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Università degli Studi di Roma “La Sapienza”
Dipartimento di Ingegneria Strutturale e Geotecnica
DOTTORATO DI RICERCA IN INGEGNERIA GEOTECNICA
Studio dell’allargo di una galleria con la
tecnica del pretaglio
Gioacchino Altamura
Relatore: Prof. Alberto Burghignoli Co-relatori: Prof. Salvatore Miliziano
Prof. Renato Ribacchi
INDICE
Premessa ........................................................................................................................... 1
1. Tecniche di esecuzione e allargo di gallerie................................................................. 5
1.1 Scavo di gallerie in terreni sciolti ........................................................................... 5
1.2 Allargo di gallerie................................................................................................. 11
2. La galleria di Nazzano................................................................................................ 13
2.1 Descrizione dell’opera e dei lavori di allargo....................................................... 14
2.2 Inquadramento geologico ..................................................................................... 19
2.3 Caratterizzazione geotecnica ................................................................................ 20
2.4 Il sistema di monitoraggio .................................................................................... 48
3. Analisi numeriche dello scavo della galleria e dell’allargo........................................ 51
3.1 Introduzioni alle analisi numeriche ...................................................................... 51
3.2 Analisi preliminari................................................................................................ 53
3.2 Analisi definitive .................................................................................................. 75
4. Risultati del monitoraggio .......................................................................................... 79
4.1 Introduzione.......................................................................................................... 79
4.2 Elaborazione dei dati di monitoraggio ................................................................. 81
4.3 Le misure estensimetriche .................................................................................... 92
4.4 Le misure inclinometriche.................................................................................. 107
5. Risultati delle analisi numeriche .............................................................................. 111
5.1 Introduzione........................................................................................................ 111
5.2 Le analisi numeriche eseguite ............................................................................ 112
6. Confronto tra risultati delle analisi e delle osservazioni sperimentali...................... 173
6.1 Introduzione........................................................................................................ 173
6.2 Il confronto ......................................................................................................... 174
6.3 Conclusioni......................................................................................................... 199
7. Considerazioni conclusive........................................................................................ 201
Bibliografia................................................................................................................... 206
Certamente la natura interrogata dall’esperimento è una natura
semplificata, preparata appositamente e occasionalmente mutilata in
funzione delle ipotesi preesistente. Tutto ciò non la priva della capacità di
smentire la maggior parte delle ipotesi. Einstein era solito far notare che
la natura, la maggior parte delle volte, risponde no alle domande che le
vengono poste e solo occasionalmente dice forse. Lo scienziato dunque
non fa tutto ciò che vuole, non riesce a far dire alla natura quello che lui
vuole, né può, per lo meno sul lungo periodo, proiettare su di essa i
desideri e le aspettative che gli ha più a cuore. Lo scienziato corre
veramente dei grossi rischi, tanto più grandi quanto più crede di circuire
meglio la natura con la sua tattica, di metterla una volta per tutte con le
spalle al muro………..
Il protocollo del dialogo sperimentale è a nostro avviso un’acquisizione
irreversibile della cultura umana. Esso garantisce veramente che la natura
interrogata dall’uomo sarà trattata come un essere indipendente.
Certamente essa viene costretta ad esprimersi in un linguaggio forse
inadeguato. Ma le procedure del metodo vietano di metterle in bocca le
parole che si vorrebbero ascoltare. Il dialogo sperimentale forma anche la
base del carattere comunicabile e riproducibile dei risultati scientifici.
Anche se costringiamo la natura ad esprimersi in maniera parziale, una
volta che essa ha parlato in condizioni riproducibili, tutti si inchinano:
infatti essa non mente mai, la natura non ci inganna.
“La nuova alleanza” - Ilya Prigogine, Isabelle Stengers
Premessa _________________________________________________________________________
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Premessa
Nella presente tesi si riportano le attività sviluppate e la ricerca realizzata durante il
Dottorato di Ricerca in Ingegneria Geotecnica, svolto presso il dipartimento di Ingegneria
Strutturale e Geotecnica dell’Università di Roma "La Sapienza". È necessario da subito
ricordare come le attività del presente studio prendono spunto da una Convenzione di
Ricerca stipulata tra la Società Autostrade S.p.A. (ora Autostrade per l’Italia) ed il
Dipartimento di Ingegneria Strutturale e Geotecnica dell'Università degli Studi di Roma
"La Sapienza" dal titolo “Monitoraggio geotecnico dei lavori di ampliamento con traffico
in esercizio della galleria di Nazzano”. Tale convenzione si riferisce allo studio di un caso
reale relativo ai lavori in corso per l’ampliamento a tre corsie più quella di emergenza della
galleria di Nazzano sul tratto autostradale Orte - Fiano Romano (A1). Caratteristica
qualificante dei lavori nel sito in esame è la messa in opera di un sistema di monitoraggio,
che rende lo studio del caso reale molto interessante, perché la previsione del
comportamento dell’opera conseguito grazie ai modelli teorici numerici può essere
confrontata con quanto rilevato in sito dal monitoraggio.
Il tipo di lavori in corso, poc’anzi esposti, debbono essere inseriti in una
programmazione di ampia scala relativa all’adeguamento delle infrastrutture preesistenti
necessaria per far fronte alla crescente domanda di trasporto. Quanto si prospetta in merito
all’ammodernamento dell’attuale rete autostradale, tecnicamente si traduce, tra l’altro, nel
cercare di potenziare la capacità delle vie di comunicazione. L’unica possibilità in ambito
delle infrastrutture di tipo autostradale, è quella dell’aggiunta di una o più corsie di marcia
ad entrambe le carreggiate. L’allargamento della sede stradale da due a tre corsie è uno
degli attuali problemi, ancor più complesso, in presenza di gallerie. In quest’ultimo caso, il
problema si aggrava ulteriormente se si deve garantire il traffico in esercizio, anche durante
i lavori. Una semplice soluzione, quando le condizioni lo permettono, è quella di realizzare
opere di deviazione temporanea chiudendo la galleria sino al completamento dei lavori di
allargamento. Ciò permette di progettare e analizzare il problema analogamente a quanto
succede per lo scavo ex-novo di gallerie, senza tener conto di particolari esigenze,
esaminando le possibili tecniche di scavo correntemente utilizzate. In alternativa, è
possibile pensare a tecniche che consentano il mantenimento del traffico durante i lavori,
sia pure a carreggiata ridotta, proteggendo la sede stradale: un esempio è l’allargamento
Premessa _________________________________________________________________________
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della galleria autostradale di Nazzano. L’impossibilità nel realizzare nuove gallerie e/o
nuovi tracciati, infatti, ha condotto ad operare sulla galleria preesistente, necessariamente
aperta al traffico, costringendo all’adozione di tecniche costruttive che richiedano la
presenza di uno scudo di protezione della sede stradale e dei conseguenti ridotti spazi
operativi. Poiché nel caso in esame ci ritrova in presenza di terreni sciolti e/o di scadenti
caratteristiche di resistenza, cui si associano limitate capacità di autosostegno del cavo,
l’avanzamento del fronte è stato preceduto dalla realizzazione di un guscio resistente
inserito nel terreno, avente funzione di rivestimento provvisorio. Tale guscio è realizzato
mediante intasamento con betoncino fibrorinforzato di un’incisione anulare scavata
meccanicamente mediante una lama metallica, il cosiddetto pretaglio, di diametro
maggiore rispetto a quello della nuova galleria.
Quando si studiano gli effetti dello scavo di una galleria, la modellazione più opportuna
è quella tridimensionale, scelta ancora più appropriata per simulare l’esecuzione di
un’incisione di estensione limitata nel terreno quale è il pretaglio. Per tale ragione sono
state impostate, come meglio verrà illustrato in seguito, analisi numeriche tridimensionali
impiegando il codice di calcolo alle differenze finite FLAC 3D 2.0. Le analisi numeriche
tridimensionali sono particolarmente adatte nel simulare realisticamente le singole fasi
previste nella realtà esecutiva dello scavo di gallerie e, in particolare nel caso in esame, le
fasi di ampliamento delle gallerie per mezzo della tecnica del pretaglio. Le stesse
permettono, inoltre, di seguire e studiare l’evoluzione tensio-deformativa nelle tre direzioni
dello spazio che si sviluppa con l’avanzamento del fronte di scavo. Se da una parte è
evidente l’utilità delle analisi tridimensionali nella progettazione statica delle gallerie, non
è inutile ricordare che, nonostante le maggiori potenzialità degli attuali calcolatori, l’analisi
numerica tridimensionale richiede tempi di calcolo impegnativi. Tale onerosità
computazionale richiede l’introduzione di semplificazioni nella messa a punto dello
strumento d’analisi. Una specifica trattazione è riservata, a tal proposito, nella scelta del
modello implementato nelle analisi numeriche, fissando in particolare l’attenzione sulle
dimensioni del reticolo di discretizzazione, sulla geometria della griglia e sulla dimensione
degli elementi che la compongono, sulla densità di discretizzazione, sulle relazioni sforzi-
deformazioni del terreno, sull’utilizzo di elementi strutturali nella simulazione di alcuni
processi di realizzazione delle singole fasi costruttive.
In generale, una volta messa a punto uno strumento d’indagine numerica, il progresso
delle conoscenze sul comportamento tensio-deformativo dell’ammasso soggetto a fasi
Premessa _________________________________________________________________________
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lavorative più o meno articolate, come processi di scavo, demolizione di elementi
strutturali esistenti e installazione di nuovi, necessariamente passa per un sistematico
confronto tra i risultati di simulazioni numeriche il più vicino possibile alla realtà e misure
rilevate in sito in situazioni ben caratterizzate geotecnicamente. Tutto ciò è tanto più vero
per lo studio dell’allargo di gallerie per mezzo della tecnica del pretaglio, essendo
quest’ultima una tecnica di recente utilizzo, non supportata da studi ed indagini simili
precedenti. Grazie alla Convenzione, cui si è accennato precedentemente, tale tipo di
confronto è possibile attualizzando i dati provenienti dal sistema di monitoraggio. Lungo lo
sviluppo della galleria, di lunghezza pari a circa 330 m, sono disposte cinque sezioni di
misura, per ciascuna della quale è disponibile una buona caratterizzazione geotecnica dei
terreni presenti.
Tutto ciò premesso è possibile con maggior chiarezza delineare gli obiettivi della
presente tesi di dottorato:
− Ottimizzazione delle analisi numeriche tridimensionali in modo da assicurare un
compromesso tra accuratezza dei risultati e tempi di analisi. Ciò è possibile
agendo sui criteri di simulazione, sulla geometria della griglia utilizzata e sulla
scelta di semplici, ma sufficientemente approssimati, legami costitutivi per la
simulazione del comportamento del terreno.
− Migliorare la comprensione del comportamento d’insieme di un ammasso
interessato dall’allargo di gallerie con l’impiego della tecnica del pretaglio. Ciò è
possibile attraverso il confronto tra i risultati provenienti dall’implementazione
di strumenti di analisi tridimensionale, in grado di riprodurre fedelmente le
singole fasi costruttive previste nella realtà esecutiva, e i dati rilevati in sito con
appropriati sistemi di monitoraggio.
La tesi è articolata in modo da passare progressivamente dalla descrizione
dell’intervento di allargo e dalla caratterizzazione geotecnica del sito, alla elaborazione dei
risultati numerici e dei dati di monitoraggio, al loro successivo confronto, e quindi alle
considerazioni finali e alle conclusioni della ricerca. Più specificatamente, dopo la
descrizione della sequenza lavorativa che caratterizza il sito in esame, si illustrano
sinteticamente le campagne d’indagine geotecniche fin ad oggi eseguite e il tipo di
strumentazione caratterizzante il sistema di monitoraggio. In particolare si descrive in
dettaglio il modello geotecnico di sottosuolo desunto dal complesso dei risultati ottenuti
Premessa _________________________________________________________________________
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nelle indagini in sito e nelle prove di laboratorio. Prima di illustrare i dati provenienti dalla
strumentazione di monitoraggio usati per lo studio e i confronti, si descrivono i criteri
seguiti nell’impostazione delle analisi numeriche eseguite, sia con riferimento
all’impostazione generale del problema sia con riferimento alla simulazione delle singole
fasi costruttive. A seguire si riportano e si commentano i dati provenienti dal sito più
affidabili e significativi, descrivendo i criteri di elaborazioni cui sono stati sottoposti.
Particolare attenzione è dedicata all’illustrazione delle analisi numeriche, dalle quali sono
stati ricavati i risultati posti a confronto con i dati di monitoraggio. In fine si riportano le
considerazioni e le indicazioni che sono scaturite dalla intera ricerca, con le relative
osservazioni e conclusioni.
Capitolo 1 – Tecniche di esecuzione e allargo di gallerie _______________________________________________________________________________
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CAPITOLO 1 Tecniche di esecuzione e allargo di gallerie
1.1 Scavo di gallerie in terreni sciolti
Lo scavo in terreni sciolti difficilmente è effettuato in assenza di una protezione nel
tratto di galleria appena scavato e ancora privo di rivestimento. Di corrente utilizzo è la
realizzazione di gallerie con uno scudo, che è in grado di garantire un ambiente di lavoro
sicuro, una maggiore efficienza delle operazioni di scavo e un minor disturbo del terreno
circostante in termini di spostamenti indotti. In terreni sciolti poco consistenti,
praticamente privi della componente di resistenza di tipo coesivo, non è possibile
immaginare che una galleria possa autosostenersi senza la presenza di un rivestimento. In
prossimità del fronte, durante l’avanzamento dello scavo, nasce la problematica relativa
all’impossibilità di mettere in opera da subito un rivestimento anche solo provvisorio. La
presenza dello scudo, e in particolare del corpo dello scudo, risolve totalmente tale
difficoltà. Non solo, unito all’estremità di taglio e opportunamente irrigidito, permette di
controllare e far avanzare lo scavo della galleria stessa, lasciando alla coda dello scudo il
compito di erigere e installare nuovi elementi di rivestimento, pompare malta di
riempimento tra rivestimento e parete della galleria, e provvedere all’organizzazione di
smaltimento dello smarino. Si comprende come lo scavo con l’impiego di uno scudo possa
essere molto efficiente, oltre che più sicuro per la manodopera, quando ogni operazione è
coordinata e sincronizzata con tutte le altre.
Il coordinamento delle fasi di lavoro e le caratteristiche di avanzamento dello scavo
sono in funzione del tipo di scudo che si sceglie di adottare. Le differenze tra uno scudo e
l’altro risiedono principalmente sulle modalità di scavo e sugli accorgimenti relativi alla
stabilità del fronte. Per quanto riguarda il primo aspetto, il sistema di scavo al fronte può
essere di tipo manuale, semimeccanizzato o completamente meccanizzato.
Tendenzialmente il sistema più utilizzato è quello meccanizzato, mentre non si utilizza più
il sistema manuale. Il sistema meccanizzato è sicuramente più vantaggioso rispetto a quello
semimeccanizzato per terreni attraversati praticamente omogenei nelle caratteristiche
fisiche e meccaniche. Ciò è comprensibile se si pensa che il sistema di scavo meccanizzato
consiste nella presenza di una testa rotante, la fresa, che realizza lo scavo a tutta sezione ed
Capitolo 1 – Tecniche di esecuzione e allargo di gallerie _______________________________________________________________________________
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è munita di specifici strumenti taglienti, i cutters, da selezionare in maniera specifica per le
diverse condizioni geotecniche incontrate. Viceversa, quando i terreni sono eterogenei e si
possono trovare diverse condizioni geotecniche del terreno attraversato, lo scavo semi-
meccanizzato assicura un’ottimizzazione del lavoro per la sua più flessibilità nelle
operazioni e modalità di scavo. La tecnica per garantire la stabilità del fronte è un ulteriore
elemento che differenzia sostanzialmente il tipo di scudo. Il sostegno del fronte può essere
raggiunto tramite l’utilizzo di aria compressa, ma più generalmente si impiegano fanghi
bentonitici in pressione applicati al fronte di scavo. La pressione di stabilizzazione può
essere generata anche tramite la pressione del terreno stesso scavato, opportunamente
rimescolato e miscelato con additivi, in un apposita camera posizionata immediatamente
dietro la fresa.
Una scelta oculata della tecnica di scavo e del tipo di macchina da utilizzare permette
l’ottimizzazione nella realizzazione di gallerie, scelta non banale perché deve tenere conto
inevitabilmente di molti altri fattori oltre a quelli già menzionati sopra, quali le condizioni
idrauliche, la lunghezza e le dimensioni della sezione della galleria, la velocità di
esecuzione dello scavo, il sistema di sostegno che si pensa di dover utilizzare e infine, ma
non ultimo per importanza, il costo della macchina.
Gli scudi utilizzati sono schematicamente illustrati nelle seguenti Tab. 1 e Tab. 2.
Capitolo 1 – Tecniche di esecuzione e allargo di gallerie _______________________________________________________________________________
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Tab.
1 –
Cla
ssifi
cazi
one
degl
i scu
di(a
).
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Tab.
2 –
Cla
ssifi
cazi
one
degl
i scu
di (b
).
Capitolo 1 – Tecniche di esecuzione e allargo di gallerie _______________________________________________________________________________
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Esistono, comunque, anche situazioni in cui è possibile far a meno dell’utilizzo di scudi
di protezione: quando i terreni sono a grana fine molto consistenti, quando la sezione della
futura galleria è molto ampia o la lunghezza della stessa è tropo breve. In questi casi si
opera scavando puntualmente con mezzi meccanici (scavo in tradizionale), dopo aver
assicurato la stabilità di tutta la zona del fronte. Evidente come debba essere
profondamente curato, nella progettazione dello scavo in tradizionale, l’aspetto della
stabilità al fronte, essendo il requisito che assicura la possibilità di avanzamento dell’opera
e la sicurezza del cantiere. Di solito si utilizza calcestruzzo proiettato fibrorinforzato che
può essere considerato come sostegno permanente in condizioni di basse sollecitazioni o,
diversamente, come sostegno provvisorio per consentire la messa in opera delle centine. In
ogni modo, le tecniche di miglioramento o rinforzo sono di particolare aiuto in questi casi e
il tipo e la loro modalità di utilizzo è funzione delle caratteristiche geotecniche e
geometriche del sito. Una breve descrizione sarà riportata in seguito.
