Prove geotecniche di laboratorio per la definizione del modello geotecnico di sottosuolo

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1 Convegno su La qualità delle indagini geotecniche Piacenza, 7 ottobre 216 Prove geotecniche di laboratorio per la definizione del modello geotecnico di sottosuolo Anna d Onofrio Dipartimento di Ingegneria Civile, Edile e Ambientale Università degli studi di Napoli Federico II

2 IL MODELLO GEOTECNICO DI SOTTOSUOLO Un ingrediente fondamentale del progetto geotecnico è Il Modello Geotecnico di Sottosuolo Il Modello Geotecnico è una rappresentazione (più o meno semplificata) del sottosuolo reale che, sulla base di caratteristiche tipologiche e prestazionali del manufatto da realizzare risultati di specifiche indagini e prove geotecniche definisce e caratterizza in termini geometrici, fisici e meccanici il volume di terreno che è significativamente coinvolto nel problema da analizzare.

3 ABBIAMO BISOGNO DI INDAGINI!! Le prove di laboratorio sono un supporto indispensabile alla progettazione geotecnica Nonostante ciò, molto spesso sono vissute come un fastidioso inconveniente, un dovere da assolvere necessario solo formalmente Prove male eseguite con apparecchiature non adeguate (e la cattiva conoscenza dell ingegneria geotecnica) contribuiscono a questa cattiva fama COME GARANTIRE L UTILITA DELLE PROVE? E necessario eseguire prove di buona qualità, realmente rappresentative del problema in esame (UTILI!!)

4 SOMMARIO: prove geotecniche di laboratorio Le prove di laboratorio più note Le prove triassiali - Procedure sperimentali - Rappresentatività dei risultati - Difetti sperimentali Le prove di laboratorio per la caratterizzazione dei terreni sotto azioni dinamiche - Quali prove - Quali parametri Conclusioni

5 LE PROVE DI LABORATORIO PIU NOTE: le classiche Obiettivo: Prova Triassiale Determinare le caratteristiche di resistenza (non la residua!) e di deformabilità in tensioni efficaci controllando le condizioni di drenaggio e l applicazione delle tensioni principali in condizioni di assialsimmetria Prova Edometrica Prova di taglio diretto Obiettivi: 1) Determinare le caratteristiche di compressibilità/rigonfiamento 1D (legame costitutivo in condizioni edometriche h impedita) 2) Determinare le caratteristiche di consolidazione 3) Ricostruire la storia tensionale del campione Obiettivo: Determinare le caratteristiche di resistenza a taglio (di picco, di stato stazionario, residua) su provini consolidati in condizioni k mediante controllo di sforzi normali e misura di quelli tangenziali

6 LA PROVA TRIASSIALE E una prova in cui un provino cilindrico viene caricato applicando uno stato tensionale esterno assialsimmetrico Il provino è sottoposto ai seguenti vincoli: asse di simmetria rigidi sulle due basi cilindriche (imposizione di spostamento verticale uguale per i punti appartenenti alla sezione di base); s v deformabile sulla superficie laterale (imposizione di una tensione radiale costante) s o s o vincoli misti

7 LA PROVA TRIASSIALE: la cella convenzionale

8 LA PROVA TRIASSIALE: la tradizionale Prova tradizionale di compressione: s o =costante (q/p=3) q q=s v -s o B 3 1 A B s a Difetti di questo percorso: A Impone una variazione di p (difetto ai fini della caratterizzazione per la modellazione costitutiva) Impone un percorso non realistico (difetto ai fini di una caratterizzazione semplificata) Raggiunge la rottura per elevati valori di q p

9 IL PERCORSO DI CARICO A A s v B B A B A B s o Durante la costruzione e la vita di un opera, si modifica lo stato tensionale nel terreno: cambiano i valori e ruotano le direzioni principali. I parametri geotecnici operativi nei punti A e B non sono gli stessi

10 QUALI PARAMETRI E QUALI PROVE.8 indice dei e vuoti, e scarico (OCR>1) carico (OCR=1) Go (MPa) p' La maggior parte dei parametri geotecnici (rigidezza, resistenza di picco, ecc.) dipende dalle condizioni di stato (porosità, stato tensionale, storia dei carichi), e quindi anche dalla sequenza di applicazione dei carichi. Nella (buona) progettazione servono tutti questi parametri. Occorre scegliere di volta in volta le prove di laboratorio più idonee a determinarli p'

