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Ricostruzione del modello geotecnico
Milano, Ottobre 2015
Claudio di Prisco
Dipartimento di Ingegneria Civile e Amnientale
2
Il metodo scientifico per l’opera geotecnica
FASI
0)PROFILO GEOLOGICO del terreno e/o substrato roccioso
(classificazione, mineralogia, presenza acqua, storia)
1) STUDIO SPERIMENTALE : analisi del comportamento del
terreno con prove eseguite sia in laboratorio sia in situ
2) STUDIO TEORICO: sviluppo di un modello matematico che
simula le prove sperimentali.
3) STUDIO NUMERICO: Simulazione numerica della risposta
del terreno alla nuova opera.
Geologo
Ingegnere geotecnico
DEFINIZIONE DELLA SCALA DEL PROBLEMA
DEFINIZIONE DELLA GEOMETRIA (1D, 2D, 3D)
DEFINIZIONE DEL TEMPO CARATTERISTICO DI EVOLUZIONE
IMPORTANZA DELLA LEGGE COSTITUTIVA
SCELTA DELLA STRATEGIA DI ANALISI
NUMERICA, FISICA, GEOTECNICA
Definizione di un quadro teorico di riferimento
DEFINIZIONE DELL’APPROCCIO: CONTINUO/DISCONTINUO
APPROCCI COMPUTAZIONALI
METODO DEGLI ELEMENTI FINITI
METODO DELLE DIFFERENZE FINITE
METODO DEGLI ELEMENTI DISTINTI
Valutazione della
probabilità di innesco
METODO DELL’EQUILIBRIO
LIMITE
Descrizione del
processo di evoluzione
• definizione del legame costitutivo,
• definizione della geometria,
• calibrazione dei parametri costitutivi,
• definizione delle azioni,
• definizioni delle condizioni al contorno,
• definizione delle condizioni iniziali,
• analisi numerica,
Nella valutazione del coefficiente di sicurezza
le incertezze sono legate alla:
7
Cosa sono i geomateriali?
WEATHERING
Rocce
TerreDIAGENESI
grani
legami
Rocce ignea
(roccia dura)
Rocce tenere
- terre
cementate
Terreni a
grana grossa:
sabbie.
Terreni a
grana fine:
argille.
Classificate in base alle
dimensioni medie dei grani
2 -:- 0.06 mm < 0.002
mm
Classificate in base alle resistenza
in compressione uniassiale
250 MPa 20 -:- 0.5
MPa
8
ETEROGENEITA’ SPAZIALE
ETEROGENEITA’ MICROSTRUTTURALE
ANISOTROPIA
REATTIVITA’ IDRO-CHIMICA
VISCOSITA’
2)TERTIARY
CREEP
SCHEMATICALLY REPRESENTATION OF AGEING
EXPERIMENTAL CREEP (axial strain versus time) CURVES FOR ROCKSALT (WAW 79)
1) AGEING
4.1
2
L’ANISOTROPIA DELLE ROCCE
Fronti di scavo in marne naturali
4.1
3
I sedimenti marnosi sono diffusi in tutto il mondo. In Italia sono
presenti in tutti i contesti geologici sedimentari, e risultano
particolarmente diffusi nell'astigiano, nell'Oltrepò pavese, nelle
prealpi varesine, comasche, e bresciane; marne argillose a
foraminiferi sono presenti nell'Appennino centro-meridionale; le
"crete" nel senese; i "mattaioni" presso Pisa e Volterra; in Sicilia
lungo la costa mediterranea sotto il nome di "Trubi" e nel
bolognese ai piedi dell'appennino.
ANISOTROPIC ROCK UNDER HYDROSTATIC PRESSURE
Deformation under hydrostatic pressure at =0
(a) Before loading (b) After unloading
Deformation under hydrostatic pressure at =30
(a) Before loading (b) After unloading
Deformation under hydrostatic pressure at =60
(a) Before loading (b) After unloading
Deformation under hydrostatic pressure at =90
(a) Before loading (b) After loading 4.1
ANISOTROPY
OF ROCKS
3
RESISTENZA DI ROCCE INTEGRE
ANISOTROPE
Rocce trasversalmente isotrope
Prove triassiali
Variation of peak principal stress
difference with the angle of inclination of the major
principal stress to the plane of weakness
for the confining pressures indicated for (a) a phyllite (after Donath 1972),
(b,d) a slate and two shales (after McLamore & Gray 1967)
4.1
3
Sezioni sottili di una calcarenite prima (a) e dopo (b) aver subito un processo di degrado indotto dall’aggressione di un acido
(a) (b)
4.1
Cemented materials –
calcarenites
2
4.1
Structured materials – fissured claysC. Vitone
Effect of fissuring
orientation
Marly clay
1
15
Caso 1: Fondazioni profonde
TAV: attraversamento del Po
16
Le fondazioni del ponte strallato sul Po (TAV Mi-Bo)
17
Le indagini geognostiche: cosa c’è sotto?: Prove in sito
ed in laboratorio
18
OPERE DI FONDAZIONI SPECIALI:
Le fondazioni del ponte strallato sul Po (TAV Mi-Bo)
19
OPERE DI FONDAZIONI SPECIALI:
Le fondazioni del ponte strallato sul Po (TAV Mi-Bo)
20
Prove di verifica: prove di carico
(3 ECTs for pile compression
sampling)
(Displacement. transducer between
datum beam and pile head )
2x3 LWVT
per misura
apertura celle
3 ECT per misura compres-
sione segmento di palo
Trasduttore di spostamento
tra datum beam e testa palo
Lettura ottica movimenti
datum beam
>20 m
datum beam
O-Cell
O-Cell
10 sezioni trasversali
munite di 3 strain
gauges ognuna (7 sez.
