IT201800007020A1 - Sistema e procedimento per l'iniezione di resine espandenti in terreni da consolidare. - Google Patents

Description

SISTEMA E PROCEDIMENTO PER L'INIEZIONE DI RESINE ESPANDENTI IN TERRENI DA CONSOLIDARE.

DESCRIZIONE

Il presente trovato ha per oggetto un sistema per l’iniezione di resine espandenti in terreni da consolidare e un procedimento per l’iniezione di resine espandenti in terreni da consolidare.

L’iniezione è una tecnica atta a modificare le caratteristiche meccaniche (resistenza e deformabilità) ed idrauliche (permeabilità) di corpi solidi continui o porosi, fessurati o contenenti grandi cavità, con l’immissione di adeguate miscele naturali o sintetiche a mezzo di tubi alloggiati in fori opportunamente eseguiti.

Le miscele impiegate sono dei fluidi con proprietà reologiche inizialmente idonee alla diffusione all’interno dei corpi solidi, che raggiungono, in un certo tempo, le caratteristiche adeguate ai requisiti del trattamento.

I corpi solidi in cui realizzare le iniezioni possono essere i terreni granulari o coesivi, le rocce, le murature o gli elementi strutturali in genere.

I trattamenti si definiscono di impregnazione o di intasamento quando interessano vuoti esistenti in natura, senza alterarne apprezzabilmente le dimensioni, mentre si dicono di claquage o di idrofratturazione quando aprono e contemporaneamente riempiono nel corpo solido iniettato delle fessure o delle cavità, formando estese ramificazioni o bulbi. I primi riguardano terreni di natura granulare, rocce fessurate o murature porose, mentre gli altri riguardano terreni a tessitura fine di natura argillosa o limosa.

Lo scopo delle iniezioni può anche riguardare il sollevamento di manufatti, la formazione di bulbi di ancoraggio per micropali o tiranti, od altro.

Il trattamento ottimale di un volume di terreno o di una muratura mediante iniezioni di miscele si ottiene con un numero elevato di punti di iniezione disposti nel terreno o nella muratura con una maglia molto fitta. Inoltre nel trattare un volume eterogeneo con alternanza di strati a granulometria e densità variabili è necessario poter variare le quantità iniettate in punti diversi in funzione della ricettività locale del mezzo.

Le iniezioni, soprattutto di miscele sintetiche, vengono oggi realizzate utilizzando tubi in metallo di diametro compreso tra 6 mm e 25,4 mm, muniti di un solo foro di uscita alla testa. I procedimenti adottati per questo tipo di cannule sono di tre tipi:

– a punto fisso;

– in avanzamento (dall’alto verso il basso);

– in estrazione (dal basso verso l’alto).

Nel primo caso si esegue una perforazione di diametro uguale o maggiore rispetto a quello del tubo di iniezione e nel foro si alloggiano una o più cannule di diversa lunghezza (in quest’ultimo caso la differenza della lunghezza fra le cannule è solitamente pari a m 1,0). L’iniezione viene eseguita alternativamente in ogni cannula, seguendo la sequenza definita nel progetto. In questo caso le cannule vengono mantenute fisse nella loro posizione nel volume solido per tutta la durata del trattamento. Questo procedimento è molto affidabile ma comporta tempi ed oneri elevati dovuto alla necessità di effettuare un numero elevato di perforazioni e alle relative operazioni di allestimento dei fori.

Nel secondo caso (usato solo in casi particolari e solo con miscele che presentano tempi di indurimento lunghi) si esegue un tratto di foro, si ritira di qualche metro l’utensile di perforazione e si inietta la miscela attraverso le aste ritornando con l’utensile iniettore alla massima profondità perforata. Si estrae quindi l’utensile e si attende l’indurimento della miscela. Successivamente si riperfora e si prosegue nei tratti successivi con la stessa sequenza. Questo procedimento è molto oneroso e non consente un accurato controllo del risultato.

Nel terzo caso il foro viene eseguito fino alla massima profondità e l’iniezione avviene estraendo gradualmente l’iniettore, eventualmente rivestito provvisoriamente con un tubo, dal basso verso l’alto. Questo metodo, oltre a svantaggi comuni con il precedente, presenta anche il rischio che la miscela, risalendo lungo la superficie laterale del tubo, lo cementi al terreno o alla muratura oppure si diffonda in modo incontrollabile negli orizzonti non ancora trattati.

Un’altra soluzione tecnologica nota, alternativa alle precedenti, prevede l’equipaggiamento dei fori con tubi a valvole (tubes à manchettes) che consentono l’iniezione della verticale con ogni ordine, ad ogni livello ed a qualsiasi intervallo di tempo, limitatamente al tempo di indurimento della miscela.

In questo caso ad ogni perforazione corrisponde un tubo e ad ogni tubo corrispondono più valvole disposte lungo la verticale perforata.

Il tubo è solitamente costituito da materiale plastico, ha diametro tipicamente compreso tra 25,4 mm e 38,1 mm ed è dotato di valvole di non ritorno poste ad intervalli di 330 mm o 500 mm (3 o 2 per metro di tubo).