11 LA PROVA TRIASSIALE: l evoluta Sebbene la prova triassiale non possa abbandonare il vincolo della simmetria radiale, è possibile concepire apparecchiature che controllino e regolino in modo automatico ed indipendente le tensioni orizzontali e quella verticale per consentirne qualsiasi combinazione s v A asse di simmetria B s 3 = s v s o q=s v -s o B s 1 = s o s o = s 2 A p GRANDISSIMO VANTAGGIO SPERIMENTALE

12 LA PROVA TRIASSIALE: l evoluta Percorsi rappresentativi di possibili condizioni reali (spinte a s v =cost) q s o q 3 2 p s o p 2 3 Percorso attivo: s v =costante, s o Percorso passivo: s v =costante s o s v s v A B B A s o s o q=s v -s o B 2 q=s v -s o 3 A A p 3 2 B p

13 LA PROVA TRIASSIALE : esempio di apparecchiatura evoluta LVDT Suction cup RAM CELL PP MAIN Interfacce Air/H 2 O Drenaggi RAM CELL LVDT Vol. Gauge CELL H 2 O RAM H 2 O CELL H 2 O MAIN Air PP RAM Cella triassiale tipo Bishop per terreni a grana fina (UniNa)

14 LA PROVA TRIASSIALE : esempio di apparecchiatura evoluta misura variazioni di volume pannello di controllo pressioni Cella triassiale tipo Bishop per terreni a grana grossa. Università di Napoli

15 LA PROVA TRIASSIALE: conviene? 1. E l unica prova di laboratorio a rottura che unisce semplicità ed affidabilità 2. Può essere usata in modo molto più esteso di quanto non sia fatto nella pratica corrente se si passa alle celle a percorso di carico controllato (prove triassiali evolute) 3. La cella a percorso di carico controllato consente con ragionevole facilità di simulare percorsi di carico anche molto complessi (ad esempio carichi ciclici, percorsi misti ecc.) 4. Non ha bisogno di competenze diverse da quelle già disponibili LA CONVENIENZA DIPENDE ANCHE DALLA QUALITA

16 LA PROVA TRIASSIALE : principali difetti sperimentali 1. Le basi non sono lisce (insorgono sforzi di taglio) 2. La deformazione non è omogenea, ed il provino perde la forma cilindrica 3. A grandi livelli di deformazione, gli spostamenti tendono a localizzarsi lungo superfici di scorrimento ben definite 4. Le misure di spostamenti, forze e pressioni sono affette da errori e limiti fisici

17 LA PROVA TRIASSIALE: difetti e rimedi sperimentali 1. Le basi non sono lisce (insorgono sforzi di taglio) Qual è l effetto degli sforzi di taglio sulle basi? H cunei rigidi Sviluppo di zone coniche più rigide e resistenti, che introducono discontinuità di comportamento all interno del campione D Incremento fittizio dell angolo di attrito Drescher e Vardoulakis, 1982, Geotechnique 32, 4

18 LA PROVA TRIASSIALE: difetti e rimedi sperimentali Effetto di bordo trascurabile per H/D=2 Rimedio Classico: provino snello (H=2D). Vantaggi: ha una zona centrale non affetta dagli effetti di bordo consente la formazione e lo sviluppo di superfici di rottura consente la misura locale degli spostamenti

19 LA PROVA TRIASSIALE: difetti e rimedi sperimentali Classica soluzione: uso di membrane lubrificate Rowe e Barden, 1964 Kirkpatrick, 1968 Una soluzione alternativa Il collegamento idraulico con il drenaggio è garantito dalla carta da filtro posta sulla superficie laterale tra provino e membrana

20 LA PROVA TRIASSIALE: difetti e rimedi sperimentali Non omogeneità delle deformazioni Prove di compressione Prove di estensione necking Dubbi sull interpretazione: Esempio di rimedio per ridurre gli sforzi di taglio sulle basi in presenza di localizzazione Quale è l area del provino? Quale è l altezza? Quale è lo stato tensionale da considerare? Quali le deformazioni?

