Dottorato di ricerca in Ingegneria Geotecnica Consorzio tra: Università di Napoli Federico II, Università di Napoli Parthenope, Seconda Università di Napoli, Università di Salerno, Università del Sannio Comportamento di grandi opere di sostegno in area urbana Diego L’Amante Tutore: prof. ing. C. Viggiani Cotutori: prof. ing. A. Flora, prof. ing. G. Russo SOMMARIO (1/2) Effetti della realizzazione della paratia STABILITA’ (fase di scavo) • Analisi FEM 3D parametrica del singolo pannello rettangolare SPOSTAMENTI (fase di scavo + sostegno + getto) • Raccolta di misure disponibili in letteratura • Proposta di una formula empirica atta a prevedere l’ordine di grandezza degli spostamenti orizzontali indotti dalla realizzazione di una paratia • Analisi FEM (3D) per una prima validazione della formula (singolo pannello) • Monitoraggio degli spostamenti indotti dalla realizzazione delle opere di sostegno della stazione metropolitana San Pasquale • Analisi FEM (3D) semplificate dello scavo del singolo pannello della stazione San Pasquale (singolo pannello a T) SOMMARIO (2/2) Effetti della realizzazione dello scavo principale ANALISI NUMERICHE • Simulazione di scavi profondi (rilevanza della procedura costruttiva) • stazione “San Pasquale” (paratia con vari ordini di contasti, 2D) • paratia vincolata in testa (2D) • paratia libera (2D e 3D) MISURE DI SPOSTAMENTI • Monitoraggio degli spostamenti durante la realizzazione del parcheggio sotterraneo di largo Celebrano (Napoli) • Raccolta di misure di spostamenti causati da scavi profondi nella città di Napoli Conclusioni e sviluppi futuri Effetti della realizzazione della paratia Introduzione di una formula empirica Parametri che maggiormente influenzano gli spostamenti causati dalla realizzazione della paratia Del terreno •γ (peso dell’unità di volume del terreno) •parametri di resistenza del terreno •E (rigidezza del terreno) •K0 (coefficiente di spinta a riposo) •pw (profondità della falda) Di costruzione e misura •a (distanza della misura dall’asse del pannello) •d (distanza della misura dal pannello) •b (larghezza pannello) •h (profondità pannello) •pf (profondità del fango) • t (tempo di costruzione del pannello) •γfango (peso specifico del fango) •γcls (peso specifico del calcestruzzo) Effetti della realizzazione della paratia Introduzione di una formula empirica Formula empirica per la stima del massimo spostamento orizzontale causato dalla realizzazione di una paratia smax 100 C geom Ccls h 0,5 b b 1, 43 a a h 2 2 arctan arctan C geom arctan d d d pianta d (negativo verso il terreno) h cls Ccls E 0,5 S 2,16 1 cls St γcls hc γf b/2-a b/2 a d sezione Effetti della realizzazione della paratia Introduzione di una formula empirica Influenza dei vari parametri E = 40 MPa b = 6m K0 = 0,5 hc =5 m d (m) d (m) 0 20 40 60 80 0 0 0 -5 -2 20 40 h = 20 m 60 80 h = 10 m h = 15 m h = 20 m -15 h = 30 m -8 -25 -10 -30 -12 20 d (m) 40 60 b= 3m b= 6m -6 -20 0 b= 1m -4 smax (mm) smax (mm) -10 b = 10 m 0 80 20 d (m) 40 60 80 0 15 -2 10 -4 -6 K0 = 0,5 k0 =0,8 K0 = 1 -10 K0 = 1,5 K0 = 2 -15 -8 -10 0 -5 smax (mm) smax (mm) 5 -12 hc = 5 m -14 hc = 7 m -16 -18 -20 hc = 10 m Effetti della realizzazione della paratia Introduzione di una formula empirica Spostamenti indotti dall’esecuzione di un pannello Simulazione della fase di scavo con fanghi Simulazione della fase di getto del calcestruzzo γcls hc γf Effetti della realizzazione della paratia Introduzione di una formula empirica smax misurato smax calcolato 6 misure utilizzate per la calibrazione 5 Lachler et al. (2006) 4 analisi numeriche 3 2 s (calcolato) = 2 s (misurato) 1 s (calcolato) = 0,5 s (misurato) 0 0,000 0,0001 -1 0,001 0,010 -2 smax misurato h % Effetti della realizzazione della paratia Introduzione di una formula empirica 0,005 -0,010 -0,005 0 0,000 -0,005 0,005 misure utilizzate per calibrare la formula analisi numeriche lachler (2006) -0,01 Effetti della realizzazione della paratia Il caso della stazione metropolitana di San Pasquale Stazione San Pasquale Effetti della realizzazione della paratia Il caso della stazione metropolitana di San Pasquale Stazione San Pasquale Prova Penetrom etrica PP3 Prova CPT Qc (Kg/cm q) 0 profondità (m) 23,6 I3 85 I2 I1 0,00 1,00 2,00 3,00 4,00 5,00 6,00 7,00 8,00 9,00 10,00 11,00 12,00 13,00 14,00 15,00 16,00 17,00 18,00 19,00 20,00 21,00 22,00 23,00 24,00 25,00 26,00 27,00 28,00 29,00 30,00 31,00 32,00 33,00 34,00 35,00 36,00 37,00 38,00 39,00 40,00 41,00 42,00 43,00 44,00 45,00 46,00 50 Falda 100 150 200 250 300 350 400 450 riporto sabbie cineriti sabbie limose sabbie piroclastiti a (eruzione di Soccavo) piroclastiti b (pozzolana del Tufo Giallo Napoletano) tufo I = inclinometro planimetria profilo stratigrafico Effetti della realizzazione della paratia Il caso della stazione metropolitana di San Pasquale Fasi realizzative della paratia • Trattamenti preliminari del terreno, Cutter Soil Mixing (CSM) • Esecuzioni delle murette guida • Realizzazione dei pannelli, ciascuno in due fasi 1. Scavo con fanghi bentonitici 2. Getto del calcestruzzo Effetti della realizzazione della paratia Il caso della stazione metropolitana di San Pasquale Fasi esecutive del CSM N Effetti della realizzazione della paratia Il caso della stazione metropolitana di San Pasquale Spostamenti indotti dall’esecuzione del CSM CSM Effetti della realizzazione della paratia Il caso della stazione metropolitana di San Pasquale Esecuzione Pannelli Scavo 73 C 75 C 136 74 76 87 C 137 L L L 159 C C 88 C 135 134 86 160 77 72 C 71 C 133 132 L L 85 158 C 131 130 L L 84 157 C 138 L 139 L 161 90 NG 6M C 89 N 140 L 141 L 78 C 103 162 C 142 L 79 C 104 163 C 114 70 C DATA LAVORI 10/12/2008 11/12/2008 08/01/2009 09/01/2009 15/01/2009 16/01/2009 21/01/2009 22/01/2009 05/02/2009 06/02/2009 scavo 85 getto 85 scavo 87 fine scavo 87 + getto 87 scavo 83 getto 83 scavo 88 getto 88 scavo 84 getto 84 69 C 129 128 L L 83 156 C 67 C 127 126 L L 82 155 C 125 124 L L 81 154 C 123 122 L L 80 153 C Getto L 7 152 C Effetti della realizzazione della paratia Il caso della stazione metropolitana di San Pasquale Spostamenti indotti dall’esecuzione dei pannelli Azimut (° da N ad E) Spostamenti (cm) 0,0 0,5 0 1,0 0 0 11.12.08 10 18.12.08 