Il foro di perforazione ha un diametro generalmente compreso tra 65 mm e 130 mm. La cavità anulare tra tubo valvolato e la parete del foro viene riempita con un’apposita miscela cementizia, iniettata attraverso la valvola di fondo e costituente la cosiddetta guaina. Tale guaina ha il compito di impedire la risalita della miscela lungo la superficie esterna della tubazione, obbligandola ad interessare le singole porzioni di terreno al livello della valvola iniettata. La resistenza della guaina ha inoltre lo scopo di consentire la rottura radiale del terreno o del legante contenuto nella muratura entro un certo limite di pressione applicata all’interno del tubo. Le valvole di non ritorno poste sulle sezioni perforate dei tubi sono costituite da un manicotto di gomma (manchette) che dilatandosi sotto pressione consente l’uscita della miscela e ne impedisce il successivo rientro.

L’iniezione della singola valvola viene effettuata isolando le rispettive sezioni con un doppio otturatore ad espansione calato in profondità nel tubo a manchettes.

I vantaggi di questo procedimento riguardano l’utilizzo di una sola perforazione e di un solo tubo per più punti di iniezione lungo una verticale nel terreno. Gli svantaggi riguardano i tempi di realizzazione delle iniezioni. Dovendo eseguire le iniezioni valvola per valvola mediante l’utilizzo di otturatori per evitare l’intasamento delle valvole attigue, i tempi richiesti per completare il trattamento sull’intera verticale sono estremamente lunghi e generano inevitabili ripercussioni sull’economia del cantiere. Inoltre, il metodo, per come è strutturato, funziona con miscele che presentano tempi di indurimento lunghi e tali da impedire il confinamento del materiale nei pressi dell’uscita della valvola. La precisione del trattamento di iniezione nel terreno non è pertanto garantita in quanto non si è in grado di valutare la distanza alla quale si spinge la miscela nel terreno.

Una variante al metodo precedente è rappresentata dal procedimento di cui alla domanda di brevetto n. PR-2006-A-96 e relativa concessione n.1371080, il quale prevede l’utilizzo di barre autoperforanti cave con alcuni fori sulla superficie laterale, munite di manicotti coassiali di diametro superiore alle barre, e anch’essi forati sulla superficie laterale. All’interno della barra vengono posizionati dei piccoli tubi che vengono collegati a dei sistemi valvolari installati all’interno dei manicotti. I sistemi valvolari sono concepiti in modo che uno dei piccoli tubi ad esso collegati termini all’interno del sistema stesso dove vi è un collegamento diretto con i fori presenti sulla sua superficie laterale del manicotto, mentre gli altri bypassino il sistema per raggiungere le aste successive. Dai piccoli tubi contenuti nell’asta vengono realizzate le iniezioni.

Dapprima si esegue l’iniezione di resina a rapida espansione nel tubo che termina nel sistema valvolare contenuto nel manicotto. Questo permette alla resina di uscire dal manicotto ed, essendo a rapida espansione, di disporsi nelle immediate vicinanze della superficie laterale della barra, creando dei tamponi nella cavità anulare presente tra asta e superficie interna del foro. Successivamente si procede con l’iniezione di una resina a lenta espansione negli altri piccoli tubi che terminano all’interno della aste. La resina che fuoriesce dai fori posti sulla superficie laterale dell’asta rimane così confinata nella cavità anulare dai tamponi realizzati in precedenza e quindi è costretta a permeare o a fratturare il terreno circostante senza risalire in superficie od otturare i fori presenti sulla aste attigue. Rispetto al sistema tubes a manchettes visto in precedenza, il metodo descritto permette di selezionare le iniezioni anche nel caso di resine con tempi di indurimento molto veloci. Il sistema tuttavia non permette di superare completamente i difetti evidenziati per il sistema precedente ed in aggiunta deve scontare le enormi difficoltà dovute alla gestione delle iniezioni nei tubi di piccolo diametro posti all’interno delle barre autoperforanti.

Un metodo di iniezione simile ma diverso dai precedenti è rappresentato dal procedimento descritto nella domanda di brevetto europea EP3037586A1, il quale prevede l’utilizzo di barre autoperforanti cave unite da manicotti coassiali di diametro superiore alle barre. Le superfici laterali dei manicotti sono attraversate da fori tappati da valvole di non ritorno, simili alle manchettes descritte in precedenza. Il metodo, in realtà, non è concepito per diffondere la miscela nel terreno mediante iniezione, ma per realizzare degli elementi di rinforzo nel terreno costituiti dalle stesse barre rese solidali al corpo circostante mediante sostanze espandenti iniettate. Le valvole infatti sono concepite in maniera da aprirsi nel momento in cui all’interno della barra la pressione della miscela supera un valore predefinito. Pertanto, la funzione dell’iniezione è legata più che al consolidamento del terreno, alla cementazione della barra al terreno. Il procedimento descritto differisce dal precedente, oltre che per l’obiettivo, anche per il fatto che i tubi di iniezione sono costituiti dalle aste stesse di perforazione e che non sono previsti degli otturatori per selezionare le valvole che si intendono iniettare. Con questo metodo i tempi di lavorazione si accorciano notevolmente ma, per contro, aumenta l’incertezza legata sia alla distanza a cui si spinge la miscela sia, soprattutto, all’effettiva apertura di tutte le valvole e quindi alla profondità d’iniezione nel terreno. Accade infatti che a seguito dell’apertura delle valvole sottoposte a maggior pressione, ossia quelle più superficiali, cioè più prossime alla bocca di immissione della miscela, la pressione all’interno del tubo diminuisca bruscamente a valori inferiori rispetto al limite di apertura della valvole successive. In questo modo la sostanza espandente fluisce attraverso la sola valvola superficiale e non interessa gli strati di terreno più profondi.