21 LA PROVA TRIASSIALE: difetti e rimedi sperimentali Errori di misura in una cella triassiale Rigidezza del sistema di carico limitata Misura esterna del carico assiale Misura esterna dello spostamento assiale Attrito pistone-boccola Connessione pistone provino non controllata Risoluzione limitata dell attuatore dei carichi verticali

22 LA PROVA TRIASSIALE: difetti e rimedi sperimentali Errori nella misura degli spostamenti

23 LA PROVA TRIASSIALE: difetti e rimedi sperimentali Possibili rimedi agli errori di misura in una cella triassiale Attuatore dei carichi assiali con elevata risoluzione Telaio esterno rigido

24 LA PROVA TRIASSIALE: difetti e rimedi sperimentali Possibili rimedi agli errori di misura in una cella triassiale Misura interna del carico assiale Misura locale dello spostamento verticale Misura interna dello spostamento verticale

25 =.2%/min 6 LA PROVA TRIASSIALE: confronto tra misure di spostamento Confronto tra misure del tipo 1, 2, 3 1: LVDT esterno 2: proximitor interno 3: LDT locale Tensione deviarorica, q (Kpa) Deformazione assiale, a, (%) LVDT GS8 GS1.5 ldt1 ldt2 ldt avg Tensione deviarorica, q (Kpa) LVDT-esterno proximitor - interno proximitor - interno ldt - locale ldt - locale ldt - media Deformazione assiale, a (%) Tensione deviatorica, q (kpa) LVDT - esterno proximitor - interno proximitor - interno LDT - locale LDT - locale LDT - media,,1,2,3,4,5 Deformazione assiale, a (%) Tensione deviatorica, q (kpa) LVDT - esterno proximitor - interno proximitor - interno media LDT - locale Media LDT LVDT Proximitor - f.s.=8 mm Proximitor - f.s.=1.5 mm,,2,4,6,8,1 Deformazione assiale, a (%) 3 IDT GS 8 mm GS 1.5 mm Argilla di Vallericca p =2 kpa

26 SOMMARIO: prove geotecniche di laboratorio Le prove di laboratorio più note Le prove triassiali - Procedure sperimentali - Rappresentatività dei risultati - Difetti sperimentali Le prove di laboratorio per la caratterizzazione dei terreni sotto azioni sismiche - Quali prove - Quali parametri Conclusioni

27 PERCHE UNA CARATTERIZZAZIONE DEI TERRENI SOTTO AZIONI DINAMICHE sismometro effetti di sito subsidenza liquefazione frane faglia Moto sismico di riferimento Sorgente sismica Propagazione profonda

28 SOLLECITAZIONI SU UN ELEMENTO DI TERRENO IN CONDIZIONI SISMICHE Stati di interesse: taglio semplice (per le tensioni) distorsionale (per le deformazioni) pp G pp D W D 4 W S

29 COMPORTAMENTO NON LINEARE E DISSIPATIVO G/G Du/s' small medium large D (%) Dominio elastico lineare deformazione tangenziale, (%) All aumentare di : - la rigidezza G diminuisce - lo smorzamento D aumenta Oltre la soglia volumetrica v - si verifica accoppiamento volumetrico-distorsionale 5 Dominio non lineare stabile Dominio non lineare non reversibile Drenaggio libero Terreni non saturi Drenaggio impedito Terreni saturi si osservano: variazioni di volume v sovrapressioni interstiziali Du degradazione ciclica [G( ), D( ) = f(n cicli )] distorsioni permanenti s

30 SOVRAPRESSIONI INTERSTIZIALI, LIQUEFAZIONE Sabbia del fiume Fuji (Ishihara, 1985) Collasso per Liquefazione (sabbie sciolte) rapporto tensionale a rottura, f /s Liq. resistenza ciclica non drenata f s o f (N C ) No liq. aumento improvviso di deformazioni tangenziali accumulo irreversibile di sovrapressioni interstiziali numero di cicli, N C Du s o 1 f s tan ( s o Du)tan Questa condizione si verifica per un rapporto tensionale decrescente con il numero di cicli.

