CARATTERIZZAZIONE GEOTECNICA DEI TERRENI SOTTO AZIONI DINAMICHE CON PROVE IN SITO E DI LABORATORIO

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2 Dinamica dei Terreni Studia il comportamento meccanico del terreno in presenza di azioni dinamiche e/o cicliche Il termine dinamico è generalmente associato al tempo di applicazione del carico (o alla velocità di applicazione) (Ishihara, 1996)

3 Dinamica dei Terreni Il termine ciclico si riferisce alla ripetizione dei cicli di carico. Sia i carichi statici sia i carichi dinamici possono rientrare nella categoria di carichi ciclici Nell accezione corrente: problemi dinamici caratterizzati cioè da carichi in cui il tempo di applicazione è così ridotto che non è possibile trascurare le forze d inerzia problemi ciclici caratterizzati cioè da carichi in cui il tempo di applicazioni è tale che è possibile trascurare le forze d inerzia

4 Sollecitazioni di un elemento di terreno durante un evento sismico σ v0 Κ 0 σ v0 σ v τ τ σ v Κ σ v Κ σ v prima durante σ v τ τ γ γ

5 Risposta meccanica dei terreni alle azioni sismiche Le condizioni di drenaggio Generalmente nei problemi dinamici riguardanti i terreni saturi la velocità di applicazione delle sollecitazioni è sufficientemente elevata da potere assumere condizioni di drenaggio impedito (condizioni non drenate). le deformazioni predominanti sono quelle di pura distorsione per la risoluzione dei problemi applicativi è sufficiente tenere conto del legame sforzi-deformazioni tangenziali

6 Deformabilità

7 Risposta di un elemento di terreno soggetto a sollecitazioni cicliche γ γ c γ c A B C τ D E F t γ c τ c γ γ c τ τ c γ

8 Parametri geotecnici Modulo di taglio secante τ c 1 G τ G c γ c γ c γ c τ c

9 Parametri geotecnici Fattore di smorzamento 1 W D 4π W W 1 τ c 2 γ c

10 Livelli di deformazione e comportamento meccanico Sia G sia D variano fortemente al variare del livello di deformazione. Si distingue: Comportamento alle piccole deformazioni γ c < 0,001% Comportamento alle medie deformazioni 0,001%< γ c < 0,1% Comportamento alle deformazioni elevate γ c > 0,1%

11 Comportamento a piccole deformazioni A piccole deformazioni (γ c <0,001%) il legame sforzi tangenziali deformazioni tangenziali è ai fini pratici schematizzabile con un modello elastico lineare τ τ c G 0 1 γ c γ Modulo di taglio massimo o iniziale Fattore di smorzamento iniziale G G 0 G max D D 0

12 Modulo di taglio massimo G G ρ V γ V g max S S ρ densità del mezzo bifase γ peso dell unità di volume del terreno g accelerazione di gravità

13 Comportamento a medie deformazioni A medie deformazioni (0.001%<γ c <0.1%) il legame τ- γ è non lineare e dissipativo τ 1 G 1 1 G 2 G 2 < G 1 D 2 > D 1 γ c,1 γ c,2 γ γ c G D

14 Comportamento a medie deformazioni A medie deformazioni il legame τ-γ influenzato dal numero dei cicli N non è γ τ 1 G γ c N1 N2 t γ c γ c γ G( N 1) G( N 2)... G( N n) D( N 1) D( N 2)... D( N n)

15 Comportamento a elevate deformazioni A deformazioni elevate il legame τ-γ è influenzato dal numero dei cicli N N1 τ N100 G( N 1) G( N 2)... G( N n) D( N 1) D( N 2)... D( N n) γ c γ c γ

16 Degradazione ciclica Indici di degradazione ciclica δ G G( N) G(1) δ D D(N) D(1) Evoluzione dei parametri di rigidezza e smorzamento con il numero dei cicli. In generale si assiste ad una degradazione del comportamento meccanico dei terreni, cioè una riduzione di G e un aumento di D.

17 Rigidezza e smorzamento in funzione del livello di deformazione non linearità e comportamento dissipativo G e D Deformazione di taglio, γ

18 Soglie di deformazione piccole medie elevate G, D G u/σ v D u/σ v γ l γ v γ γ l soglia di deformazione lineare γ v soglia di deformazione volumetrica Al di sopra di γ v si osserva accoppiamento volumetrico-distorsionale

19 Accoppiamento volumetrico-distorsionanle Prove cicliche drenate su sabbie sciolta Accoppiamento volumetrico distorsionale: accumulo di deformazioni volumetriche (riduzione dell indice dei vuoti) in seguito ad una successione di carichi ciclici ad ampiezza costante di deformazione di taglio. La graduale riduzione con il numero dei cicli dell incremento di deformazione volumetrica testimonia che il terreno diventa progressivamente sempre meno compressibile e deformabile (Youd, 1972)

