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INTRODUZIONE
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terreno, molto diffuso e semplice, quale è il modello alla Mohr-Coulomb. Il risultato
dell’analisi ha immediatamente sottolineato i difetti normalmente riscontrati nelle
analisi numeriche “convenzionali” così come riportato da Pane&Tamagnini (1997) e
riassumibili in una forma poco realistica del profilo di subsidenza finale dell’analisi, ben
lontano da quella indicata dalle curve sperimentali.
Si è allora ricercato il motivo di questa diversità ed il risultato di 120 analisi numeriche,
solo in fase preliminare, ci consente di affermare che il parametro che maggiormente
influenza la forma del profilo, risultante da questo tipo di analisi con un modello alla
Mohr-Coulomb, è essenzialmente legata allo spessore dello strato deformabile e quindi
alla geometria del modello. Analizzando i profili di subsidenza incrementali si è
verificato infatti quanto sostenuto da Pane&Tamagnini (1997), ovvero, che la forma
irrealistica del profilo di subsidenza finale è sostanzialmente imputabile alla quota di
deformazione elastica legata alla simulazione delle prime fasi di scavo mentre la forma
reale rilevata in sito, è legata alla prevalenza della deformazione plastica anche in
condizioni ben distanti dal collasso.
Questi fatti hanno suggerito in prima istanza un adattamento della geometria del
modello, che finalmente restituiva valori più realistici, e successivamente la presa in
considerazione di un modello di comportamento più complesso per il terreno quale il
modello iperbolico nella forma proposta per l’Hardening-Soil. I risultati in tutte le
condizioni dell’altezza di scavo e di simulazione dei vincoli sono apparsi soddisfacenti
nel confronto con le correlazioni e le curve sperimentali ad indicazione del fatto che per
un problema come questo, il modello di comportamento assunto per il terreno è di
fondamentale importanza. Questo dimostra ancora una volta che il complesso
comportamento del terreno non può essere simulato con modelli costitutivi semplici
come quello elastico perfettamente-plastico prendendo in considerazione, di fatto, come
un unico parametro il valore del modulo E perché esso non rappresenta una
caratteristica del terreno ma bensì un parametro meccanico atto a descriverne il
comportamento entro ben determinati limiti sia di deformazione che di tensione, ai
quali il “materiale terreno” è particolarmente sensibile.
Finalmente, verificati i risultati dei modelli nei confronti della geometria e dei parametri
introdotti, si è voluto verificare l’attendibilità dei metodi empirici anche in condizioni
per le quali in genere non sono adatti, come per esempio la presenza di un sovraccarico
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a tergo della paratia multiancorata. I metodi empirici, fatto salvo per qualche
accorgimento illustrato, dimostrano ancora la loro validità ed utilità anche in questi casi.
La modellazione ha permesso in oltre di trovare una correlazione di tipo logaritmico tra
la posizione del carico, la sua entità e lo spostamento di subsidenza normalizzato.
Come si vedrà dunque l’utilizzo di un metodo numerico supportato da prove
sperimentali si rivela un ottimo strumento di indagine ma necessita di accurata taratura
dei parametri dei modelli, sia geometrici sia delle caratteristiche meccaniche introdotte
che devono essere realistiche o meglio rispondenti della reale situazione in sito, cosa
questa, non sempre di facile realizzazione.
Questo ancora una volta, pone l’accento sulla necessità di realizzare prove di
laboratorio ben mirate al fine di ricavare i parametri da introdurre in modelli di
comportamento abbastanza completi ed in grado di descrivere abbastanza
realisticamente il comportamento del terreno. Viceversa i risultati ottenuti con i metodi
empirici costituiscono ancora, almeno nella previsione del profilo di subsidenza, una
valida alternativa anche in condizioni diverse da quelle per le quali sono stati concepiti.
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CAPITOLO 1 – “I movimenti indotti dallo scavo”
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1) I MOVIMENTI INDOTTI DALLO SCAVO
1.1) Introduzione
L'esecuzione di scavi profondi per la realizzazione di gallerie naturali o artificiali,
trincee, sbancamenti per la realizzazione di piani interrati o parcheggi sotterranei, o
altre opere simili, dà origine invariabilmente a movimenti più o meno rilevanti nel
terreno adiacente allo scavo.
