RICERCA ITALIANA     

Programma di ricerca

Monitoraggio e valutazione della sicurezza nelle dighe in terra e negli argini fluviali

Università di riferimento

Politecnico di BARI - INGEGNERIA CIVILE ED AMBIENTALE - BARI(BA)

Responsabile dell'Unità di ricerca

Angelo AMOROSI

Descrizione

Il progetto di ricerca che si propone è finalizzato allo studio del comportamento di dighe in terra omogenee e zonate quando soggette ad azioni sismiche.
In particolare, si intende adottare approcci numerici per mezzi bifase caratterizzati da crescente livello di complessità, tenendo in conto, in maniera indiretta, dei profili iniziali di volume specifico e di suzione correlati alla reale natura trifase del terreno costituente tali opere.
L’attività di ricerca prevista si svilupperà a partire dallo studio sperimentale e costitutivo del comportamento del terreno alla scala dell’elemento di volume per poi orientarsi verso l’utilizzo di metodi numerici per lo studio di problemi al contorno. Il tentativo di coniugare i progressi dell’attività di ricerca da conseguirsi in ambiti differenti, dalla sperimentazione alla analisi numerica, rappresenta l’aspetto peculiare, ed al contempo innovativo, di questo programma di ricerca. Le varie fasi che lo caratterizzano sono sinteticamente descritte nel seguito di questa proposta.
In una fase preliminare si procederà alla catalogazione e descrizione delle più frequenti tipologie di dissesto che hanno interessato le dighe in terra in occasione di eventi sismici.
Ciò sarà accompagnato da una indagine sperimentale di laboratorio sul comportamento meccanico in campo statico e dinamico di materiali tipicamente adottati per la realizzazione dei nuclei di dighe zonate o costituenti i terreni di fondazione delle stesse. Obiettivo della ricerca sperimentale è quello di approfondire la conoscenza del loro comportamento alle piccole e medie deformazioni. Le apparecchiature triassiali a percorso di carico controllato che si intende adottare, già disponibili presso il laboratorio dell’Unità Operativa, sono dotate di strumentazione interna per la misura locale delle deformazioni, della forza assiale e delle pressioni interstiziali. Con l’ausilio di tale strumentazione si prevede di osservare con accuratezza il decadimento del modulo di rigidezza tangenziale equivalente G del materiale al crescere delle deformazioni deviatoriche. Al contempo si prevede di effettuare misure dinamiche del modulo di rigidezza al taglio G0 con l’ausilio di elementi piezoceramici (bender elements) che sono installati nelle apparecchiature anzidette, nonché di svolgere prove triassiali cicliche. I risultati sperimentali così ottenuti saranno utilizzati per la calibrazione dei modelli costitutivi da adottarsi nelle successive analisi numeriche.
Le ipotesi costitutive che si prevede di adottare vanno dalla semplice visco-elasticità non lineare sino alla elasto-plasticità con incrudimento misto isotropo-cinematico in schemi multisuperficie. Con particolare riferiemento ai modelli costitutivi avanzati già formulati dal gruppo di ricerca del Politecnico di Bari – ad esempio modelli iperelastici per la parte reversibile del comportamento (Houlsby, Amorosi e Rojas, 2005) e modelli multisuperficie per terreni strutturati (Kavvadas e Amorosi, 2000) – si intende verificare inizialmente la loro capacità previsionale alla scala dell’elemento di volume in condizioni non investigate in passato (es: stati di sforzo anisotropi per l’iperelasticità o condizioni di carico ciclico per formulazioni multisuperficie). La sperimentazione e la modellazione costitutiva del comportamento meccanico dei terreni studiati procederanno di pari passo, in modo da costituire la base su cui sviluppare le successive fasi del lavoro.