Un procedimento molto simile al precedente, anche se semplificato, riguarda il metodo di cui alla domanda PCT US2015/040423 che prevede la costruzione in opera di pali strutturali. Esso prevede la perforazione del terreno e la messa in posto di un tubo d’armatura con dei fori sulla superficie laterale. All’interno di detto tubo d’armatura vengono eseguite una o più iniezioni di resina espandente mediante uno o più tubi di diametro inferiore. Dette iniezioni hanno lo scopo di far uscire la resina dai fori posti sulla superficie laterale del tubo d’armatura in modo da cementarlo al terreno. Le iniezioni possono essere eseguite con più tubi di iniezione posizionati a livelli diversi all’interno del tubo d’armatura, oppure con un unico tubo che viene estratto o immesso gradualmente nel tubo di armatura durante l’erogazione della resina. In ogni caso è previsto l’utilizzo di tamponi per selezionare i fori sulla superficie laterale del tubo d’armatura da cui far uscire la resina. Il procedimento, fortemente semplificato rispetto al precedente, oltre a presentare l’obiettivo di creare dei pali strutturali all’interno del terreno anziché eseguire l’iniezione di miscela per il consolidamento dello stesso, presenta grossi limiti dettati dai tempi e dai costi di realizzazione oltre che dall’incertezza data dalla probabile cementazione da parte della resina dei tamponi all’interno del tubo d’armatura prima della conclusione del procedimento.

Un altro metodo, poco diverso dal precedente, viene realizzato con il sistema I-Steel di Prematek e prevede l’utilizzo di una cannula con diversi fori sulla superficie laterale e di un controtubo interno munito di un’unica valvola alla testa. L’iniezione viene realizzata nel controtubo che in prima battuta viene spinto fino alla base della cannula. La miscela fuoriusce dalla valvola di testa, passa nella cannula e successivamente nel terreno attraverso il foro più prossimo al punto id erogazione. Durante l’iniezione il controtubo viene fatto scorrere verso l’alto all’interno della cannula in modo che la miscela vada via via ad interessare tutti i fori posti sulla superficie laterale.

Come per i metodi precedenti, il procedimento I-Steel non è in grado di garantire la fuoriuscita della miscela da tutti i fori presenti sulla superficie laterale della cannula. Non è raro infatti che la miscela anziché fuoriuscire nel terreno dal foro più prossimo al punto di erogazione, vada a percorrere l’intercapedine tra controtubo e cannula ed esca nel terreno da fori posti ad altezze diverse. L’incertezza del risultato unita ai costi di realizzazione scoraggiano solitamente l’applicazione del metodo.

Un’alternativa ai metodi precedenti è rappresentata dal sistema di iniezione che prevede l’utilizzo di un tubo metallico sulla cui superficie laterale sono praticati dei fori passanti sovrapposti e con interasse via via decrescente mano a mano che ci si avvicina all’estremità inferiore del tubo. Detto tubo viene inserito nel terreno previa perforazione e sulla sua estremità viene inserito un tappo in teflon. L’iniezione viene condotta applicando a boccaforo una pistola che eroga una miscela sintetica. La pressione esercitata da detta miscela che fluisce all’interno del tubo, spinge il tappo di teflon verso il basso. Al superamento da parte del tappo dei primi fori presenti sulla superficie laterale del tubo, la resina fuoriesce dal tubo stesso in pressione e riempie i vuoti presenti nel terreno circostante, arrestando la discesa del tappo nel tubo. Con l’aumento della quantità di resina verso l’esterno del tubo, la pressione di confinamento da parte del terreno aumenta sensibilmente. Ciò comporta una graduale diminuzione del flusso di resina verso l’esterno fino ad otturare i fori sulla superficie laterale del tubo. A quel punto la pressione esercitata dalla miscela riattiva il movimento verso il basso del tappo fino a superare i successivi fori presenti sulla superficie laterale del tubo. A quel punto inizia la fuoriuscita di resina nel terreno e il tappo si ferma nuovamente. Questo procedimento si sviluppa teoricamente in maniera autonoma fino a che tutti i fori presenti sulla superficie laterale del tubo non vengono otturati. Il procedimento descritto risulta scarsamente utilizzato a causa dell’enorme incertezza rappresentata dai tappi che solitamente si bloccano all’interno del tubo e impediscono il completamento dell’iniezione.