31 LE PROVE DI LABORATORIO PIU NOTE: le cicliche Prova di taglio semplice ciclico Obiettivi: Determinare le caratteristiche di resistenza e di deformabilità in condizioni di taglio semplice Determinare la curva di resistenza ciclica Prova triassiale ciclica Obiettivo: Determinare le caratteristiche di resistenza e di deformabilità in condizioni triassiali cicliche imponendo Tensione radiale costante e Cicli Dq in compressione-estensione Oppure tensione radiale variabile in opposizione di fase con i cicli Dq Prova di taglio torsionale ciclico e dinamico Obiettivo: Determinare le caratteristiche di deformabilità e dissipazione in condizioni di taglio semplice applicando una sollecitazione isotropa e una coppia torcente alla testa del provino in condizioni quasi statiche o dinamiche

32 LA PROVA TRIASSIALE CICLICA - CTX Tecnica di esecuzione: Cicli di estensione-compressione a f costante. Controllando separatamente pressione di cella s r e tensione assiale s a è possibile riprodurre qualsiasi percorso di sollecitazione. f =.1-1 Hz Prestazioni: risultato tipico: rapporto tensionale ciclico (q/s r ):N c direzione fissa delle tensioni principali condizioni in sito Non riproduce le condizioni di carico presenti in sito

33 LA PROVA TRIASSIALE CICLICA: esempio di risultati sperimentali CSR 4 εa (%) Axial strain, εa (%) 1.1 εa =5% Cyclic stress ratio, CSR Deviator stress, q (kpa) Ncyc -15 Mean effective stress, p' (kpa) Ncyc 1 Ru = CSR Ru Ncyc Excess pore pressure ratio, Ru Cyclic stress ratio, CSR.4 q (kpa) Ncyc εa (%) -5 Ncyc -1 εa=5% -15 Prove su campioni indisturbati di piroclastiti napoletane (p'=1 kpa, Δq=±6 kpa, f=.6 Hz)

34 LA PROVA di TAGLIO SEMPLICE CICLICO - CSS Campo di deformazioni investigato: Tecnica di esecuzione: Cicli di taglio semplice simmetrici a f costante. È controllabile la sola tensione verticale s v (stato tensionale di confinamento tipo k ) Campo di frequenze tipico: Prestazioni: NGI DSDSS f =.1-1 Hz difficoltà misura tensioni normali orizzontali s r percorsi tensionali? distribuzione tensioni/deformazioni non-uniforme Difficoltà nella misura delle pressioni neutre direzione variabile delle tensioni principali = condizioni in sito

35 PROVA CSS: apparecchiature avanzate Apparecchiatura di taglio semplice ciclico con doppio provino (DSDSS) versione UCLA in dotazione all Università di Roma La Sapienza

36 PROVA CSS: risultati sperimentali Shear stress, (kpa) Shear stress, (kpa) Shear stress, (kpa) Shear stress, (kpa) c =.38% G s =19.9 MPa 3-3 G s =55.4 MPa D = 1.6 % G s =54.5 MPa D = 1.9 % G s =44.1 MPa D = 4.8 % D = 14.7 % c =.38% c =.39% c =.28% (a) (c) Normalised shear modulus, G s /G (e) (g) Shear strain, (%) G s =54.8 MPa D = 1.8 % G s =53.5 MPa D = 2.1 % G s =32.6 MPa D = 8.6 % G s =8.9 MPa D =19.1 % c =.98% (d) c =.1% c =.1% (b) (f) Santa -.5Barbara clay.5 #1.1 Santa Barbara clay #2 s' vc = 4 kpa (h) c =.92% Cyclic shear strain amplitude, c (%) Shear strain, (%) (a) Secant shear modulus, G s (MPa) Damping ratio, D (%) Santa Barbara clay #1 Santa Barbara clay #2 s' vc = 4 kpa Cyclic shear strain amplitude, c (%) (b) Cyclic shear strain amplitude, c (%) Prove DSDSS sull argilla di Santa Barbara (D Elia, Lanzo, Pagliaroli, 23)

37 PROVA CSS CON MISURA DELLE PRESSIONI NEUTRE ISMGEO

38 LA PROVA DI TAGLIO TORSIONALE CICLICO - CTS s c q M t = A sen(2 ft) Tecnica di esecuzione: Condizioni di taglio semplice riprodotte con cicli di coppia torcente a frequenza costante Pre-sollecitazione: - isotropa su provini pieni - anche triassiale su provini cavi Campo di deformazioni investigato: Campo di frequenze tipico: f =.1-1 Hz Prestazioni: prova tradizionalmente a tensione controllata elevata risoluzione a deformazioni pre-rottura poco adatta per resistenza ciclica, misurabile solo in alcune versioni

39 LVDT Prove CTS-RC: apparecchiature avanzate Aria compressa Laser Convertitore E/P pressione di cella Convertitore E/P pressione neutra CT Apparecchiatura di taglio torsionale ciclico e dinamico (UniNa) PC PWP DPT Trasduttori PWP= pressione neutra PC=pressione di cella DPT= variazioni di volume CT= coppia torcente LVDT= spostamenti assiali Laser= Rotazioni della testa del provino TMAC unità di controllo e alimentazione

