PROVE SPERIMENTALI IN PICCOLA SCALA SU FRONTI DI SCAVO RINFORZATI MEDIANTE INCLUSIONI RIGIDE E DEFORMABILI

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1 PROVE SPERIMENTALI IN PICCOLA SCALA SU FRONTI DI SCAVO RINFORZATI MEDIANTE INCLUSIONI RIGIDE E DEFORMABILI Claudio di Prisco Politecnico di Milano claudio.diprisco@polimi.it Luca Flessati Politecnico di Milano luca.flessati@polimi.it Gabriele Frigerio Politecnico di Milano gabriele.frigerio@polimi.it Sommario In questa nota sono riportati i risultati di una serie di prove sperimentali eseguite su un modello in piccola scala volte ad analizzare la risposta meccanica di fronti di gallerie profonde scavate in materiale coesivo saturo rinforzato mediante inclusioni rigide e deformabili. In particolare, si riportano i risultati ottenuti per differenti lunghezze, numerosità e rigidezze dei rinforzi. Data la tipologia di terreno presa in considerazione, la risposta meccanica del sistema è fortemente influenzata dal processo di consolidazione che avviene nel nucleo di avanzamento. Tale aspetto è analizzato considerando diverse velocità di scarico del fronte. 1. Introduzione Nello scavo di gallerie dal tracciato particolarmente irregolare o realizzate in terreni fortemente eterogenei, lo scavo tradizionale è tuttora preferito allo scavo meccanizzato. Fra le tecniche utilizzate nello scavo tradizionale, è particolarmente diffuso l utilizzo di barre in vetroresina per rinforzare il fronte di scavo. L analisi della risposta meccanica di fronti di scavo rinforzati mediante inclusioni è stata analizzata nel passato da diversi autori da un punto di vista teorico (Anagnostou e Perazzelli 2015), sperimentale (Calvello e Taylor 1999, Yoo e Shin 2003, Shin et al 2008, Juneja et al 2010, Flessati (2017) e di Prisco et al. (2017a)) e numerico (Peila 1994, Ng & Lee 2002, Yoo e Shin 2003). A seguire si riportano i risultati di una serie di prove sperimentali eseguite su un modello in piccola scala, che intende riprodurre una galleria profonda scavata in uno strato omogeneo di argilla. Si sono considerati sia fronti di scavo non rinforzati, sia fronti di scavo rinforzati. Seguendo l approccio utilizzato da altri autori (Calvello e Taylor 1999, Yoo e Shin 2003 e Sterpi e Cividini 2004, di Prisco et al. (2017a) e di Prisco et al. (2017b)) si è scelto di analizzare la risposta del sistema considerando una geometria fissa e riproducendo il processo di scavo come una progressiva riduzione dello sforzo orizzontale applicato al fronte (inizialmente pari a σ f0). I risultati sono analizzati utilizzando la curva caratteristica del fronte che mette in relazione lo sforzo al fronte (σ f) con lo spostamento medio del fronte stesso (u f). Dato che si considera una galleria scavata in uno strato di materiale coesivo, la risposta del sistema è fortemente influenzata dal processo di consolidazione. L influenza del tempo sulla risposta meccanica del sistema è stata analizzata considerando diverse velocità di scarico del fronte (il tempo necessario a scaricare interamente il fronte è definito Δt).

2 2. Curva caratteristica del fronte L utilizzo delle curve caratteristiche del fronte per studiare la risposta del sistema è particolarmente conveniente, poiché, come mostrato dai risultati numerici ottenuti da di Prisco et al (2017b), introducendo delle opportune variabili adimensionali è possibile ottenere un unica curva caratteristica indipendente dalla scala del problema. In Figura 1 le curve caratteristiche ottenute da analisi numeriche (Tabella 1) in cui si sono considerate diverse proprietà meccaniche (il modulo elastico E e la coesione non drenata C u), geometria (diametro D e copertura H) e stato di sforzo iniziale) sono rappresentate nel piano adimensionale Q f-q f: e Q f = (1 σ f σ f0 ) σ f0 C u q f = u f u fr,el σ f0 C u dove u fr,el è lo spostamento indotto da uno scarico completo del fronte che si otterrebbe nel caso elastico. D [m] H [m] E [kpa] C u [kpa] ELPL ELPL ELPL ELPL ELPL ELPL ELPL Tab. 1: Geometria e proprietà meccaniche utilizzate per ottenere i risultati mostrati in Figura 1 Fig 1. Curve caratteristiche del fronte nel piano adimensionale Q f-q f 3. Apparato sperimentale Il modello utilizzato per le prove sperimentali è rappresentato nelle Figure 2a e 2b. Il problema è simmetrico rispetto al piano verticale contenente l asse della galleria; pertanto si è considerato solamente metà dominio. La forma della sezione della galleria (Figura 2c), il cui diametro equivalente D è pari a