E’ noto un altro metodo che si configura come intermedio tra l’iniezione e la creazione di elementi di rinforzo nel terreno. Esso viene utilizzato dal procedimento di cui alla domanda di brevetto di invenzione italiana N. VR2011A000004, che prevede, previa perforazione del terreno, la messa in opera di elementi tubolari in plastica o altro materiale di tipo corrugato ricavato da bobine flessibili o da pezzi rigidi, opportunamente forati sulla superficie laterale per garantire il passaggio della miscela sintetica espandente verso l’esterno. All’interno di detti elementi tubolari viene alloggiata un’asta metallica o un tondino d’armatura collegato all’estremità inferiore ad una piastra, anch’essa metallica, di diametro superiore alla sezione del tubolare, che ha il compito di mantenere inalterata la sezione del foro durante la discesa e quindi favorire la messa in opera dell’elemento tubolare oltre a creare una adeguata camera di espansione tra la parete del foro e la superficie laterale dell’elemento tubolare stesso. Tale camera di espansione serve per favorire la reazione di polimerizzazione della resina espandente che viene iniettata successivamente alla posa dell’elemento tubolare a partire dalla sua estremità. A seguito dell’iniezione, infatti, la resina occupa l’intero volume interno all’elemento tubolare, esce dai fori ed interessa la cavità anulare presente tra l’elemento tubolare e la superficie laterale del foro precedentemente realizzato nel terreno oltre che le cavità presenti nel terreno che hanno provocato l’instabilità ed il cedimento. In seguito, al termine dell’espansione, la resina solidifica e funge da legante per il terreno, l’elemento tubolare ed il tondino d’armatura interno, che divengono un blocco unico. Questo metodo, di difficile attuazione, presenta importanti problematiche legate alla posa in opera degli elementi ed al controllo della diffusione della resina nel terreno.

Il compito del presente trovato è quello di realizzare un sistema per l’iniezione di resine espandenti in terreni da consolidare che sia in grado di migliorare la tecnica nota in uno o più degli aspetti sopra indicati.

Nell'ambito di tale compito, uno scopo del trovato è quello di mettere a disposizione un sistema per l’iniezione di resine espandenti in terreni da consolidare che permetta di ottimizzare la produttività di cantiere e quindi i costi di gestione della commessa.

Un altro scopo del trovato è quello di ideare un sistema per l’iniezione di resine espandenti in terreni da consolidare in grado di garantire una maggiore uniformità di trattamento, grazie ad un maggiore controllo della la diffusione della miscela nel terreno, impedendo che la stessa si allontani eccessivamente dai punti di uscita andando ad interessare volumi di terreno diversi da quelli previsti dal progetto.

Non ultimo scopo del trovato è quello di ideare un sistema per l’iniezione di resine espandenti in terreni da consolidare che permetta una distribuzione uniforme della resina con conseguente minor sviluppo di sovrappressioni interstiziali e quindi minor sollevamento indesiderato e successivo abbassamento del manufatto soprastante.

Questo compito, nonché questi ed altri scopi che meglio appariranno in seguito, sono raggiunti da un sistema e da un procedimento per l’iniezione di resine espandenti in terreni da consolidare secondo la rivendicazione 1, opzionalmente dotati di una o più delle caratteristiche delle rivendicazioni dipendenti.

Ulteriori caratteristiche e vantaggi del trovato risulteranno maggiormente dalla descrizione di una forma di esecuzione preferita, ma non esclusiva, del sistema per l’iniezione di resine espandenti in terreni da consolidare secondo il trovato, illustrata, a titolo indicativo e non limitativo, negli uniti disegni, in cui:

– la figura 1 illustra una sezione di un terreno da consolidare con un elemento tubolare inserito nel terreno;

– la figura 2 mostra, in sezione longitudinale e in scala ingrandita, una porzione dell'elemento tubolare di un sistema secondo il trovato.

Con riferimento alle figure citate, il sistema per l’iniezione di resine espandenti in terreni da consolidare, secondo il trovato, indicato globalmente con il numero di riferimento 1, comprende una apparecchiatura a pompa 2 associata operativamente, in corrispondenza di una bocca di invio 4, ad un elemento tubolare 3.

In particolare, l'apparecchiatura a pompa 2 è atta ad inviare all'elemento tubolare 3 una miscela ad una pressione di invio predeterminata L'elemento tubolare 3 è inseribile all'interno di un rispettivo foro 11 definito nel terreno da consolidare 10.

L'elemento tubolare 3 presenta, in corrispondenza della propria superficie laterale 3a, una pluralità di fori 20 reciprocamente distanziati lungo la direzione di sviluppo longitudinale 100 dell'elemento tubolare 3 Secondo il presente trovato, almeno due tra la pluralità di fori 20 comprendono rispettivi fori calibrati (21a, 21b , 21c, ecc.) presentanti una rispettiva luce di sbocco.

Il sistema 1 comprende, inoltre, una stima della pressione di rottura del terreno (pressione di claquage) in corrispondenza di ciascuno dei fori calibrati (21a, 21b, 21c, ecc.).

Le dimensioni delle luci di sbocco dei fori calibrati (21a, 21b, 21c, ecc.) e la pressione di invio predeterminata della miscela all'elemento tubolare (3) sono, in particolare, tali da consentire la fuoriuscita del materiale attraverso le rispettive luci di sbocco ad una pressione superiore a detta pressione di claquage.