20 Proprietà dinamiche di interesse Il comportamento meccanico dei terreni sotto azioni sismiche può essere descritto mediante: G 0, D 0, G(γ), D(γ), u/σ v (γ) G 0 G(γ) N cicli D 0 D(γ) γ l 0,001% γ v 0,05% u/σ v N cicli γ (log) G 0 cost D 0 cost G f(γ c ) D f(γ c ) G f(γ c,n) D f(γ c,n)

21 Rigidezza in funzione del livello di deformazione G ghiaia sabbia Argilla di bassa plasticità Argilla di alta plasticità γ (%)

22 Non linearità Campi di variazione delle curve G/G 0 -γ 1 G/G 0 sabbie 0.5 ghiaie argille 0 0,0001 0,001 0,01 0,1 1 γ(%) (Seed et al., 1986; Dobry & Vucetic, 1987)

23 Curve G/G 0 -γ and D-γ di terreni granulari Influenza della pressione di confinamento sabbia di Toyoura Curve G/G 0 -γ Curve D-γ (Kokusho, 1980)

24 Curve G/G 0 -γ and D-γ di terreni a grana fina Influenza dell indice di plasticità NB Valide per un campo di pressioni di confinamento limitato e per argille inorganiche!! (EPRI, 1993) (Vucetic & Dobry, 1991)

25 Dipendenza delle curve G/G 0 -γ and D-γ dalla pressione di confinamento (Darendeli, 2001) (Lanzo, 1995)

26 Curve G/G 0 -γ and D-γ di terreni granulari G/G a) sabbie σ' c 883 kpa EPRI (1993) D (%) 12 (Seed & Idriss, 1970) γ (%) b)

27 Curve G/G 0 -γ and D-γ di terreni granulari G/G roccia frantumanta 0.2 Kokusho 0.1 et al. (1981) 0 20 a) ghiaie Rollins et al. (1998) 15 D (%) γ (%) b) Rollins et al. (1988) Ghiaie pulite e ghiaie sabbiose d max mm σ c kpa

28 Soglia di deformazione volumetrica γ v Sabbie γ v 10-2 % (Dobry, 1989)

29 Soglia di deformazione volumetrica γ v Argilla (caolinite) γ v 4x10-2 % (Ohara e Matsuda, 1988)

30 Soglie di deformazione γ l e γ v γ l 10-2 % γ v 10-1 % γ v 10-2 % γ l 10-4 % La soglia di deformazione lineare γ l varia tra % La soglia di deformazione volumetrica γ v è di 1-2 ordini di grandezza più grande

31 Degradazione ciclica δ G G(N) G(1) N d A parità di numero di cicli, la degradazione ciclica cresce al crescere della deformazione di taglio (Ishihara, 1996)

32 Degradazione ciclica δ G G(N) G(1) N d A parità di deformazione di taglio, la degradazione ciclica cresce al ridursi dell indice di plasticità I P. Quindi argille di elevata plasticità sono meno suscettibili a fenomeni di degradazione ciclica (Tan e Vucetic, 1989)

33 Degradazione ciclica δ G G(N) G(1) N d La degradazione ciclica si riduce marcatamente al crescere del rapporto di sovraconsolidazione OCR. (Vucetic e Dobry, 1988) I fenomeni di degradazione ciclica sono più marcati per argille NC di bassa plasticità

34 Resistenza al taglio

35 Resistenza al taglio in presenza di sisma: riduzione della resistenza al taglio: aumento pressioni interstiziali ( u indotte dal sisma) degradazione parametri di resistenza (c, ϕ o c u ) τ f c' + ( σ u) tan ϕ' c' + ( σ ' 0 u) tan ϕ' T.E. τf c u T.T.

36 Sovrappressioni interstiziali e liquefazione Sabbie sciolte (Ishihara, 1985) aumento improvviso delle deformazioni di taglio accumulo irreversibile delle sovrappressioni interstiziali u condizione di liquefazione in termini tensionali 1 σ' τ f c' + ( σ ' 0 u) tan ϕ' 0 0

37 Sovrappressioni interstiziali e mobilità ciclica Sabbie dense (Ishihara, 1985) aumento graduale delle deformazioni di taglio ampie oscillazioni delle sovrappressioni interstiziali condizione di liquefazione in termini deformativi γ γ lim (ad es. 5%)

38 Resistenza al taglio ciclica dei terreni granulari La resistenza ciclica è generalmente espressa in termini di relazione tra il rapporto tensionale ciclico (CRR) τ/σ o e il numero di cicli uniformi N c che portano il terreno a rottura. (De Alba et al., 1976) Tale relazione è fortemente influenzata dalla densità relativa D r

39 Sovrappressioni interstiziali nei terreni a grana fina Il valore della sovrappressione interstiziale indotta dipende da: livello di deformazione numero di cicli di carico rapporto di sovraconsolidazione indice di plasticità (Dobry and Vucetic, 1987)

40 Resistenza al taglio ciclica dei terreni a gran fina τ c f u possibili riduzioni della coesione non drenata c u : - per degradazione ciclica del materiale; - per accumulo di u (proporzionale al numero di cicli equivalenti al sisma); indice di degradazione ciclica: δ cu c u c u (N) (1) (si vedano in proposito le Linee Guida AGI, 2005)

41 Grazie per l attenzione