UNIVERSITA DEGLI STUDI DI NAPOLI FEDERICO II ANALISI ELASTO-PLASTICA TRIDIMENSIONALE DI OPERE DI STABILIZZAZIONE DI FRANE PROFONDE

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1 UNIVERSITA DEGLI STUDI DI NAPOLI FEDERICO II SCUOLA POLITECNICA DELLE SCIENZE DI BASE COLLEGIO DI INGEGNERIA CORSO DI LAUREA IN INGEGNERIA STRUTTURALE E GEOTECNICA ANALISI ELASTO-PLASTICA TRIDIMENSIONALE DI OPERE DI STABILIZZAZIONE DI FRANE PROFONDE RELATORE CH.MO.PROF.ING. GIANFRANCO URCIUOLI CANDIDATO M56/338 CORRELATORE DOTT. ING. MARIANNA PIRONE ANNO ACCADEMICO 2015/2016

2 I fenomeni franosi, costituiscono indubbiamente una delle cause principali di rischio per l incolumità di beni e persone. Nel presente lavoro di tesi è stata condotta una modellazione agli elementi finiti di un intervento di stabilizzazione di una frana profonda da scorrimento rotazionale con l ausilio del software di calcolo Plaxis 3D. Generalmente questa tipologia di frana richiede un intervento di tipo attivo finalizzato ad impedire l'innesco di fenomeni di dissesto elevando il coefficiente di sicurezza del pendio mediante una riduzione delle forze sollecitanti e/o un incremento di quelle resistenti. Il caso studio riguarda la messa in sicurezza della linea ferroviaria Salerno-Reggio Calabria, in particolare i lavori di Stabilizzazione/Contenimento del fenomeno franoso del versante tra i km e nel Comune di Pisciotta. Nel caso esaminato lo spessore della frana in atto è notevole e al di sotto del fascio di binari sfiora i 40 m, il che configura una situazione estremamente impegnativa sotto sia il profilo geotecnico che progettuale. Pertanto è stato dimensionato un duplice intervento: un pozzo da cui partono una serie di aste drenanti per abbassare la falda freatica fino alla superficie di scorrimento critica ed una fila di rostri che svolge un ulteriore funzione strutturale di stabilizzazione del movimento franoso. Si evidenzia che il pozzo oltre che assolvere alla funzione di ricettore/scarico del sistema di aste drenanti, svolge anche una ruolo strutturale di contenimento del movimento franoso. Infine è anche prevista la realizzazione di una paratia di pali a ridosso del rilevato ferroviario per limitarne gli spostamenti. Si riporta in Figura 1 lo schema degli interventi previsti.

3 Figure -1 Schema di intervento Sui campioni indisturbati disponibili sono state eseguite prove di taglio e di compressione triassiale. Lungo la superficie di scorrimento, localizzata a circa 22 m di profondità, è disponibile la resistenza residua, in virtù degli spostamenti relativi che si sono accumulati durante i vari decenni di vita della frana e come è stato confermato dalle misure inclinometriche disponibili. A valle di tali informazioni si è provveduto all implementazione della modello stratigrafico in Plaxis 3D, software agli elementi finiti [Figura 2]. Figure-2 Modello stratigrafico

4 Per modellare gli interventi di stabilizzazione in PLAXIS è stato utilizzato l elemento strutturale Embedded Beam che genera una particolare zona elastica attorno all elemento consentendo di tener conto del reale volume occupato dall opera [Figura 3]. Figure 3 Modellazione degli elementi strutturali Al fine di valutare le condizioni di stabilità del pendio nello stato di fatto ed a valle di ogni intervento, sono state condotte delle Analisi di stabilità mediante la procedura utilizzata da Plaxis 3D di Phi-c-reduction. In particolare, le proprietà meccaniche dei materiali sono ridotte in ugual misura fino all attingimento della rottura del terreno (1). (1) Si riportano di seguito le superfici di scorrimento che si registrano nello stato di fatto ed a valle della realizzazione di ciascun intervento con il relativo fattore di sicurezza [Figura 4, Figura 5, Figura 6, Figura 7, Figura 8].

5 F.S.=1,070 Figure-4 Superficie di scorrimento allo Stato di fatto F.S.=1,531 Figure-5 Superficie di scorrimento a pozzo inserito F.S.=1,541 Figure-6 Superficie di scorrimento con pozzo e rostri inseriti

6 F.S.=1,732 Figure-7 Superficie di scorrimento allo stato di progetto (a valle di tutti gli interventi) in condizioni statiche F.S.=1,405 Figure-8 Superficie di scorrimento allo stato di progetto (a valle di tutti gli interventi) in condizioni sismiche Il fattore di sicurezza ottenuto allo stato di fatto [Figura 4] conferma che il pendio si trova in condizione di equilibrio limite. Dopo l inserimento del pozzo [Figura 5] si registra un notevole incremento del fattore di sicurezza rispetto allo stato di fatto che indica la grande efficacia di tale intervento. A valle di tutti gli interventi, il fattore di sicurezza risulta essere pari a 1,732 in condizione statiche [Figura 7], mentre arriva a 1,405 in condizioni sismiche [Figura 8]. Al termine di ogni analisi sono state osservate le caratteristiche delle sollecitazioni al collasso sul pozzo; i valori massimi di Taglio e Momento risultano troppo elevati indicando che ci troviamo in un caso atipico di frana da scorrimento profonda in cui l elemento limitante è quello strutturale.