Secondo una preferita forma di realizzazione, le dimensioni delle luci di sbocco dei fori calibrati (21a, 21b, 21c, ecc.) e la pressione di invio predeterminata sono atte a consentire che la portata del materiale attraversante le luci di sbocco sia sostanzialmente uguale in ciascuno di detti almeno due fori calibrati (21a, 21b, 21c, ecc.).

Con sostanzialmente uguale si intende che tra vari fori calibrati (21a, 21b, 21c, ecc.) la variazione di portata possa essere di circa il 15%.

A tal proposito, si può prevedere che i fori calibrati (21a, 21b, 21c, ecc.) presentino una luce di sbocco via via crescente all'aumentare della distanza dalla bocca di invio 4.

Secondo una preferita forma pratica di realizzazione, l'apparecchiatura a pompa 2 comprende una pistola di iniezione 2a collegata, mediante dei tubi flessibili 2b, alla bocca di invio 4.

Vantaggiosamente, la pistola ad iniezione comprende una camera di miscelazione collegata, in ingresso, ad un primo e ad un secondo condotto di invio riscaldati atti a convogliare in detta camera, ad una pressione predefinita, i componenti di detta miscela, detta pistola di miscelazione essendo inoltre collegata ad un terzo condotto di invio di aria in pressione per l'attivazione di detta pistola ad iniezione, essendo previsto un condotto di scarico collegato a detta camera di miscelazione collegato a detto elemento tubolare.

L'interruttore della pistola viene azionato manualmente dall'operatore mediante un grilletto a molla oppure tramite azionatore elettromeccanico, e ciò determina l'apertura del flusso dei due componenti verso la camera di miscelazione e di conseguenza genera la fuoriuscita della miscela dal condotto di scarico verso l'elemento tubolare. Il rilascio del grilletto da parte dell'operatore interrompe con effetto immediato il flusso dei due componenti verso la pistola e quindi l'iniezione di miscela nel terreno.

Preferibilmente gli intervalli di iniezione e pausa possono essere estremamente brevi, dell'ordine di qualche secondo, e più in generale, compresi tra 1 secondo e 10 secondi.

Preferibilmente, i fori calibrati (21a, 21b, 21c, ecc.) sono reciprocamente distanziati lungo la direzione di sviluppo longitudinale 100 dell'elemento tubolare 3 per tutto lo sviluppo del suddetto elemento tubolare 3.

Secondo un ulteriore aspetto, il presente trovato riguarda un procedimento per l’iniezione di resine espandenti in terreni da consolidare 10 comprendente:

– una fase di perforazione del terreno da consolidare 10 per realizzare almeno un foro 11; – una fase di stima della pressione di rottura del terreno (pressione di claquage) in corrispondenza delle zone interessate da detto foro;

– una fase di inserimento, all'interno del foro 11, di un elemento tubolare 3 presentante, in corrispondenza della propria superficie laterale 3a, una pluralità di fori 20 reciprocamente distanziati lungo la direzione di sviluppo longitudinale 100 dell'elemento tubolare 3, almeno due dei fori 20 comprendendo rispettivi fori calibrati (21a, 21b ,21c, ecc.);

– una fase di alimentazione in modo intermittente, tramite l'apparecchiatura a pompa 2, di resina espandente verso la bocca d'invio 4.

– le dimensioni delle luci di sbocco di detti fori calibrati (21a, 21b, 21c, ecc.) e la pressione di invio predeterminata della resina a detto elemento tubolare (3) essendo tali da a consentire la fuoriuscita del materiale attraverso le rispettive luci di sbocco ad una pressione superiore a detta pressione di claquage.

Convenientemente, l’iniezione viene eseguita collegando una pistola di iniezione 2a alla bocca di invio 4 (o testata) dell'elemento tubolare 3, ed erogando la resina espandente con parametri ben definiti affinché questa esca da ogni foro calibrato (21a, 21b, 21c, ecc.) presente sulla superficie laterale 3a dell'elemento tubolare 3 con portata regolata e, raggiunto il terreno, si diffonda nel volume circostante in modo controllato. L’iniezione viene protratta per un tempo necessario a riscontrare il principio di sollevamento del manufatto soprastante oppure, in assenza di questo, il movimento verticale del terreno posto in superficie.

Il nuovo procedimento si prefigge pertanto due obiettivi principali:

- permettere la fuoriuscita della resina espandente di iniezione con una portata predefinita da ogni foro calibrato (21a, 21b, 21c, ecc.) presente sulla superficie laterale 3a dell'elemento tubolare 3 in modo che la velocità della resina espandente sia sufficiente a generare nel terreno una diffusione per semplice permeazione oppure, nel caso di terreni a grana fine, per claquage;

- controllare la diffusione della resina espandente nel terreno, ossia impedire che la stessa si allontani eccessivamente dai punti di uscita andando ad interessare volumi di terreno diversi da quelli previsti dal progetto.

Per ottenere gli obiettivi di cui sopra è necessario agire sui seguenti parametri:

– pressione e portata di iniezione;

– geometria dei fori presenti sulla superficie laterale 3a dell'elemento tubolare 3;

– tempi di gelificazione e di indurimento della miscela;

– intervalli temporali di erogazione della miscela.