nella parte sup.)
A R G I L L
A
+46.8 m slm
+26 circa
+11 circa
(datum beam monitoring by digital survey)
(10 monitored cross sections by 3
strain gauges each – 7 section in
the upper part)
(2x3 LWVTs for cell opening
sampling)
C L A Y
Celle di Osterberg
21
In-Situ Geotechnical Tests for Soils
22
Truck-Mounted Drill Rigs
Layne Drilling
23
Standard Penetration Test (SPT)
Split-Barrel Samplers
24
Cone Penetration Testing (ASTM D 5778)
25
Electric Friction Cone Penetrometer
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
0 2 4 6 8
qT (MPa)
De
pth
(m
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
0 100 200 300
fS (kPa)
De
pth
(m
)
Georgia Tech Test Site
26
Piezocone Penetrometers
Porewater Pressures Measured at Apex
McClelland Penetrometer Design
27
Geostratigraphy by Piezocone Tests, Blytheville, AR
0
5
10
15
20
25
30
35
40
0 10 20 30 40 50
qt (MPa)
De
pth
(m
)
0
5
10
15
20
25
30
35
40
0 100 200 300 400
fs (kPa)
0
5
10
15
20
25
30
35
40
0 100 200 300 400
u2 (kPa)
Clean
Sand
Clayey Silt
Clay
Sand
28
Pressuremeter Test (PMT)
0
1
2
3
4
5
0 100 200 300 400 500 600
Volume Change (cc)
Pre
ssu
re (
tsf)
0
1
2
3
4
5
0 10 20 30 40 50
Creep (cc/min)
Pre
ssu
re (
tsf)
Prebored PMT data from Utah DOT project
29
Geostratigraphy by Piezocone Tests, Blytheville, AR
0
5
10
15
20
25
30
35
40
0 10 20 30 40 50
qt (MPa)
De
pth
(m
)
0
5
10
15
20
25
30
35
40
0 100 200 300 400
fs (kPa)
0
5
10
15
20
25
30
35
40
0 1000 2000 3000
u2 (kPa)
Clean
Sand
Clayey Silt
Clay
Sand
30
Vane Shear Test (VST)
31
Vane Shear Devices
Scandinavian Vanes McClelland Offshore Vane
32
Flat Plate Dilatometer Test (DMT)
33
DMT in Piedmont Residuum, Charlotte, NC
0
2
4
6
8
10
12
14
16
0 200 400 600 800
Modulus ED (atm)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
0 500 1000 1500
Pressure (kPa)
Dep
th (
mete
rs)
Po
P1
0
2
4
6
8
10
12
14
16
0 1 10
Material Index ID
Clay Silt
Sand
0
2
4
6
8
10
12
14
16
0 5 10 15
Horiz. Index KD
34
Pressuremeter Test (PMT)
35
OPERE DI FONDAZIONI SPECIALI:
Le fondazioni del ponte strallato sul Po (TAV Mi-Bo)
O-cell™ 2 in pressione
O-cell™ 1 bloccata
O-cell™ 2 libera
di scorrere
O-cell™ 1 in pressione
O-cell™ 2 bloccata
O-cell™ 1 in pressione
Q b
FASE (step) 1
+ U + U b Q
Q L.sup Q L.sup
Q L.inf Q
L.inf
W sup W sup
W inf
W inf
Q L.sup
L.inf Q
sup W c O
c O
c O
(locked)
(locked) (pressurized)
(pressurized) (pressurized)
(draining)
FASE (step) 2 FASE (step) 3
36
OPERE DI FONDAZIONI SPECIALI:
Le fondazioni del ponte strallato sul Po (TAV Mi-Bo)
0
5
10
15
20
25
30
35
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
QB
QT
QB+QT
Step 1
Step 2
yB
yT
curva equiv. (palo rigido)
equiv. top load (rigid shaft)
curva equiv. (palo deformabile)
equiv. top load including shaft elasticity
curva sperimentale (PARTE SUP.)
