Il diametro di deformazione ammissibile di una galleria in roccia tenera può aumentare sensibilmente quando il sostegno passa da un approccio passivo a uno attivo: nella prova su modello fisico condotta da Zihao Wang e Zeqi Zhu e pubblicata su CivilEng (Vol. 7, pag. 19, doi: 10.3390/civileng7010019), l’adozione di bulloni di ancoraggio precomessi ha portato la capacità portante di progetto del sistema galleria-sostegno a valori superiori del 127,3% rispetto alla configurazione non sostenuta e del 31,6% rispetto ai bulloni ordinari.
Il problema del sostegno attivo nelle gallerie in roccia tenera
Il controllo delle grandi deformazioni nelle gallerie scavate in formazioni rocciose tenere rappresenta da tempo una criticità per la progettazione di opere linearie in profondità. I sistemi di sostegno attivo, che precomprimono l’ammasso circostante anziché limitarsi a contrastarne il cedimento, stanno trovando applicazione crescente proprio in questo ambito. Restava però aperta una questione quantitativa: quanto, in termini misurabili, il precompressione dei bulloni incrementi realmente le prestazioni del sistema di sostegno e la sua interazione con la roccia.
A questa lacuna si aggiungeva un limite metodologico. Le prove su modello di piccola scala, spesso impiegate in laboratorio, faticano a restituire la legge di portamento sinergico tra sostegno e ammasso circostante, ossia quel meccanismo per cui il bullone non lavora isolatamente ma mobilizza la resistenza della roccia profonda.
Un sistema di prova su grande scala con prototipo ferroviario ad alta velocità
Lo studio ha preso come prototipo una galleria ferroviaria a doppio binario per linee a 350 km/h, dimensionando un sistema di prove su modello strutturale di grande scala. La campagna sperimentale è strutturata su tre condizioni di lavoro a confronto:
- galleria senza sostegno;
- sostegno con bulloni di ancoraggio ordinari;
- sostegno con bulloni di ancoraggio precomessi.
Durante ogni prova è stato monitorato l’intero processo di rottura del modello e la risposta meccanica della struttura di sostegno, con rilevazione della capacità portante, delle caratteristiche di deformazione e della distribuzione dello sforzo assiale nei bulloni. Questo impianto ha permesso di quantificare in modo diretto il meccanismo di sostegno attivo e l’effetto di rafforzamento portante dei bulloni precomessi.
Capacità portante: i numeri del confronto
I risultati sperimentali delimitano con precisione il contributo del precompressione. A fronte di un incremento del 127,3% rispetto alla galleria non sostenuta e del 31,6% rispetto ai bulloni ordinari in termini di capacità portante di progetto, la capacità ultimata segue lo stesso andamento, con aumenti rispettivamente del 120,0% e del 43,5%.
Particolarmente significativo il dato sulla rigidezza secante nella fase iniziale di carico: 80,0 kPa/mm per il modello con bulloni precomessi, un valore cinque volte superiore a quello del sostegno con bulloni ordinari. Questo comportamento iniziale rigido si riflette sulla contenuta della deformazione plastica precoce dell’ammasso, la fase più delicata nell’avanzamento del fronte di scavo.
Utilizzo del materiale e distribuzione degli sforzi assiali
Il secondo elemento distintivo emerge dal regime di lavoro dei bulloni. Al raggiungimento della capacità portante di progetto, la tensione di trazione nei bulloni precomessi si colloca tra il 40,2% e il 69,8% del carico ultimato a trazione del materiale. La distribuzione dello sforzo assiale risulta inoltre più uniforme rispetto ai bulloni ordinari, che mostrano un tasso di utilizzo delle proprietà meccaniche del materiale decisamente inferiore.
La conseguenza meccanica è chiara: il precompressione consente di mobilitare appieno il potenziale portante della roccia profonda, realizzando quella portanza sinergica tra sostegno e ammasso circostante che le prove su piccola scala non riuscivano a evidenziare. Il bullone non si limita a sostenere, ma trasferisce lo stato di compressione alla roccia, coinvolgendola nel meccanismo resistente.
Riferimenti quantitativi per la progettazione
Per il progettista di opere sotterranee, il valore dello studio risiede nella quantificazione sperimentale di grandezze difficilmente deducibili con la sola modellazione numerica: incremento della capacità portante, rigidezza secante iniziale, campi di tensione di esercizio nei bulloni rispetto al loro limite. Questi dati forniscono una base sperimentale e un riferimento teorico per la progettazione delle applicazioni ingegneristiche dei bulloni precomessi nelle gallerie in roccia tenera.
La conferma sperimentale che un tasso di utilizzo del materiale fino a circa il 70% sia raggiungibile senza eccedenze locali di tensione apre spunti concreti anche in fase di verifica degli ancoraggi, dove la distribuzione degli sforzi assiali lungo il bullone costituisce spesso il punto critico del dimensionamento.
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