Milano, Ottobre 2015 - Politecnico di MilanoRicostruzione del modello geotecnico Milano, Ottobre...

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