Upper part experim. curve
curva sperimentale (PARTE INF.)
Lower part experim. curve
Step 1: si sommano i due carichi corrispondenti ad uno
stesso spostamento (congruenza)
top and bottom loads corresponding with same
displacement are summed
Step 2: si corregge lo spostamento aggiungendo la defor-
mazione elastica del palo, dagli strain gauges
rigid curve displacements are increased including
shaft elasticity estimated by strain gauges
C
a
r
i
c
o
L
o
a
d
[MN]
y (yT , yB) [cm]
37
OPERE DI FONDAZIONI SPECIALI:
Le fondazioni del ponte strallato sul Po (TAV Mi-Bo)
0
10
20
30
40
50
60
70
0 50 100 150 200 250 300
cedimento a testa palo - [mm]
Q [
MN
] ca
rico
a t
esta
pal
o
----
-
Palo A - curva di progetto
Palo B- curva di progetto
Palo A - curva sperim. estrapolata
Palo B - curva sperim. estrapolata
38
Caso 2 Gallerie: opere in sotterraneo ed in avanzamento
39
PERCORSO STORICO PER LA REALIZZAZIONE DI
GALLERIE NEL COMUNE DI MILANO
ANNI ’50-60 ANNI ’70-80 ANNI ‘90
e.g. LINEA
METROPOLITANA
MM1
METODO MILANO
e.g. LINEA
METROPOLITANA
MM3
INIEZIONI DI
CONSOLIDAMENTO
e.g. PASSANTE
FERROVIARIO
SCAVO
MECCANIZZATO
40
ANNI ’70-80: Iniezioni di consolidamento (e.g. MM3)
INIEZIONI DI CONSOLIDAMENTO PER LA
REALIZZAZIONE DI OPERE IN SOTTERRANEO
41
SCUDO MECCANIZZATO PER LA REALIZZAZIONE DI
OPERE IN SOTTERRANEO
ANNI ’90: Scavo meccanizzato (e.g. Passante FS )
In simultanea la macchina scava, sostiene il fronte e
realizza il rivestimento definitivo
42
MODELLAZIONE NUMERICA DEL PROBLEMA
43
MODELLO SCAVO TBM “AUTOSTRADA M30” MADRID
MODELLO SEMPLIFICATO
- Calcolo in piccole deformazioni
- Assenza interfaccia terreno-TBM
- Semplificazione della geometria tronco-conica della TBM
44
MODELLO SCAVO TBM “AUTOSTRADA M30” MADRID
45
INCERTEZZE ED ANALISI DI SENSITIVITA’ MODELLO
“M30 MADRID”
GRIGLIA 1 - VARIAZIONE PRESSIONE INIEZIONI
-4,00E+01
-3,50E+01
-3,00E+01
-2,50E+01
-2,00E+01
-1,50E+01
-1,00E+01
-5,00E+00
0,00E+00
5,00E+00
0,00E+00 2,00E+01 4,00E+01 6,00E+01 8,00E+01 1,00E+02 1,20E+02
Distanza Asse Tunnel (m)
Sp
osta
men
ti V
ert
ical
Pia
no
Cam
pag
na
(mm
)
580 kPa 480 kPa 380 kPa 280 kPa 180 kPa
GRIGLIA 1 - VARIAZIONE PESO SPECIFICO TERRENO
-4,00E+01
-3,50E+01
-3,00E+01
-2,50E+01
-2,00E+01
-1,50E+01
-1,00E+01
-5,00E+00
0,00E+00
5,00E+00
1,00E+01
0,00E+00 2,00E+01 4,00E+01 6,00E+01 8,00E+01 1,00E+02 1,20E+02
Distanza Asse Tunnel (m)
Sp
osta
men
ti V
ert
ical
Pia
no
Cam
pag
na
(mm
)
14 KN/m3 16.12 KN/m3 18 KN/m3
GRIGLIA 1 - VARIAZIONE ANGOLO DI ATTRITO
-4,00E+01
-3,50E+01
-3,00E+01
-2,50E+01
-2,00E+01
-1,50E+01
-1,00E+01
-5,00E+00
0,00E+00
5,00E+00
1,00E+01
0,00E+00 2,00E+01 4,00E+01 6,00E+01 8,00E+01 1,00E+02 1,20E+02
Distanza Asse Tunnel (m)
Sp
osta
men
ti V
ert
ical
Pia
no
Cam
pag
na
(mm
)
25° 30° 35° 40°
GRIGLIA 1 - VARIAZIONE MODULO ELASTICO
(PRESSIONE INIEZIONI 580 kPa)
-4,00E+01
-3,50E+01
-3,00E+01
-2,50E+01
-2,00E+01
-1,50E+01
-1,00E+01
-5,00E+00
0,00E+00
5,00E+00
0,00E+00 2,00E+01 4,00E+01 6,00E+01 8,00E+01 1,00E+02 1,20E+02
Distanza Asse Tunnel (m)
Sp
osta
men
ti V
ert
ical
Pia
no
Cam
pag
na (
mm
)
30 MPa 67.5 MPa 135 MPa