A prescindere da eventuali tecniche di miglioramento, quando è presente un minimo di
coesione, nella progettazione delle gallerie è comunque possibile valutare le condizioni di
stabilità nella zona del fronte e del retrofronte. Queste sono le zone dove ancora non è
presente un rivestimento definitivo e deve essere previsto un sostegno provvisorio o una
pressione di stabilizzazione, come nel caso di scavo con scudi. In generale, per un primo
livello dello studio della stabilità, si può far riferimento ai metodi dell’analisi limite. Di
particolare interesse nella valutazione sono due situazioni estreme: quando il tratto di
galleria in cui non è presente il rivestimento definitivo è sufficientemente lungo da poter
pensare di essere in condizioni piane o quando è possibile pensare il rivestimento
definitivo in corrispondenza del fronte. In proposito, la letteratura propone relazioni di
facile comprensione e applicazione, distinguendo casi di terreni coesivi-attritivi, sopra o
sotto falda e casi di terreni coesivi in condizioni non drenate.
Altro aspetto nella progettazione di gallerie è la scelta e dimensionamento del
rivestimento definitivo, aspetto non d’immediata risoluzione. Infatti il terreno non può
essere considerato come un semplice carico esterno applicato al rivestimento, ma è
necessario tener conto sia della complessa interazione tra rivestimento-terreno sia come la
messa in carico del rivestimento dipenda da molteplici fattori derivanti anche dal tipo di
terreno e dalle modalità di scavo. Molto spesso è l’esperienza del progettista ad essere
determinante nella scelta delle caratteristiche del rivestimento. Comunque un’analisi
strutturale è necessaria oltre che cogente; una prima valutazione può essere effettuata
Capitolo 1 – Tecniche di esecuzione e allargo di gallerie _______________________________________________________________________________
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utilizzando schemi semplificati in cui si applica il metodo delle curve caratteristiche, per
poi passare eventualmente ad analisi più complesse in cui si fa uso di metodi di calcolo
numerici quali analisi agli elementi finiti.
Nella progettazione di gallerie è doveroso tener conto anche dell’ambiente circostante in
cui si inserisce la nuova struttura. Lo scavo di una galleria, infatti, comporta
inevitabilmente una perturbazione dello stato tensionale e deformativo in un volume di
terreno dipendente dalle dimensioni dell’opera e dalle caratteristiche geotecniche del
terreno stesso. Un esempio significativo riguarda le gallerie in ambiente urbano. Alle
problematiche costruttive e progettuali appena accennate si affianca un altro aspetto di
notevole importanza: l’interazione con le costruzioni in superficie. Edifici e più in generale
strutture di diversa natura, alcune anche di prevalente interesse storico e artistico, sono
condizionate dallo stato deformativo del terreno di fondazione conseguente allo scavo della
galleria sottostante; in questi casi è imprescindibile limitare gli effetti dell’interazione per
non alterare la stabilità e la funzionalità. Il primo passo consiste nella valutazione degli
spostamenti in superficie in modo da poter avanzare delle indicazioni sulle possibile
problematiche, in termini di danni potenziali indotti. Lo studio può essere molto
impegnativo e può anche influenzare sostanzialmente la tecnica di scavo della galleria,
oltre a promuovere la pianificazione di opere di miglioramento e/o rinforzo per la
riduzione del campo di spostamenti previsto.
Come si è visto, le tecniche di miglioramento e/o rinforzo sono indispensabili in molti
casi, quale la mitigazione delle problematiche relative ai danni potenziali indotti in
strutture preesistenti in superficie, lo scavo di gallerie in condizioni difficili o, come si è
accennato precedentemente, quando si sceglie di adottare tecniche di scavo tradizionali. Di
seguito riportiamo brevemente le tecniche di miglioramento e/o rinforzo più comunemente
utilizzate nella realizzazione di gallerie.
Nell’ambito degli interventi di miglioramenti è possibile segnalare la tecnica delle
iniezioni, che può essere praticata con diverse modalità d’azione e utilizzando diversi
prodotti per le miscele di iniezione, in funzione delle caratteristiche del terreno da trattare e
delle prestazioni che si vogliono raggiungere. Anche il congelamento rientra nelle tecniche
di miglioramento; in presenza di terreni sotto falda è possibile creare apposite zone
resistenti che permettono la stabilità a breve termine, sufficiente allo scavo e installazione
del rivestimento provvisorio o/e definitivo. La tecnica di congelamento è stata utilizzata
con successo anche per problemi di stabilità di fondo scavo e un esempio ne è la
Capitolo 1 – Tecniche di esecuzione e allargo di gallerie _______________________________________________________________________________
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costruzione della metropolitana milanese. Per raggiungere le zone da trattare, entrambi i
metodi di miglioramento possono essere eseguiti dalla superficie o dall’interno stesso della
gallerie, in funzione della copertura e dell’economia dell’intervento.
Nell’ambito delle tecniche di rinforzo, nella costruzione di gallerie è possibile prevedere
l’intervento di jet-grouting. Anche in questo caso è possibile eseguire l’intervento sia a
partire dalla superficie, quando ovviamente la profondità è modesta, sia dal fronte di scavo.
In quest’ultimo caso è possibile pensare di realizzare colonne sub-orizzontali in prossimità
della corona della gallerie per creare una sorta di protezione detto consolidamento “ a
ombrello”.
Lo sviluppo di fenomeni di collasso può essere evitato, inoltre, mediante un presostegno
o prerinforzo del fronte e della zona antistante, senza l’ausilio degli interventi di modifica
o rinforzo appena descritti. Molto comune, per esempio, è l’utilizzo di barre in vetroresina
infilate al fronte in modo da migliorare le condizioni di stabilità e ridurre le deformazioni
del terreno trattato, responsabili queste ultime anche di una significativa percentuale di
spostamenti indotti in superficie.
1.2 Allargo di gallerie
L’esigenza e il concetto dell’allargo di gallerie preesistenti nasce negli ultimi tempi. Per
tale motivo non esistono, ad oggi, procedure ben consolidate che possano essere prese a
riferimento nella progettazione di lavori di allargamento. Tutto è rimandato all’esperienza
e alla “fantasia” del progettista oltre che alle possibilità tecnologiche su cui ci si può
basare. È possibile far riferimento a lavori in cui, semplicemente, si è operato smantellando
il rivestimento esistente in mattoni. Lavori comunque sporadici perché l’ampliamento della
capacità di una via di comunicazione è stata finora soddisfatta progettando e costruendo
nuove infrastrutture e nuovi tratti stradali-ferroviari di più alta capacità. L’interesse
nell’ammodernamento e/o adeguamento delle infrastrutture preesistenti è nato per vari
motivi tra i quali la presenza di numerosi vincoli paesaggistici, destinati con il tempo a
aumentare in numero e vigore, che limitano le possibilità di perturbare e modificare siti
protetti. L’allargo di gallerie preesistenti porta con se anche un ulteriore aspetto degno di
studio che consiste nella modifica e gestione del traffico. Impegnando le gallerie nei lavori
di allargo, infatti, è necessario prevedere la deviazione del traffico o di adottare tecniche di
Capitolo 1 – Tecniche di esecuzione e allargo di gallerie _______________________________________________________________________________
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scavo compatibili con lo stesso. Analizzando quest’ultima alternativa, una possibilità è
quella di adottare tecniche costruttive che prevedano la presenza di uno scudo di
protezione della sede stradale e che tengano conto dei conseguenti ridotti spazi operativi.
In presenza di terreni di scadenti caratteristiche meccaniche, cui si associano limitate
capacità di autosostegno del cavo, l’avanzamento del fronte può essere preceduto dalla
realizzazione di un guscio resistente inserito nel terreno, avente funzione di rivestimento
provvisorio, realizzato mediante intasamento con betoncino fibrorinforzato di un’incisione
anulare scavata meccanicamente mediante una lama metallica, il cosiddetto “pretaglio”, di
diametro maggiore rispetto a quello della nuova galleria. In questo modo si ottiene una
struttura provvisoria in grado di scaricare alle imposte sollecitazioni altrimenti
incompatibili con la resistenza intrinseca dell’ammasso, garantendo la stabilità del fronte
scavo e della cavità. Un intervento di questo genere, comunemente detto “intervento del
pretaglio”, si inserisce nell’evoluzione dei tradizionali metodi di scavo verso soluzioni in
grado di determinare la creazione di effetti arco artificiali quale elementi fondamentali per
migliorare le condizioni di stabilità delle gallerie in terreni sciolti e/o in condizioni difficili.
Non solo, tale metodo può garantire una riduzione delle deformazioni, che normalmente
iniziano a svilupparsi ancor prima del passaggio del fronte di scavo. Aspetto quest’ultimo
di particolare importanza quando si opera in gallerie poco profonde, caratterizzate dalla
presenza di edifici preesistenti in superficie.
Come si vedrà più in dettaglio nel prossimo capitolo, l’applicazione di tale tecnica
innovativa è stata adottata per l’ampliamento della galleria di Nazzano.
Capitolo 2 – La galleria di Nazzano _______________________________________________________________________________
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CAPITOLO 2 La galleria di Nazzano
Il problema dell’ampliamento di gallerie è di attuale interesse nei lavori di allargamento
da due a tre corsie di sedi autostradali. In particolare l’autostrada A1 (E45), nel tratto tra
Roma Nord e Orte ha subito un ridimensionamento per far fronte alla cresciuta domanda,
realizzando una corsia di marcia in più per ogni carreggiata. Il ridimensionamento della
sede autostradale da due a tre corsie più una di emergenza, dal chilometro 522+000 al
chilometro 523+200, prevede l’ampliamento della galleria di Nazzano. Tale galleria prende
il nome dal paese che sottopassa parzialmente, situato nel parco della valle del Tevere, a
meno di 50 Km dalle porte di Roma nord, arroccato su un rilievo di modesta altezza, con
quota del centro urbano di 202 m s.l.m (Fig. 1). L’ampliamento della galleria prevede una
sequenza di fasi di lavoro che richiede un’organizzazione relativamente complessa del
processo costruttivo.
Fig. 1 - Ubicazione geografica della galleria di Nazzano.
Capitolo 2 – La galleria di Nazzano _______________________________________________________________________________
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In questo capitolo si illustrano dapprima dettagliatamente le operazioni che
contraddistinguono la tecnica di scavo. Di seguito si riportano tutte le informazioni che
caratterizzano il sito sotto l’aspetto geotecnico e geologico, riportando i risultati delle
campagne d’indagine geotecnica cui è stato oggetto e, quindi, descrivendo il relativo
sistema di monitoraggio.
2.1 Descrizione dell’opera e dei lavori di allargo
Nella lavorazione di allargo della galleria è possibile individuare alcune fasi principali
che caratterizzano l’intero processo: la realizzazione del pretaglio e il suo intasamento per
creare un guscio di calcestruzzo fibrorinforzato con funzione di rivestimento preliminare;
la demolizione del rivestimento della galleria preesistente e del terreno al di sotto del
guscio; la messa in opera del nuovo rivestimento definitivo; l’intasamento
dell’intercapedine tra il guscio ed il rivestimento e la precompressione del rivestimento
definitivo. Il pretaglio consiste nell’esecuzione in avanzamento, dal fronte di scavo, di
un’incisione anulare di diametro leggermente superiore a quello della futura galleria e
leggermente inclinato verso l’esterno al fine di permettere la sovrapposizione di parte dei
gusci. Durante l’esecuzione dei lavori, la sede stradale è protetta da uno scudo metallico
posto all’interno del rivestimento preesistente che, benché riduca l’ampiezza della
carreggiata, consente di mantenere due corsie eliminando la sola corsia di emergenza (Fig.
2). Durante l’allargamento della galleria, al fine di mantenere l’esercizio, non può essere
realizzato il nuovo arco rovescio, ma un collegamento strutturale di tipo provvisionale tra il
nuovo rivestimento ed il vecchio arco rovescio. Completato l’allargamento, tutto il traffico
veicolare avviene nella nuova galleria, ormai di dimensioni tali da contenere due corsie per
senso di marcia. I lavori vengono spostati nell’altra galleria, in questa fase chiusa al
traffico. Al completamento dei lavori della seconda galleria, nella quale l’arco rovescio è
realizzato contestualmente alla messa in opera del rivestimento definitivo, il traffico si
sposta ancora interamente in quest’ultima per consentire il completamento della prima
galleria con la realizzazione del nuovo arco rovescio. L’opera finita, per ciascuna galleria,
presenta tre corsie di marcia più la corsia di emergenza (Fig. 2).
Capitolo 2 – La galleria di Nazzano _______________________________________________________________________________
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Fig. 2 – Fase delle lavorazioni e traffico.
Capitolo 2 – La galleria di Nazzano _______________________________________________________________________________
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La sequenza delle operazioni che contraddistingue la realizzazione dell’allargo della
singola gallerie per mezzo della tecnica del pretaglio, che costituisce il modulo ripetitivo di
tre metri di lunghezza su cui si basa l’intero processo di avanzamento dello scavo, è
descritta nel seguito, prendendo a riferimento una sezione longitudinale della galleria:
1) esecuzione del pretaglio;
GALLERIA ALLARGATA
2) riempimento del pretaglio con betoncino fibrorinforzato ad alta resistenza e rapida
presa e successiva posa in opera di un arco di conci del rivestimento definitivo; a
seguire, dopo l’intasamento con betoncino dell’intercapedine tra il guscio e l’arco,
si esegue la precompressione di quest’ultimo mediante un martinetto posto in
corrispondenza del concio di chiave;
GALLERIA ALLARGATA
Capitolo 2 – La galleria di Nazzano _______________________________________________________________________________
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3) avanzamento di un metro dello scavo;
GALLERIA ALLARGATA
4) posa in opera del secondo arco di conci del rivestimento definitivo;
GALLERIA ALLARGATA
5) avanzamento di un metro dello scavo;
GALLERIA ALLARGATA
GALLERIA EISTENTE
Capitolo 2 – La galleria di Nazzano _______________________________________________________________________________
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6) posa in opera del terzo arco di conci del rivestimento definitivo;
GALLERIA ALLARGATAGALLERIA ALLARGATA
GALLERIA EISTENTE
7) avanzamento di un metro dello scavo;
GALLERIA ALLARGATAGALLERIA ALLARGATAGALLERIA ALLARGATA
GALLERIA EISTENTE
La modalità di esecuzione del pretaglio è andata affinandosi nel corso dei lavori. In un
primo momento si è effettuata la realizzazione completa dell’incisione anulare per tutta
l’estensione dell’arco di volta e poi l’intasamento con betoncino fibrorinforzato della
stessa. Successivamente, pur mantenendo la stessa profondità in avanzamento, il pretaglio
è consistito nel realizzare a tratti l’incisione anulare, ognuna di ampiezza variabile da 2 a
3.5 metri, e nell’immediato intasamento con betoncino, a partire dal piede destro della
galleria.
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2.2 Inquadramento geologico
In questo paragrafo si riportano le principali caratteristiche geologiche derivanti
dall’osservazione diretta in sito e da una prima campagna di indagine. Tale campagna è
stata integrata successivamente da una nuova e più estesa serie di indagini, dalle quali è
scaturita la caratterizzazione geotecnica definitiva.
I versanti in cui sono presenti gli imbocchi delle gallerie presentano pendenze piuttosto
elevate. Le stesse inclinazioni caratterizzano i pendii nella zona centrale del rilievo dove
sorge il centro dell’abitato. I terreni che costituiscono l’area d’interesse dei lavori,
appartengono a depositi marini plio-pleistocenici e sono costituiti da sabbie limose, sabbie
e ghiaie. In particolare si riscontrano successioni di sedimenti a granulometria
prevalentemente fine con la tendenza a divenire più grossolani procedendo verso la parte
alta della serie. Le gallerie sono localizzate in un litotipo sabbioso, verso la parte alta della
successione di depositi appena descritta. In particolare, tale litozona è costituita da sabbie
medio-fini di colore giallo-nocciola da debolmente a mediamente limose alternate da limi
da debolmente sabbiosi ad argillosi di colore grigio in orizzonti irregolari. Si possono
anche riconoscere lenti e/o paleocanali di ghiaie in matrice sabbiosa fine. Riassumendo, la
successione locale sembra essere costituita da due principali formazioni litologiche che
possono essere brevemente descritte partendo dal basso verso l’alto. La prima formazione
è caratterizzata da limo sabbiosi e/o argillosi, da mediamente consistenti a consistenti, di
colore grigio-azzurro; la formazione più superficiale è costituita da sabbie fini limose di
colore avana, da mediamente a molto addensate, talora debolmente cementate. Questi
terreni sono spesso interessati da sottili livelli arenacei, discontinui e fratturati, a
comportamento sostanzialmente litoide.
Infine, mediante le misure piezometriche è stata rilevata una falda con superficie libera
localizzabile nei terreni limosi sabbiosi e/o argillosi di base, il cui livello raggiunge una
quota pari a circa quella dell’arco rovescio della galleria esistente.
La geologia del luogo prevede, al di sotto dei limi sabbiosi, una potente formazione
costituita da argille consistenti plioceniche. In Fig. 3 è possibile vedere una sezione
longitudinale della geologia dell’ammasso, in cui si posizionano le due gallerie,
relativamente ai due litotipi più superficiali.
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Fig. 3 – sezione longitudinale dell’ammasso in cui sono realizzate le due gallerie
2.3 Caratterizzazione geotecnica
Nell’ambito della Convenzione tra Autostrade per l’Italia S.p.A. ed il Dipartimento di
Ingegneria Strutturale e Geotecnica i terreni interessati dall’allargamento delle due gallerie
sono stati oggetto di una campagna di indagini integrativa; ciò ha permesso di finalizzare la
caratterizzazione geotecnica, con prove geotecniche in sito e di laboratorio
contestualmente all’installazione della strumentazione di monitoraggio.
Nell’ambito delle attività previste per la messa in opera degli strumenti di monitoraggio
(estenso-inclinometri e piezometri), sono stati eseguiti 39 perforazioni, di cui 14 sondaggi
a carotaggio continuo durante i quali è stato possibile prelevare campioni indisturbati ed
altri disturbati per l’esecuzione di prove di laboratorio. Intendendo con “S” sondaggio a
carotaggio continuo e con “D” sondaggio a distruzione di nucleo, in Fig. 17 si può
osservare l’ubicazione lungo le varie sezioni delle perforazioni eseguite. I campioni
prelevati, sono in numero di 100 di cui 60 sono stati sottoposti a prova.
I campioni sono stati sottoposti a prove di laboratorio per determinare sia le
caratteristiche di resistenza sia di deformabilità. Si sono condotte, più precisamente, 5
prove edometriche, 10 prove in colonna risonante, 39 prove di taglio diretto, 4 prove
triassiali consolidate non drenate.
Le prove eseguite nella campagna di indagine integrativa consistono, non solo in prove
di laboratorio, ma anche in prove in sito. Le prove in sito constano in prove
pressiometriche e penetrometiche dinamiche nonché prove di tipo geofisico quali le cross-
hole. Le prove penetrometriche statiche sono state effettuate lungo le perforazioni che
costituiscono le prime due sezioni strumentate e lungo le verticali dell’ultima sezione
collocata a ridosso dell’imbocco lato Sud delle due gallerie. Le prove pressiometriche, in
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numero di dieci, sono state eseguite lungo una stessa verticale corrispondente al sondaggio
S13, facente parte dalla quarta sezione.
