Heave of large excavations in clay: modelling and analysis of two british case-histories

ABSTRACT Il presente lavoro vuole introdurre la problematica del rigonfiamento del terreno a seguito di grandi scavi in argilla. Il sollevamento del terreno dopo lo scavo può passare inosservato ma sono numerosi i casi in cui il rigonfiamento dura per molti anni e addirittura decenni, Shell Centre, London, Lion Yard, Cambridge, Bell Common, London, ecc. Questo rigonfiamento il più delle volte è impedito dalla presenza di fondazioni, si genera quindi una pressione distribuita che se non considerata in fase di progetto può portare alla fessurazione della fondazione stessa. L’anima del progetto è la modellazione e l’analisi del rigonfiamento di grandi scavi in argilla, confrontando poi i risultati con i dati reali disponibili in letteratura. L’idea del progetto nasce dalla difficoltà di ottenere stime e previsioni attendibili del rigonfiamento a seguito di grandi scavi in argilla sovraconsolidata. Inizialmente ho esaminato la teoria e i fattori che influenzano il grado e la velocità del rigonfiamento, quali la rigidezza, permeabilità, fessurazione, struttura del suolo, etc. In seguito ho affrontato lo studio del comportamento rigonfiante di argille sovraconsolidate a seguito di scarico tensionale (scavi), si è evidenziata l’importanza di differenziare il rigonfiamento primario e il rigonfiamento secondario dovuto al fenomeno del creep. Il tema centrale del progetto è l’analisi numerica tramite Flac di due grandi scavi in argilla, Lion Yard, Cambridge, e, Bell Common, London. Attraverso una dettagliata analisi parametrica sono riuscito a trovare i migliori parametri che modellano il comportamento reale nei due casi in esame, in questo modo è possibile arrivare a stime e previsioni attendibili del fenomeno rigonfiante del terreno a seguito di grandi scavi. Gli scavi modellati Lion Yard e Bell Common sono rispettivamente in Gault Clay e London Clay, grazie a famosi recenti articoli scientifici sono riuscito a evidenziare la principali propietà che diversificano i due terreni in esame, tali propietà sono estremamente differenti dalle normali caratteristiche considerate per la progettazione in presenza di terreno argilloso; sono così riuscito a implementare i migliori parametri per descrivere il comportamento dei due terreni nei diversi modelli. Ho inoltre studiato l’interazione terreno-struttura, la pressione esercitata dal rigonfiamento del terreno è strettamente funzione delle caratteristiche di connesione tra fondazione superficiale e muro di sostegno, tale pressione non deve essere ignorata in fase progettuale poichè può raggiungere importanti valori. Nello scavo di Lion Yard, considerando la presenza delle fondazioni profonde ho evidenziato il fatto che il rigonfiamento crea una forza distribuita di taglio tra i pali di fondazione ed il terreno, anche tale sollecitazione dovrebbe essere considerata ai fini della progettazione. La problematica non si ferma solo sull’interazione terreno-fondazioni, infatti durante gli scavi di importanti fondazioni londinesi lo scarico tensionale ha creato uno spostamento significativo positivo verso la superfice di tratti di tunnel della metropolita, questo fenomeno può creare seri problemi di sicurezza nella rete dei trasporti pubblici. Infine sono stati messi a confronto i risultati del programma Flac con quelli di metodi semplificati, ho trovato che utilizzando il metodo iterativo di O’Brien i risultati sono simili alla realtà e il tempo di calcolo è molto inferiore di quello richiesto utilizzando Flac, 2-3 giorni. In conclusione posso affermare che grazie ad una dettagliata analisi parametrica è stato possibile stimare il rigonfiamento del terreno, argilla sovraconsolidata, nei due casi analizzati.

Sviluppo e caratterizzazione di impianti e membrane polimeriche per la medicina rigenerativa

