Nuovi Strumenti per la Progettazione Geotecnica: indagini, analisi numerica e modellazione 3D

Transcript

1

2 Nuovi Strumenti per la Progettazione Geotecnica: indagini, analisi numerica e modellazione 3D Marco Barla Dipartimento di Ingegneria Strutturale Edile e Geotecnica Politecnico di Torino

3 Indice Modello geotecnico Continuo vs discontinuo La modellazione numerica nelle norme tecniche 2D vs 3D Applicazioni Considerazioni conclusive

4 Modello geotecnico È una rappresentazione schematica della realtà in grado di descrivere gli aspetti fondamentali del comportamento di un terreno o ammasso roccioso. Si ottiene combinando assieme tutte le informazioni fornite dal processo di caratterizzazione geologica e geotecnica. At microscale all materials are discrete systems. However, representing the microscopic components individually is intractable mathematically and unnecessary in practice. The model does not have to be complete and perfect: it only has to be adequate for the purpose. (Jing 2003) (Barla 2010)

5 Modello geotecnico CONTINUO EQUIVALENTE, l ammasso roccioso è trattato come un continuo con caratteristiche meccaniche di deformabilità e resistenza omogenee in tutte le direzioni definendo un comportamento costitutivo del mezzo di tipo elastico, elasto-plastico, ecc. DISCONTINUO, l ammasso roccioso è rappresentato come un discontinuo e l attenzione è riposta sulla caratterizzazione degli elementi di roccia integra e delle discontinuità. L approccio di modellazione consiste nel considerare la natura a blocchi del sistema. Ciascun blocco può interagire con quelli adiacenti attraverso i giunti.

6 Metodi di analisi progettuale EMPIRICO: basato su esperienze pregresse (ad esempio mediante l uso degli indici di classificazione degli ammassi rocciosi: RMR, Q, GSI) EQUILIBRIO LIMITE: si applica facendo una analisi ad equilibrio limite basata sulle caratteristiche di resistenza di terreni, rocce e discontinuità. ANALISI DELLE TENSIONI: consiste nel calcolare tensioni e deformazioni in tutti i punti del complesso terreno-struttura in base alle caratteristiche di deformabilità e resistenza di terreni, rocce e discontinuità. Metodi numerici

7 I metodi numerici CONTINUO! TERRENO! ROCCIA TENERA! AMMASSO ROCCIOSO MASSIVO CONTINUO EQUIVALENTE! AMMASSI ROCCIOSI INTENSAMENTE FRATTURATI DISCONTINUO! AMMASSI ROCCIOSI GIUNTATI DEM FEM, FDM BEM FDEM

8 I metodi numerici Metodi continui: - Discretizzazione - Condizioni al contorno - Soluzione

9 I metodi numerici Metodi discontinui La principale caratteristica del DEM è la capacità di descrivere spostamenti finiti e rotazioni degli elementi (blocchi o particelle), incluso il completo distacco degli elementi originariamente in contatto o, viceversa, nuovi contatti di elementi originariamente non a contatto. Nel DEM un ammasso roccioso è rappresentato da un insieme di blocchi discreti (rigidi o deformabili). I giunti sono le interfacce tra blocchi distinti. I movimenti sono il risultato della propagazione di una perturbazione (carico applicato o foze di volume) attraverso il sistema di blocchi.

10 La modellazione numerica nelle norme tecniche La modellazione numerica è implicitamente inclusa tra i metodi di calcolo ed è esplicitamente richiamata con riferimento alle opere in sotterraneo (pgf Metodi di calcolo, pagina 215): Per lo svolgimento delle analisi progettuali si deve fare riferimento ai modelli geotecnici di sottosuolo di riferimento e a leggi di comportamento note e di provata validità. Inoltre, si deve ricorrere a metodi e procedimenti di calcolo di comprovata validità, adeguati alla complessità del sistema opera-terreno e al livello di progettazione. In generale si deve ricorrere ad uno o più dei seguenti procedimenti: a) metodi analitici; b) metodi numerici, per simulare il comportamento del sistema opera-terreno, nelle diverse fasi di scavo e costruzione, nonché in condizioni di esercizio. Norme Tecniche per le Costruzioni circolare applicativa 2009!