La presenza di una campagna di indagine pregressa ha permesso le osservazioni di
carattere geologico sopra esposte e ha indicato quali fossero le caratteristiche stratigrafiche
del sito. Grazie anche alla semplicità della geologia del sito, le ulteriori informazioni di
natura stratigrafica acquisite con la campagna di indagine integrativa hanno confermato
quanto già noto. La superficie di separazione tra la formazione arenacea superficiale
(sabbia variamente cementata) e la sottostante formazione di limo sabbioso grigio è
sostanzialmente suborizzontale e localizzata ad una quota media assoluta di 165 m.
L’intradosso dell’arco rovescio delle gallerie attuali si trova ad una quota di 166 m s.l.m.
pertanto le gallerie sono scavate completamente nella formazione sabbiosa superficiale.
Caratteristica della formazione sabbiosa è la presenza di livelli suborizzontali fortemente
cementati intercalati a livelli meno cementati.
Per quanto riguarda la distribuzione delle pressioni interstiziali, si conferma che la falda
è sostanzialmente in condizioni idrostatiche con superficie libera posta a circa 168 m
s.l.m.; la galleria si trova, quindi, interessata da un battente idraulico di circa 2 m (Fig. 4).
limo sabbioso
sabbia
Fig. 4 - Successione stratigrafica
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Di seguito si riportano prima la descrizione delle modalità di esecuzione ed
interpretazione delle prove in sito e di laboratorio, poi si illustrano i risultati con i relativi
commenti.
Prove in sito e di laboratorio per la determinazione dei parametri meccanici di resistenza
e deformabilità: caratteristiche della modalità di esecuzione e di elaborazione delle prove
Grazie al cospicuo numero di provini a disposizione prelevati in sito è stato possibile
eseguire prove mirate ad individuare i valori numerici dei parametri sia di resistenza sia di
deformabilità. In considerazione della natura dei terreni, sono state scelte di volta in volta
le prove più adatte. Per quanto riguarda i parametri di resistenza in particolare sono state
eseguite sia prove di laboratorio, quali prove di taglio diretto e prove di compressione
triassiale, sia prove in sito quali le prove penetrometriche statiche. Per quanto riguarda le
prove finalizzate alla determinazione dei parametri di deformabilità, sono state ancora una
volta eseguite prove sia di laboratorio, come quelle in colonna risonante e le prove
edometriche, sia prove in sito quali le prove pressiometriche, le prove penetrometriche
statiche e le prove geofisiche cross-hole. Nel seguito illustriamo le modalità esecutive delle
principali prove in sito e, successivamente, le modalità esecutive delle prove di laboratorio
ed i criteri di interpretazione seguiti.
Le prove in sito
Le prove pressiometriche sono un valido strumento per la determinazione in sito dei
parametri di deformabilità dei terreni. Nell’indagine in oggetto, le prove sono state eseguite
con il pressiometro Menard, che richiede la realizzazione di una tasca nel foro di
sondaggio, all’interno del quale si esegue la prova. Il disturbo legato all’installazione,
riconducibile all’annullamento della tensione orizzontale totale ed alle distorsioni indotte
su un volume non sempre piccolo di terreno nell’intorno del pressiometro, comporta la
difficoltà di valutare bene la tensione litostatica iniziale (di cui si può fare solo una stima)
e, inoltre, per determinare i moduli di deformabilità del terreno è necessario impiegare
correlazioni empiriche (coefficienti reologici) con il modulo pressiometrico ottenuto dalla
pendenza del cosiddetto tratto pseudo-elastico della curva pressiometrica. Il modulo di
Young, tuttavia, può essere determinato eseguendo un ciclo di scarico e successivo
ricarico; in questo caso, infatti, il modulo di Young può essere valutato direttamente dalla
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pendenza media della curva pressiometrica in corrispondenza del ciclo, senza dover fare
ricorso all’uso di correlazioni empiriche. Operando in questo modo, di fatto, si ipotizza che
la deformabilità del terreno nel ciclo sia sostanzialmente coincidente con la deformabilità
vergine (quella che si sarebbe ottenuta in assenza di disturbo dovuto all’installazione del
pressiometro); tale ipotesi, tuttavia, potrebbe sottostimare la rigidezza reale nei terreni
caratterizzati da sensitività strutturale.
A partire dai dati sperimentali, il modulo di Young, E, può essere ottenuto mediante la
seguente espressione:
E=2 (1+ν) ∆p/∆εc
essendo:
∆p l’intervallo di pressioni prescelto,
∆εc la corrispondente deformazione volumetrica,
ν il coefficiente di Poisson.
Infine, va precisato che nei terreni a grana grossa, per i quali la prova è eseguita in
condizioni drenate, nella precedente relazione il valore di ν è quello relativo allo scheletro
solido, ν', ed il corrispondente valore del modulo di Young ottenuto è espresso in termini
di tensioni efficaci, E'. Per le argille, viceversa, poiché la prova avviene in condizioni
sostanzialmente non drenate, è possibile impiegare la precedente relazione per ricavare il
modulo non drenato, Eu, utilizzando il coefficiente di Poisson in condizioni non drenate,
νu, di valore pari a 0.5. Nel caso in esame i terreni interessati dalle prove pressiometriche
non possono essere considerati terreni a bassa permeabilità. L’unico litotipo che potrebbe
presentare delle incertezze a tal proposito è il terreno della formazione sottostante le
sabbie. Questo terreno, come si è accennato precedentemente, è costituito prevalentemente
da limo, con significative percentuali di sabbia e il comportamento nei riguardi dei
fenomeni idrodinamici, riscontrato grazie a prove edometriche, indicano coefficienti di
consolidazione cv molto alti, tali da permettere di considerare tale litotipi in condizioni
drenate durante l’esecuzione delle prove pressiometriche. Per tali motivi, nelle elaborazioni
è stato impiegato un valore di ν pari a ν’=0.25 per entrambi le formazioni che interessano
il sito. Il valore del modulo di Young ricavabile dalla prova pressiometrica è riferibile ad
un livello di deformazione medio-basso, risultando generalmente più basso del modulo
elastico a piccolissime deformazioni, derivato dalle prove di colonna risonante o di
torsione ciclica.
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Per quanto riguarda le prove penetrometriche dinamiche standard (campionatore di tipo
Raymond), i risultati sono stati principalmente utilizzati per la determinazione dell’angolo
d’attrito, ϕ’, dei terreni a prevalente composizione sabbiosa; a tal fine, sono state impiegate
le correlazioni proposte da Schmertmann (1978) che lega la densità relativa Dr (%) della
sabbia con il valore dell’angolo d’attrito di picco ϕ’. Grazie ai numero di colpi NSPT
provenienti dalla prove penetrometriche statiche è possibile, dalle relazioni di Skempton
(1986), determinare il valore della densità relativa Dr (%). In particolare, prima si
determina il valore corretto del numero di colpi N1, che corrisponde al valore di NSPT
riferito a un valore dell’efficienza del sistema di battitura pari al 60% e corretto per tener
conto del livello tensionale in corrispondenza del quale è stata eseguita la prova:
SPTN1 NCN ⋅=
dove
100σ12C 'vo
N+
= nel caso di sabbie fini
100σ23C 'vo
N+
= nel caso di sabbie grosse
(con 'voσ in kPa)
fatto ciò si determina la densità relativa con la seguente relazione:
60DN
2R
1 =
Una volta determinato il valore della densità relativa, si entra all’abaco di
Schmertmann, in funzione di quattro tipi di terreno, e si determina l’angolo d’attrito di
picco.
I valori ottenuti dalle prove penetrometriche statiche sono stati anche impiegati per la
stima del modulo di Young, E', mediante la seguente relazione:
SPTN7E' ⋅= in MPa
Le prove di laboratorio.
Prima di descrivere le prove di laboratorio, è doveroso ricordare le rilevanti difficoltà di
prelevare provini indisturbati in terreni sabbiosi, anche se variamente cementati come in
questo caso. Buoni risultati si ottengono se le operazioni di prelievo sono particolarmente
curate e condotte con attenzione da personale esperto e se si impiegano campionatori che
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riducono il più possibile gli effetti della perturbazione dovuta al carotaggio; in questo caso
si possono raggiungere buoni risultati nel campionamento utilizzando i campionatori doppi
a scarpa avanzata tipo Mazier. Queste sono i principali accorgimenti adottati nel sito in
esame per permettere l’estrazione di provini potenzialmente indisturbati.
Come già accennato, la quota piezometrica lambisce inferiormente la formazione
sabbiosa e ciò, data la natura del terreno, comporta la sua incompleta saturazione; peraltro,
poiché le operazioni di prelievo sono state eseguite con circolazione d’acqua, è anche
probabile che i campioni possano avere assorbito acqua e, dunque, benché potenzialmente
strutturalmente indisturbati, possano presentare contenuti d’acqua maggiori rispetto a
quelli effettivamente presenti in natura. Tutto ciò premesso, tenuto anche conto della
pratica impossibilità, con attrezzature standard, di interpretazione dei risultati di prove
meccaniche di resistenza eseguite su materiale non completamente saturo e della
saturazione del materiale in sito attesa prossima allo zero, le prove di taglio diretto sono
state eseguite su provini asciutti. La scelta, in realtà, può essere duplice: oltre ad operare
con provini asciutti, è possibile pensare di saturare il provino e poi sottoporlo alla prova di
taglio diretto. Quest’ultima opzione è stata scartata sia per la maggior difficoltà
nell’assicurare una completa saturazione del terreno, sia per i tempi maggiori che avrebbe
richiesto la preparazione dei provini dovuti alla loro durata d’imbibizione. I provini sono
stati asciugati per evaporazione in forno ventilato a basse temperature (35 °C). Da
sottolineare che quest’ultima modalità di esecuzione della prova di taglio è stata adottata
esclusivamente per i campioni sabbiosi prelevati al di sopra della falda. Per quanto
riguarda la rimanente parte dei campioni (campioni limosi sopra falda o campioni prelevati
al di sotto della superficie libera della falda), le prove sono state eseguite in modo standard,
lavorando in presenza di acqua.
Come si è già avuto modo di dire, le prove di laboratorio per determinare le
caratteristiche di resistenza dei terreni sono sia prove triassiali consolidate-non drenate sia
prove di taglio diretto. Il comportamento a rottura di un elemento di terreno è funzione del
particolare percorso di carico che si impone per raggiungere le condizioni di
plasticizzazione. In altre parole, indipendentemente dalla struttura del terreno – anche
quest’ultimo importante aspetto che aiuta nella comprensione e/o previsione del
comportamento a rottura di un terreno - lo stress-path a cui si sottopone un provino può
condizionare profondamente le modalità di rottura di uno stesso tipo di terreno.
Ipotizzando un legame costitutivo semplice quale quello elasto-plastico perfetto con
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criterio di resistenza alla Mohr-Coulomb, si hanno a “disposizione” solo due grandezze per
definire i parametri di resistenza di un terreno “c'” e “ϕ'”. La loro scelta deve tener conto,
quindi, del particolare percorso a rottura che si prevede avvenga in sito, e ciò è possibile
solo se si conducono le prove di laboratorio scegliendo un oculato percorso di carico a
rottura. La migliore indagine del comportamento dei terreni prevedrebbe di portare a
rottura i provini, a partire dallo stato tensionale litostatico, sottoponendoli a percorsi di
carico simili a quelli che l’elemento di volume in questione subirebbe in sito per effetto
della realizzazione della specifica opera. Questo modo di procedere, tuttavia, non è
perseguibile in quanto richiederebbe l’uso di apparecchiature in grado di applicare in modo
indipendente le tre tensioni principali e inoltre, di poterne prevedere la rotazione. In
condizioni di assialsimmetria, sarebbe possibile impiegare celle triassiali che consentono il
controllo del percorso di carico (celle del tipo di Bishop & Wesley); allo stato attuale,
tuttavia, l’uso di questo genere di apparecchiature non è ancora comune. Si rinuncia, in tal
modo a riprodurre fedelmente i percorsi di carico che subirebbero gli elementi di terreno,
mirando solo a cogliere il comportamento a rottura il più simile possibile alla realtà. Nelle
prove standard di laboratorio l’unica grandezza iniziale controllabile e regolabile è la
pressione di confinamento ed è per questo importante il valore che si sceglie per tale
pressione durante le prove a rottura. In altre parole, semplificando, è possibile affermare
come i parametri di resistenza c' e ϕ' dipendano, per uno stesso terreno, dalla pressione di
confinamento. Ci si domanda quale possa essere, nella programmazione delle prove di
laboratorio, il criterio da seguire al fine di determinare il valore delle tensioni di
confinamento in modo tale che, tenuto conto degli specifici percorsi di carico attesi durante
la fase deviatorica della prova, si raggiungano le condizioni di rottura negli stessi intervalli
tensionali nei quali la rottura è attesa in sito. Una soluzione consiste nel determinare lo
stato tensionale iniziale efficacie in sito per poi stabilire se le tensioni di confinamento
applicate in laboratorio debbano essere inferiori, circa uguali o superiori a queste. Di
seguito si illustra dettagliamene come si è proceduto, con riferimento al caso specifico di
allargamento della galleria autostradale, operazione che prevede un considerevole scavo di
terreno.
Nella realizzazione di scavi e in particolare di gallerie, si può osservare che i percorsi
tensionali sono generalmente caratterizzati da importanti riduzioni della tensione efficace
media. Prendendo in esame una condizione litostatica iniziale caratterizzata da un
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coefficiente di spinta in quiete inferiore all’unità, i percorsi tensionali drenati tipici sono
riportati nella figura seguente (Fig. 5):
Fig. 5- Percorsi tensionali drenati corrispondenti allo scavo di una galleria.
Più precisamente, è possibile distinguere tre zone con percorsi tensionali diversi; fatta
eccezione per una zona di terreno di piccola estensione nell’intorno del punto C, nella
quale a causa dell’effetto arco si osservano incrementi della pressione media (s'), lo scavo è
caratterizzato da riduzioni di s', ovvero da sensibile riduzione della tensione efficace
media. In generale, pertanto, con riferimento alla teoria dello stato critico, nel caso di
esecuzioni di scavi e gallerie, indipendentemente dalla storia delle sollecitazioni
(sinteticamente esprimibile dal grado di sovraconsolidazione OCR) e fatta eccezione per
porzioni di terreno di limitata estensione, le condizioni di rottura si raggiungono in
corrispondenza della superficie di Hvorslev e sono caratterizzati da 0' ≠pc e 0' ≠pϕ e da
un successivo decadimento della resistenza sino al raggiungimento delle condizioni di stato
critico. Ritornando a quanto sottolineato precedentemente, si deduce che il modo migliore
per determinare sperimentalmente i parametri di resistenza, impiegando le usuali
apparecchiature di laboratorio, è quello di stabilire i valori delle tensioni iniziali di
confinamento cui consolidare i provini, prima di procedere con la fase di rottura, a valori
inferiori a quelli litostatici iniziali (Fig. 6, Fig. 7). In dettaglio, nelle prove di taglio diretto
sono stati adottati valori della tensione efficace assiale di confinamento pari a 0.25, 0.50 e
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0.75 della tensione verticale efficace litostatica; analogamente, per le prove triassiali
consolidate e non drenate è stata utilizzata una pressione media efficace di confinamento
pari a 0.25, 0.50 e 0.75 della pressione media efficace in sito. Nel calcolo di quest’ultima si
è ipotizzato un valore del coefficiente di spinta in quiete “k0” pari a 0.5.
τ (k
Pa)
φ'p
v1,LABσ'
σ' v2,LAB
σ' v3,LAB
stato tensionalelitostatico
cerchio a rottura in sito (p' decresce)
σ' (kPa)n
φ' cs
v0σ' σ' h0
Fig. 6 - Prova di taglio diretto: scelta appropriata delle tensioni verticali efficaci
φ'cs
superficie limite di trazione
p pc'=0 φ'=0
Fig. 7 - Prova Triax CU: scelta appropriata delle tensioni di confinamento
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Risultati delle prove geotecniche in sito e di laboratorio
I risultati ottenuti dall’interpretazione delle prove di laboratorio e delle prove in sito,
distinti per sezione, sono sinteticamente riassunti nelle seguenti tabelle: Tab. 3, Tab. 4,
Tab. 5, Tab. 6, Tab. 7, Tab. 8; in particolare, sono riportate le principali grandezze fisiche
(peso di volume e distribuzione granulometrica) e meccaniche (parametri di resistenza in
tensioni efficaci di picco e di stato critico). Inoltre, per facilità di lettura, gli stessi dati sono
rappresentati graficamente nelle seguenti figure: Fig. 8, Fig. 9, Fig. 9, Fig. 10, Fig. 11, Fig.
12 in funzione della profondità e per litotipo. I simboli pieni si riferiscono alla formazione
sabbiosa mentre quelli vuoti alla sottostante formazione limosa. Analogamente, in Fig. 13
si riportano il complesso dei risultati delle prove di laboratorio e in sito, riguardanti le
caratteristiche meccaniche di deformabilità espresse per mezzo del modulo di Young E’. In
quest’ultimo grafico sono stati inseriti anche i risultati provenienti dalla precedente
campagna d’indagine, evidenziati con il colore grigio.
Di seguito si illustrano i valori delle grandezze fisiche e meccaniche più significativi ai
fini della definizione del modello geotecnico di sottosuolo. Prima si commentano i
parametri che caratterizzano il litotipo più superficiale, quello sabbioso, poi si passa alla
descrizione del litotipo più profondo, sabbioso limoso. Successivamente si descrivono i
valori dei parametri meccanici di deformabilità in termini di modulo di rigidezza E’ per
entrambi i litotipi. Nella descrizione dei due litotipi si fa riferimento a tutti i risultati a
disposizione. Ciò è possibile per l’evidente ripetitività delle caratteristiche meccaniche dei
terreni lungo lo sviluppo delle due gallerie.
Iniziando con il litotipo più superficiale, è possibile subito chiarire perché l’andamento
con la profondità dei valori del peso dell’unità di volume risulta alquanto variabile, da un
minimo di 16 kN/m3 ad un massimo di circa 20.4 kN/m3. Tali valori sono stati ottenuti in
corrispondenza del contenuto d’acqua che il materiale aveva al momento dell’apertura dei
campioni; poiché parte dell’acqua presente potrebbe essere dovuta alle fasi di carotaggio e
di campionamento, tale dispersione, oltre a fatti naturali, potrebbe essere, almeno in parte,
dovuta a questo fenomeno; inoltre, per la stessa ragione, i pesi dell’unità di volume devono
ritenersi estremi superiori rispetto a quelli effettivamente presenti in sito. Fatte salve alcune
situazioni puntuali, la frazione granulometrica predominante è quella sabbiosa con
percentuale di fino (argilla) generalmente inferiore al 10%.