7 Alla luce di tali elevati valori di sollecitazione, si è convenuto arrestare le analisi di stabilità al raggiungimento di un valore di taglio massimo sul pozzo alla profondità della superficie di scorrimento pari a T=32500,00 kn, che ai fini del dimensionamento strutturale corrisponde ad un valore del taglio amplificato del 30% e pari a T=42250,0 kn (comb. STR). Per tale valore di taglio si ottengono i seguenti fattori di sicurezza a valle di ogni intervento [Figura 9 e Figura 10]. 1,800 1,700 1,600 1,500 1,400 1,300 1,200 1,100 1,000 ΣMsf [-] a) F.S.=1,255 Q 12 [kn] ,800 1,700 1,600 1,500 1,400 1,300 1,200 1,100 1,000 b) ΣMsf [-] F.S.=1,320 Q 12 [KN] Figure -9 F.S. per un valore di T =32500 Kn, a) Analisi di stabilità a pozzo inserito b) analisi di stabilità a rostri inseriti 1,800 1,700 1,600 1,500 1,400 1,300 1,200 ΣMsf [-] a) F.S=1,485 1,800 1,700 1,600 1,500 1,400 1,300 1,200 ΣMsf [-] b) F.S.= 1,194 1,100 1,000 Q 12 [kn] ,100 1,000 Q 12 [KN] Figure 10 F.S. per un valore di T =32500 Kn, a) Analisi di stabilità allo stato di progetto (statica) b) Analisi di stabilità allo stato di progetto (sismica) Infine è stato valutato il carico unitario Pu attorno al pozzo per la fase analisi di stabilità a pozzo inserito, che rappresenta la risultante per unità di lunghezza del pozzo delle tensioni agenti sul perimetro dello stesso. Tale valore è stato successivamente confrontato con andamenti teorici valutati secondo due diversi approcci, secondo la condizione di Pendio Indefinito ed Eurocodice 7 [Figura 11].

8 z -53, , ,7 Pu [kn] -68,7-73,7-78,7-83,7-88,7-93,7-98,7-103,7 Pu da Plaxis Pu da Rankine Pu da Eurocodice Figure 11 Andamento delle Pu Il confronto tra le tensioni ultime attorno al pozzo e quelle limiti calcolate con formule teoriche si evince che le pressioni ultime calcolate con la formula di Rankine sono in accordo con le tensioni ultime calcolate anche per una geometria complessa come quella in esame. E stato anche investigato il comportamento del pendio in fase di esercizio. Al fine di proteggere la linea ferroviaria da spostamenti eccessivi ed allo stesso tempo da eventi franosi molto superficiali, si prevede la realizzazione di paratia di pali ubicata immediatamente a valle del rilevato ferroviario stesso. Sono stati considerati cicli di oscillazioni di falda costanti nel tempo per una durata di 5 anni, la falda parte da una profondità di 8,5 metri rispetto la condizione iniziale in modo tale da raggiungere come massimo innalzamento la configurazione finale prevista dall intervento di drenaggio, 7 metri rispetto la configurazione di falda iniziale [Figura 12]. 1 0,5 0-0,5 A [m] t [anni] 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5-1 Figure 12 Cicli di oscillazione di falda

9 Al fine di valutare l efficacia di tale intervento è stato condotto uno studio in assenza di paratia ed in presenza di paratia. A valle di tale analisi sono stati valutati gli spostamenti in testa al pozzo [Figura 13] ed in asse al rilevato ferroviario [Figura 14]. u x [m] 0,07 Senza paratia Prima parati poi pozzo 0,05 0,03 0,01 t [anni] -0, Figure 13 Spostamenti in testa al pozzo u x [m] 0,14 0,12 0,10 0,08 0,06 0,04 0,02 0,00 Senza paratia Prima paratia poi pozzo 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 t [anni] Figure 14 Spostamenti in asse al rilevato ferroviario In conclusione, nell ambito di tale tesi, la modellazione 3D è stata utile per analizzare una geometria complessa quale quella del caso in esame. La modellazione in Plaxis 3D evidenzia l efficacia dell'intervento di stabilizzazione, infatti i coefficienti di sicurezza risultano più che soddisfacenti. In questo caso trattandosi di una frana profonda, l elemento limitante è risultato il pozzo, pertanto in accordo a come è stata progettata la sezione, si attinge un coefficiente di sicurezza più basso di quello che il terreno avrebbe se arrivasse al collasso. In condizioni di esercizio gli spostamenti massimi in testa al posto ed in asse al rilevato, dovuti all innalzamento della falda durante il ciclo stagionale, si riducono se è realizzata una paratia di pali a valle.