3 190mm, è ispirata alla galleria Tartaiguille. Per analizzare l influenza del processo di consolidazione sulla risposta meccanica del sistema si sono eseguite prove al variare della velocità di scarico. Lo sforzo al fronte è direttamente imposto mediante il pistone rappresentato in Figura 1d, mentre gli spostamenti sono misurati mediante il sensore laser di Figura 1d. Fig 2. Modello utilizzato per le prove (dimensioni in mm) Il terreno utilizzato per la prova è caolino ricostituito in laboratorio, preparato ad un contenuto d acqua pari a 1.5w l (ove il limite liquido w l=73%) e consolidato sotto il peso proprio. Il drenaggio è consentito sia dalla superficie superiore che da quella inferiore del modello. Su entrambe le superficie la pressione dell acqua coincide con la pressione atmosferica. Per ridurre i tempi di consolidazione, si sono introdotti all interno del modello dei dreni verticali (Figura 1e), rimossi prima di eseguire la prova. Il tempo di consolidazione (17giorni) e la spaziatura fra i dreni (14cm) sono stati definiti a partire da una serie di prove preliminari di consolidazione (Flessati, 2017), qui omesse per brevità. Le coperture ottenute al termine della consolidazione per le diverse prove e il tempo di scarico delle prove sono riportati in Tabella 2. I rinforzi sono stati riprodotti mediante barre di sezione circolare di diametro pari a 3mm inserite nel terreno al termine della fase di consolidazione. Per riprodurre inclusioni rigide e deformabili, si sono rispettivamente utilizzati rinforzi in ottone e in polietilene (HDPE). È stata di volta in volta variata la lunghezza (L), il numero (n) e la rigidezza dei rinforzi (Tabella 2).

4 4. Risultati sperimentali H (m) Δt (min) n L/D Rinforzi TEST A TEST A TEST A TEST A TEST A TEST A TEST A TEST B Ottone TEST B Ottone TEST B Ottone TEST C Ottone TEST D Ottone TEST D Ottone TEST D Ottone TEST E HDPE Tab. 2: Dati delle prove Le curve caratteristiche del fronte ottenute considerando il fronte non rinforzato (prove A i di Tabella 2) al variare della velocità di scarico del fronte sono rappresentate nel piano 1-σ f/σ f0-u f/d in Figura 3a. I risultati mostrano chiaramente che, all aumentare del tempo di scarico, gli spostamenti del fronte aumentano. I risultati al variare del tempo possono essere riassunti in un piano in cui è rappresentata la variazione degli spostamenti residui del fronte (u fr corrispondente a σ f=0) con Δt (Figura 3b). In particolare tali risultati sono rappresentati nel piano adimensionale u fr/d Δt* dove il tempo di scarico adimensionale è definito come: Δt = 1 Υ = k Δt γ w m D 2 dove Υ è la velocità di scarico adimensionale definita da Flessati et al (2017), γ w è il peso per unità di volume dell acqua, k la conducibilità idraulica e m la cedevolezza volumetrica. I Fig 3. Risultati delle prove di fronte non rinforzato: a) nel piano 1-σ f/σ f0-u f/d e b) nel piano u fr/d-δt*