40 modulo di taglio, G (Mpa) fattore di smorzamento, D (%) LA PROVA CTS: risultati sperimentali tipici tensione tangenziale, (kpa) TS1 TS2 1,5 1,5 tensione tangenziale, (kpa) TS7 TS8 -,15 -,12 -,9 -,6 -,3,3,6,9,12,15-,1 -,8 TS9 -,6 -,4 -,2,2,4,6,8,1 -,5 TS1 TS2 TS3 TS4 TS5 TS tensione tangenziale, (kpa) -1,5 deformazione tangenziale, (%) 15 TS1 TS2 1 TS3 TS4 5 TS5 TS6 -,5 -,4 TS7 -,3 -,2 -,1,1,2,3,4,5 TS8-5 TS G-cts D - cts -6 deformazione tangenziale, (%) p =27 kpa TS1-1 TS11-15 deformazione tangenziale, (%) Nucleo della diga di Campolattaro (Bn) 2,1,1,1,1 1 deformazione tangenziale, (%) 4

41 LA PROVA DI COLONNA RISONANTE - RC s a M(t)= M sen(2 ft) steady-state (oscillazione forzata) free decay (oscillazione libera) Tecnica di esecuzione: I Idem come prova CTS (stessa apparecchiatura). I I s r r G D s r nl nl tan F tanf V V s s L V s deformazioni tangenziali, (%) max f1 fr f nl 2 f nl F F frequenza, f (hz) D f 2 f1 2f r deformazione, [%] exp N D 2 tempo [s] Prove a frequenza: variabile (steady state) non controllabile (free decay) Campo di deformazioni investigato: piccole medie elevate Campo di frequenze tipico: f = 1-1 Hz (%) Prestazioni: frequenza variabile o non controllabile 4 f variabile con alta risoluzione, affidabilità e ripetibilità a piccole deformazioni meno affidabile per deformazioni >.1% (effetti non linearità e N )

42 modulo di taglio, G (Mpa) fattore di smorzamento, D (%) LA PROVA RC: risultati tipici Curve di risposta in frequenza :f p =27 kpa (%) G - cts G - rc D - cts D - rc (f V S G.5 ),1,1,1,1 1 deformazione tangenziale, (%) Nucleo della diga di Campolattaro (Bn)

43 PROVA RC CTS: risultati sperimentali Parametri equivalenti da prove CTS a frequenza crescente confrontati con risultati di prove di Colonna Risonante f crescente f crescente

44 PROVA RC CTS: risultati sperimentali modulo di taglio iniziale, Go (MPa) fattore di smorzamento iniziale, Do (%) =.5% Influenza della frequenza di applicazione dei carichi frequenza, f (hz) frequenza, f (hz) fattore di smorzamento iniziale, Do (%) Moto ondoso Moto sismico Traffico p'=8 kpa p'=6 kpa p'=4 kpa p'=2 kpa p'=1 kpa p'=5 kpa =.1% frequenza, f (hz) Questa evidenza sperimentale è significativa per la caratterizzazione dei terreni ai fini di un analisi di risposta sismica locale

45 D (%) damping ratio, D (%) G (MPa) PROVA RC CTS: risultati sperimentali Influenza della tensione di confinamento 25 1, ,5 normalised shear modulus, G/G,8,6,4,2, 15 RC 5 kpa RC 27 kpa RC 586 kpa 2 1, , p' (kpa) Limi bianchi di Castelnuovo (AQ),1,1,1,1 1 shear strain, (%)

46 MODELLO GEOTECNICO Risposta Sismica Locale del colle di Castelnuovo (AQ) Estrapolazione delle misure in sito adottando la legge di variazione G :p misurata nelle prove di laboratorio

47 CONCLUSIONI 1. Le indagini geotecniche di laboratorio sono uno strumento indispensabile per la progettazione, troppo spesso sottovalutato 2. E obbligo morale dei progettisti spingere perché esse siano commissionate ed eseguite 3. I laboratori commerciali dovrebbero avvalersi dei progressi tecnologici e di conoscenza per mettere a disposizione dei progettisti nuovi e sempre più affidabili strumenti di indagine LA QUALITA E CONVENIENZA, PER TUTTI