11 Analisi di progetto Le verifiche di calcolo vanno effettuate secondo l approccio e la combinazione indicata nelle NTC. Quindi anche con l utilizzo dei metodi numerici occorre adottare i coefficienti parziali nel caso delle analisi di progetto. (Norme Tecniche per le Costruzioni 2008)

12 Analisi di progetto Nella maggior parte delle applicazioni reali non esiste un metodo semplice per prevedere il comportamento tridimensionale delle strutture re geotecniche. Occorre di conseguenza produrre un progetto o iniziale basato sulle condizioni più probabili (geologiche, idrogeologiche, parametri geotecnici, metodi costruttivi, ) accompagnato da una previsione di comportamento e un sistema di controllo e verifica. L incertezza e la variabilità dei parametri può essere molto alta per i geo-materiali: PREVISIONI & RISCONTRI mediante modellazione numerica e monitoraggio

13 Analisi a ritroso Le analisi a ritroso possono essere utilizzate per verificare diversi aspetti dei modelli numerici (feedback e confidenza sui parametri prima di effettuare analisi predittive) o per stimare i parametri meccanici (in situazioni particolari). L analisi a ritroso è un processo nel quale si simula un fenomeno reale cercando di riprodurre quanto osservato durante la sua occorrenza (e.g. spostamenti, tensioni, ecc.) Occorre avere una descrizione chiara del fenomeno (dati di monitoraggio, geometria, informazioni visuali, ecc.). Nell effettuazione di una analisi a ritroso occorre utilizzare coefficienti parziali unitari sia per ciò che concerne le azioni che le resistenze.

14 Modellazione 2D vs 3D Le condizioni 3D possono consentire di:! Studiare situazioni geometriche complesse e non schematizzabili con le deformazioni piane.! Includere nel modello la variabilità spaziale delle formazioni geologiche e dei parametri meccanici.! Tenere conto delle fasi costruttive con maggiore realismo. Deformazioni piane! Condizioni 3D!

15 Modellazione 3D Interazione tra strutture diverse Diga ad arco Alessandro Bugada (Lombardi) Intersezione in galleriaa Vincenza Floria (Geodata)

16 Caratterizzazione geotecnica Depositi fluvio glaciali parzialmente cementati del sottosuolo di Torino! Ghiaia, ciottoli e sabbia in matrice limo sabbiosa (surface horizon, m)! Distribuzione casuale della cementazione per effetto della deposizione calcarea! Strati orizzontali di potenza da decimetrica a metrica. Cementazione

17 Caratterizzazione geotecnica Eterogeneità (DEM) Modellazione ad elementi particellari. Taratura dei parametri micromeccanici tramite simulazione di prove di laboratorio su provini con cementazione compresa tra 0 e 100%. (Barla & Barla 2012)

18 Caratterizzazione geotecnica Eterogeneità (DEM) 3259 particelle m <! <0.03 m Terreno cementato 2 m Terreno sciolto 1 m (Barla & Barla 2012)

19 Caratterizzazione geotecnica Parametri di deformabilità e resistenza in funzione di C% Deformation modulus [MPa] In situ test FLAC PFC Empirical equation Design empirical equation Range of laboratory values Unconfined compressive strength [MPa] FLAC PFC Empirical equation m = m i ( e & C% ' 100 # $! % 53 " Cementation degree - C% [%] Cementation degree - C% [%] (Barla & Barla 2012)

20 Microtunnelling Variabilità spaziale (DEM) Simulazione della realizzazione di un microtunnel di 1 m di diametro nel sottosuolo di Torino. Aree cementate selezionate in modo casuale per riprodurre il grado di cementazione desiderato. Cemented ground Loose soil 25% 75%

21 Microtunnelling $! Tensione normale in funzione di C% 67()89/4.:;01)0801<242,-./01)23.422)*560+ #! "! 6=>?4.B 0CD: ( * ' % # n & = $ " 25.6! e # " ! C%!!! C 25% 6-1:?-!! "! #! $! %! &!! ' ()*' + (Barla & Camusso 2013) 75%