46
TBM (Tunnel Boring Machines):
Tecnologia TBM-EPB – sostegno del fronte
47
RAPPRESENTAZIONE GEOMETRICA RIGOROSA
L’importanza della geometria tridimensionale
48
Impronte di carico in superficie riproducono gli effetti del peso dell’impalcato
RAPPRESENTAZIONE GEOMETRICA SEMPLIFICATA
VANTAGGI:- maggiore velocità di calcolo- maggiore semplicità di modellazione
4. SEZIONE DEI PONTI
CONSIDERAZIONI:- edifici e rilevati distanti non influenti in termini di cedimenti
49
CEDIMENTI VERTICALI
4. SEZIONE DEI PONTI
50
CEDIMENTI VERTICALI SOTTO IL PONTE 1
cedimento max:20,4 mm
Cedimento in superficie lungo l’asse della galleria-Ponte 1
51
PUNTI DI PLASTICIZZAZIONE
Situazione iniziale
52
PUNTI DI PLASTICIZZAZIONE
Ponte 2
53
Geometria dell’arco di Consolidamento
INTRODUZIONE DI UN ARCO DI CONSOLIDAMENTO
Cedimenti ottenuti non accettabili Consolidamento del terreno tramite iniezioni di grouting
54
4. SEZIONE DEI PONTI
DETERMINAZIONE DEL MODULO ELASTICO DEL CONSOLIDAMENTO
10,0
12,0
14,0
16,0
18,0
20,0
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
E [MPa]
Ce
dim
en
ti [
mm
]
E [MPa] 130 300 600 900
Cedimenti [mm] 17,8 14,6 11,9 11,0
Ponte 1
55
dighe in terra• argini• rilevati stradali, ferroviari o aeroportuali
Foto?
Caso 3: Costruzioni in terra
56
23 metri
DH1=7.metri
Permeabilià : K1
QUOTA FIUME PO
in piena: 60.89m
DH2=44.3metri
Permeabilita’ : K2
Un caso esemplificativo: rialzo argine maestro del Po
57
Fase 1: rilievo profilo esistente
58
Fase 1 : Stratigrafia e indagini in sito
•Ricostruzione stratigrafica
(sondaggi e carotaggi)
•Prove di permeabilità in situ
•Prove penetrometriche statiche
e dinamiche
•Stima sforzi geostatici
Vantaggi: non altero il materiale e
lo studio nelle condizioni reali
Svantaggi: non posso controllare
lo stato tensionale
59
Fase2: Prove in laboratorio
•Classificazione materiale (terre: analisi granulometriche e
limiti di Atterberg; rocce: analisi petrografica tessiturale ) e
proprietà indice
•Parametri meccanici: determinazione dei parametri di
resistenza e deformabilità attraverso: prove edometriche,
prove triassiali, prove di taglio diretto (per terreni).
•Parametri idraulici: - prove di permeabilità
Vantaggi: controllo perfettamente lo stato tensionale;
percorsi di carico arbitrari.
Svantaggi: materiale di prova alterato da operazioni di
campionamento - effetto scala.
60
Fase 2 : Prova di taglio diretto
collasso
ZONA DEFORMATA
N
T
P=T/A
tan-1
= N/A
R
tan-1r
c’,
c
’
’
61
Fase 2: Prova di permeabilità
Q h
L
pietra porosa
hv k v Q A
l
D= = ×
DLegge di Darcy
Ricavo k (permeabilità [m/sec])
Provino
62
Fase3: Analisi di stabilità dell’argine
2.386
2.220
1.542
2.386
2.380
Fattore di sicurezza al
ribaltamento Fs > Fs (da
normativa)
Analisi basate sui parametri di
resistenza delle prove di
Laboratorio. (ad es. coesione ed
attrito interno)
63
Fase3: Modellazione e verifiche
64
Fase3: Superficie libera in funzione della permeabilità
Caso 2 (k1= 10-7m/s, k2 =10-
5m/s)
Caso 1 (k1= 10-5m/s, k2 =10-
5m/s)
65
Il cattivo dimensionamento di argini può avere conseguenze devastanti:
Stava, 1985