Modellazione fisica e numerica del comportamento di opere di sostegno flessibili in condizioni sismiche

In the last decades, an increasing number of deep excavations, generally supported by diaphragm walls with one or more levels of support, are constructed in urban areas to meet the demands of transport and use of underground space. Monitoring of existing structures and experimental observations on small scale models have shown that retaining structures experience serious damage when exposed to moderate to strong earthquakes, during which both failure of structural elements and large permanent displacements of the walls occur. An understanding of the dynamic behaviour of retaining structures and adequate design procedures are vital for the control of seismic induced displacements and hence the limitation of damages to the surrounding buildings. At present no analytical methods for the prediction of permanent displacements of flexible retaining walls under dynamic conditions are available. Therefore, numerical modelling is the only reliable tool to describe the stress-strain behaviour of such structures. Nevertheless, many uncertainties exist in the numerical analyses of dynamic soil-structure interaction, among which a major role is played by the constitutive model adopted for the soil, which should be able to reproduce the main features of its mechanical behaviour under cyclic loading. Accordingly, it is necessary to have experimental data both to calibrate constitutive models and to verify numerical predictions. Since few experimental data are available from the observation of real structures under earthquakes, the study of the seismic behaviour of flexible retaining walls relies mainly on data obtained from centrifuge or shaking table tests on reduced scaled models. This thesis presents the results of a series of dynamic centrifuge tests on reduced scale models of flexible retaining walls, both cantilevered and with one level of support, conducted on the Turner beam centrifuge at the Schofield Centre of the University of Cambridge. The experimental programme included a total of nine model tests in an ideal layer of dry sand, reconstituted at different values of relative density, in order to identify the main physical factors affecting the behaviour of such structures under seismic actions. Six tests were carried out on pairs of cantilevered retaining walls at an acceleration of 80 g and three on pairs of propped retaining walls at 40 g. Plain strain numerical simulations of centrifuge model tests were also carried out with a finite difference code. In the FD analyses, the mechanical behaviour of the soil was modelled using an advanced constitutive model, developed by Andrianopoulos et al. (2010) within the framework of bounding surface plasticity. This model is able to reproduce the cyclic behaviour of granular soils under small to large shear strains with a single set of model parameters for any initial relative density and confining pressure. The main objective of the numerical simulations was to verify the reliability of both constitutive assumptions for the soil and numerical procedures adopted to model dynamic phenomena. Besides, the possibility to observe the evolution of the stress state in the soil during dynamic transients permitted to interpret the physical phenomena observed during centrifuge model tests on the basis of the stress-strain behaviour of the soil close to the excavation. The experimental work permitted to identify clearly important phenomena, such as the progressive development of permanent displacements during shaking and the existence of significant residual loads in the structural members after shaking. Numerical analyses showed a good agreement with the experimental results, both in terms of accelerations into the soil and displacements and loads in the structural members. Moreover, the observation of stress redistribution around the excavation showed that permanent displacements and residual bending moments in the walls are mainly due to a progressive mobilization of the passive resistance in the soil during dynamic transients.

Negli ultimi anni, la ridefinizione del sistema dei trasporti e la necessità di sfruttare lo spazio sotterraneo hanno portato alla realizzazione di un numero sempre crescente di scavi profondi in ambiente urbano, generalmente sostenuti da paratie di cemento armato gettato in opera con uno o più livelli di ancoraggio. Il monitoraggio di opere esistenti e alcuni studi sperimentali hanno mostrato l’estrema vulnerabilità delle opere di sostegno nei riguardi di terremoti di moderata o elevata intensità, durante i quali si sono osservati sia la rottura degli elementi strutturali sia l’accumulo di spostamenti permanenti elevati da parte delle opere. La necessità di limitare i danni associati a tali spostamenti, quindi, rende di cruciale importanza la comprensione del comportamento esibito dalle strutture di sostegno in condizioni dinamiche e lo sviluppo di metodologie di progetto adeguate. Poiché, ancora oggi, non sono disponibili metodi analitici per il calcolo degli spostamenti delle opere di sostegno flessibili in condizioni dinamiche, la modellazione numerica rappresenta l’unico strumento in grado di fornire informazioni sul comportamento tensio-deformativo di queste opere. Tuttavia, le numerose incertezze associate alla modellazione numerica dei fenomeni di interazione dinamica tra terreno e struttura, tra le quali la più importante è la scelta di un modello costitutivo adeguato per la descrizione del comportamento del terreno sottoposto a sollecitazioni cicliche, rendono di cruciale importanza la necessità di disporre di dati attraverso cui verificare la bontà dei modelli costitutivi adottati e le capacità previsionali delle analisi numeriche. Poiché i dati relativi al monitoraggio di opere in vera grandezza sono pochi, lo studio del comportamento delle opere di sostegno flessibili in condizioni sismiche si basa soprattutto sui dati forniti da prove di laboratorio su modelli fisici in scala ridotta, eseguite in centrifuga o su tavola vibrante. Nell’ambito di questa tesi di dottorato, sono state realizzate, presso lo Schofield Centre dell’Università di Cambridge, nove prove in centrifuga su modelli fisici in scala ridotta di coppie di paratie, sia a sbalzo sia con un livello di contrasto, in uno strato ideale di sabbia asciutta ricostituita a diversi valori della densità relativa, al fine di evidenziare i principali fattori che influiscono sul comportamento di queste strutture in condizioni sismiche. In particolare, sono state eseguite sei prove su coppie di paratie a sbalzo, ad una accelerazione centrifuga di 80 g, e tre prove su coppie di paratie con un livello di contrasto, ad una accelerazione centrifuga di 40 g. Sono state realizzate, inoltre, le simulazioni numeriche, in condizioni di deformazione piana, di alcune delle prove dinamiche eseguite in centrifuga adottando un codice di calcolo alle differenze finite. Per la rappresentazione del comportamento meccanico della sabbia è stato utilizzato un modello costitutivo avanzato, sviluppato da Andrianopoulos et al. (2010), particolarmente adatto a riprodurre il comportamento ciclico dei terreni granulari in corrispondenza di piccole, medie e grandi deformazioni e per diversi valori dello stato tensionale e della densità iniziali. Il principale obiettivo della simulazione numerica è stato verificare le capacità previsionali dei modelli numerici, con particolare riferimento alle equazioni costitutive scelte per il terreno e alle strategie adottate per la modellazione del fenomeno osservato. Inoltre, la possibilità di osservare l’evoluzione dello stato tensionale nel corso di un dato evento sismico ha fornito uno strumento essenziale per l’interpretazione dei fenomeni osservati in centrifuga, sulla base del comportamento tensio-deformativo del terreno situato in prossimità dell’opera. Il lavoro sperimentale condotto in centrifuga ha consentito di individuare alcuni importanti fenomeni, quali, ad esempio, il progressivo accumulo di spostamenti permanenti durante i terremoti e l’esistenza di sollecitazioni residue negli elementi strutturali dopo i terremoti. I risultati forniti dalle analisi numeriche sono in ottimo accordo con i dati sperimentali, in termini sia delle accelerazioni nello strato di terreno, sia degli spostamenti e delle sollecitazioni negli elementi strutturali. Inoltre, a partire dall’evoluzione dello stato tensionale nel terreno in prossimità dello scavo, si è osservato che gli spostamenti permanenti e le sollecitazioni residue nelle paratie sono principalmente dovute ad una progressiva mobilitazione della resistenza passiva nel terreno durante i transitori dinamici.