Il sistema e il procedimento secondo il trovato si basa su principi diversi rispetto ai procedimenti noti, in quanto:

– non utilizza controtubi interni al condotto di iniezione, tamponi od otturatori, ma semplicemente prevede sulla superficie laterale 3a dell'elemento tubolare 3 la realizzazione di fori calibrati (21a, 21b, 21c, ecc.) con geometria e dimensioni opportune;

– realizza l’iniezione mediante una pistola di iniezione 2a innestata a boccaforo che garantisce portata e pressione costanti;

– utilizza una miscela, solitamente sintetica ed espandente, che presenta tempi di gelificazione e di indurimento ben definiti.

Per spiegare il principio alla base del nuovo sistema e del nuovo procedimento secondo il trovato occorre analizzare il comportamento del fluido all’interno dell'elemento tubolare 3e successivamente nel terreno.

Il flusso della miscela attraverso l'elemento tubolare 3 è determinato dalle leggi dell’idrodinamica.

Un fluido si muove all’interno di un tubo dal punto di pressione più alta verso quello a pressione più bassa. Se non vi sono variazioni di pressione tra i due estremi, il fluido rimane in condizioni statiche.

La legge di Bernoulli, valida per fluidi perfetti (attrito e viscosità nulli) in un condotto rigido con moto stazionario (a portata costante), evidenzia come per tubi orizzontali la pressione statica di un fluido in movimento varia in senso inverso alla sua velocità. In altri termini si può dire che finché la velocità del fluido aumenta, la pressione statica diminuisce. L’energia complessiva, data dalla somma fra l’energia di pressione, l’energia cinetica e l’energia potenziale resta pertanto costante.

Inoltre, in regime di moto stazionario, la portata resta costante, ossia il volume di fluido che transita da una sezione del tubo nell’unità di tempo deve transitare anche da una sezione precedente o successiva, di dimensioni diverse.

Ne consegue che in presenza di restringimenti di sezione, il fluido aumenta la propria velocità per mantenere costante la portata e di conseguenza diminuisce la propria pressione statica.

Diversamente, se il fluido non è perfetto, ossia presenta viscosità e attrito sulle pareti del tubo, le condizioni cambiano.

L’energia espressa dalla legge di Bernoulli non si conserva ma diminuisce lungo la direzione del flusso.

La perdita di pressione o perdita di carico cosiddetta continua è costituita da quella parte di energia persa dal fluido per vincere l’attrito che incontra nello scorrere entro la tubazione.

Oltre alla perdita di carico continua, il fluido in movimento è soggetto ad ulteriori perdite di carico, dette localizzate, che comportano brusche dissipazioni di energia dovute a variazioni di sezione del tubo, variazioni di direzione del flusso, sbocchi verso l’esterno, ecc..

Le perdite di carico distribuite sono regolate dalla legge di Darcy, dalla cui formulazione si possono estrarre le seguenti considerazioni:

– le perdite di carico continue aumentano con la lunghezza della condotta;

– le perdite di carico continue aumentano con il restringimento della sezione del tubo;

– le perdite di carico continue aumentano con la densità del fluido;

– le perdite di carico continue aumentano con l’aumentare della portata (e quindi della velocità del fluido a parità di diametro della condotta);

– le perdite di carico continue aumentano con la viscosità del fluido;

Le perdite di carico localizzate aumentano, invece, con la densità del fluido, con la portata (e quindi con la velocità del fluido a parità di diametro della condotta) e con le asperità presenti sulla superficie laterale interna della condotta (bruschi cambiamenti di sezione o di direzione).

Il flusso di una miscela attraverso un elemento tubolare definente dei fori sulla superficie laterale è descritto pertanto nel modo seguente.

La miscela immessa nell'elemento tubolare 3 di iniezione parte dalla quota di boccaforo con portata e pressione ben definite.

Lungo il tratto che precede il primo foro calibrato 21a, la miscela subisce delle perdite di carico continue, che ne riducono l’energia. La sezione dell'elemento tubolare 3 è la medesima, per cui, per la conservazione della portata, la velocità di flusso non varia. La diminuzione di energia è pertanto assorbita dai termini dell’espressione di Bernoulli legati all’energia potenziale e all’energia di pressione.

Al primo foro calibrato 21a di uscita, la miscela perde ulteriore energia, in questo caso localizzata, dovuta alla sezione di sbocco, e si divide in due flussi: il primo flusso esce nel terreno dal foro calibrato 21a, e il secondo flusso prosegue verso il basso. In questo caso diminuiscono tutti e tre i termini che compongono l’espressione di Bernoulli. La portata del primo flusso viene definita in funzione delle esigenze di consolidamento e delle caratteristiche del terreno.

Nota quindi la variazione di energia dovuta alle perdite di sbocco e definita la portata di iniezione per il primo foro calibrato 21a, mediante il principio di conservazione della portata, è possibile calcolare il diametro del secondo foro calibrato 21b da praticare sulla superficie laterale 3a dell'elemento tubolare 3 e la velocità di prosecuzione del flusso verso i fori calibrati successivi.