5 In Figura 3b è definito un tempo di scarico critico (Δt ) per il sistema. In Figura 4a i risultati sperimentali ottenuti nel caso di fronte non rinforzato (A 1) sono confrontati con i risultati ottenuti nel caso di fronte rinforzato (B 1, C 1, D 1 ed E 1). Queste cinque prove sono state eseguite con il medesimo valore di Δt (Tabella 2). Come atteso, la presenza dei rinforzi riduce significativamente gli spostamenti del fronte. Inoltre, i risultati ottenuti a parità di numero e di lunghezza ma per una diversa rigidezza dei rinforzi (prove B 1 ed E 1) mettono in evidenza che la rigidezza dei rinforzi influenza significativamente la risposta del sistema. In Figura 4a si è ottenuto un solo risultato inatteso. Nonostante il minor numero di rinforzi utilizzato nella prova C 1 gli spostamenti sono minori rispetto a quelli ottenuti nella prova B 1. Questo risultato sembra indicare che la velocità di consolidazione sia influenzata dalla lunghezza/numero di rinforzi, come mostrato da di Prisco et al. (2017a). In Figura 4b i risultati ottenuti al variare del tempo di scarico sono riassunti nel piano u fr-δt. I risultati mostrano chiaramente che, anche nel caso di fronte rinforzato, gli spostamenti aumentano significativamente all aumentare del tempo di scarico. Fig 4. a) Curve caratteristiche del fronte per Δt=3,5min e b) variazione di u fr con Δt 5. Conclusioni In questa nota sono riportati i risultati di una serie di prove sperimentali volte a riprodurre la risposta meccanica di fronti di gallerie profonde scavate in materiale coesivo. In particolare, sono stati considerati fronti rinforzati e fronti non rinforzati e si è analizzata l influenza del numero, della lunghezza e della rigidezza dei rinforzi. I risultati sperimentali mettono in evidenza che la risposta del sistema è fortemente influenzata dal processo di consolidazione indotto dallo scarico del fronte. Infatti gli spostamenti aumentano significativamente all aumentare del tempo di scarico del fronte stesso. Inoltre i risultati sperimentali suggeriscono che la presenza dei rinforzi, causando un incremento della rigidezza del terreno nel nucleo di avanzamento, influenzi indirettamente la velocità di consolidazione. 6. Ringraziamenti Questa ricerca è stata finanziata dalle società Rocksoil S.p.A. e Maccaferri S.p.A. e si colloca all interno di un più ampio programma di ricerca numerico/sperimentale volto alla definizione di soluzioni progettuali innovative nel consolidamento di fronti di gallerie mediante rinforzi in vetroresina.

6 Bibliografia Anagnostou, G., & Perazzelli, P. (2015). Analysis method and design charts for bolt reinforcement of the tunnel face in cohesive-frictional soils. Tunnelling and Underground Space Technology, 47, Calvello, M., & Taylor, R. N. (1999). Centrifuge modelling of a pile-reinforced tunnel heading. Proc. of geotechnical aspect of underground construction in soft rock, Rotterdam, di Prisco, C., Flessati, L., Frigerio, G., Castellanza, R., Caruso, M., Galli, A. and Lunardi, P. (2017) Experimental investigation of the time-dependent response of unreinforced and reinforced tunnel faces in cohesive soils, Acta Geotechnica, In revisione di Prisco, C., Flessati, L., Frigerio, G., & Lunardi, P. (2017) A numerical exercise for the definition under undrained conditions of the deep tunnel front characteristic curve. Acta Geotechnica, Flessati, L. (2017). Mechanical response of reinforced deep tunnel fronts in cohesive soils: experimental and numerical analyses. Tesi di dottorato, Politecnico di Milano. Flessati, L., di Prisco, C., Frigerio, G. and Lattanzi, A. (2017) Influence of time on the mechanical response of deep tunnel fronts excavated in cohesive materials. In proc. EURO:TUN2017, Innsbruck, Austria Juneja, A., Hegde, A., Lee, F. H., & Yeo, C. H. (2010). Centrifuge modelling of tunnel face reinforcement using forepoling. Tunnelling and Underground Space Technology, 25(4), Ng, C.W.W., Lee, G.T.K. (2002). A three-dimensional parametric study of the use of soil nails for stabilizing tunnel faces. Computers and Geotechnics 29, Peila, D. (1994). A theoretical study of reinforcement influence on the stability of a tunnel face. Geotechnical & Geological Engineering, 12(3), Shin, J. H., Choi, Y. K., Kwon, O. Y., & Lee, S. D. (2008). Model testing for pipe-reinforced tunnel heading in a granular soil. Tunnelling and Underground Space Technology, 23(3), Sterpi, D., & Cividini, A. (2004). A physical and numerical investigation on the stability of shallow tunnels in strain softening media. Rock Mechanics and Rock Engineering, 37(4), Yoo, C., & Shin, H. K. (2003). Deformation behaviour of tunnel face reinforced with longitudinal pipes laboratory and numerical investigation. Tunnelling and Underground Space Technology, 18(4),