UNIVERSITA DEGLI STUDI DI NAPOLI FEDERICO II

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1 UNIVERSITA DEGLI STUDI DI NAPOLI FEDERICO II FACOLTÀ DI INGEGNERIA DIPARTIMENTO DI INGEGNERIA CIVILE, EDILE ED AMBIENTALE CORSO DI LAUREA MAGISTRALE IN INGEGNERIA STRUTTURALE E GEOTECNICA TESI DI LAUREA ANALISI NUMERICA DEL COMPORTAMENTO DI COLONNE DI TERRENO CONSOLIDATO PER LA STABILIZZAZIONE DI COLTRI IN FRANA RELATORE: PROF. ING. MASSIMO RAMONDINI CORRELATRICE: ING. STEFANIA LIRER CANDIDATO: SIMONE CIAMPI MATR. M56/018 ANNO ACCADEMICO 2012/2013

2 ABSTRACT La stabilizzazione di un corpo di frana in moto o il consolidamento di un pendio in precarie condizioni di stabilità richiedono un adeguata conoscenza delle cause di instabilità. Sapendo che le caratteristiche geometriche del versante ed il regime delle pressioni neutre sono all origine della maggior parte dei dissesti, ben si comprende come, ad oggi, le tecniche di stabilizzazione più utilizzate nell ingegneria geotecnica siano state gli interventi di drenaggio e di modifica del profilo del versante. Numerosi sono però i fattori da cui dipende la scelta e la fattibilità di un intervento di stabilizzazione di un pendio, tra cui: le condizioni di stabilità del versante, la tipologia di frana, le dimensioni e la velocità di spostamento della stessa. E in tale ambito che sono nati e progressivamente si sono sviluppati dei processi di intervento mirati al miglioramento delle proprietà della massa di terreno coinvolta o ad opporsi all instabilità attraverso l inserimento di rinforzi. Per tecniche di rinforzo si intendono tutti gli interventi che prevedono l inserimento di elementi resistenti nel terreno come paratie, pali e micropali. Di seguito si approfondisce la tecnica di intervento mediante l inserimento di pali. L impiego dei pali, come intervento di stabilizzazione di un pendio instabile, è una tecnica introdotta in Giappone nella seconda metà del secolo scorso (Fukuoka, 1977). Le applicazioni principali si sono avute nel campo delle costruzioni stradali e ferroviarie; sono infatti essenzialmente questi i campi in cui si può verificare la necessità di stabilizzare o anche solo rallentare l avanzamento di una frana superficiale che coinvolge aree molto estese. Gli interventi di stabilizzazione con pali vengono effettuati disponendo gli elementi resistenti in uno o più allineamenti trasversali alla pendenza del pendio. I pali vengono realizzati con un interasse generalmente superiore a due volte il diametro. Numerose prove in piccola scala hanno dimostrato che una fila di pali discontinui fornisce un incremento significativo alla stabilità di un pendio a condizione che riesca a svilupparsi un effetto arco fra i pali (Bosscher et al., 1986). Attraverso questo meccanismo di interazione palo-palo la fila si comporta come un elemento di contenimento continuo ed impedisce il trasferimento degli incrementi di tensione orizzontale a valle. Il principio di funzionamento di un intervento di stabilizzazione con pali consiste nel disporre una o più file di pali equidistanziati (trasversali alla direzione del moto) che siano in grado di trasferire parte delle forze instabilizzanti dalla coltre in frana al substrato