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I valori dei parametri di resistenza determinati grazie alle prove di laboratorio sono stati
interpretati ipotizzando che il litotipo in questione avesse una resistenza di tipo sia coesivo
sia attritivo. La componente coesiva è riconducibile alla cementazione, piuttosto variabile
della sabbia. Per quanto attiene i valori dell’angolo di resistenza al taglio, questi sono
prevalentemente compresi tra 34° e 39°, anche se in qualche caso sono stati raggiunti
valori superiori, sino a 43°. Valori dell’angolo d’attrito generalmente compresi tra 34° e
38° si ottengono anche interpretando, con la procedura proposta da Schmertmann, i
risultati delle prove penetrometriche dinamiche eseguite in sito. Va osservato che alcune
prove SPT non sono state interpretate in quanto hanno raggiunto le condizioni di rifiuto;
ciò è riconducibile alla presenza di forti addensamenti o/e di legami di cementazione.
I valori dell’angolo di attrito dello stato critico ϕ’CS sono generalmente compresi tra 30°
e 37°.
La coesione assume valori generalmente dispersi, alquanto variabili, e compresi tra 0 e
150 kPa. Va comunque osservato che la maggior parte dei provini non supera la coesione
di 50 kPa, e solo 3 provini raggiungono una coesione pari a 150 kPa. Tale variabilità risulta
giustificata e compatibile con quanto si può osservare in corrispondenza dei diversi
affioramenti presenti in zona, dai quali si evince la variabilità del grado di cementazione.
Va precisato che la parte litoide della formazione arenacea non è stata oggetto di prove per
insufficiente quantità del materiale. Spezzoni di carota ben cementata di modesta
lunghezza, presenti all’interno dei campioni, non sono stati considerati adatti ad essere
sottoposti a prove meccaniche di resistenza. Considerata la natura dei terreni e le
conseguenti difficoltà di campionamento, si devono sottolineare due aspetti. Il primo:
durante il campionamento sono ipotizzabili effetti di disturbo non quantificabili, tendenti a
ridurre la resistenza del materiale; il secondo: il materiale prevalentemente a grana grossa
campionabile che è stato possibile sottoporre a prove di laboratorio è quello più addensato
e/o cementato e quindi caratterizzato da parametri di resistenza più elevati. Quest’ultimo
aspetto sovrastima le caratteristiche di resistenza della formazione sabbiosa.
L’impossibilità di una completa indagine sull’ammasso in oggetto, caratterizzato da una
cementazione diffusa ma estremamente variabile, rende difficile la previsione della
stabilità della galleria durante quelle fasi di scavo nelle quali il fronte e la volta in
allargamento non siano confinate.
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Passando alla descrizione del litotipo sottostante, si può subito sottolineare come tale
formazione sia caratterizzata granulometricamente dalla presenza predominante di limo
anche se puntualmente la componente sabbiosa può risultare elevata. Il peso dell’unità di
volume risulta poco disperso variando con la profondità nell’intorno del valore medio pari
a circa 20 kN/m3. Per quanto attiene la resistenza si ottengono valori dell’angolo d’attrito
generalmente inferiori a quelli della formazione sovrastante. Anche se in qualche caso
sono stati raggiunti valori superiori a 43°, i valori dell’angolo di resistenza al taglio sono
prevalentemente compresi tra 31° e 36°. Anche in questo caso l’angolo d’attrito a grandi
deformazioni è generalmente inferiore all’angolo d’attrito di picco corrispondente, e oscilla
tra 31° e 35° con qualche eccezione in cui si raggiungono valori di 36° - 38°.
Per quanto riguarda la coesione efficace i valori sono alquanto variabili, variano tra 0 a
70 kPa, fatta eccezione per 3 valori che superano i 120 kPa.
Come si è accennato precedentemente, nella descrizione dei parametri fisici e meccanici
di resistenza delle due formazioni sono stati presi in esame i valori provenienti dalle prove
eseguite in tutte le cinque sezioni senza distinzioni fra sezione e sezione. Questo è
possibile per l’evidente ripetitività delle caratteristiche meccaniche dei terreni lungo lo
sviluppo delle due gallerie. Nonostante ciò sembra interessante sottolineare qualche
differenza delle caratteristiche meccaniche riscontrate fra le cinque sezioni. In particolare,
per quanto riguarda il litotipo sabbioso si può notare un discreto miglioramento delle
caratteristiche di resistenza in termini di angolo d’attrito al passaggio dalla prima sezione
all’ultima. Ciò è attestato anche dai risultati delle prove penetrometriche dinamiche, nelle
quali si ha un aumento della percentuale di prove che raggiungono le condizioni di rifiuto
passando dalla prima sezione alla quinta. In particolare, quest’ultima è caratterizzata
dall’assenza di dati elaborabili visto che tutte le prove hanno raggiunto le condizioni di
rifiuto.
Prima di illustrare i valori dei parametri meccanici di deformabilità si riportano alcune
considerazione sulla rappresentatività degli stessi. Le prove di laboratorio per la
determinazione dei parametri meccanici i deformabilità del terreno sono essenzialmente le
prove in colonna risonante e le prove edometriche. Entrambi hanno dato delle valide
indicazioni, ma non del tutto esaurienti a causa della natura dei terreni prevalentemente a
grana grossa. Per quanto riguarda il litotipo sabbioso più superficiale, sono state condotte
prove di colonna risonante. La difficoltà di ottenere provini di terreno indisturbato
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cilindrici da campioni di terreno prevalentemente sabbiosi, ha comportato serie difficoltà
nel testare la deformabilità per mezzo della prova di colonna risonante. In altre parole i
campioni che sono stati sottoposti a prova in colonna risonante sono solo quelli che hanno
presentato o una spiccata cementazione del materiale o una sufficiente percentuale di
terreno a grana fine in grado di assicurare un minimo di consistenza necessaria per
confezionare il provino. I valori di rigidezza che si sono ottenuti, quindi, non possono
essere considerati caratteristici del comportamento globale di tutto l’ammasso di terreno,
ma piuttosto delle zone di terreno più cementate o con alto percentuale di materiale a grana
fine che fanno parte dell’intero litotipo superficiale. Guardando in dettaglio la
granulometria dei campioni sottoposti a prova, però, si nota che il materiale testato è
caratterizzato non tanto da una forte cementazione quanto da una considerevole
componente di materiale fino, che ha assicurato la lavorabilità del terreno e la possibilità di
ottenere provini cilindrici indisturbati.
Il litotipo più limoso sottostante le due gallerie sono stati testati con prove di laboratorio
edometriche e di colonna risonante. In questo caso va sottolineato come le prove
edometriche hanno confermato la sostanziale tendenza del terreno, almeno per la zona più
superficiale dello strato interessato dal sondaggio a carotaggio continuo, a comportarsi più
come materiale a grana grossa, con valori relativamente alti della permeabilità, piuttosto
che come un terreno a grana fine. Ciò è comunque confermato dall’analisi dei limiti di
Atterberg in cui non è possibile determinare il limite di plasticità.
Facendo riferimento alla Fig. 13 è possibile commentare le caratteristiche meccaniche
di deformabilità dei terreni in sito. La rigidezza di un terreno è funzione dello stato
deformativo a cui è sottoposto: passando da piccole deformazioni a grandi deformazioni, la
deformabilità del terreno aumenta sensibilmente. Alla luce di quanto detto è possibile
notare tale tendenza dai risultati che si hanno a disposizione. Per quanto riguarda le prove
edometriche il parametro di deformabilità che si ottiene è relativo alle medie deformazioni;
le prove penetrometriche statiche danno una stima di valori della deformabilità per medie-
alte deformazioni; dalle prove pressiometriche si ricavano valori relativi a medio-basse
deformazioni come anche dalle prove dilatometriche; i risultati provenienti dalle prove in
colonna risonante si riferiscono a piccole deformazioni e infine le prove geofisiche di tipo
cross-hole danno valori della deformabilità per piccolissime deformazioni.
Capitolo 2 – La galleria di Nazzano _______________________________________________________________________________
33
I valori del modulo di rigidezza di Young E’ provenienti dalle prove edometriche
variano da 50 a 250 MPa. Ciò può attribuirsi allo variazione dello stato tensionale presente
in sito: si può vedere come all’aumentare della profondità e quindi della tensione di
confinamento aumenta la rigidezza del materiale. Va sottolineato che i valori del modulo
E’ ricavato dalle prove edometriche sono ricavati a partire dalle curve di scarico.
Per quanto riguarda i valori del parametro di rigidezza determinabili dalle prove
peneterometriche statiche mediante correlazione di Skempton e Schmertmann, è possibile
notare come questi siano i valori mediamente più bassi fra tutti quelli ricavati dalle altre
prove, oscillando tra 20 e 60 MPa. Va comunque ricordato che i parametri di deformabilità
ricavati utilizzando le prove SPT sono affetti dall’imprecisione delle necessarie
correlazioni da impiegare, non essendo le SPT prove che consentono misure dirette della
deformabilità. Le prove pressiometriche forniscono un ottima stima dei parametri di
rigidezza nel campo di deformazioni che si verificano in sito (medie-basse). In figura si
evidenzia la discordanza dei valori provenienti dalle prove pressiometriche della campagna
d’indagine precedente con quelli provenienti dalla più recente campagna d’indagine
integrativa. Allineandosi anche ai risultati provenienti dalle prove dilatometriche si
ritiengono più realistici i valori dei moduli di Young ottenuti nelle prove pressiometriche
più recenti (in nero), compresi tra 80 e 200 MPa. Le prove di laboratorio in colonna
risonante sui limi sabbiosi indicano valori della deformabilità più bassi rispetto a quelli
della formazione sabbiosa superficiale. Mentre il modulo E’ per i primi varia tra 400 e 600
MPa, per il litotipo sabbioso il valore di E’ oscilla tra 50 e 400 MPa.
Capitolo 2 – La galleria di Nazzano _______________________________________________________________________________
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La caratterizzazione geotecnica fin qui esposta consente la scelta dei parametri fisici e
meccanici da utilizzare nello studio dei lavori di allargo della galleria. Nonostante i valori
provenienti dalla caratterizzazione, però, per quanto riguarda la valutazione della rigidezza
del materiale, è necessario ribadire alcune considerazione sui criteri di scelta. Nel sito in
esame, per quanto la geologia sia semplice, la variabilità della cementazione e la presenza
di livelli di spessore più o meno variabile fortemente cementati, quasi litoidi, che si
incontrano nelle sabbie superficiali, rendono difficile caratterizzare con un unico parametro
l’intero ammasso. Per esempio, i risultati delle penetrometriche dinamiche, oltre ai valori
relativamente bassi, indicano un gran numero di prove andate a rifiuto, a testimoniare la
possibile forte eterogeneità delle caratteristiche meccaniche dei terreni. Quando non
cementati, inoltre, la natura prevalentemente sabbiosa dei terreni presenti in sito ha
compromesso la confezione di provini realmente indisturbati da cui si sono ricavati alcuni
dei valori della rigidezza delle prove di laboratorio. Ancora più difficile se si considerano
gli effetti del comportamento non lineare dei terreni, di cui si è già accennato durante
l’illustrazione delle varie prove eseguite per determinare la rigidezza dei terreni. Esistono
molte procedure di elaborazione dei dati di prove in sito o di laboratorio che permettono
una valutazione più attenta della rigidezza considerando il comportamento non lineare del
terreno. La seguente Fig. 14, per esempio, ripropone i risultati dei diagrammi di Fig. 13
con l’aggiunta di una nuova elaborazione delle prove penetrometriche dinamiche SPT, in
cui si ipotizzano livelli di deformazioni medio-bassi. Più precisamente, una volta definita
la densità relativa dei terreni, grazie al metodo di Berardi e Lancellotta utilizzato nel
calcolo dei cedimenti in presenza di deformazioni verticale medie pari allo 0.1%, si è
calcolato il modulo di rigidezza di Young E’ utilizzando la relazione di Janbu (1963).
Come si può notare, i valori del modulo di rigidezza risultano sensibilmente più alti, e
prossimi a quelli provenienti dalle prove pressiometriche. Tali considerazioni
permetteranno di giustificare le modalità di scelta del modulo di rigidezza dei terreni
presenti in sito, utilizzati nelle analisi numeriche di cui si parlerà ampliamente nel capitolo
5.
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Fig.
14
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Capitolo 3 – Analisi numeriche dello scavo della galleria e dell’allargo _______________________________________________________________________________
48
2.4 Il sistema di monitoraggio
Il sistema di monitoraggio consiste nella strumentazione di sezioni di misura, trasversali
rispetto all’asse delle due gallerie, composte da estensio-inclinometri e celle piezometriche.
Ciascuna sezione, che interessa il piano trasversale all’asse del tracciato stradale in cui si
ritagliano le sagome delle due gallerie, consta di cinque verticali: due in corrispondenza
dell’asse delle due gallerie, una nel loro mezzo e le altre due adiacenti alle pareti esterne
delle gallerie, agli estremi della sezione (Fig. 15). Ciascuna verticale in corrispondenza
dell’asse delle due gallerie è costituita da una sola perforazione allestita per misure
estensio-inclinometriche, mentre le altre constano di due perforazioni relativamente vicine,
nelle quali sono installati nell’una due piezometri e nell’altra l’estensimetro con funzione
inclinometrica. Le verticali situate agli estremi della sezione sono ubicate ad una distanza
di 2 metri dall’estradosso dello scavo di pretaglio in corrispondenza del piede della
galleria. Per quanto riguarda la profondità delle colonne estensio-inclinimetriche, quelle in
corrispondenza all’asse delle due gallerie raggiungono una distanza dal pretaglio non
superiore ad 1.5 metri, mentre le verticali posizionate lateralmente oltrepassano la quota
dell’arco rovescio per una profondità di circa 15 metri. Per quanto riguarda le celle
piezometriche, in ogni perforazione prevista allo scopo, sono installati due piezometri
posizionati a profondità di 2 e 5 metri al di sotto del tetto della formazione limo-sabbiosa.
In Fig. 15 è riportata la tipica sezione di monitoraggio.
Lungo le verticali predisposte per l’installazione degli strumenti estensio-inclinometrici,
sono state eseguite prove in sito e sono stati prelevati campioni, destinati alle prove di
laboratorio.
Capitolo 3 – Analisi numeriche dello scavo della galleria e dell’allargo _______________________________________________________________________________
49
LIMO SABBIOSO
SABBIA
h=variabile
2 metri5 metri
< 1,5 metri
15 metripiezometri a corda vibrante
estensio-inclinometri
estensio-inclinometri
Fig. 15 - Strumentazione e geometria della generica sezione di misura.
Nel complesso sono state realizzate cinque sezioni di misura disposte lungo l’intero
sviluppo della galleria, identificate con un numero progressivo crescente andando dagli
imbocchi lato Nord a quelli lato Sud delle due gallerie (Fig. 16). La cinque sezioni distano
da tale imbocco 26, 94, 122, 222 e 313 metri. Poiché l’allineamento delle verticali della 1a
sezione non è stato possibile a causa della morfologia del luogo, si è spezzata la sezione in
due semisezioni sfalsate altimetricamente e longitudinalmente rispetto allo sviluppo
dell’asse stradale. In questo caso le due semisezioni sfalsate planimetricamente sono
composte da due verticali poste alle estremità; inoltre, a causa del ridotto spessore di
copertura delle due gallerie non si è eseguita l’installazione degli estenso-inclinometri in
mezzeria alle stesse. Le altre sezioni strumentate, escludendo la seconda, non sono
perfettamente ortogonali agli assi delle due gallerie (Fig. 17).
Capitolo 3 – Analisi numeriche dello scavo della galleria e dell’allargo _______________________________________________________________________________
50
Milano Roma
Fig. 16 – Ubicazioni delle sezioni di monitoraggio.
Fig. 17 - disposizione delle verticali estensio-inclinometriche nelle cinque sezioni di misura.
I lavori di ampliamento sono stati avviati dopo una preparazione dei fronti Nord e Sud e
delle aree di cantiere, mentre il sistema di monitoraggio è stato allestito secondo un
programma correlato all’avanzamento dello scavo. La prima e la seconda sezione di misura
sono state attrezzate e rese operative quando lo scavo di ampliamento era già iniziato e il
fronte si era allontanato di una distanza di poco superiore a 10 metri dall’imbocco lato
Nord della canna direzione Milano. Le rimanenti sezioni sono state allestite
successivamente.
Capitolo 3 – Analisi numeriche dello scavo della galleria e dell’allargo _______________________________________________________________________________
51
CAPITOLO 3 Analisi numeriche dello scavo della galleria e dell’allargo
3.1 Introduzioni alle analisi numeriche
La conoscenza del comportamento tensio-deformativo di un ammasso in cui si
eseguono lavori di scavo, può essere risolto utilizzando le ormai diffuse e pressoché
affidabili tecniche di analisi numerica oggi disponibili. Ciò non sminuisce l’utilità nel
conoscere lo stato tensio-deformativo intorno ad una galleria per alcune situazioni
idealizzate e/o semplificate, quali possono essere l’isotropia dello stato di sforzo originario
e la geometria dello scavo con sezione circolare, che facilitano la comprensione dei
risultati ottenuti in analisi numeriche condotte per situazioni più complesse e più
realistiche, o avere una guida nell’applicazione e nella corretta modellazione delle analisi
stesse. Di seguito si riporta la descrizione delle analisi numeriche condotte per lo studio e
l’allargo della galleria, dopo aver brevemente illustrato i requisiti comuni e principali che
caratterizzano tutte le analisi effettuate.
Le analisi numerica può essere condotta per diversi stadi di approfondimento o/e per
rispondere a specifiche esigenze. In funzione di ciò, si prepara una modellazione numerica
ad hoc, tenendo sempre fisso l’obiettivo di ottimizzare l’efficienza delle risposte del
modello e minimizzare le difficoltà e l’onerosità di calcolo. In altre parole l’obiettivo
consiste nel conseguire risultati sufficientemente accurati e nel contempo di contenere gli
oneri computazionali.
Un altro aspetto fondamentale è sicuramente la scelta del tipo di analisi in termini di
dimensioni: bidimensionale (2D), tridimensionale (3D). Quando si studiano gli effetti dello
scavo di una galleria, la modellazione più opportuna è quella tridimensionale, scelta ancora
più appropriata per simulare l’esecuzione di un’incisione di estensione limitata nel terreno,
quale è il pretaglio. La modellazione 3D, infatti, è la più adatta a riprodurre, in modo
realistico, i processi costruttivi e la loro sequenza: è possibile analizzare le fasi più
impegnative del processo costruttivo, valutare il campo di spostamenti indotto e, inoltre,
determinare i margini di sicurezza nei riguardi della formazione di meccanismi di collasso
tenendo conto dell’effettiva geometria del problema.
