla stessa maniera di come è avvenuto per le altre prove, i risultati della prova sono stati interpretati come confronto tra quelli registrati sul terreno naturale e quelli invece misurati nei diversi giorni sul terreno condizionato. Così facendo si ha l’opportunità di monitorare la progressiva evoluzione che quest’ultimi mostrano in rapporto ai valori mostrati dal terreno naturale, i quali sono presi come riferimento che si vorrebbe raggiungere.