Nell’ambito di questa Tesi sono state affrontate le fasi di progettazione, sviluppo e caratterizzazione di materiali biomimetici innovativi per la realizzazione di membrane e/o costrutti 3D polimerici, come supporti che mimano la matrice extracellulare, finalizzati alla rigenerazione dei tessuti. Partendo dall’esperienza di ISTEC-CNR e da un’approfondita conoscenza chimica su polimeri naturali quali il collagene, è stata affrontata la progettazione di miscele polimeriche (blends) a base di collagene, addizionato con altri biopolimeri al fine di ottimizzarne i parametri meccanici e la stabilità chimica in condizioni fisiologiche. I polimeri naturali chitosano ed alginato, di natura polisaccaridica, già noti per la loro biocompatibilità e selezionati come additivi rinforzanti per il collagene, si sono dimostrati idonei ad interagire con le catene proteiche di quest’ultimo formando blends omogenei e stabili. Al fine di ottimizzare l’interazione chimica tra i polimeri selezionati, sono stati investigati diversi processi di blending alla base dei quali è stato applicato un processo complesso di co-fibrazione-precipitazione: sono state valutate diverse concentrazioni dei due polimeri coinvolti e ottimizzato il pH dell’ambiente di reazione. A seguito dei processi di blending, non sono state registrate alterazioni sostanziali nelle caratteristiche chimiche e nella morfologia fibrosa del collagene, a riprova del fatto che non hanno avuto luogo fenomeni di denaturazione della sua struttura nativa. D’altro canto entrambe le tipologie di compositi realizzati, possiedano proprietà chimico-fisiche peculiari, simili ma non identiche a quelle dei polimeri di partenza, risultanti di una reale interazione chimica tra le due molecole costituenti il blending. Per entrambi i compositi, è stato osservato un incremento della resistenza all’attacco dell’enzima collagenasi ed elevato grado di swelling, quest’ultimo lievemente inferiore per il dispositivo contenente chitosano. Questo aspetto, negativo in generale per quanto concerne la progettazione di impianti per la rigenerazione dei tessuti, può avere aspetti positivi poiché la minore permeabilità nei confronti dei fluidi corporei implica una maggiore resistenza verso enzimi responsabili della degradazione in vivo. Studi morfologici al SEM hanno consentito di visualizzare le porosità e le caratteristiche topografiche delle superfici evidenziando in molti casi morfologie ibride che confermano il buon livello d’interazione tra le fasi; una più bassa omogeneità morfologica si è osservata nel caso dei composti collagene-alginato e solo dopo reidratazione dello scaffold. Per quanto riguarda le proprietà meccaniche, valutate in termini di elasticità e resistenza a trazione, sono state rilevate variazioni molto basse e spesso dentro l’errore sperimentale per quanto riguarda il modulo di Young; discorso diverso per la resistenza a trazione, che è risultata inferiore per i campione di collagene-alginato. Entrambi i composti hanno comunque mostrato un comportamento elastico con un minore pre-tensionamento iniziale, che li rendono promettenti nelle applicazioni come impianti per la rigenerazione di miocardio e tendini. I processi di blending messi a punto nel corso della ricerca hanno permesso di ottenere gel omogenei e stabili per mezzo dei quali è stato possibile realizzare dispositivi con diverse morfologie per diversi ambiti applicativi: dispositivi 2D compatti dall’aspetto di membrane semitrasparenti idonei per rigenerazione del miocardio e ligamenti/tendini e 3D porosi, ottenuti attraverso processi di liofilizzazione, con l’aspetto di spugne, idonei alla riparazione/rigenerazione osteo-cartilaginea. I test di compatibilità cellulare con cardiomioblasti, hanno dimostrato come entrambi i materiali compositi realizzati risultino idonei a processi di semina di cellule differenziate ed in grado di promuovere processi di proliferazione cellulare, analogamente a quanto avviene per il collagene puro.

An experimental and modelling study of the capture of CO2 from gas mixtures with different techniques, with focus on multicomponent effects.

In the present work, the deviations in the solubility of CO2, CH4, and N2 at 30 °c in the mixed gases (CO2/CH4) and (CO2/N2) from the pure gas behavior were studied using the dual-mode model over a wide range of equilibrium composition and pressure values in two glassy polymers. The first of which was PI-DAR which is the polyimide formed by the reaction between 4, 6-diaminoresorcinol dihydrochloride (DAR-Cl) and 2, 2’-bis-(3, 4-dicarboxyphenyl) hexafluoropropane dianhydride (6FDA). The other glassy polymer was TR-DAR which is the corresponding thermally rearranged polymer of PI-DAR. Also, mixed gas sorption experiments for the gas mixture (CO2/CH4) in TR-DAR at 30°c took place in order to assess the degree of accuracy of the dual-mode model in predicting the true mixed gas behavior. The experiments were conducted on a pressure decay apparatus coupled with a gas chromatography column. On the other hand, the solubility of CO2 and CH4 in two rubbery polymers at 30⁰c in the mixed gas (CO2/CH4) was modelled using the Lacombe and Sanchez equation of state at various values of equilibrium composition and pressure. These two rubbery polymers were cross-linked poly (ethylene oxide) (XLPEO) and poly (dimethylsiloxane) (PDMS). Moreover, data about the sorption of CO2 and CH4 in liquid methyl dietahnolamine MDEA that was collected from literature65-67 was used to determine the deviations in the sorption behavior in the mixed gas from that in the pure gases. It was observed that the competition effects between the penetrants were prevailing in the glassy polymers while swelling effects were predominant in the rubbery polymers above a certain value of the fugacity of CO2. Also, it was found that the dual-mode model showed a good prediction of the sorption of CH4 in the mixed gas for small pressure values but in general, it failed to predict the actual sorption of the penetrants in the mixed gas.