Capitolo 3 – Analisi numeriche dello scavo della galleria e dell’allargo _______________________________________________________________________________
52
Nel presente lavoro, sono state impostate analisi numeriche tridimensionali impiegando
un codice di calcolo alle differenze finite FLAC 3D 2.0 (Itasca, 2002). Le analisi
numeriche tridimensionali condotte sono state particolarmente adatte nel simulare
realisticamente le singole fasi previste nella realtà esecutiva dello scavo della galleria e, in
particolar modo, le fasi di ampliamento delle gallerie per mezzo della tecnica del pretaglio.
Le stesse hanno permesso, inoltre, di seguire e studiare l’evoluzione tensio-deformativa
che si sviluppa con l’avanzamento del fronte di scavo. Se da una parte ciò ha evidenziato
l’utilità delle analisi tridimensionali nella progettazione statica delle gallerie, non è inutile
ricordare che, nonostante le maggiori potenzialità degli attuali calcolatori, l’analisi
numerica tridimensionale ha richiesto tempi di calcolo impegnativi. Tale onerosità
computazionali ha richiesto, in particolare, l’introduzione di semplificazioni nella messa a
punto dello strumento d’analisi. Qui si riporta brevemente qualche considerazione di
carattere generale su alcuni aspetti presi in considerazione per la messa a punto del
modello: sulle dimensioni del reticolo di discretizzazione, sulla geometria della griglia e
sulla dimensione degli elementi che la compongono, sulla densità di discretizzazione, sui
modelli di comportamento del terreno adottati, sull’utilizzo di elementi strutturali nella
simulazione di alcuni processi di realizzazione delle singole fasi costruttive. Partendo dal
primo, le dimensioni del reticolo possono incidere in modo determinante sugli oneri
computazionali: quello che si è tentato di stabilire è una dimensione minima del reticolo
sufficiente a eliminare o limitare sensibilmente gli effetti delle condizioni al contorno,
costituite da vincoli deformativi o vincoli tensionali, sui risultati delle analisi. Anche
semplificazioni geometriche del reticolo possono apportare un beneficio in termini
computazionali: si è rinunciato, per esempio, alla sagomatura dettagliata di elementi di
confine non particolarmente interessanti relativamente allo specifico studio o scegliendo un
passo di discretizzazione della griglia in direzione dello scavo doppio rispetto al passo
previsto nella realtà, senza apportare con ciò, particolari inconvenienti alla modellazione.
La scelta oculata delle dimensioni degli elementi da utilizzare unita alla scelta nell’utilizzo
di strumenti di costruzioni della griglia quali le interfacce, ha ridotto sensibilmente il
numero di zone che costituiscono la mesh, riducendo conseguentemente i tempi di calcolo.
Come accade anche nelle analisi numeriche bidimensionali la riduzione del numero di zone
è possibile anche mediante una differenza sull’infittimento della griglia in funzione della
posizione delle zone d’interesse e delle zone soggette alle maggiori perturbazioni.
Utilizzando una discretizzazione più lasca in zone prive d’interesse e non soggette a forti
Capitolo 3 – Analisi numeriche dello scavo della galleria e dell’allargo _______________________________________________________________________________
53
gradienti tensionali è stato possibile ridurre il numero di zone presenti nella griglia. Oltre a
scelte puramente geometriche del reticolo, è stato possibile anche ridurre gli oneri
computazionali preferendo l’impiego di modelli costitutivi semplici. La scelta di modelli
costitutivi avanzati e complessi, infatti, non sempre è giustificata, soprattutto quando questi
non apportano sostanziali benefici nella bontà dei risultati con il solo effetto di allungare i
tempi di analisi. Infine, la scelta di elementi strutturali per simulare componenti della
modellazione, come il rivestimento delle gallerie, con comportamento puramente elastico
ha eliminato la necessità di dover provvedere all’inserimento di un gran numero di
elementi di continuo nella griglia.
3.2 Analisi preliminari
Come già illustrato nel capitolo 2, il sito in esame oggetto dei lavori allargamento è
caratterizzato da cinque sezioni strumentate. Nonostante siano state impostate più analisi
tridimensionali, con l’obiettivo di concentrare l’attenzione sui risultati ottenuti a ridosso
delle varie sezioni strumentate, nel presente lavoro si sono elaborati e si presentano solo i
risultati delle analisi relative alla terza sezione di monitoraggio. Le analisi numeriche
tridimensionali condotte per lo studio della prima e seconda sezione di monitoraggio sono
state comunque utili perché hanno permesso di ottimizzare e mettere a punto il modello
numerico relativo allo studio della terza sezione. Lo studio condotto per la prima sezione di
monitoraggio ha permesso di mettere a punto le modalità della simulazione numerica dello
scavo per mezzo della tecnica del pretaglio e la simulazione delle gallerie preesistenti;
inoltre ha permesso di apprezzare la scelta dei modelli costitutivi adottati per il terreno e
per gli elementi strutturali. Lo studio della seconda sezione di monitoraggio, invece, è stata
utile per ottimizzare la gestione delle dimensioni del reticolo nella direzione dello sviluppo
delle gallerie. Per tali motivi le analisi eseguite per lo studio della prima e della seconda
sezione sono state definite “preliminari”, a dispetto delle “analisi definitive”, di cui si
parlerà nel paragrafo seguente, che si riferiscono a quelle condotte per lo studio della terza
sezione.
Capitolo 3 – Analisi numeriche dello scavo della galleria e dell’allargo _______________________________________________________________________________
54
Le analisi della prima sezione
La prima sezione incontrata procedendo con lo scavo in direzione Roma è ubicata in
prossimità dell’imbocco lato Nord e carreggiata in direzione Milano. La messa a punto
della griglia relativa si è basata su una caratterizzazione geotecnica preliminare, precedente
a quella esposta nel capitolo 2, caratterizzata da un numero di prove minore rispetto a
quello utilizzato nella caratterizzazione geotecnica definitiva, e sulla conoscenza della
morfologia del sito reale.
Al fine di contenere gli oneri computazionali, pur mantenendo un’adeguata capacità di
modellazione, per il terreno è stato impiegato un semplice modello costitutivo elasto-
plastico perfetto con criterio di rottura di Mohr-Coulomb, mentre per gli elementi in
calcestruzzo è stato impiegato il modello elastico lineare. Per minimizzare gli effetti delle
condizioni al contorno sulle superfici laterali del reticolo, i cui nodi sono vincolati
mediante carrelli, il volume di terreno discretizzato è molto esteso sia lateralmente sia
longitudinalmente. I nodi della base del reticolo sono stati vincolati mediante cerniere. La
stratigrafia riprodotta nell’analisi numerica riproduce le condizioni presenti in sito,
caratterizzato da deposito sabbioso variamente cementato poggiante su di un terreno limo-
sabbioso relativamente consistente; nella griglia il contatto dei due litotipi avviene su di
una superficie sub-orizzontale posta all’incirca in corrispondenza dell’arco rovescio della
galleria preesistente (Fig. 18). Ciascuno dei litotipi presenti è stato modellato come
continuo omogeneo caratterizzato da valori medi dei parametri fisici e meccanici (Tab. 9).
Tab. 9 - Parametri fisici e meccanici e modello costitutivo utilizzati nelle analisi numeriche.
strato sabbia superiore
strato limo inferiore rivestimento
preesistente
rivestimento nuovo magrone
γ (kN/m3) 20 20 γ (kN/m3) 24 25 24E' (MPa) 50 80 E' (MPa) 28500 33600 22000c' (kPa) 40 0 ν 0,2 0,2 0,2ϕ' (°) 36 32 modello elastico elastico elastico
modello elastico-plastico elastico-plastico spessore 0,8 m 0,6 m 0,4 m
Capitolo 3 – Analisi numeriche dello scavo della galleria e dell’allargo _______________________________________________________________________________
55
Fig. 18 - Griglia utilizzata nell’analisi numerica tridimensionale per lo studio della prima sezione.
Considerata la natura dei terreni, le analisi sono state eseguite assumendo il permanere
di condizioni drenate durante tutte le fasi costruttive. Lo stato tensionale iniziale è stato
determinato portando all’equilibrio, sotto l’azione della gravità, il modello la cui geometria
ripropone le caratteristiche morfologiche della porzione di terreno presa in esame. Prima
della simulazione dell’allargamento della galleria, inoltre, si è cercato di riprodurre lo stato
tensionale generato dallo scavo delle gallerie preesistenti. La simulazione della
realizzazione delle due gallerie prevede la loro costruzione non contemporaneamente, ed è
caratterizzata da un ciclo di avanzamento contraddistinto da due sole fasi: lo scavo di due
metri di galleria e la successiva messa in opera del rivestimento, quest’ultimo modellato
con elementi strutturali di tipo shell.
La successiva simulazione dell’allargamento vuole riprodurre il più fedelmente
possibile le fasi che caratterizzano tale processo (Fig. 21). La realizzazione del pretaglio è
stata simulata eliminando gli elementi di continuo corrispondenti all’incisione. Dopo
l’inserimento del guscio, simulato riattivando gli elementi di continuo rimossi per la
simulazione del pretaglio con le caratteristiche meccaniche del calcestruzzo, la fase di
avanzamento del fronte scavo è stata modellata eliminando sia il terreno compreso tra il
guscio ed il rivestimento esistente, sia rimuovendo la porzione di shell che rappresenta
Capitolo 3 – Analisi numeriche dello scavo della galleria e dell’allargo _______________________________________________________________________________
56
quest’ultimo. L’installazione del rivestimento definitivo è stata riprodotta numericamente
attivando elementi strutturali tipo shell collegati alla mesh. Poiché lo spessore del
rivestimento definitivo è variabile e passa da 1.9 metri in corrispondenza del piede del
singolo arco di cui è costituito, fino a 0.6 metri in chiave, la simulazione numerica ha
voluto cogliere questa variabilità modellando la shell con elementi tutti uguali di spessore
0.6 metri ed inserendo, al disotto delle basi dei singoli archi, degli elementi di continuo con
caratteristiche di rigidezza e resistenza tipici del calcestruzzo (Fig. 19). Una scelta di
questo genere permette di evitare l’eventuale l’effetto negativo di “punzionamento” , che si
sarebbe potuto verificare al piede del rivestimento definitivo per effetto dell’assenza di
spessore nella griglia dell’elemento shell.
Fig. 19 - Modellazione del piede del rivestimento definitivo.
Con il procedere dello scavo, infine, il nuovo rivestimento viene collegato all’arco
rovescio esistente ancora mediante elementi shell, che rappresentano un collegamento non
strutturale. Quest’ultimo ha il compito di provvedere ad un piano di lavoro regolare e di
proteggere i terreni sottostanti.
Capitolo 3 – Analisi numeriche dello scavo della galleria e dell’allargo _______________________________________________________________________________
57
Nelle analisi sono stati simulati anche le variazioni delle caratteristiche meccaniche e
fisiche dei diversi elementi strutturali presenti. In Fig. 20 si evidenziano con colori
differenti le shells utilizzate per modellare i vari elementi strutturali che hanno
caratteristiche meccaniche e/o fisiche diverse.
Fig. 20 – Shells utilizzate per i diversi elementi strutturali
La discretizzazione longitudinale delle due gallerie prevede un passo di 2 metri. Questa
scelta, fatta per ridurre gli oneri computazionali, fa sì che le singole fasi lavorative
simulanti l’allargamento prevedano un’entità dell’avanzamento del fronte scavo doppio
rispetto a quello previsto dal progetto esecutivo. Nelle Fig. 21 a), b), c), d), e), f) si
evidenziano i passi che caratterizzavano la simulazione numerica, prendendo in esame una
sezione del modello numerico longitudinale all’asse della galleria che si sta ampliando.
Capitolo 3 – Analisi numeriche dello scavo della galleria e dell’allargo _______________________________________________________________________________
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a) Esecuzione del pretaglio.
b) Riempimento del pretaglio con betoncino fibrorinforzato ad alta resistenza.
c) Posa in opera di un arco di conci del rivestimento definitivo.
Capitolo 3 – Analisi numeriche dello scavo della galleria e dell’allargo _______________________________________________________________________________
59
d) Avanzamento di due metri dello scavo.
e) Posa in opera di un secondo arco di conci del rivestimento definitivo.
f) Avanzamento di due metri dello scavo.
Fig. 21 - Passi seguiti nella simulazione numerica.
Capitolo 3 – Analisi numeriche dello scavo della galleria e dell’allargo _______________________________________________________________________________
60
L’esecuzione dell’incisione anulare è stata simulata annullando contemporaneamente
tutte le zone di terreno corrispondenti alla presenza del futuro guscio di protezione. Il
successivo riempimento del pretaglio con betoncino fibrotinforzato è stato simulato
riattivando gli elementi di continuo precedentemente annullati, utilizzando un modello
costitutivo elastico con modulo di rigidezza più basso rispetto al valore finale di fine
stagionatura, al fine di simulare il processo di indurimento del betoncino. Le caratteristiche
di deformabilità proprie del betoncino a fine stagionatura sono attribuite agli stessi
elementi nel passo successivo, simultaneamente all’avanzamento di due metri di scavo.
Le analisi numeriche relativi alla prima sezione non si sono potute confrontare con i dati
provenienti dagli strumenti di monitoraggio. Le prime fasi di allargo in sito, infatti, sono
state caratterizzate da fenomeni più o meno pronunciati d’instabilità locale dello scavo che
hanno richiesto delle importanti opere di consolidamento dall’alto. I lavori di sbancamento
e stabilizzazione del sito a ridosso dell’imbocco hanno disturbato pesantemente gli
strumenti della sezione di monitoraggio, inficiandone i risultati rilevati.
La seconda sezione
Durante lo studio della tecnica del pretaglio prendendo in esame la seconda sezione
monitorata, si è reso necessario porre l’attenzione sull’onerosità e fattibilità di analisi
numeriche tridimensionali. Nello studio della prima sezione, grazie alla vicinanza dagli
imbocchi e, dunque, alla superficie topografica, è stato possibile impiegare un reticolo di
discretizzazione alquanto fitto per tutta la mesh nella direzione dello scavo; ciò ha
comportato oneri computazionali elevati ma ancora gestibili. Per la simulazione della
seconda sezione, ma più in generale per tutte quelle sezioni ben più lontane dagli imbocchi,
si è reso indispensabile ottimizzare l’estensione e la discretizzazione del reticolo nella
direzione dello scavo. In dettaglio, si tratta di identificare la porzione della mesh in cui
utilizzare un passo di discretizzazione che sia sufficientemente fitto e dove
necessariamente più rado, in modo da evitare tempi di calcolo troppo lunghi e non più
gestibili. Altro problema è dove interrompere eventualmente la griglia, semplicemente
sezionandola, in modo da ridurre drasticamente gli oneri computazionali, senza inficiare
l’attendibilità dei risultati numerici. Il procedimento che si è deciso di utilizzare ha previsto
più fasi di taratura della nuova griglia, con riferimento alla seconda sezione di
monitoraggio.
Capitolo 3 – Analisi numeriche dello scavo della galleria e dell’allargo _______________________________________________________________________________
61
Consapevoli che l’economia nel numero di elementi da utilizzare è possibile
discretizzando in modo fitto solo la zona oggetto di studi e confronti, che si può
identificare con la zona a ridosso della sezione di monitoraggio, è stato messo a punto un
procedimento così strutturato:
- messa a punto di una griglia che comprendesse l’intero ammasso oggetto dei lavori
di ampliamento, per tutto lo sviluppo delle due gallerie. La discretizzazione fitta di
tale reticolo ha interessato la parte iniziale della mesh (zona di imbocco adiacente
alla sezione di studio) e superato la seconda sezione di monitoraggio (Fig. 22 e Fig.
23);
- simulazione dell’avanzamento dello scavo per l’ampliamento della galleria; si è
posta l’attenzione agli effetti che l’avanzamento del fronte induce, in termini
tensio-deformativi, in corrispondenza della seconda sezione. Con tale analisi si
riesce a determinare una “distanza caratteristica” dalla sezione di monitoraggio in
esame, corrispondente ad una “progressiva caratteristica” dall’imbocco della
galleria, raggiunta la quale si hanno le prime significative variazioni dello stato di
sforzo e deformazione in corrispondenza della seconda sezione (Fig. 23);
Fig. 22 - Reticolo che comprende l’intero ammasso.
Capitolo 3 – Analisi numeriche dello scavo della galleria e dell’allargo _______________________________________________________________________________
62
Fig. 23 - La distanza caratteristica.
In Fig. 23 è possibile osservare il reticolo dell’intera galleria oggetto di ampliamento,
utilizzata per determinare la distanza caratteristica. Come si può notare, la discretizzazione
è particolarmente fitta dall’inizio fino ad una determinata progressiva, comprendendo la
seconda sezione di monitoraggio. In corrispondenza di quest’ultima sono stati fissati dei
punti in cui registrare, durante l’avanzamento dell’allargo, gli andamenti degli spostamenti
o dello stato tensionale. In Fig. 24 si evidenziano le zone e i nodi in corrispondenza dei
quali sono state registrate le grandezze, rispettivamente, tensionali (evidenziate con un
quadratino bianco) e di spostamento (evidenziate con un tondino nero).
Capitolo 3 – Analisi numeriche dello scavo della galleria e dell’allargo _______________________________________________________________________________
63
Fig. 24 – sezione monitorata durante l’analisi numerica, coincidente con la posizione della seconda sezione
Nelle figure Fig. 25, Fig. 26, Fig. 27, sono riportati gli andamenti delle history degli
spostamenti in funzione degli steps di calcolo.
Capitolo 3 – Analisi numeriche dello scavo della galleria e dell’allargo _______________________________________________________________________________
64
Fig. 25 - Andamento degli spostamenti, registrati durante l’avanzamento dell’allargo della galleria, per alcuni nodi monitorati (a).
Fig. 26 - Andamento degli spostamenti, registrati durante l’avanzamento dell’allargo della galleria, per alcuni nodi monitorati (b).
Capitolo 3 – Analisi numeriche dello scavo della galleria e dell’allargo _______________________________________________________________________________
65
Fig. 27 - Andamento degli spostamenti, registrati durante l’avanzamento dell’allargo della galleria, per alcuni nodi monitorati (c).
Come si può vedere le histories che evidenziano uno spostamento più grande e che,
quindi, possono pensarsi più utili per una elaborazione, sono la numero 4 e la numero 19, a
cui corrispondono entrambi l’andamento degli spostamenti longitudinali (in direzione y) di
due nodi in superficie, il primo in corrispondenza all’asse della galleria, il secondo al lato
sinistro della stessa (Fig. 28).