12.01.09 12.01.09 26.01.09 28.01.09 03.02.09 50 11.12.08 22.12.08 19.01.09 40 360 22.12.08 16.01.09 30 270 18.12.08 20 profondità (m) profondità (m) 20 180 15.12.08 15.12.08 10 90 04.02.09 05.02.09 A 05.02.09 B 06.02.09 30 40 50 16.01.09 19.01.09 26.01.09 28.01.09 03.02.09 04.02.09 05.02.09 A 05.02.09 B 06.02.09 5.03.09 5.03.09 60 60 smax = 6 mm La formula proposta precedentemente restituisce un valore di 6 mm se si ipotizza che l’altezza critica della spinta del calcestruzzo sia pari a 5 m Effetti della realizzazione della paratia Il caso della stazione metropolitana di San Pasquale Spostamenti incrementali indotti dallo scavo e dal getto dei pannelli I Effetti della realizzazione della paratia Il caso della stazione metropolitana di San Pasquale Possibili cause della dispersione delle misure •Ordine di esecuzione dei lavori. Il pannello frontale è stato eseguito successivamente ai due laterali, che insieme al CSM hanno notevolmente irrigidito il terreno •Posizione delle misura. Il pannello centrale mostra all’inclinometro una superficie inferiore rispetto a quelli laterali •Errori di misura. Per tubi inclinometrici così lunghi possono aversi errori sistematici o accidentali di misura (solo quest’ultimi fino ad un massimo di 1,7 mm per un tubo così lungo) •Differente esecuzione dei pannelli. Durante la realizzazione di tali pannelli molte sono le caratteristiche del lavoro non sempre ben controllate che però possono influenzare lo spostamento finale. Il tempo che intercorre dall’inizio dello scavo al getto, varia da 1 a 3 giorni. L’altezza del fango, oscilla di circa 1 m, anche in assenza di grossi problemi. La densità del fango e la velocità del getto del calcestruzzo, leggermente variabili, possono essere fattori importanti. Effetti della realizzazione della paratia Il caso della stazione metropolitana di San Pasquale Spostamenti incrementali indotti dallo scavo e dal getto dei pannelli α=39° α=45° α dipende dalla distanza tra pannello e inclinometro e dalla superficie laterale mostrata dal pannello all’inclinometro Effetti della realizzazione della paratia Il caso della stazione metropolitana di San Pasquale Analisi 3D del singolo pannello della stazione di San Pasquale Sabbie superficiali (HS) -6m Sabbie (HS) -17m Piroclastiti (HS) -42m Tufo (MC) Effetti della realizzazione della paratia Il caso della stazione metropolitana di San Pasquale Spostamenti causati dalla realizzazione del singolo pannello spostamenti (cm) 0,00 0,10 0,20 0,30 0,40 0,50 scavo getto -10,00 -50 -60 scavo getto -10 -20,00 -30,00 -40,00 -50,00 -60,00 -20 profondità (m) profondità (m) profondità (m) -40 0 0,00 -20 -30 0,00 0,10 0,20 0,30 0,40 0,50 0,00 0,10 0,20 0,30 0,40 0,50 0 -10 spostamenti (cm) spostamenti (cm) -30 -40 -50 -60 scavo getto Effetti della realizzazione dello scavo principale: analisi numeriche Paratia vincolata in testa Paratia vincolata in testa 23 analisi FEM parametri fatti variare: • Modello costitutivo, MC o HS (c = 0 KN/m^2, ’ = 36°, ψ=0) • Modellazione della realizzazione della paratia o no • Altezza critica della spinta del calcestruzzo (5m-15m) • K0 Analisi WIP e utilizzando MC M (kN m/m) 0 0 -400 -300 -200 -100 0 100 MC; WIP; K0 = 1senφ' -5 -10 -6000 -4000 -2000 0 -5 -10 MC; WIP; K0 = 1 -15 MC; WIP; K0 = 2 MC; WIP; K0 = 1 -15 -20 MC; WIP; K0 = 2 2000 MC; WIP; K0 = 1senφ' -20 z (m) -25 -25 -35 Effetto del coefficiente di spinta a riposo (Potts e Fourie 1985) -30 Effetto del coefficiente di spinta a riposo z (m) -30 Effetti della realizzazione dello scavo principale: analisi numeriche Paratia vincolata in testa Analisi WIP e utilizzando HS M (kN m/m) ux (mm) 0 -3000 -2000 -1000 0 1000 2000 -100 -50 0 -5 50 -5 HS; WIP; K0 = 0,5 HS; WIP; K0 = 0,5 HS; WIP; K0 = 1 -10 0 -10 HS; WIP; K0 = 1 HS; WIP; K0 = 2 -15 -15 HS; WIP; K0 = 2 -20 -20 -25 -25 z (m) z (m) -30 -30 -35 Analisi simulando la realizzazione della paratia e utilizzando HS -1000 0 1000 2000 -100 -500 -5 -250 HS; hc =10; K0 = 0,5 K0=1 -10 HS; hc =10; K0 = 1 K0 = 0,5 K0 = 1 -15 HS; hc =10; K0 = 2 K0 = 2 -5 -5 -10 -10 -15 -15 0 -50 0 HS; hc =10; K0 = 1 HS; hc =10; K0 = 2 5 HS; hc =10; K0 = 0,5 10 HS; hc =10; K0 = 1 15 -25 -25 25 -35 -35 100 250 HS; hc =10; K0 = 0,5 20 -30 -30 50 0 -20 -25 -30 -100 50 -20 -20 z (m) K0 = 0,5 00 -50 z (m) -2000 z (m) -3000 ux terreno (mm) ux (mm) Δσ x (kPa) Δσh (kPa) 0 0 HS; hc =10; K0 = 2 30 35 z (m) (KNm) m / m) MM(kN Effetti della realizzazione dello scavo principale: analisi numeriche Paratia vincolata in testa Facendo variare hc (K0 = 0,5) M (kN m/m) 0 -3000 -2000 -1000 0 1000 2000 -5 HS; WIP; K0 = 0,5 hc -10 -15 -20 HS; hc =5; K0 = 0,5 HS; hc =10; K0 = 0,5 HS; hc =15; K0 = 0,5 z (m) -25 -30 ux (mm) -50 0 -80 -60 -40 -20 0 20 -5 -10 ux (mm) 50 100 0 5 HS; WIP; K0 = 0,5 HS; WIP; K0 = 0,5 10 -15 HS; hc =5; K0 = 0,5 15 -20 HS; hc =10; K0 = 0,5 20 z (m) hc 0 hc HS; hc =5; K0 = 0,5 HS; hc =10; K0 = 0,5 HS; hc =15; K0 = 0,5 HS; hc =15; K0 = 0,5 -25 25 -30 30 -35 35 Effetti della realizzazione dello scavo principale: analisi numeriche Paratia vincolata in testa Mohr Coulomb 350 6000 300 5000 3000 smax (mm) Mmax (KN m) 250 4000 WIP HC=5 2000 200 WIP 150 HC=5 HC=10 HC=10 100 1000 50 0 0 0 0,5 1 1,5 2 0 2,5 0,5 1 1,5 2 2,5 K0 K0 Hardening Soil 3000 100 90 80 70 2000 1500 WIP HC=5 1000 HC=10 smax (mm) Mmax (KN m) 2500 60 50 WIP HC=5 40 HC=10 30 20 500 10 0 0 0 0,5 1 1,5 2 2,5 K0 0 0,5 1 1,5 2 2,5 K0 Effetti della realizzazione dello scavo principale: analisi numeriche Paratia vincolata in testa Modellando la realizzazione della paratia (2D) • Il K0 è poco influente sugli spostamenti ed i momenti flettenti della paratia, ciò è dovuto al fatto che, in seguito al getto del calcestruzzo la spinta del terreno va ad equilibrarsi con quella del calcestruzzo indipendentemente da quello che era il K0 iniziale •L’hc influenza spostamenti e momenti flettenti della paratia più che il K0 •Gli spostamenti del terreno sono influenzati sia dal K0 che dall’ hc •Si hanno diversi strumenti per valutare il K0 mentre si sa molto poco sulla hc Effetti della realizzazione dello scavo principale: analisi numeriche Paratia libera Paratia libera 36 analisi FEM parametri fatti variare: •Geometria (2D o 3D) •Modello costitutivo (MC o