Note quindi velocità e pressione della miscela nel tratto che segue il primo foro calibrato 21a e che precede il secondo foro calibrato 21b, è possibile reiterare lo stesso procedimento per i fori calibrati successivi, fino ad arrivare al foro posto sul fondo dell'elemento tubolare 3.

Il procedimento di calcolo è di facile implementazione e permette di determinare il diametro dei fori calibrati (21a, 21b, 21c, ecc.) da praticare sulla superficie laterale 3a dell'elemento tubolare 3.

Il diametro dei fori calibrati (21a, 21b, 21c, ecc.) è quindi strettamente legato alla portata che si vuole realizzare ed è la prima condizione da rispettare affinché il sistema descritto funzioni correttamente.

Una seconda condizione necessaria per il corretto sviluppo dell’iniezione riguarda la possibilità che la miscela esca da tutti i fori presenti sulla superficie laterale 3a dell'elemento tubolare 3 e si diffonda all’interno del terreno, sia esso granulare o coesivo, senza creare ostruzioni.

Questo è possibile solo se la velocità di uscita della miscela da ciascun foro calibrato (21a, 21b, 21c, ecc.) corrisponde ad una pressione statica superiore a quella necessaria per una corretta diffusione della miscela.

Per i terreni a grana grossa, in virtù della granulometria che conferisce loro valori di permeabilità elevati, la pressione di uscita nel terreno influisce sulla corretta diffusione della miscela (e quindi sulla possibile otturazione dei fori) solo a lungo termine, ossia quando la maggior parte dei vuoti intergranulari è stata riempita e quindi la permeabilità si è ridotta.

Per i terreni a grana fine, caratterizzati da valori di permeabilità iniziale molto bassi, il valore della pressione di uscita assume un ruolo chiave fin dall’inizio del processo. Esso deve risultare sempre superiore alla pressione di idrofratturazione, che permette la libera diffusione della miscela ed evita l’otturazione dei fori.

L’ultima condizione da rispettare affinché il nuovo sistema e il nuovo procedimento funzionino correttamente è legato alla distanza di propagazione della miscela nel terreno. Accade infatti che il processo di idrofratturazione del terreno, necessario al fine di non intasare i fori calibrati (21a, 21b, 21c, ecc.) posti sulla superficie laterale 3a dell'elemento tubolare 3, inneschi la propagazione di fessure all’interno del terreno. Queste fessure, alimentate dalla miscela che fluisce dalla cannula, tendono a propagarsi nel terreno in modo incontrollato.

Per questo motivo risulta necessario calibrare alcuni parametri che da un lato impediscano l’intasamento dei fori e dall’altro permettano di gestire con precisione la distanza che la miscela può percorrere rispetto al punto di uscita nel terreno, che sono:

– tempi di gelificazione ed indurimento della miscela;

– tempi di iniezione.

I tempi di gelificazione ed indurimento della miscela permettono di ottenere una prima calibrazione del procedimento di iniezione in quanto devono risultare sufficientemente lunghi da non intasare i fori ma contemporaneamente limitati per non disperdere in modo eccessivo la miscela nel terreno.

Ovviamente i soli tempi di gelificazione ed indurimento della miscela non sono sufficienti per gestire al meglio il processo di diffusione della miscela nel terreno in quanto ogni sito presenta caratteristiche diverse dall’altro ed i parametri della miscela non sono modificabili di continuo.

Serve perciò avvalersi di un ulteriore strumento che permetta di raffinare il processo: il tempo di iniezione.

Come già anticipato, ogni iniezione viene effettuata in modo intermittente, ossia per ogni processo vengono alternati degli intervalli di tempo in cui la miscela viene erogata in modo continuo a degli intervalli in cui l’iniezione viene sospesa. In questo modo si è certi che la miscela iniettata fuoriesca dai fori calibrati (21a, 21b, 21c, ecc.) con una pressione superiore alla pressione di idrofratturazione e contemporaneamente che non si allontani troppo dal punto di iniezione. Gli intervalli di sospensione dell’iniezione sono infatti definiti in modo che la miscela iniettata fino a quel momento inizi il processo di gelificazione prima dell’arrivo della miscela successiva e quindi la pressione necessaria per la diffusione della stessa frattura nel terreno cresca fino a superare la pressione di idrofratturazione. In questo modo la miscela che viene erogata successivamente anziché percorrere la stessa frattura creata in precedenza, ne descrive una nuova, restando confinata nei pressi dell’uscita del foro d’iniezione.

Si è in pratica constatato come il trovato raggiunga il compito e gli scopi preposti realizzando un sistema e un procedimento che permetta di controllare la fuoriuscita della miscela di iniezione con una portata predefinita da ogni foro calibrato presente sulla superficie laterale dell'elemento tubolare, in modo che la velocità della miscela sia sufficiente a generare nel terreno una diffusione per semplice permeazione oppure, nel caso di terreni a grana fine, per claquage.

Inoltre, il sistema e il procedimento secondo il trovato permette di controllare la diffusione della miscela nel terreno, ossia impedire che la stessa si allontani eccessivamente dai punti di uscita andando ad interessare volumi di terreno diversi da quelli previsti dal progetto.