Capitolo 3 – Analisi numeriche dello scavo della galleria e dell’allargo _______________________________________________________________________________
66
Fig. 28 – Histories dei nodi che registrano gli spostamenti più elevati.
Poiché ad ogni progressiva dell’avanzamento dell’allargo corrisponde un numero di
steps di calcolo (Fig. 29), è possibile correlare direttamente le grandezze registrate delle
histories prese in esame (numero 4 e numero 19) alla lunghezza di galleria già allargata
(Fig. 30).
0
200000
400000
600000
800000
step
s del
l'ana
lisi n
umer
ica
0 20 40 60 80distanza dall'imbocco in metri
Fig. 29 – Relazione tra steps di calcolo e distanza dall’imbocco della galleria già allargata.
Capitolo 3 – Analisi numeriche dello scavo della galleria e dell’allargo _______________________________________________________________________________
67
-0.008
-0.006
-0.004
-0.002
0
0.002
spos
tam
enti
in m
etri
0 20 40 60 80distanza dall'imbocco in metri
Fig. 30 - Relazione tra spostamenti registrati e distanza dall’imbocco della galleria già allargata.
Riportando in scala logaritmica l’asse delle ascisse, si può meglio accentuare la
curvatura della curva degli spostamenti (Fig. 31):
-0.008
-0.006
-0.004
-0.002
0
0.002
spos
tam
enti
in m
etri
10 100distanza dall'imbocco in metri
(in scala logaritmica)
Fig. 31 - Relazione tra spostamenti registrati e distanza dall’imbocco della galleria già allargata con asse delle ascisse in scala logaritmica.
Capitolo 3 – Analisi numeriche dello scavo della galleria e dell’allargo _______________________________________________________________________________
68
Ciò permette, con una sorta di costruzione geometrica, di determinare a quale distanza
dall’imbocco è possibile evidenziare un’influenza significativa delle variazioni dello stato
deformativo in corrispondenza della sezione di monitoraggio in esame (Fig. 32).
-0.008
-0.006
-0.004
-0.002
0
0.002
spos
tam
enti
in m
etri
10 100
distanza dall'imbocco in metri(in scala logaritmica)
50 metri
Fig. 32 – Costruzione per la determinazione della “distanza caratteristica”.
Dalla Fig. 32 è possibile ricavare la “distanza caratteristica” Lcr, facendo la differenza
tra la distanza dall’imbocco della sezione di monitoraggio, pari a 94 metri, e la distanza
determinata poc’anzi, pari a 50 metri; segue che Lcr=44metri.
Inoltre dalla stessa figura è possibile desumere che gli steps di calcolo a cui
corrispondono la “distanza caratteristica”, sono Nstep=5.105 circa. Visualizzando le histories
delle grandezze tensionali registrate, si può avere una conferma della ragionevolezza della
distanza Lcr appena determinata. Infatti, dalle seguenti figure si può notare come, solo dopo
il numero di steps pari a Nstep si ha una sensibile variazione nelle curve (Fig. 33, Fig. 34,
Fig. 35).
Capitolo 3 – Analisi numeriche dello scavo della galleria e dell’allargo _______________________________________________________________________________
69
Fig. 33 - Andamento delle tensioni, registrati durante l’avanzamento dell’allargo della galleria, per alcune zone monitorate (a).
Capitolo 3 – Analisi numeriche dello scavo della galleria e dell’allargo _______________________________________________________________________________
70
Fig. 34 - Andamento delle tensioni, registrati durante l’avanzamento dell’allargo della galleria, per alcune zone monitorate (b).
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71
Fig. 35 - Andamento delle tensioni, registrati durante l’avanzamento dell’allargo della galleria, per alcune zone monitorate (c).
Una volta determinata la “distanza caratteristica”, due sono le possibilità:
- generare un nuovo reticolo, discretizzando grossolanamente la prima parte della
griglia, delimitata dalla “sezione caratteristica” appena determinata, e mantenendo
Capitolo 3 – Analisi numeriche dello scavo della galleria e dell’allargo _______________________________________________________________________________
72
una discretizzazione più fitta superata quest’ultima. La stessa procedura può essere
utilizzata per la zona di griglia al di là della sezione strumentata;
- generare un nuovo reticolo ben discretizzato che contempli solo la zona a cavallo
della sezione di monitoraggio, sezionando la griglia ad una distanza
dall’ubicazione della strumentazione coerente con la “distanza caratteristica”.
In un primo momento è stata scelta la prima possibilità: si è cercato di simulare lo scavo
di allargo fino alla “progressiva caratteristica” (Fig. 36). Poiché la griglia è stata
opportunamente discretizzata grossolanamente nella prima parte, non si è potuto procedere
da subito utilizzando la simulazione dettagliata dello scavo con la tecnica del pretaglio
vista precedentemente. In questo caso è possibile prevedere l’avanzamento dell’allargo
scavando per blocchi, costituiti dai singoli elementi con cui si è costruito il reticolo, e
attivando contemporaneamente il rivestimento definitivo e l’elemento di continuo
rappresentante il pretaglio. Tutto ciò per garantire una rigidezza complessiva confrontabile
a quelle che si avrebbero nella simulazione dettagliata e completa. Solo dopo raggiunta la
“progressiva caratteristica” si è passati alla simulazione dell’allargamento per mezzo della
tecnica del pretaglio, seguendo tutte le fasi lavorative. Questo è possibile perché, ora, la
discretizzazione della griglia è regolare e sufficientemente fitta fino a raggiungere e
superare la seconda sezione. Una modellazione che rispetti questa sequenza riesce a
cogliere anche aspetti e influenze relativi alla geometria e topografia del sito in esame.
L’onerosità del calcolo numerico, però, dovuta alle dimensioni troppo grandi del modello,
nonostante la riduzione del numero di zone che è stata possibile introducendo il concetto
della “sezione caratteristica”, non ha consentito di portare a termine questa procedura.
Capitolo 3 – Analisi numeriche dello scavo della galleria e dell’allargo _______________________________________________________________________________
73
Fig. 36 – reticolo che comprende l’intero ammasso opportunamente discretizzato
Alla luce di ciò, si è dovuti passare alla seconda opzione: utilizzare la “distanza
caratteristica” per calibrare al meglio una modellazione che contempli solo una porzione
della galleria a ridosso della sezione di monitoraggio oggetto di studio. La stessa distanza,
incrementata opportunamente, può essere usata come distanza longitudinale (in direzione
dello scavo) da interporre fra la zona d’interesse e i confini della griglia, in modo da
minimizzazione gli effetti delle condizioni al contorno sui risultati numerici.
Un lavoro di questo genere non è stato utilizzato per lo studio della seconda sezione, ma
per le analisi relative alla terza sezione. Anche il monitoraggio della seconda sezione,
infatti, non è risultato particolarmente utile per uno studio approfondito e questo,
fondamentalmente, per due ragioni principali. I dati non hanno consentito la valutazione
continuativa del campo di spostamenti nell’intorno della galleria in quanto le due colonne
estensio-inclinometriche laterali (S5 ed S6) si sono danneggiate durante lo scavo. In
particolare, la strumentazione lungo la verticale S5 si è interrotta alla profondità di 44 m
dalla quota di boccaforo sin dalla prima lettura, mentre la strumentazione installata lungo
la verticale S6 è stata danneggiata durante l’esecuzione del pretaglio ed è interrotta ad una
profondità di 38 m. Inoltre, si sono riscontrati dei disturbi alla strumentazione dovuti a
fenomeni di instabilità dello scavo di pretaglio, verificatesi in vicinanza della sezione
monitorata. Anche se gli sforzi fatti per lo studio della seconda sezione sono stati vanificati
Capitolo 3 – Analisi numeriche dello scavo della galleria e dell’allargo _______________________________________________________________________________
74
per i motivi anzidetti, le attività di analisi svolte, comunque, sono almeno in parte ritornate
utili nello studio delle successive sezioni quali la terza di cui parleremo più in avanti; in
particolare, si sono utilizzati i risultati che hanno consentito l’individuazione della
“distanza caratteristica” dalla sezione di misura.
Con tutto ciò, la taratura delle analisi numeriche non ha visto la sua fine. Se da un lato il
modello tridimensionale messo a punto per lo studio delle sezioni precedenti alla terza si è
dimostrato efficace per la realistica simulazione delle effettive sequenze costruttive,
quando si è passati alla simulazione dell’allargo in prossimità della terza sezione
l’interpretazione dei dati di monitoraggio ha comportato la necessità di modificare alcune
caratteristiche dello strumento di analisi. Più precisamente, i risultati ottenuti, nel confronto
con i dati di monitoraggio, hanno reso necessaria una modifica delle dimensioni della
geometria. Nel modello originale, infatti, il reticolo di discretizzazione è stato limitato
inferiormente a circa 15 m sotto la quota dell’arco rovescio dell’attuale galleria, stessa
scelta effettuata nei reticoli utilizzati per le analisi delle sezioni precedenti. I dati di
monitoraggio hanno messo in evidenza la necessità di aumentare la profondità di tale
reticolo; conseguentemente è stata modificata la dimensione della griglia, aumentando la
profondità da circa 15 m a 45 m.
Una modifica in questo senso si è resa necessaria, quando si sono avute a disposizione
le misure di monitoraggio correlate dalle misure topografiche di superficie. Ciò ha
evidenziato come gli strumenti intestati ben al disotto dell’arco rovescio delle due gallerie
non potessero essere considerati fissi alla base. I terreni in cui si attestano gli estensio-
inclinometri sono molto profondi, soprattutto in corrispondenza della terza sezione di
monitoraggio, e sono stati poco caratterizzati durante la campagna d’indagine. Più
precisamente, i risultati della caratterizzazione parziale, a cui hanno fatto riferimento le
analisi della prima e seconda sezione, indicavano la presenza di terreni molto consistenti
che potessero assicurare, come minimamente ci si aspettava, un buon substrato dove
ancorare le strumentazioni, pensandole in tal modo fisse. Un informazione simile la
fornisce anche la geologia della zona. Ciò non è stato totalmente confermato dalla
successiva caratterizzazione finale ed è stato contraddetto dal diagramma dei cedimenti
assoluti registrati dalla strumentazione della terza sezione, che hanno evidenziato dei forti
valori di sollevamento proprio in corrispondenza della base degli estensimetri.
Capitolo 3 – Analisi numeriche dello scavo della galleria e dell’allargo _______________________________________________________________________________
75
3.2 Analisi definitive
Le analisi numeriche definitive riguardano lo studio ed interpretazione dei dati
provenienti dalla terza sezione di monitoraggio. Le analisi numeriche si sono servite di un
modello numerico calibrato tenendo conto delle precedenti osservazioni. Per ridurre gli
oneri computazionali, altrimenti insostenibili, il procedimento che si è deciso di utilizzare
ha previsto una nuova griglia e la sua taratura con i risultati delle precedenti analisi. La
difficoltà principale è stata quella di determinare le dimensioni longitudinali ottimali della
griglia. Grazie alla conoscenza della “distanza caratteristica”, si è fissata la distanza
necessaria tra la sezione di monitoraggio e i confini del reticolo (in cui si impongono
vincoli cinematici di tipo carrello). Per la miglior interpretazione delle analisi si è cercato
di tenere conto, oltre che della geometria dello strumento numerico, anche della vera
disposizione delle verticali di misura che, in sito, non sono perfettamente appartenenti ad
uno stesso piano ortogonale alle due gallerie. Sempre con lo scopo di ridurre gli oneri
computazionali, la discretizzazione fitta del reticolo ha interessato la parte iniziale fino a
superare abbondantemente la zona in cui è ubicata la sezione di monitoraggio, per poi
passare ad una discretizzazione più lasca fino a raggiungere la distanza opportuna dove
sezionare la griglia e porre le condizioni al contorno di tipo cinematico (Fig. 39).
Impiegando questo nuovo reticolo, sono state svolte diverse analisi, valutando la
sensibilità della risposta alle variazioni di rigidezza del terreno e calibrando i parametri in
base ai dati di monitoraggio. I risultati ottenuti sono presentati nel capitolo 5.
La simulazione dell’allargo segue le procedura messa a punto precedentemente,
iniziando, questa volta, da una progressiva della galleria non nulla ma pari a 72 metri a cui
corrisponde una progressiva assoluta pari a 522+504 (progressiva in cui inizia la
modellazione della griglia tridimensionale). Per quanto riguarda la modellazione
dell’esecuzione dell’incisione anulare, sono state eseguite due tipi di tecniche, in modo da
affinare il più possibile la simulazione delle due diverse procedure di scavo adottate in sito.
La prima, descritta precedentemente, prevede l’esecuzione dell’incisione anulare in una
sola fase, la seconda prevede l’esecuzione del pretaglio in più fasi. Più precisamente,
mantenendo inalterata la profondità dell’incisione anulare, si suddivide lo sviluppo anulare
del pretaglio in tratti di lunghezza variabile dai 2 ai 4 metri. Partendo dal piede destro della
galleria, lo scavo di ogni intervallo viene simulato annullando gli elementi di continuo
corrispondenti; successivamente gli stessi sono riattivati utilizzando un modello elastico,
Capitolo 3 – Analisi numeriche dello scavo della galleria e dell’allargo _______________________________________________________________________________
76
prima di passare alla simulazione dello scavo del tratto successivo. Nelle analisi numeriche
è stata prevista anche la variazione delle caratteristiche di rigidezza dei vari campioni in
funzione dei tempi di stagionatura rilevati in sito. Durante l’esecuzione di un generico
tratto dell’incisione, infatti, le caratteristiche di deformabilità degli elementi di guscio
precedentemente eseguiti vengono aggiornati, evolvendo verso il valore finale di fine
stagionatura. In Fig. 37 si può notare la prima fase dalla simulazione numerica
dell’esecuzione del pretaglio, mentre la Fig. 38 mostra la suddivisione in tratti
dell’incisione anulare.
Fig. 37 – Fase iniziale della simulazione dell’esecuzione del pretaglio.
Fig. 38 – Suddivisione in tratti dell’incisione anulare.
Capitolo 3 – Analisi numeriche dello scavo della galleria e dell’allargo _______________________________________________________________________________
77
La griglia utilizzata nelle analisi definitive è lunga longitudinalmente rispetto agli assi
delle due gallerie, 123m. La dimensione trasversale della griglia è di 170 m, uguale a
quella utilizzata nelle analisi preliminari. Anche la discretizzazione nella direzione
longitudinale è uguale a quella proposta nelle analisi preliminari relative allo studio della
prima sezione. Il passo di discretizzazione, infatti, è pari a 2 metri se si esclude la parte
finale, con riferimento alla direzione di avanzamento dello scavo, dove per una lunghezza
complessiva di 45 metri, la discretizzazione diventa più lasca con passo di 9 metri (Fig.
39). La terza sezione è composta dalle verticali estensio-inclinometriche D15, D16, D17
D18 e S12, che sono disposte rispettivamente alle seguenti progressive 522+553,
522+554.50, 522+560.50, 522+570.50, 522+581.50.
Se si ipotizza ancora una volta di guardare le due gallerie avendo alle spalle il Nord, la
galleria in fase di allargo è quella di sinistra (direzione Milano) e gli strumenti che la
interessano sono il D15, disposto lateralmente a sinistra, il D16 disposto in asse, e il D17
disposto lateralmente a destra fra le due gallerie (Fig. 39). I dati di monitoraggio sono
abbondanti per quanto riguarda tali strumenti, mentre pochi e meno significativi sono
quelli provenienti dalle verticali non direttamente interessate dallo scavo di allargo, che
sono D18 e S12. Perciò nelle analisi non sono stati considerati i dati di monitoraggio
provenienti dalle verticali D18 e S12, a ridosso della galleria direzione Roma e la griglia è
stata modellata tenendo conto solo della disposizione delle verticali D15, che dista
dall’imbocco lato Nord 121m, D16 che dista 122.5m e D17 che dista 128.5m.
Riassumendo, quindi, le distanze dei tre strumenti rispetto alla sezione anteriore della
griglia sono: 49 m, 50.5m e 56.5m; mentre le distanze rispetto alla sezione finale sono
rispettivamente: 74m, 72.5m e 66.5 m. Come si può vedere, l’ubicazione di ogni strumento
nell’analisi numerica è tale da prevedere una distanza dalle condizioni al contorno
superiore alla “distanza caratteristica” Lcr=44 metri.
Anche in questo caso le analisi numeriche sono state eseguite in condizioni drenate ed è
stato riutilizzato un legame costitutivo elasto-plastico perfetto con criterio di resistenza di
Mohr-Coulomb. Ciascuno dei litotipi presenti è stato modellato come continuo omogeneo
caratterizzato da valori medi dei parametri fisici e meccanici. Le condizioni al contorno
imposte su tutte le facce verticali del reticolo sono di tipo cinematico impiegando vincoli
carrello che impediscono gli spostamenti normali al piano. Mentre alla base della griglia,
sono imposti vincoli cinematici tipo cerniera.
Capitolo 3 – Analisi numeriche dello scavo della galleria e dell’allargo _______________________________________________________________________________
78
I risultati e i confronti per i diversi tipi di analisi condotte facendo riferimento alla
griglia poc’anzi illustrati, sono descritti nel capitolo 5.
Fig. 39 – Griglia utilizzata per lo studio della terza sezione di monitoraggio.
Capitolo 4 – Risultati del monitoraggio _________________________________________________________________________
79
CAPITOLO 4 Risultati del monitoraggio
4.1 Introduzione
Per migliorare la comprensione del comportamento d’insieme di un ammasso
interessato dai lavori per l’allargo di una galleria, è indispensabile la conoscenza
dell’evoluzione di alcune grandezze intorno alla perturbazione. In presenza di un sito reale,
si può raggiungere tale obiettivo quando si prevede l’installazione e si dispone l’utilizzo di
appropriati sistemi di monitoraggio. Se da un lato la presenza di un sistema di
monitoraggio è importante e utile, la sua efficienza è funzione della bontà dei risultati che
riesce a fornire. Questo è un problema predominante a cui far riferimento nelle decisioni
che riguardano le caratteristiche degli strumenti da utilizzare e i provvedimenti da adottare
durante l’installazione, la messa in opera e nella successiva utilizzazione. Tali strumenti,
inoltre, quando presenti è facile che si danneggino a causa di molteplici motivi, più o meno
collegati ad eventi aleatori connaturati alla delicatezza dello strumento rispetto alle
rilevanti sollecitazioni naturali o alle operazioni di cantiere che possono interferire con la
longevità dello strumento.