In tutti i casi, tali movimenti possono essere imputati ai seguenti fattori fondamentali:
1. variazione dello stato tensionale totale a seguito della asportazione del terreno
scavato;
2. variazione del regime delle pressioni interstiziali a seguito della variazione delle
condizioni idrauliche al contorno ed alla eventuale dissipazione delle sovrapressioni
indotte dallo scavo nelle condizioni di breve termine in terreni coesivi;
3. disturbi dovuti alla installazione nel terreno della struttura di sostegno.
Nel seguito, la discussione sarà limitata all'analisi dei movimenti associati alla
variazione dello stato tensionale, che rivestono il maggiore interesse nelle applicazioni
pratiche. Per un esame degli effetti della variazione delle condizioni idrauliche al
contorno e dei processi di consolidazione associati alle operazioni di scavo è possibile
fare riferimento ai lavori di Yong et al. (1989), Hsi & Small (1992a,b,c) ), Holt &
Griffiths (1992), Boa, (1992), Kishnani & Borja (1993), Bolton & Stewart (1994).
Riguardo gli effetti della installazione, alcune indicazioni sono reperibili in Finno &
Nerby (1989), Clough, & O'Rourke (1990), Powrie & Kantartzi (1993), mentre alcuni
esempi di previsione di tali effetti mediante il metodo degli elementi finiti sono forniti
da Finno & Harahap (1991), Finno et al. (1991), Gunn et al. (1993).
Come già precedentemente osservato in relazione al comportamento in esercizio della
struttura di sostegno, il problema dell'impatto esercitato dai movimenti indotti dallo
scavo sulle strutture preesistenti ha assunto negli ultimi anni una importanza
considerevole con la crescente richiesta, di infrastrutture in sotterraneo in aree urbane. I
movimenti del terreno si trasmettono infatti alle strutture adiacenti allo scavo sotto
forma di traslazioni, rotazioni e distorsioni in grado di causare danni considerevoli ai
manufatti e, nei casi più gravi, pregiudicarne la funzionalità (Boscardin & Cording
1989).
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CAPITOLO 1 – “I movimenti indotti dallo scavo”
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Ciò, da un lato ha portato allo sviluppo di tecniche di scavo e di tipologie strutturali ad
hoc per il contenimento dei movimenti del terreno (e.g. metodo "topdown"), mentre
dall'altro ha stimolato lo sviluppo di procedure di calcolo che permettano di pervenire
ad una stima, sia pure di massima, di tali movimenti e ad una valutazione di eventuali
soluzioni alternative in sede di progetto.
Nel presente capitolo sono discusse le principali procedure di calcolo attualmente
disponibili per la previsione dei movimenti del terreno le loro potenzialità e limitazioni,
ed alcune considerazioni riguardo le possibili cause di queste ultime. E' opportuno
tuttavia sottolineare che in questo caso - e forse in misura maggiore che in altri problemi
di ingegneria geotecnica - a prescindere dalla procedura di calcolo impiegata, tanto le
proprietà meccaniche dei terreni coinvolti, ed il loro stato iniziale, quanto le
caratteristiche geometriche e meccaniche della struttura di sostegno, la sequenza
temporale delle fasi costruttive e gli effetti indotti dalla installazione della struttura nel
terreno possono essere messi in conto in sede di progetto solo in maniera più o meno
approssimata. Da ciò discende l'impossibilità di pervenire, in molte circostanze, ad una
previsione accurata della risposta del sistema. Peraltro, l'obiettivo principale del
progettista consiste, in questi casi, nello stabilire degli opportuni limiti inferiore e
superiore per tale risposta - in base ai quali valutare l’accettabilità di una particolare
soluzione o modificare opportunamente la soluzione adottata - utilizzando le procedure
di calcolo a propria disposizione (Burland et al. 1979).
Le procedure di analisi correntemente disponibili nella pratica professionale per la
previsione dei movimenti del terreno adiacente allo scavo sono classificabili in:
a) metodi empirici;
b) semiempirici;
c) metodi numerici.
E’ opportuno ricordare che in questo caso, a differenza dei metodi applicabili per il
calcolo del regime si sollecitazione nel paramento, tutti i metodi numerici impiegabili
per la previsione dei movimenti del terreno adiacente allo scavo fanno riferimento alla
ipotesi di mezzo continuo.