L’analisi quantitativa del comportamento di dighe in terra soggette ad azioni sismiche sarà affrontata adottando approcci numerici che, a partire da quelli più consolidati in ambito tecnico, si estenderanno a comprendere metodologie ancora in fase di sviluppo in ambito accademico. Obiettivo principale di questa fase sarà quello di evidenziare vantaggi e limiti dei differenti approcci proposti, così da costituire da un lato elemento di impulso alla ulteriore ricerca in questo contesto e, con riferimento agli approcci semplificati, circoscriverne chiaramente gli ambiti di possibile utilizzo. Si prevede in prima istanza di analizzare la risposta sismica di dighe in terra nell’ipotesi per il terreno di mezzo monofase visco-elastico non lineare. A tal fine si adotteranno codici di calcolo monodimensionali quali Shake, o la sua recente evoluzione proposta da Bardet (Eera) o bidimensionali (Quad4 o la sua versione implementata in Quakew). I risultati di tali analisi preliminari costituiranno il riferimento cui confrontare quelli ottenuti con approcci più sofisticati. Questi ultimi consistono nell’utilizzo di codici di calcolo agli Elementi Finiti in grado di integrare correttamente nel tempo le equazioni di campo che caratterizzano il comportamento accoppiato dello scheletro solido e del fluido interstiziale in condizioni dinamiche. A tale riguardo, il lavoro beneficerà della già consolidata collaborazione scientifica tra il gruppo del Politecnico di Bari e quello di meccanica computazionale dell’Università di Birmingham, guidato dal Prof. Chan. Quest’ultimo è l’estensore del codice di calcolo agli Elementi Finiti Swandyne II in uso da ormai quattro anni presso il suddetto gruppo di Bari (Elia, Amorosi e Chan, 2004; Elia, 2004; Elia, Amorosi e Chan, 2005). Tale codice consente di eseguire analisi numeriche sia in campo statico che in campo dinamico, in condizioni drenate, non drenate e di consolidazione accoppiata e risolve le equazioni di campo dei mezzi porosi granulari, adottando la formulazione u-p semplificata. Swandyne II è stato di recente sviluppato ulteriormente attraverso l’implementazione del modello costitutivo MSS (Kavvadas e Amorosi, 2000) a doppia superficie per terreni naturali dotati di struttura che consente di prevedere accumulo di sovrapressioni interstiziali ed irreversibilità sin dalle prime fasi di applicazione del carico statico o ciclico. Tale modello costitutivo, sviluppato in forma gerarchica, permette all’utente di semplificarne la formulazione sino a ricondurlo al più semplice Cam-Clay Modificato.
Nella prima parte del lavoro numerico si intende analizzare il comportamento di una diga in terra omogenea ideale, per la quale verranno adottate ipotesi costitutive via via più complesse, attivando anche le differenti opzioni previste dal modello MSS. Ciò al fine di valutare il ruolo delle ipotesi costitutive sulla risposta deformativa ed al collasso dell’opera. In questo contesto si intende inoltre studiare il ruolo dello smorzamento numerico e di quello aggiuntivo di tipo viscoso alla Rayleigh sul risultato delle simulazioni numeriche. Questi due fattori, che si attivano a discrezione dell’utente per compensare l’insufficiente smorzamento isteretico previsto dai modelli costitutivi tipicamente adottati nelle analisi dinamiche, appaiono rivestire un ruolo nientaffatto marginale sui risultati delle previsioni numeriche del comportamento di dighe in terra in campo dinamico.
Le simulazioni relative alla diga ideale saranno seguite dalla analisi di due casi reali (diga Marana Capacciotti (FG), diga S. Pietro (AV)). Tali opere sono state selezionate in relazione alla loro diversa tipologia, la prima è omogenea mentre la seconda è zonata, ed in ragione del fatto che per entrambe sono disponibili sia una accurata caratterizzazione geotecnica sia il corrispondente terremoto di progetto. L’obiettivo delle analisi sarà quello di riprodurre il comportamento statico già osservato nella vita dell’opera e valutare l’eventuale riduzione di franco disponibile durante e dopo l’evento sismico.