HS) (c = 0 KN/m^2, ’ = 36°, ψ=0) •Modellazione della realizzazione della paratia o no •Presenza o no del CSM •OCR 5,00 2,50 1,20 3,20 2,00 1,20 0,65 0,60 4,50 Effetti della realizzazione dello scavo principale: analisi numeriche Paratia libera Spostamenti orizzontali (HS) (Positivi verso il terreno) Spostamenti Orizzontali a monte dei pannelli prima dello scavo del pozzo-sezione M1 55 3D Spostamenti Orizzontali a monte dei pannelli prima dello scavo del pozzo 55 2D 50 50 45 No CSM 45 40 35 Profondità (m) Profondità (m) CSM 40 35 30 25 Base paratia 20 15 30 10 5 25 0 20 -0,01 -0,01 -5 0 0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 0,08 0,09 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 Spostamenti Ux (m) Ux tot_csm_HS_3d Ux tot_no_csm_HS_2d Ux tot_csm_HS_3d Ux tot_no_csm_HS_3d Ux tot_csm_HS_2d Ux tot_no_csm_HS_3d Ux tot_csm_HS_2d WIP 50 50 40 40 Profondità (m) 45 Profondità [m] 45 30 35 30 25 25 20 20 -0,0615 -0,0515 -0,0415 -0,0315 Delta Spostamenti [m] -0,0215 -0,0115 -0,0015 -0,06 -0,05 -0,04 -0,03 -0,02 -0,01 0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 Spostamenti Ux (m) delta0,3_tot_no_csm_HS_2d delta0,3_tot_csm_HS_2d delta0,3_wip_csm_HS_2d Ux tot_no_csm_HS_2d Ux tot_csm_HS_2d Ux wip_csm__HS_2d delta_0.3_tot_csm_HS_3d delta_0.3_tot_nocsm_HS_3d delta_0.3_wip_csm_HS_3d Ux wip_no_csm_HS_2d Ux tot_csm_HS_3d Ux tot_no_csm_HS_3d Ux wip_csm_HS_3d Ux _wip_no_csm_HS_3d delta_0.3_wip_nocsm_HS_3d delta0,3_wip_no_csm_2d 0,1 55 55 35 -0,0715 0,09 Spostamenti Orizzontali a monte dei pannelli dopo lo scavo del pozzosezione M1 3D 2D 0,08 Spostamenti Ux (m) Ux tot_no_csm_HS_2d Differenza Spostamenti Orizzontali - sezione M1 - 2d-3d HS -0,0815 0,07 0,1 0,06 Effetti della realizzazione dello scavo principale: analisi numeriche Paratia libera Spostamenti verticali a monte della paratia Hardening Soil Mohr Coulomb Profilo Piano Campagna a Monte dei Pannelli Profilo Piano Campagna a Monte dei Pannelli distanza [m] 0,03 25 35 45 55 65 75 85 0 0,02 distanza [m] 0 28 33 38 43 48 53 58 63 68 73 78 -0,01 -0,02 83 88 Spostamenti Uy [m] Spostamenti Uy [m] 0,01 -0,01 -0,02 -0,03 -0,03 -0,04 -0,04 -0,05 -0,05 Uy tot_csm_MC_2d Uy wip_no_csm_MC_2d Uy wip_csm_MC_2d Uy wip_csm_MC_3d Uy tot_csm_MC_3d Uy wip_no_csm_MC_3d Uytot_nocsm_MC_3d Uytot_nocsm_MC_2d -0,06 Uy tot_csm_HS_3d Uy _tot_no_csm_HS_3d Uy wip_csm_HS_3d Uy wip_no_csm_HS_3d Uy tot_no_csm_HS_2d Uy tot_csm_HS_2d Uy wip_csm_HS_2d Uy wip_no_csm_HS_2d 95 Effetti della realizzazione dello scavo principale: analisi numeriche Paratia libera Spostamenti verticali causati dalla realizzazione della paratia 2d MC 2d hs ocr=2 2D + grande dominio elastico 0,03 2d HS OCR=1 3d elastico lineare spostamenti verticali (m) 0,02 3d MC 3d hs ocr=2 3D + grande dominio elastico 0,01 3d HS OCR=1 0 25 50 75 -0,01 -0,02 2D e 3D + plasticizzazione da subito -0,03 -0,04 (Clough e O’Rourke 1990) distanza dall'origine (m) 100 Effetti della realizzazione dello scavo principale: analisi numeriche Paratia libera Confronto tra formula empirica e analisi FEM 3D, intera paratia di pannelli a T smax misurato smax calcolato 