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

Marco Barla Dipartimento di Ingegneria Strutturale Edile

e Geotecnica Politecnico di Torino www.rockmech.polito.it

Indice

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

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)

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.

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

I metodi numerici

•! TERRENO •! ROCCIA TENERA •! AMMASSO ROCCIOSO MASSIVO

•! AMMASSI ROCCIOSI GIUNTATI

•! AMMASSI ROCCIOSI INTENSAMENTE FRATTURATI

CONTINUO

DISCONTINUO

CONTINUO EQUIVALENTE CONTINUO EQUIVALENTE

FEM, FDM BEM

DEM FDEM

I metodi numerici

Metodi continui:

-  Discretizzazione-  Condizioni al contorno-  Soluzione

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.

. I carico

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. 6.7.5 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 2008+ circolare applicativa 2009!

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)

Analisi di progetto

Nella maggior parte delle applicazioni reali non esiste un metodo semplice per prevedere il comportamento tridimensionale delle strutture geotecniche. Occorre di conseguenza produrre un progetto 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.

PREVISIONI & RISCONTRImediante modellazione numerica e monitoraggio

Nella maggior parte delle applicazioni reali non

comportamento tridimensionale delle strutture

Occorre di conseguenza produrre un progetto

L’incertezza e la variabilità dei parametri può essere molto alta per i geo-materiali:

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.).quanto osservato durante la sua occorrenza (e.g. spostamenti, tensioni, ecc.).

0.999

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.

Modellazione 2D vs 3DLe 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.Tenere conto delle fasi costruttive con maggiore realismo.

Deformazioni piane! Condizioni 3D!

Modellazione 3D

Diga ad arcoAlessandro Bugada(Lombardi)

Intersezione in galleriaVincenza Floria

(Geodata)

Diga ad arcoAlessandro Bugada(Lombardi)

Intersezione in galleriaVincenza Floria

)

Interazione tra strutture diverse

Caratterizzazione geotecnica

•! Ghiaia, ciottoli e sabbia in matrice limo sabbiosa (surface horizon, 25÷50 m)

•! Distribuzione casuale della cementazione per effetto della deposizione calcarea

•! Strati orizzontali di potenza da decimetrica a metrica.

Cementazione

Depositi fluvio glaciali parzialmente cementati del sottosuolo di Torino

Caratterizzazione geotecnicaEterogeneità (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)

Caratterizzazione geotecnica3259 particelle

0.015 m < ! <0.03 m0.015 m < ! <0.03 m

2 m

1 m

Terreno cementato

Terreno sciolto

Eterogeneità (DEM)

(Barla & Barla 2012)

Caratterizzazione geotecnica

0 20 40 60 80 100

Cementation degree - C% [%]

100

200

300

400

500

600

Def

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Pa]

In situ testFLACPFCEmpirical equationDesign empirical equationRange of laboratory values

0 20 40 60 80 100

Cementation degree - C% [%]

0

1

2

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[MPa

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FLACPFCEmpirical equation

Parametri di deformabilità e resistenza in funzione di C%

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(= 53100%C

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(Barla & Barla 2012)

Microtunnelling

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.

25%

75%

Loose soil

Cemented ground

Variabilità spaziale (DEM)

Microtunnelling

25%

75%

Tensione normale in funzione di C%

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(Barla & Camusso 2013)

Microtunnelling

0 20 40 60 80 100Chainage [m]

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

Jack

ing

forc

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Pa]

PoliTo Terzaghi

PJA

ATV

Collegno field data

Installazione pipe jacking a Collegno (To)lunghezza: 550 mDN 1600Smat S.p.A. (Torino), Pato S.r.l. (Occhiobello, Ro)

TunnellingComportamento costitutivo

0 20 40 60 80 100 120 140 160Time [day]

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

Rad

ial d

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ent [

mm

]

1-3

6-7

3-4

2-4

2-3

1-5

3-5

PHASE IIPHASE I

Dipendenza dal tempo

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).

(Bonini et al. 2007) 120 140 160

6-7

(Bonini et al. 2007)

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Stabilità versanti naturali

!""#$%&'()*%+%(,$-.)/0$)&)+,'%'1$$

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TORGIOVANNETTO DI ASSISI

Stabilità versanti naturali

Main unstable area (182.000 m3)

Slide december 2005

Geosynthetic rock fall barrier

S.P. 294/1 di Spello

Quarry yard

1 m

15 cm

Sliding surface

TORGIOVANNETTO DI ASSISI

Stabilità versanti naturali

Cinematismo in atto

3D

2D

Stabilità versanti naturaliAnalisi di scenario: collasso e runout del volume instabile di 182000 m3

(Barla & Antolini 2015)

Stabilità versanti naturali

No warning

Attention

Modelling

EWuSAR 1.0

Modelling

EWuSAR

Modelling(Barla et al. 2014)

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)

Interazione gallerie - stabilità versantiEffetto dello scavo di una galleria sulla stabilità di un versante.

(Barla & Perino 2013)  

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.

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.

BibliografiaAtzeni 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 0723-2632, vol. 48 n. 1, pp. 235-246. DOI 10.1007/s00603-014-0554-4.

Barla M. (2010). Elementi di Meccanica e Ingegneria delle Rocce. Celid, Torino. 320 pp. ISBN 9788876618659.

Barla M. (2010). Elementi di Meccanica e Ingegneria delle Rocce.

BibliografiaAtzeni

Barla M. (2010). Elementi di Meccanica e Ingegneria delle Rocce.

Barla M., Barla G. (2012). Torino subsoil characterisation by combining site investigations and numerical modelling. In: GEOMECHANIK UND TUNNELBAU, vol. 3/2012 n. 8. - ISSN 1865-7362.

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: 0886-7798, DOI: 10.1016/j.tust.2012.09.002

Bibliografia

Barla M., Antolini F., Dao S. (2014). Il monitoraggio delle frane in tempo reale. In: STRADE & AUTOSTRADE, vol. 107 n. 5, pp. 154-157. ISSN 1723-2155

Barla, M., Antolini, F. (2015). An integrated methodology for landslides’ early warning systems, Landslides, Online first. DOI 10.1007/s10346-015-0563-8.

Barla M.,

Barla, M.,

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. 2009. Microparameters Calibration for Loose and Cemented Soil When Using Particle Methods. International Journal of Geomechanics 9, No. 5, 217–230.