Un altro aspetto che si intende investigare con dettaglio è il ruolo che ha, sul risultato di una analisi dinamica di un rilevato in terra, l’ ipotesi assunta circa la distribuzione iniziale dei volumi specifici e delle pressioni interstiziali. Si intende infatti svolgere uno studio, su base sia sperimentale che numerica, inteso ad interpretare i profili di volume specifico e di pressione interstiziale e suzione presenti nel rilevato in fase di esercizio, alla luce delle escursioni del grado di saturazione del materiale avvenute, a partire dalla fine della costruzione, durante l’evolversi del regime di filtrazione. Nell’analisi numerica dinamica, eseguita nell’ipotesi di mezzo bi-fase, tali profili verranno assegnati come condizioni iniziali, al fine di valutarne l’impatto sui risultati.
In una prima fase lo studio sarà finalizzato all’avanzamento della formulazione della SWRC e dell’isteresi idraulica di limi argillosi e sabbiosi, tipicamente adoperati come materiale da nucleo. Oltre ad un riesame dei dati già disponibili in letteratura, si eseguiranno prove di essiccamento e riumidificazione su provini di terreno limoso e limo-argilloso con misura del volume specifico al variare della suzione e del contenuto d’acqua. Tali prove saranno effettuate sia in assenza di confinamento che sotto carico totale non nullo; per lo svolgimento di queste ultime si prevede la collaborazione con il laboratorio di Soil Mechanics dell’Imperial College, dove sono state di recente sviluppate nuove strumentazioni per il controllo della suzione e per la misura del contenuto d’acqua in provini non saturi soggetti a compressioni isotrope in cella triassiale. Per le prove non confinate le misure di suzione saranno svolte con la tecnica della carta filtro. Nel caso dei provini confinati la procedura prevede l’adozione di tensiometri installati nell’apparecchio triassiale. I risultati di questa sperimentazione permetteranno anche di esaminare l’isteresi idraulica del terreno indagato. Tutto ciò al fine di definire un quadro interpretativo dei dati che evidenzi la dipendenza della risposta del materiale soggetto ad essiccamento e riumidificazione sia dalla granulometria del terreno, che dal suo volume specifico e dalla sua storia di carico. Tale quadro interpretativo sarà confrontato con quanto previsto da alcuni modelli elasto-plastici del comportamento dei terreni parzialmente saturi proposti in letteratura.
Passo successivo sarà la valutazione del regime di filtrazione che si instaura a partire da condizioni non sature nei terreni indagati. Tale valutazione sarà svolta a mezzo di un calcolo numerico della filtrazione basato sull’equazione di Richards e che adotti la formulazione della curva di ritenzione dedotta dalle indagini sperimentali. In particolare, si eseguiranno analisi agli Elementi Finiti (SEEP/W) del processo di filtrazione dell’acqua in una colonna di terreno soggetto ad una storia di carico nota. Il calcolo sarà eseguito sia adottando curve di ritenzione e conducibilità idraulica disponibili in letteratura, sia implementando le curve formulate sulla base dei risultati sperimentali prima descritti. L’attendibilità delle previsioni dell’analisi sarà valutata dal confronto dei risultati numerici con quelli di una sperimentazione su modello fisico che riproduca il processo di filtrazione modellizzato numericamente. A tal fine si realizzerà un campione cilindrico di terreno ricostituito e sovraconsolidato secondo la storia di carico assunta nel calcolo, in cui si instaureranno differenti regimi di filtrazione a partire da profili suzione noti. Il monitoraggio delle suzioni nel corso della la filtrazione sarà svolto a mezzo di tensiometri disposti lungo la colonna di terreno.
I risultati del confronto tra le previsioni numeriche e le osservazioni sperimentali saranno di indirizzo nel successivo svolgimento di una analisi della filtrazione attraverso una diga. Tale calcolo, svolto ancora adottando l’equazione di Richards, sarà riferito alla filtrazione indotta dall’invaso del serbatoio a monte della diga ed avrà, quali condizioni iniziali, quelle di parziale saturazione dei terreni a fine costruzione. Si analizzerà poi numericamente l’effetto di escursioni del livello di invaso sul dominio di filtrazione. I risultati di queste analisi potranno fornire indicazioni utili nella definizione delle condizioni iniziali del terreno da adottarsi nelle analisi dinamiche basate sull’ipotesi di mezzo bifase.