Come già dettagliatamente illustrato nei capitoli precedenti, la galleria di Nazzano è
provvista di un sistema di monitoraggio costituito da estensio-inclinometri e piezometri
installati in ogni sezione di misura. Ciò permette di conoscere l’evoluzione delle
deformazioni e delle sovrappressioni che si sviluppano in diverse zone dell’ammasso, in
vicinanza della perturbazione, dovuta all’allargamento della galleria. La loro disposizione e
le loro caratteristiche sono state descritte nel capitolo 2. Si è già detto come gli strumenti
estensio-inclinometri della prima e seconda sezione di misura non hanno fornito dati di
monitoraggio utili, perché influenzati da lavori di sbancamento e trattamento che hanno
interessato il sito, più che dalle operazioni e dalle tecniche che si sono praticate per
l’allargamento della galleria. I piezometri hanno registrato, invece, un andamento di
sovrappressioni praticamente privo di rilevanza, confermando quanto già evidenziato dalle
prove di laboratorio sulla natura dei terreni sottostanti le due gallerie in termini di
permeabilità. Per tali ragioni, in questo capitolo si esporranno i risultati di monitoraggio
provenienti dagli strumenti estensio-inclinometrici della sola terza sezione di
Capitolo 4 – Risultati del monitoraggio _________________________________________________________________________
80
monitoraggio, in corrispondenza della quale le misure in sito sembrano consentire
un’affidabile ricostruzione del campo di spostamenti nell’intorno del cavo al procedere
dell’avanzamento del fronte di scavo.
In particolare sono stati elaborati i dati di monitoraggio in modo da visualizzare gli
spostamenti sviluppatesi lungo tre componenti dello spazio: gli spostamenti lungo la
verticale, gli spostamenti in direzione Nord, e quelli in direzione Est. Una rappresentazione
di questo genere risulta particolarmente utile dato che l’orientamento dello sviluppo delle
due gallerie è in direzione Sud-Nord e, dunque, le tre grandezze rappresentano,
ordinatamente, i cedimenti e le componenti di spostamento trasversali e longitudinali.
La rappresentazione non prevede solo la visualizzazione degli spostamenti, ma anche di
grandezze adimensionali quali le deformazioni verticali, elaborate a partire dai dati
provenienti dagli estensimetri. Una scelta di questo genere risulta necessaria, oltre che
utile, quando non si conosce l’andamento dello spostamento assoluto di almeno un punto
dello strumento installato. Di solito, quando la lunghezza dello strumento e i tipi di terreni
lo permettono, si ipotizza di avere la base dell’estensio-inclinomtero fissa nello spazio.
Oppure si ovvia seguendo, contestualmente alla misura estensio-inclinometrica, la lettura
dello spostamento superficiale dello strumento, ottenute mediante misure topografiche di
capisaldi posti in corrispondenza dei pozzetti. Come si vedrà meglio in seguito, la
disponibilità delle letture topografiche verticali di superficie ha permesso di diagrammare
gli spostamenti assoluti delle colonne estensimetriche; viceversa l’assenza di misure
topografiche degli spostamenti orizzontali, non ha permesso di tracciare gli spostamenti
assoluti orizzontali-trasversali e orizzontali-longitudinali registrati dagli inclinometri.
Prima dell’interpretazione dei risultati di monitoraggio, si sono rese indispensabili
alcune loro elaborazioni. Una prima elaborazione che si è resa necessaria è stata la scelta di
una lettura di riferimento diversa dalla prima lettura effettuata. L’andamento degli
spostamenti registrati dagli strumenti evidenzia, infatti, l’impossibilità di prendere come
misure di riferimento le prime letture di monitoraggio. A tal proposito, e per evidenziare
quando la perturbazione coinvolge in modo considerevole la strumentazione, è utile anche
la rappresentazioni di alcune grandezze in funzione del tempo per alcuni punti
opportunamente scelti lungo verticale estensio-inclinometrica.
Di seguito si riportano, in dettaglio tutti i risultati del monitoraggio provenienti dalla
terza sezione di misura riordinandoli per tipologia di strumentazione:
Capitolo 4 – Risultati del monitoraggio _________________________________________________________________________
81
- Risultati provenienti dagli estensimetri: spostamenti verticali (cedimenti) e
deformazioni verticali
- Risultati provenienti dagli inclinometri: spostamenti trasversali (direzione Est,
ovvero in un piano ortogonale all’asse delle gallerie) e spostamenti longitudinali
(direzione Nord, ovvero in un piano verticale parallelo all’asse delle due gallerie).
4.2 Elaborazione dei dati di monitoraggio
Tutte le misure effettuate in un estensio-inclinometro devono riferirsi ad una lettura di
zero. Ciò permette di rappresentare l’evoluzione degli spostamenti a partire dalla
situazione relativa a tale misura. Non necessariamente la prima lettura eseguita in un
estensio-inclinometro deve essere presa come riferimento. Nei dati di monitoraggio rilevati
dal sito in esame, per esempio, è evidente come le prime misure eseguite siano affette da
errori sistematici non più trascurabili. In Fig. 40 si riportano le curve degli spostamenti
longitudinali, integrati dal basso, relative alle prime letture eseguite. Sopra ogni diagramma
relativo ad una verticale di misura è evidenziata la distanza dall’imbocco in cui è ubicato lo
strumento. Si può notare da subito nell’inclinometro D17 che, quando la perturbazione è
ancora relativamente lontana, si registrano variazioni di spostamento importanti in una
direzione, che superano anche il centimetro (le curve in tratteggio di color grigio). Non si
evidenziano, inoltre, particolari curvature che possano evidenziare, per esempio, la
diversità di spostamento per altezze differenti della galleria. Un’evidenza di questo genere
è facilmente attribuibile ad un errore sistematico più che ad un reale campo di spostamenti
cretosi nell’ammasso. Quando il fronte di scavo si avvicina alla sezione di misura, si nota
un andamento degli spostamenti che si discosta dalla tendenza delle curve precedenti (le
curve in nero a tratto continuo fine). La lettura più idonea da assumere come riferimento
deve registrare l’errore sistematico, in modo da eliminarlo nelle letture successive per
semplice differenza, ed è conveniente sia subito precedente alla misura in cui si evidenzia
una prima influenza delle lavorazioni in atto quale è la curva rappresentata in tratteggio di
color nero: la curva che ha tali requisiti è quella in nero in grassetto a tratteggio.
Prendendo come riferimento la colonna estensio-inclinometrica D15, situata al lato
sinistro della galleria in fase di allargo (Fig. 40), come lettura di riferimento si è presa la
misura numero 10 relativa ad una progressiva del fronte di scavo dall’imbocco di 103,5m e
Capitolo 4 – Risultati del monitoraggio _________________________________________________________________________
82
ad una progressiva del fronte di pretaglio pari a 107m. Un’analoga procedura può essere
adottata per le altre due verticali strumentate. Per lo strumento installato in D16 si riottiene
quanto scelto per lo strumento in D15, mentre in D17 è stata fissata come lettura di
riferimento la numero 10 eseguita quando il fronte è a 110m dall’imbocco e il pretaglio a
114m. In Fig. 41 si riportano le prime curve degli spostamenti trasversali, integrati dal
basso. Con lo stesso criterio con cui sono state interpretati i risultati degli spostamenti
longitudinali, sopra esposti, è possibile evidenziare anche in questo caso quale possano
essere le migliori letture di riferimento per ciascun inclinometro. La scelta ricade sulle
stesse letture indicate per gli spostamenti longitudinali, anche se in questo caso sarebbe
stato possibile fissare come letture di riferimento, senza commettere errori, quelle
successive alle curve scelte (le curve tratteggiate e di color nero).
Un’evidenza sperimentale di questo genere, con la sostanziale coincidenza nella scelta
delle letture di zero, era attendibile visto che le misure delle due componenti dello
spostamento non sono altro che la scomposizione lungo due direzioni ortogonali di una
vettore spostamento unitario registrato dal singolo inclinometro. Anche la differenza che si
può cogliere nella scelta delle letture di riferimento tra la coppia di strumenti D15 e D16 e
l’inclinometri D17 è comprensibile: mentre gli estensio-inclinometri D15 e D16 sono quasi
allineati ad una stessa progressiva il D17 è ubicato più in avanti di circa 6 metri (Fig. 16).
Comunque è interessante notare che la scelta della lettura di riferimento ricade, in ogni
caso, sulla misura effettuata quando il fronte del pretaglio dista circa 14m dallo strumento
in esame. L’ordine di grandezza di questa distanza è pari sia alle dimensioni della galleria
in allargo, in quanto la larghezza media è pari a 20m e l’altezza è circa 12 m, sia a circa 4
volte la dimensione dello scavo di allargo, descrivibile come una corona circolare di raggio
circa 3,5 m.
Capitolo 4 – Risultati del monitoraggio _________________________________________________________________________
83
100
-10
-20
mm
150
155
160
165
170
175
180
185
190
195
200
205
210
m s.l.m.
605550454035302520151050
D17
lettu
re =
1- 2
fron
te =
67m
- 74
,5m
pret
aglio
= 6
8m -
79m
lettu
re =
3 -
9fr
onte
= 7
9m -
103,
5mpr
etag
lio =
80m
- 10
7m
lettu
ra =
10
fron
te =
110
mpr
etag
lio =
114
m
lettu
re =
11
- 14
fron
te =
115
,5m
- 12
0,5m
pret
aglio
= 1
20m
- 12
3m
20
-2-4
-6-8
mm
185
190
195
200
205
210
m s.l.m.
2520151050
20
-2-4
-6-8
mm
605550454035302520151050
155
160
165
170
175
180
185
190
195
200
205
210
m s.l.m.
D15
& D
16
lettu
re =
1 -
3fr
onte
= 6
7m -
79m
pr
etag
lio =
68m
- 83
m
lettu
re =
4 -
9fr
onte
= 7
9m -
97m
pr
etag
lio =
80m
- 10
0m
lettu
ra =
10
fron
te =
103
,5m
pret
aglio
= 1
07m
lettu
re =
11
- 15
fron
te =
110
m -
120,
5mpr
etag
lio =
114
m -
123m
spos
tam
enti
long
itudi
nali
D15
121
mD
16 1
22.5
mD
17 1
28.5
m
Fig.
40
– C
urve
di s
post
amen
ti lo
ngitu
dina
li ot
tenu
ti ne
l mon
itora
ggio
, rife
rite
alla
lettu
ra d
i zer
o.
Capitolo 4 – Risultati del monitoraggio _________________________________________________________________________
84
40
-4m
m
150
155
160
165
170
175
180
185
190
195
200
205
210
m s.l.m.
605550454035302520151050
D17
lettu
re =
1- 2
fron
te =
67m
- 74
,5m
pret
aglio
= 6
8m -
79m
lettu
re =
3 -
9fr
onte
= 7
9m -
103,
5mpr
etag
lio =
80m
- 10
7m
lettu
ra =
10
fron
te =
110
mpr
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lio =
114
m
lettu
re =
11
- 14
fron
te =
115
,5m
- 12
0,5m
pret
aglio
= 1
20m
- 12
3m
40
-4-8
mm
185
190
195
200
205
210
m s.l.m.
2520151050
0-4
-8-1
2m
m
605550454035302520151050
155
160
165
170
175
180
185
190
195
200
205
210
m s.l.m.
D15
& D
16
lettu
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1 -
3fr
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= 6
7m -
79m
pr
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lio =
68m
- 83
m
lettu
re =
4 -
9fr
onte
= 7
9m -
97m
pr
etag
lio =
80m
- 10
0m
lettu
ra =
10
fron
te =
103
,5m
pret
aglio
= 1
07m
lettu
re =
11
- 15
fron
te =
110
m -
120,
5mpr
etag
lio =
114
m -
123m
spos
tam
enti
trasv
ersa
liD
15 1
21m
D16
122
.5m
D17
128
.5m
Fig.
41–
Cur
ve d
i spo
stam
ento
tras
vers
ale
otte
nute
nel
mon
itora
ggio
, rife
rite
alla
lettu
ra d
i zer
o.
Capitolo 4 – Risultati del monitoraggio _________________________________________________________________________
85
Si noti come la maggior parte delle curve degli inclinometri D16 e D17, riportate nelle
figure precedenti evidenzino, nella parte alta, uno spostamento marcato. Ciò è attribuibile
ad un disturbo che le due verticali hanno subito in superficie, per ragioni estranee ai lavori
di ampliamento della galleria. Un errore di questo genere è in buona parte eliminabile
scegliendo come letture di riferimento quelle precedentemente indicate.
È interessante anche notare come gli spostamenti registrati non possono considerarsi
spostamenti assoluti poiché non si ha a disposizione la registrazione dello spostamento
assoluto di almeno un punto dello strumento, quale quello superficiale che è possibile
identificare con il boccaforo. La rappresentazione ha così lo scopo di visualizzare
l’andamento relativo fra le curve e la loro curvatura e non quello di quantificare gli
spostamenti orizzontali assoluti registrati dall’ammasso duranti i lavori.
Importante è anche puntare l’attenzione sull’errore delle misure indicato dalla casa
costruttrice dell’inclinometro. Per quanto riguarda gli strumenti utilizzati nel presente sito,
l’errore è di 64 mm ogni 30 metri. Come si può constatare dalla quantità delle misure fin
qui rappresentate l’errore relativo è molto alto, tanto che in alcuni casi invalida qualsiasi
considerazione o interpretazione delle misure di monitoraggio rilevate. In questi casi si può
solo affermare che l’intensità degli spostamenti è molto bassa e non supera l’ordine di
grandezza dei millimetri.
Migliore è l’accuratezza degli estensimetri, per i quali l’errore, per ogni metro di
misura effettuato, è molto più basso e pari a 60,05mm che equivale ad un errore di 61,5mm
ogni 30 metri. In Fig. 42 sono riportate le curve relative alle prime misure estensimetriche.
Anche in questo caso è possibile scegliere una lettura di riferimento, dalla quale azzerare
tutti gli spostamenti verticali prodottisi precedentemente e rappresentare l’evoluzione
successiva dei cedimenti.
Capitolo 4 – Risultati del monitoraggio _________________________________________________________________________
86
-4-2
02
4m
m
150
155
160
165
170
175
180
185
190
195
200
205
210
m s.l.m.
605550454035302520151050
D17
lettu
re =
1- 7
fron
te =
69m
- 95
mpr
etag
lio =
70m
- 99
m
lettu
ra =
8fr
onte
= 1
10m
pret
aglio
= 1
14m
lettu
re =
9 -
15fr
onte
= 1
16,5
m -
123,
5mpr
etag
lio =
120
m -
126m
-4-2
02
mm
185
190
195
200
205
210
m s.l.m.
2520151050
-6-4
-20
24
6m
m
605550454035302520151050
155
160
165
170
175
180
185
190
195
200
205
210
m s.l.m.
D15
& D
16
lettu
re =
1 -
8 fr
onte
= 6
7m -
95m
pr
etag
lio =
68m
- 99
m
lettu
ra =
9fr
onte
= 1
03,5
mpr
etag
lio =
107
m
lettu
ra =
10
fron
te =
110
mpr
etag
lio =
114
m
lettu
re =
11
- 14
fron
te =
110
m -
120,
5mpr
etag
lio =
114
m -
123m
cedi
men
tiD
15 1
21m
D16
122
.5m
D17
128
.5m
Fig.
42
– C
urve
dei
ced
imen
ti ot
tenu
te n
el m
onito
ragg
io, r
iferit
e al
la le
ttura
di z
ero
Capitolo 4 – Risultati del monitoraggio _________________________________________________________________________
87
Anche per le prime misure estensimetriche è possibile segnalare anomalie analogamente
a quanto esposto durante l’illustrazione delle prime misure di monitoraggio degli
inclinometri. Per esempio, l’estensimetro D15 presenta le prime misure (curve in grigio)
caratterizzate da sollevamenti, anche rilevanti, poco giustificati essendo il fronte di scavo
ancora lontano: si è di fronte ad un possibile errore sistematico. La misura da prendere
come riferimento, invece, potrebbe essere quella rappresentata dalla curva in tratteggio con
linea spessa e di colore nero (numero 9). La curva successiva, in nero di spessore sottile e
in tratteggio (numero 10), è la prima curva che risente minimamente delle operazioni di
allargo della galleria. Analogamente si può dire per l’estensimetro posto in D16. La lettura
di zero più opportuna per l’estensimetro D17, invece, coincide con la misura successiva a
quella presa come riferimento negli altri due estensimetri (la lettura numero 8). Nella
legenda dei primi due estensimetri, però, (Fig. 42) si è voluto appositamente evidenziare
anche la lettura numero 10. Infatti, nel caso degli estensimetri è possibile tracciare le curve
dei cedimenti assoluti perché si hanno a disposizione le letture topografiche superficiali
degli spostamenti verticali. Poiché la prima lettura di superficie risale alla data relativa alla
misura numero 10 per gli estensimetri D15 e D16 e alla lettura numero 9 per il D17,
sembra opportuno prendere come riferimento delle letture dei cedimenti proprio tale
misura. Per quanto riguarda l’estensimetro D17 evidentemente non si hanno problemi. Per
gli altri due strumenti ciò significherebbe uno spostamento in avanti della lettura di zero
che, tuttavia, non procura nessuna perdita di informazioni.
Alla luce di quanto detto sembra conveniente fissare un’unica misura di zero per tutti gli
strumenti. I vantaggi che ne seguono sono evidenti. Si è in grado di correlare direttamente
gli spostamenti relativi orizzontali con quelli verticali. Si riesce ad avere una
rappresentazione dei risultati più compatta, meglio organizzabile e più omogeneizzata, che
rende facile la lettura e la comprensione del gran numero di misure rilevate in sito.
Riassumendo, quindi, la misura di riferimento è fissata per tutti gli strumenti a quella
corrispondente ad una distanza del fronte di scavo dall’imbocco di 110m e ad una distanza
del fronte del pretaglio dall’imbocco di 114m, relativa alla data del 09/12/2004.
Capitolo 4 – Risultati del monitoraggio _________________________________________________________________________
88
Prima di passare alla rappresentazione dei risultati di monitoraggio, è interessante
riportare la rappresentazione in funzione del tempo delle deformazioni verticali. Ciò
permette di acquisire una conoscenza globale e d’insieme dell’evoluzione della
perturbazione verificatesi in sito per quanto riguarda lo spostamento verticale.
Per deformazioni verticali s’intende, più precisamente, la deformazione assiale
registrata dall’estensimetro, metro per metro, positiva se di contrazione 0l
∆lε = . La
determinazione delle deformazioni verticali “ε” non necessita della conoscenza di misure
assolute di superficie o simili, e possono essere diagrammate anche in funzione del tempo
a partire dalle prime letture effettuate senza commettere errori.