Al fine di fornire una base per la interpretazione dei diversi metodi a carattere
empirico e semiempirico e per la valutazione delle possibilità offerte dai metodi
numerici più largamente diffusi, nel successivo paragrafo sono discusse in un certo
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CAPITOLO 1 – “I movimenti indotti dallo scavo”
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dettaglio le principali evidenze sperimentali derivanti dalla raccolta di misure di
spostamento in un gran numero di case-histories differenti tra loro per caratteristiche dei
terreni interessati e tipologie delle strutture di sostegno.
I più diffusi approcci di tipo empirico e semiempirico sono discussi nel paragrafo 1.3.
Le limitazioni comunemente riscontrate nelle previsioni ottenibili mediante metodi
numerici in approcci di tipo “convenzionale” - indicando con tale termine quei casi in
cui il terreno è assimilato ad un mezzo elastoplastico perfetto od incrudente - sono
discusse nel paragrafo 1.4. Nello stesso paragrafo è fornita una possibile
interpretazione qualitativa di tale discrepanza che sarà successivamente vista ne
dettaglio durante lo sviluppo della presente tesi.
1.2) Evidenze sperimentali
In generale, l'entità e l'estensione dei movimenti indotti dalla esecuzione di uno scavo
dipendono da numerosi fattori, tra i quali ricordiamo (Padfield & Mair 1983, Day 1994,
Hight & Higgins 1995):
le caratteristiche meccaniche dei terreni interessati;
lo stato tensionale iniziale;
le condizioni idrauliche nel sottosuolo;
la tipologia e le caratteristiche geometriche della struttura di sostegno;
la rigidezza degli elementi di supporto;
la tecnica di installazione impiegata;
la tecnica di scavo impiegata;
la sequenza temporale delle varie fasi costruttive;
l'esperienza e l'abilità della manodopera.
Il primo studio sistematico sulle caratteristiche dei movimenti indotti dalla esecuzione
di scavi è probabilmente costituito dalla ben nota relazione generale di Peck alla VII
ICSMFE di Città del Messico (Peck 1969), nella quale sono raccolte e rielaborate le
misure di spostamento eseguite su 47 diversi case-histories di scavi sostenuti da
palancole metalliche o "soldier piles", ancorati su più livelli mediante tiranti o puntoni.
A partire dal lavoro di Peck, numerosi ricercatori hanno contribuito ad estendere la base
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CAPITOLO 1 – “I movimenti indotti dallo scavo”
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di dati, includendo informazioni relative a situazioni differenti per tipo di terreno,
tipologie strutturali e tecniche di scavo impiegate, che riflettono i progressi compiuti
negli ultimi anni in campo tecnologico. Tra essi, è opportuno ricordare i lavori di
Goldberg et al. (1976), Burland et al. (1979), Mana & Clough (1981), O' Rourke (1981),
Wong & Broms(1989), Clough & O'Rourke (1990).
A tale riguardo, i dati riportati da Clough & O'Rourke appaiono particolarmente
significativi, in virtù dello sforzo compiuto per isolare e separare i movimenti
direttamente associati allo scavo da quelli imputabili a fattori quali:
a) l'installazione delle pareti verticali di sostegno
b) l'adozione di tecniche costruttive inadeguate al controllo dei movimenti, quali ad
es. esecuzione di elevati sovrascavi prima dell'installazione dei supporti orizzontali,
carenze nella esecuzione dei lavori dovute a manodopera poco esperta, inadeguato
controllo delle condizioni idrauliche.
Sulla base della ipotesi - originariamente avanzata da Peck (1969) – che l'entità dei
movimenti indotti dallo scavo sia determinata principalmente dalle caratteristiche
litologiche e dall'indice di consistenza dei terreni interessati, Clough & O'Rourke
(1990) raggruppano le osservazioni sperimentali disponibili sui movimenti del piano di
campagna a tergo dello scavo nelle seguenti tre categorie principali:
1. scavi in terreni granulari;
2. scavi in terreni coesivi da consistenti a molto consistenti;
3. scavi in terreni coesivi da teneri a mediamente consistenti;
L'andamento delle misure per scavi in terreni granulari illustrato in figura 1.1. I
diversi punti sperimentali si riferiscono principalmente a scavi sostenuti mediante
"soldier pile walls" o palancolate metalliche ancorate su più livelli mediante puntoni o
tiranti; solo uno dei casi riportati è relativo a una paratia c.a. multiancorata mediante
puntoni.