3 stabile; i pali, anche senza bloccare completamente la colata, possono diminuirne completamente la velocità di avanzamento e di conseguenza mitigarne gli effetti. L intervento di stabilizzazione è finalizzato principalmente a ridurre gli spostamenti e di conseguenza un approccio di analisi tradizionale, che non è in grado di considerare questo aspetto, risulta evidentemente insoddisfacente. Appare evidente che realizzare una struttura di contenimento discontinua può essere particolarmente vantaggioso dal punto di vista economico nel caso di colate estese; inoltre, questa pratica di intervento risulta poco invasiva e non comporta, durante la realizzazione, l insorgere di problematiche che possano compromettere l equilibrio generale del pendio. Poulos (1995) osserva che un intervento di stabilizzazione con pali risulta efficace se possiede le seguenti caratteristiche: 1. i pali devono essere di grande diametro e relativamente rigidi, in tal modo gli elementi strutturali riescono a fornire un significativo contributo di resistenza senza il rischio di plasticizzarsi; 2. devono attestarsi nella formazione di base stabile per una lunghezza almeno pari allo spessore della coltre in frana, in questo modo si evita l insorgere di una nuova superficie di scorrimento al di sotto dei pali; 3. la fila di pali deve essere preferibilmente posizionata al centro della superficie di scorrimento critica per impedire la formazione di superfici di scorrimento a monte o a valle della fila. L approccio classico è quello di utilizzare pali in cls che, partendo dal piano campagna, si ammorsano poi nel substrato stabile. In studi precedenti si è voluta valutare anche l influenza di pali corti in cls, posti a cucitura della zona di taglio (tale quindi da non partire dal piano campagna, ma al di sotto di esso), tale approccio è giustificato dal voler trovare un intervento che comporti un minore dispendio economico nella fase di realizzazione del palo, evidentemente un palo lungo ha un costo notevolmente superiore rispetto ad uno di ridotte dimensioni, oltre che ad evidenziare le differenze di comportamento tra le due tipologie di palo. In seguito a svantaggi come l uso di armatura, tubi-forma o il riempimento del vuoto lasciato in fase di realizzazione del palo tra p.c. e testa dello stesso, si è valutata la possibilità di intervento mediante colonne di terreno consolidato con la tecnica del Deep Mixing.

4 Quella del Deep Mixing è una particolare tecnica finalizzata a migliorare le caratteristiche meccaniche ed idrauliche del terreno mediante miscelazione con boiacca di cemento o calce. Ci si avvale di un attrezzatura ad elica rotante che contemporaneamente rilascia la miscela nel volume di terreno da consolidare. Il Deep Mixing è una pratica che sia dal punto di vista economico, ambientale che dell esecuzione, offre notevoli vantaggi. - la semplicità nell installazione delle colonne mediante apparecchiature di facile utilizzo (contemporaneamente si penetra nel terreno e si inietta la miscela consolidata riducendo i tempi di esecuzione e quindi i costi); - impatto ambientale nullo; - i ridotti costi (soprattutto se paragonati ad interventi con cls armato). A tal fine è risultato di fondamentale importanza l utilizzo di un codice di calcolo alle differenze finite FLAC 3D, con l obiettivo principale di estendere l analisi numerica a condizioni geometriche variabili (lunghezza dei pali, interasse tra gli stessi). Lo studio è stato condotto quindi attraverso un modello tridimensionale e le analisi hanno permesso di trarre conclusioni sull influenza che hanno alcuni fattori sull efficacia di un intervento di stabilizzazione con colonne. I terreni sono stati schematizzati sempre con un modello costitutivo elastico-perfettamente plastico con un criterio di rottura alla Mohr-Coulomb. Come definito precedentemente, al fine di evidenziare le differenze di comportamento al variare di parametri come la lunghezza della colonna o l interasse tra gli stessi sono state definite diverse geometrie e quindi analisi, riassunte di seguito: Lunghezza versante Pendenza Lunghezza Colonna interasse s/2 (m) ( ) (m) (m) lunga corta 1.2 2

5 L obiettivo del lavoro di tesi è stato quello di sviluppare un analisi di f-c reduction, ovvero una riduzione delle caratteristiche meccaniche dei terreni al fine di individuare le condizioni di attivazione del meccanismo, oltre le quali risulta inefficace l intervento. Sono state distinte due analisi: una f-c reduction nella zona di taglio, e una f-c reduction nella coltre superficiale (volume di terreno che si estende da p.c. alla shearzone). Si è valutato inoltre il coefficiente di sicurezza FS per le diverse tipologie di intervento. Pertanto attraverso l analisi numerica è stato possibile constatare che: - l uso di colonne di terreno consolidato al posto di pali armati permette di ottenere margini di sicurezza sufficienti per la stabilizzazione di coltri superficiali in frana; - l effetto arco si verifica sempre, aldilà della lunghezza della colonna o dell analisi svolta; - f-c reduction nella SHEARZONE: la lunghezza della colonna non influisce per piccoli interassi (mentre per grandi interassi lavora meglio la colonna lunga); - per le analisi nella SHEARZONE e nella COLTRE SUPERFICIALE la colonna corta - perde la sua efficacia al crescere di s; - per l analisi nella COLTRE SUPERFICIALE la colonna lunga garantisce la sua efficacia al crescere di s, mantenendo invariato FS; - la tecnica del Deep Mixing assicura vantaggi esecutivi, economici riducendo l impatto ambientale; - sono necessari sviluppi futuri per valutare l influenza dei parametri geometrici e meccanici del versante e dei terreni.