22 Microtunnelling Installazione pipe jacking a Collegno (To) lunghezza: 550 m DN 1600 Smat S.p.A. (Torino), Pato S.r.l. (Occhiobello, Ro) Jacking forces [kpa] Terzaghi Collegno field data PoliTo ATV PJA Chainage [m]

23 Tunnelling Comportamento costitutivo Il comportamento non lineare del terreno, come ad esempio il comportamento dipendente dal tempo, può essere trattato unicamente con leggi costitutive e codici numerici che tengano in conto in maniera esplicita della variabile temporale (visco-plastici) Dipendenza dal tempo 2-3 Radial displacement [mm] " #! PHASE I PHASE II Time [day] (Bonini et al. 2007)

24 Stabilità versanti naturali 2)%&$34564$!""#$%&'()*%+%(,$ -.)/0$)&)+,'%'1$$ TORGIOVANNETTO DI ASSISI

25 Stabilità versanti naturali 1 m Main unstable area ( m 3 ) Slide december 2005 Sliding surface 15 cm Quarry yard Geosynthetic rock fall barrier S.P. 294/1 di Spello TORGIOVANNETTO DI ASSISI

26 Stabilità versanti naturali 2D Cinematismo in atto 3D

27 Stabilità versanti naturali Analisi di scenario: collasso e runout del volume instabile di m 3 (Barla & Antolini 2015)

28 Stabilità versanti naturali Attention No warning EWuSAR 1.0 Modelling (Barla et al. 2014)

29 Stabilità versanti naturali La SOGLIA DI ALLARME (8.8 mm/day) è stata ottenuta adottando un fattore di sicurezza di 3 rispetto ai valori di velocità critica (26.4 mm/day). La SOGLIA DI ATTENZIONE è stata assunta pari alla metà della soglia di allarme (4.4 mm/day). (Barla & Antolini 2015)

30 Interazione gallerie - stabilità versanti Effetto dello scavo di una galleria sulla stabilità di un versante. Grazie all elevato numero di inclinometri lungo il versante si è potuto ricostruire e inserire nel modello 3D una geometria realistica della DGPV e delle faglie superficiali. Le indagini hanno evidenziato una notevole eterogeneità geologica. Le rilevazioni inclinometriche e il monitoraggio topografico hanno consentito la calibrazione del modello FEM 3D.

31 Conclusioni! La progettazione geotecnica oggi non può prescindere dalla modellazione numerica.! Una fase fondamentale è la scelta di un appropriato modello geotecnico (continuo o discontinuo?).! La complessità delle problematiche accompagnato dallo sviluppo dei metodi di calcolo e degli strumenti di elaborazione numerica oggi richiede/consente di affrontare la modellazione in condizioni tridimensionali.

32

33 Bibliografia Atzeni C., Barla M., Pieraccini M., Antolini F. (2015). Early warning monitoring of natural and engineered slopes with Ground-Based Synthetic Aperture Radar, ROCK MECHANICS & ROCK ENGINEERING, Springer, ISSN , vol. 48 n. 1, pp DOI /s Barla M. (2010). Elementi di Meccanica e Ingegneria delle Rocce. Celid, Torino. 320 pp. ISBN Barla M., Barla G. (2012). Torino subsoil characterisation by combining site investigations and numerical modelling. In: GEOMECHANIK UND TUNNELBAU, vol. 3/2012 n ISSN Barla M., Camusso M. (2013). A method to design microtunnelling installations in the Torino randomly cemented alluvial soil, TUNNELLING AND UNDERGROUND SPACE TECHNOLOGY, Elsevier, pp. 9, Vol. 33, ISSN: , DOI: /j.tust

34 Bibliografia Barla M., Antolini F., Dao S. (2014). Il monitoraggio delle frane in tempo reale. In: STRADE & AUTOSTRADE, vol. 107 n. 5, pp ISSN Barla, M., Antolini, F. (2015). An integrated methodology for landslides early warning systems, Landslides, Online first. DOI /s Bonini M., D. Debernardi, M. Barla, G. Barla (2007). The Mechanical Behaviour of Clay Shales and Implications on the Design of Tunnels. Rock Mech. Rock Engng. Camusso M., Barla M Microparameters Calibration for Loose and Cemented Soil When Using Particle Methods. International Journal of Geomechanics 9, No. 5,