In tale tipo di terreni, gli spostamenti verticali del piano di campagna rappresentano
una modesta percentuale della altezza di scavo totale H, con valori massimi compresi
nell'intervallo (0.1÷0.3)%. Gli spostamenti verticali misurati decrescono in misura
approssimativamente lineare con la distanza dalla parete fino ad annullarsi per X/H≈2.
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Nella figura, la linea tratteggiata indica una possibile curva limite per i cedimenti in tale
tipo di terreni.
Figura 1.1 - Scavi in terreni granulari. Spostamenti verticali misurati in funzione della distanza
dalla parete (da Clough&O'Rourke 1990)
La figura 1.2 riporta 1'andamento delle misure raccolte dagli stessi Autori per scavi in
terreni coesivi da consistenti a molto consistenti sostenuti, nella maggior parte dei casi,
mediante paratie in c.a. o “soldier pile walls” ancorati su più livelli.
Anche in questo caso i cedimenti rappresentano solo una frazione relativamente
modesta dell'altezza finale di scavo, con rapporti Svmax/H non superiori allo 0.3 %, ed
andamento più o meno linearmente decrescente con la distanza dalla parete (figura1.2a).
L'estensione della zona interessata dai movimenti è però maggiore, risultando pari a
circa tre volte l'altezza di scavo. I sollevamenti, di entità massima pari allo 0.1% di H,
registrati in alcuni scavi eseguiti a Houston, Texas, sono probabilmente da attribuire
agli effetti dello scarico tensionale prodotto dallo scavo (Burland et al. 1979). Anche in
questo caso è possibile stabilire un limite superiore per gli spostamenti caratterizzato da
un andamento triangolare, indicato dalla linea tratteggiata in figura1.2a.
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Figura 1.2 - Scavi in terreni coesivi da consistenti a molto consistenti (da Clough & O'Rourke
1990).
a) Spostamenti verticali misurati in funzione della distanza dalla parete;
b) Spostamenti orizzontali misurati in funzione della distanza dalla parete.
Le misure dello spostamento orizzontale Sh del piano di campagna a tergo dello scavo
risultano più disperse di quelle relative ai cedimenti (figura 1.2b). Nel diagramma,
Clough & O'Rourke (1990) distinguono due zone. La prima è relativa a strutture
sostenute mediante supporti relativamente rigidi, tali da prevenire sostanziali movimenti
orizzontali della parete. La seconda si riferisce invece a strutture per i quali il tipo di
supporto adottato ha permesso alla parete di scontare movimenti orizzontali
relativamente elevati (e.g. Bell Common Tunnel, Tedd et al. 1984). Nel primo caso, i
movimenti orizzontali osservati sono dello stesso ordine di grandezza dei corrispondenti
spostamenti verticali, mentre nel secondo, il rapporto Sh/Sv è generalmente maggiore
dell'unità e può raggiungere in alcuni casi valori pari a 2.5-3 (si veda anche Burland et
al. 1979). I movimenti misurati in corrispondenza di scavi in terreni coesivi teneri sono
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infine riassunti in fig. 1.3. Nella figura sono riportati dati relativi a scavi sostenuti da
palancole metalliche, "soldier piles" e paratie in c.a., ancorate su più livelli mediante
puntoni o "rakers". A differenza dei due casi precedenti, la figura mostra una notevole
dispersione nelle misure (fig. 1.3a). Clough & O'Rourke (1990) osservano tuttavia che i
dati tendono ad assumere un andamento molto più definito se, nel rappresentare ciascun
profilo di subsidenza, in luogo del rapporto Sv/H si utilizza il rapporto Sv/Sv,max tra lo
spostamento verticale e lo spostamento verticale massimo corrispondente (fig. 1.3b). La
curva che definisce l'andamento del rapporto Sv/Sv,max in funzione della distanza
normalizzata X/H dalla parete, che riveste un ruolo importante in alcuni metodi a
carattere empirico o semiempirico per la previsione dei movimenti del piano di
campagna, è definita nel seguito “profilo di subsidenza normalizzato”
Figura 1.3 - Scavi in terreni coesivi da consistenti a molto consistenti (da Clough & O'Rourke
1990).
a) Spostamenti verticali misurati in funzione della distanza dalla parete;
b) Spostamenti orizzontali misurati in funzione della distanza dalla parete
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