6 misure per calibrazione 5 analisi numeriche napoli San Pasquale 4 Lachler (2006) 3 pannelli a T analisi 2 1 0 0,0001 -1 0,0010 0,0100 smax misurato h -2 % Effetti della realizzazione dello scavo principale: misure di spostamenti Largo Celebrano Parcheggio sotterraneo di largo Celebrano I3 Spostamenti (cm) lettura di zero 08.11.07 profondità da estradosso cordolo (m) -1 0,00 0,50 1,00 1,50 2,00 4 9 Fondo scavo 14 19 04.12.07 21.12.07 15.01.08 11.04.08 26.05.08 10.07.08 23.09.08 21.01.09 Effetti della realizzazione dello scavo principale: misure di spostamenti Case histories napoletane Misure di spostamenti indotti da scavi realizzati a Napoli Massimi spostamenti orizzontali 1,2 Metro Toledo 50 Metro Garibaldi Metro Università parch. Kagoshimai parch. Montedidio parch. Fuorigrotta parch. Celebrano s = 0,1% H 40 s (mm) w / h (‰) 60 30 20 10 0,8 0,6 w = 0,4 s 0,4 0,2 0,0 0,0 0 0 10 20 30 40 H (m) (Clough e O’Rourke 1990) 50 1,00 2,00 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 s / h (‰) 60 (Mana e Clough 1981) Spostamenti orizzontali al piano campagna distanza / H 0,00 w=s 1,0 60 3,00 Metro Toledo 0,00 50 40 0,40 Metro Toledo Metro Garibaldi 0,60 parch. Montedidio 0,80 parch. Forigrotta 1,00 s (mm) w / w max 0,20 Metro Garibaldi Metro Università s = 0,06% H 30 20 parch. Montedidio 10 parch. Fuorigrotta parch. Celebrano 0 0 (Wang et al. 2005) parch. Kagoshima 10 20 30 H (m) 40 50 60 Conclusioni e sviluppi futuri CONTRIBUTO CON NUOVE MISURE • Sono state eseguite misure da scavi profondi in ambiente urbano: • Stazione metropolitana di San Pasquale (effetto della realizzazione della paratia) • Parcheggio sotterraneo di largo Celebrano (effetto della realizzazione dello scavo principale) CONTRIBUTO ALLA COMPRENSIONE DEI MECCANISMI IN ATTO • Si sono studiati alcuni fattori influenzanti la stabilità di un pannello, in particolare si è vista l’importanza della posizione della macchina operatrice e dell’effetto 3D • Sono state eseguite una serie di analisi numeriche (2d e 3D) su 3 tipologie di paratie (plurivincolata, vincolata in testa, libera) per mettere in luce l’effetto del tipo di modellazione della realizzazione della paratia sul comportamento della stessa CONTRIBUTO ALLA STIMA DEGLI EFFETTI DELLA REALIZZAZIONE DELLA PARATIA E DELLO SCAVO PRINCIPALE • Effetto della realizzazione della paratia: formula empirica per la stima del massimo spostamento orizzontale • Effetto della realizzazione dello scavo principale: raccolta dei dati disponibili e proposta di abachi empirici per la stima degli spostamenti nei terreni del napoletano Conclusioni e sviluppi futuri Sviluppi prossimi venturi • Esecuzioni di analisi tridimensionali della stazione di San Pasquale utilizzando un modello ipoplastico ed il codice di calcolo Abaqus (previsione di classe C/A). • Verifica dell’affidabilità delle misure inclinometriche in casi simili e introduzione di correzioni. • Raccolta di ulteriori misure da scavi attualmente in corso (scavo principale di San Pasquale, Arco Mirelli, stazione AV di Bologna). • Verifica numerica (analisi 3D) dell’effetto forma del pannello