Il trovato, così concepito, è suscettibile di numerose modifiche e varianti, tutte rientranti nell'ambito del concetto inventivo; inoltre, tutti i dettagli potranno essere sostituiti da altri elementi tecnicamente equivalenti.

In pratica, i materiali impiegati, purché compatibili con l'uso specifico, nonché le dimensioni e le forme contingenti, potranno essere qualsiasi a seconda delle esigenze e dello stato della tecnica.

Ove le caratteristiche e le tecniche menzionate in qualsiasi rivendicazione siano seguite da segni di riferimento, tali segni sono stati apposti al solo scopo di aumentare l'intelligibilità delle rivendicazioni e di conseguenza tali segni di riferimento non hanno alcun effetto limitante sull'interpretazione di ciascun elemento identificato a titolo di esempio da tali segni di riferimento.

Claims (8)

1. RIVENDICAZIONI 1. Sistema (1) per l’iniezione di resine espandenti in terreni da consolidare (10) comprendente una apparecchiatura a pompa (2) associata operativamente, in corrispondenza di una bocca di invio (4), ad un elemento tubolare (3) inseribile all'interno di una rispettivo foro (11) definito nel terreno da consolidare (10) e atta ad inviare a detto elemento tubolare (3) una miscela ad una pressione di invio predeterminata, detto elemento tubolare (3) presentando, in corrispondenza della propria superficie laterale (3a), una pluralità di fori (20) reciprocamente distanziati lungo la direzione di sviluppo longitudinale (100) di detto elemento tubolare (3), caratterizzato dal fatto che almeno due di detta pluralità di fori (20) comprendono rispettivi fori calibrati (21a, 21b, 21c, ecc.), essendo prevista una stima della pressione di rottura del terreno (pressione di claquage) in corrispondenza di ciascuno di detti fori calibrati (21a, 21b, 21c, ecc.), le dimensioni delle luci di sbocco di detti fori calibrati (21a, 21b, 21c, ecc.) e la pressione di invio predeterminata della miscela a detto elemento tubolare (3) essendo tali da consentire la fuoriuscita del materiale attraverso le rispettive luci di sbocco ad una pressione superiore a detta pressione di claquage, detta apparecchiatura a pompa (2) essendo destinata ad alimentare in modo intermittente detta resina espandente verso detta bocca di invio (4).
2. 2. Sistema (1) secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detti almeno due fori calibrati (21a, 21b, 21c, ecc.) presentano una luce di sbocco via via crescente all'aumentare della distanza da detta bocca di invio (4),
3. 3. Sistema (1) secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che le dimensioni delle luci di sbocco di detti fori calibrati e detta pressione di invio predeterminata sono atti a garantire una portata sostanzialmente uguale di materiale attraversante ciascuno di detti almeno due fori calibrati (21a, 21b, 21c, ecc.).
4. 4. Sistema (1) secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detta apparecchiatura a pompa comprende una pistola di iniezione collegata, mediante un tubo flessibile, a detta bocca di invio (4).
5. 5. Sistema (1) secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detta pistola ad iniezione comprende una camera di miscelazione collegata, in ingresso, ad un primo e ad un secondo condotto di invio riscaldati atti a convogliare in detta camera, ad una pressione predefinita, i componenti di detta miscela, detta camera di miscelazione essendo inoltre collegata ad un terzo condotto di invio di aria in pressione per l'attivazione di detta pistola ad iniezione, essendo previsto un condotto di scarico collegato a detta camera di miscelazione collegato a detto elemento tubolare.
6. 6. Sistema (1) secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzata dal fatto che detti fori calibrati (21a, 21b, 21c, ecc.) sono reciprocamente distanziati lungo la direzione di sviluppo longitudinale (100) di detto elemento tubolare (3).
7. 7. Sistema (1) secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzata dal fatto che le dimensioni di detti fori calibrati sono calcolate sulla base delle perdite di carico distribuite e delle perdite di carico localizzate.
8. 8. Procedimento per l’iniezione di resine espandenti in terreni da consolidare (10) comprendente: – una fase di perforazione del terreno da consolidare (10) per realizzare almeno un foro (11); – una fase di stima della pressione di rottura del terreno (pressione di claquage) in corrispondenza delle zone interessate da detto foro; – una fase di inserimento, all'interno di detto almeno un foro (11) di un elemento tubolare (3) presentante, in corrispondenza della propria superficie laterale (3a), una pluralità di fori (20) reciprocamente distanziati lungo la direzione di sviluppo longitudinale (100) di detto elemento tubolare (3), almeno due di detta pluralità di fori (20) comprendono rispettivi fori calibrati (21a, 21b ,21c, ecc.) presentanti una luce di sbocco, – una fase di alimentazione in modo intermittente, tramite detta apparecchiatura a pompa (2) ad una pressione di invio predeterminata, di resina espandente verso detta bocca d'invio (4); – le dimensioni delle luci di sbocco di detti fori calibrati (21a, 21b, 21c, ecc.) e la pressione di invio predeterminata della resina a detto elemento tubolare (3) essendo tali da a consentire la fuoriuscita del materiale attraverso le rispettive luci di sbocco ad una pressione superiore a detta pressione di claquage.