La Fig. 44 rappresenta gli andamenti delle deformazioni verticali “ε” in funzione del
tempo, di alcuni punti “scelti” lungo le tre verticali strumentate. Per chiarezza si spiega
meglio cosa s’intende per rappresentazione in funzione del tempo: invece di fissare il
tempo e tracciare la grandezza in esame lunga tutta la verticale (per esempio l’isocrona
degli spostamenti), si fissa l’attenzione su alcuni punti scelti lungo lo strumento estensio-
inclinomterico, e si traccia la grandezza registrata da quel punto durante le varie misure
effettuate nel tempo. Nel diagramma in ascisse è riportato il tempo, nelle ordinate di
sinistra sono riportate le progressive assolute, mentre a destra la distanza dall’imbocco
della galleria in ampliamento. Insieme alle “ε”, sono riportati la posizione corrente del
fronte di scavo (linea continua individuata da pallini vuoti) e del fronte del pretaglio (linea
scalettata). I segmenti orizzontali, spessi e sovrapposti a formare una sorta di scaletta,
rappresentano quando e dove sono stati eseguiti i trattamento di miglioramento con miscele
cementizie dall’interno della galleria. Gli andamenti di quest’ultime si sono tracciati fino al
mese di Gennaio (fino a quando, cioè, i trattamenti hanno interessato e superato
abbondantemente la posizione dell’ultimo inclinometro D17), sapendo che
successivamente sono continuate con una sequenza analoga a quella rappresentata in
figura, per tutto lo sviluppo della galleria. Le linee a tratteggio nere, più spesse, orizzontali
vogliono indicare la posizione delle verticali strumentate.
In Fig. 43 è indicata la posizione dei punti scelti per rappresentare l’evoluzione nel
tempo di “ε”.
Capitolo 4 – Risultati del monitoraggio _________________________________________________________________________
89
D15 D16 D17
210m s.l.m
190m s.l.m
pretaglio
paretearco rovescio
150m s.l.m
Fig. 43 – Posizione delle quote di riferimento nella rappresentazione dei dati di monitoraggio.
Va ricordato che la rappresentazione delle deformazioni verticali nel tempo non è
esaustiva, poiché le informazioni sono relative ad un comportamento locale dello
strumento che non si può generalizzare e attribuire a tutta la verticale. Ciò comporta la
necessità di avere un riscontro e un confronto con la relativa isocrona di tutto lo strumento.
In Fig. 44 si può osservare come lo strumento D15 registra una perturbazione prima del
D17, a causa della sua posizione arretrata rispetto a quest’ultimo.
Nella rappresentazioni delle deformazioni verticali si nota come le curve risentano del
passaggio del fronte di allargo e dell’esecuzione del pretaglio. Poco prima che l’incisione
anulare raggiunga gli strumenti, si cominciano a registrare delle significative perturbazioni.
Subito dopo le curve cominciano a differenziarsi e a registrare importanti variazioni. Solo
quando il fronte comincia ad essere ormai lontano le curve tendono a stabilizzarsi verso
valori costanti.
Capitolo 4 – Risultati del monitoraggio _________________________________________________________________________
90
22/6/042/7/04
12/7/0422/7/041/8/04
11/8/0421/8/0431/8/0410/9/0420/9/0430/9/04
10/10/0420/10/0430/10/049/11/04
19/11/0429/11/049/12/04
19/12/0429/12/04
8/1/0518/1/0528/1/057/2/05
17/2/0527/2/059/3/05
19/3/0529/3/058/4/05
18/4/0528/4/05
500
520
540
560
580
600
492
496
504
508
512
516
524
528
532
536
544
548
552
556
564
568
572
576
584
588
592
596
604
608
progressiva (m)
6472808896104
112
120
128
136
144
152
160
168
176
6068768492100
108
116
124
132
140
148
156
164
172
distanza dall'imbocco (m)
-0.0
004
00.00
04
0.00
08
0.00
12
-0.0
002
0.00
02
0.00
06
0.00
1D
15
-0.0
012
-0.0
01-0
.000
8-0
.000
6-0
.000
4-0
.000
200.
0002
0.00
04 D
16
-0.0
004
00.00
04
0.00
08
0.00
12
0.00
16
D17
D16
D15
D17
defo
rmaz
ione
ver
tical
i dei
tre
este
nsim
etri
210
m sl
m19
0 m
slm
pret
aglio
pare
te (1
70m
slm
)ar
co ro
vesc
io15
5 m
slm
fron
te sc
avo
fron
te d
el p
reta
glio
tratta
men
ti
Fig.
44
– D
efor
maz
ioni
ver
tical
i in
funz
ione
del
tem
po o
ttenu
te d
ai i
tre e
sten
sim
etri
Capitolo 4 – Risultati del monitoraggio _________________________________________________________________________
91
Da tali diagrammi si può avere una conferma sulla validità delle letture di riferimento
scelte precedentemente, ma sopratutto è possibile anche individuare quando la
rappresentazione dei risultati di monitoraggio è particolarmente significativa. In altre
parole, è possibile sia fissare la finestra di tempo in cui rappresentare le misure in sito
perché più significative, sia desumere l’ampiezza della zona d’influenza dello scavo di
allargamento su una determinata sezione. Nella successiva illustrazione dei risultati di
monitoraggio, si prenderà in esame soprattutto questo intervallo di tempo, che più
precisamente è possibile stabilire vada dalla situazione in sito relativa alla lettura di
riferimento precedentemente scelta, fino alla situazione in cui il fronte di scavo
dell’incisione anulare dista almeno 145m dall’imbocco (Fig. 45). Ricapitolando, quindi, si
concentrerà l’attenzione sugli effetti delle lavorazioni che vanno da quando il fronte di
pretaglio dista di un diametro della galleria allargata dalla prima verticale che s’incontra al
progredire dei lavori, la D15 ubicata a 121m, fino a quando superano l’ultima verticale
presa in esame, la D17 ubicata a 128,5m, sempre di almeno un diametro. Ciò permette di
concentrarsi in maggior misura su ciò che accade durante il passaggio della perturbazione,
senza perdere di vista, d’altra parte, quello che accade una volta che le lavorazioni sono
passate.
Particolare attenzione deve essere riposta sull’influenza delle operazioni di
miglioramento tramite iniezioni dall’interno della galleria. Come si può notare, la loro
esecuzione a ridosso della sezione strumentata non è molto distante in tempo e spazio dal
passaggio del fronte di scavo e dell’incisione del pretaglio. Ciò preclude la possibilità di
azzerare gli eventuali effetti di disturbo del trattamento sulle misure scegliendo una nuova
lettura di riferimento. Nelle interpretazione delle curve di monitoraggio, quindi è
necessario tener conto della presenza di tali lavori di consolidamento, per quanto
quest’ultimi possano essere considerati poco significativi in termini di effetti sulle misure
registrate dalle colonne estensio-inclinometriche. Infatti le iniezioni dall’interno
interessano una corona circolare di terreno intorno alla galleria preesistente, di modesto
spessore, senza superare di molto il diametro dell’incisione anulare. Si può pensare, quindi,
che le miscele cementizie iniettate non interessino direttamente la strumentazione in posto.
Durante la successiva illustrazione dei risultati del monitoraggio, si avrà occasione di
richiamare le rappresentazioni dell’evoluzione delle grandezze “ε” in funzione del tempo.
Una rappresentazione di questo tipo, infatti, mostra un punto di vista complementare alla
Capitolo 4 – Risultati del monitoraggio _________________________________________________________________________
92
rappresentazione, forse più tradizionale, in cui si tracciano i valori lungo tutta la verticale
per ogni misura effettuata.
20/1
0/04
30/1
0/04
9/11
/04
19/1
1/04
29/1
1/04
9/12
/04
19/1
2/04
29/1
2/04
8/1/
0518
/1/0
528
/1/0
57/
2/05
17/2
/05
27/2
/05
9/3/
0519
/3/0
529
/3/0
5
6472808896104112120128136144152160168176
distanza dall'imbocco (m
)
490
500
510
520
530
540
550
560
570
580
590
600
prog
ress
iva
(m)
fronte scavo di allargamentofronte scavo dell'incisione di pretagliotrattamenti dall'interno
Intervallo temporale in cui si rappresentano i risultati di monitoraggio
D15
D17D16
posizione della progrssiva dgli strumenti di misuradella terza sezione
trattamentidall'interno
Fig. 45 – Intervallo temporale in cui si rappresentano i risultati di monitoraggio.
4.3 Le misure estensimetriche
Le misure estensimetriche permettono di ricostruire i cedimenti in corrispondenza delle
tre verticali strumentate, due lateralmente e una in asse alla galleria in fase di allargo. La
valutazione degli spostamenti verticali assoluti è possibile in quanto sono disponibili le
misure di cedimento assoluto ottenute mediante livellazioni di capisaldi posti in
corrispondenza dei pozzetti. È bene comunque tener presente che le letture topografiche di
superficie non sono tutte della stessa qualità. Le prime letture sono state effettuate con
procedure meno rigorose e strumenti di precisione inferiore a quelli utilizzati per le letture
successive. Una possibile oscillazione poco convincente dei valori registrati in superficie
per le prime letture è riconducibile, quindi, alle diverse modalità di rilevamento dei dati
Capitolo 4 – Risultati del monitoraggio _________________________________________________________________________
93
topografici. In tal senso, un esempio eclatante sono le prime due curve tracciate per
l’estensimetro D17 in Fig. 48. L’imprecisione delle letture di superficie, evidente anche
dalle Fig. 46 e Fig. 47 in cui si riportano gli andamenti in funzione del tempo, comunque
non le rendono inutilizzabili. L’importante, in altre parole, è conoscere l’ordine di
grandezza delle misure topografiche, che per ogni misura è pari al millimetro. Ciò permette
di utilizzare tutte le letture topografiche senza commettere errori grossolani.
Prima di spendere qualche considerazione sulle curve tracciate nelle seguenti figure,
bisogna ricordare che gli estensimetri non sono allineati sulla stessa progressiva. In
particolare l’estensimetro D15 precede il D17 di almeno 7 metri. Non è possibile, quindi,
confrontare direttamente l’entità delle deformazioni verticali o/e dei cedimenti dei due
estensimetri relativamente ad una stessa data. Mentre avanza il fronte, il primo e unico
strumento a registrare movimenti significativi è quello di sinistra (D15), mentre il D17
registra la stessa entità di spostamenti in ritardo. La scelta di prendere una curva di
riferimento comune a tutti gli strumenti e corrispondente ad una posizione della
progressiva di allargo relativamente più vicina allo strumento in D15, comporta un
annullamento di parte delle deformazioni già sviluppatesi nell’estensio-inclinometro D15
stesso, anche se di modesta entità; questo è evidente se si riesaminano le figure Fig. 42,
Fig. 44. Sotto questa luce, quando si paragonano l’entità delle deformazioni o/e degli
spostamenti fra le strumentazioni, bisogna ricordare che le misure diagrammate dello
strumento più vicino all’imbocco della galleria sono leggermente sottostimate.
Nel paragrafo precedente, abbiamo accennato che la finestra di maggior interesse per la
rappresentazione dei risultati di monitoraggio ha come estremo superiore almeno la data
del 15/02. Nelle seguenti rappresentazioni, sono riportate anche le curve oltre l’ultima data
“significativa”. Come si vedrà, per alcuni aspetti, quale l’andamento nel tempo dei
fenomeni di sollevamento al di sotto della galleria, una scelta di questo tipo risulta
congeniale per introdurre ulteriori considerazioni.
Capitolo 4 – Risultati del monitoraggio _________________________________________________________________________
94
9/11/04
19/11/04
29/11/04
9/12/04
19/12/04
29/12/04
8/1/05
18/1/05
28/1/05
7/2/05
17/2/05
27/2/05
9/3/05
19/3/05
29/3/05
8/4/05
18/4/05
28/4/05
500
520
540
560
580
600
492
496
504
508
512
516
524
528
532
536
544
548
552
556
564
568
572
576
584
588
592
596
604
608
progressiva (m)
6472808896104
112
120
128
136
144
152
160
168
176
6068768492100
108
116
124
132
140
148
156
164
172
distanza dall'imbocco (m)
-2-1012D
15 (m
m)
-10123 D
16 (m
m)
012345D
17 (m
m)
cedi
emen
ti as
solu
ti le
tture
topo
graf
iche
di
supe
rfic
iefr
onte
scav
ofr
onte
del
pre
tagl
io
Fig.
46
– Le
tture
topo
graf
iche
di s
uper
ficie
dei
ced
imen
ti in
funz
ione
del
tem
po.
Capitolo 4 – Risultati del monitoraggio _________________________________________________________________________
95
D17D16D15
9/12/04
19/12/04
29/12/04
8/1/05
18/1/05
28/1/05
7/2/05
17/2/05
27/2/05
9/3/05
19/3/05
29/3/05
8/4/05-2-1 0 1 2
D15 (mm)
-1 0 1 2 3
D16 (mm)
0 1 2 3 4 5
D17 (mm)
letture topografiche di superficie
-20
2
-20
2
-20
2
-20
2-20
2 -20
2-20
2 -20
2-20
2 -20
2-20
2 -20
2-20
2 -20
2-20
2 -20
2-20
2 -20
2
Fig. 47 – Letture topografiche di superficie in funzione del tempo e lungo la sezione
Capitolo 4 – Risultati del monitoraggio _________________________________________________________________________
96
-8-4
04
mm
150
155
160
165
170
175
180
185
190
195
200
205
210
m s.l.m.
605550454035302520151050
-20
24
68
mm
185
190
195
200
205
210
m s.l.m.
2520151050
-8-4
04
mm
605550454035302520151050
155
160
165
170
175
180
185
190
195
200
205
210
m s.l.m.
data
- sc
avo
- pre
tagl
io20
/12
117
m
12
0m23
/12
118
m
12
3m03
/01
120
m
12
3m10
/01
122
.5m
12
6m14
/01
124
.5m
12
9m17
/01
126
.5m
12
9m24
/01
130
m
13
5m26
/01
131
.5m
13
5m11
/02
140
.5m
14
5.5m
14/0
2 1
42m
145.
5m03
/03
153
m
15
7.5m
21/0
3 1
66.5
m
169.
7m04
/04
174
.5m
17
8m
cedi
men
tiD
15 1
21m
D16
122
.5m
D17
128
.5m
Fig.
48
– Sp
osta
men
ti ve
rtica
li as
solu
ti (c
edim
enti)
.
Capitolo 4 – Risultati del monitoraggio _________________________________________________________________________
97
In Fig. 48 si diagrammano i cedimenti assoluti. La posizione della galleria allargata è
indicata in figura con un riquadro a tratteggio sovrapposto alle curve dei cedimenti. La
linea più alta rappresenta la massima quota dell’incisione anulare (pretaglio), la linea più
bassa rappresenta la minima quota dell’arco rovescio.
Le misure degli spostamenti assoluti in direzione verticale evidenziano chiaramente la
risposta del terreno interessato dall’allargamento in corso della galleria. In particolare è
possibile localizzare una zona intorno alla corona della galleria e che coinvolge anche i lati
della stessa, caratterizzata da una tendenza a sviluppare cedimenti. Andando verso la
superficie l’intensità dei cedimenti diminuisce progressivamente raggiungendo valori
marginali e trascurabili. Viceversa, sotto la galleria le misure indicano un progressivo
sollevamento del terreno. Lo scavo di allargamento, infatti, produce una riduzione dello
stato di sforzo totale al di sotto della galleria che genera una tendenza al sollevamento,
mentre, dalle pareti fino in superficie, si ha una tendenza del campo di spostamenti a
convergere verso lo scavo provocando lo sviluppo dei cedimenti. La tendenza al
sollevamento dei terreni sottostanti la galleria, mitiga l’entità dei cedimenti in superficie.
Interessante notare la diversità tra le misure dell’estensimetro D15 e l’estensimetro D17.
Se per entrambi gli estensimetri si registrano i cedimenti massimi ad una quota assoluta di
circa 175m s.l.m., nell’estensimetro di sinistra si registrano valori più alti e la forma della
curva sembra rilevare una sorta di “pancia” che non è così evidente nell’estensimetro di
destra. La differenza diventa più evidente se si esaminano le curve dei cedimenti ottenuti
integrando dal basso gli spostamenti locali, ovvero pensando fisso il punto alla base dello
strumento (Fig. 49). Un andamento di questo tipo sembra voler sottolineare la presenza di
una zona nel D15, a quota 175m-180m s.l.m, che tende a sviluppare più cedimenti rispetto
alle altre, come se ci fosse localmente un comportamento topico dell’ammasso. Viceversa,
nell’estensimetro D17 il cedimento tende a scemare verso l’alto, come accade d’altronde
anche in D15, ma non si verificano evidenti concentrazioni localizzate dello stesso. Se si
prende visione dell’andamento delle deformazioni verticali, l’ipotesi di comportamento
singolare localizzato nella parte alta del rettangolo tratteggiato e prima avanzata, è
confermata e avvalorata (Fig. 50).
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Capitolo 4 – Risultati del monitoraggio _________________________________________________________________________
100
Le deformazioni di estensione nelle zone al di sopra dei fianchi della galleria sono
prevedibili: la tendenza di un campo di spostamenti che converge verso lo scavo e che
cresce di intensità vicino alla galleria, porta delle deformazioni verticali di estensione
nell’ammasso al di sopra della corona e in parte nei fianchi (Fig. 50). Ciò è molto evidente
quando si tracciano le curve delle deformazioni verticali dell’estensimetro in asse alla
galleria (D16). Ma mentre tale atteggiamento è percettibile uniformemente in tutta la parte
alta dell’estensimetro D17, nell’estensimetro D15 si ha una concentrazioni delle
deformazioni verticali di estensione subito prima dello sviluppo di quelle di compressione.
In altre parole, in Fig. 50 si nota che l’estensimetro di sinistra registra una cospicua
quantità di deformazioni di estensione all’intorno della quota assoluta pari a 180 m sl.m.,
non presente nell’estensimetro di destra. Riprendendo quanto detto precedentemente,
sembra che alla quota 180m s.l.m. circa, ci sia un comportamento locale dell’ammasso
caratterizzato da un forte rilassamento del terreno, che porta ad accentuare il campo di
spostamento e a creare quella sorta di pancia nelle curve dei cedimenti assoluti, di cui si è
accennato in precedenza.
Matematicamente, è possibile pensare l’andamento delle deformazioni verticali come la
curva della derivata dei cedimenti. Ai punti di massimo o minimo dei cedimenti deve
corrispondere l’annullamento delle deformazioni verticali; al punto di flesso dei cedimenti
deve corrispondere un massimo o minimo nelle deformazioni verticali. Ora, se esaminiamo
parallelamente l’andamento delle due grandezze dei due estensimetri laterali (D15 e D17)
in Fig. 51 e Fig. 52, al massimo dei cedimenti corrisponde effettivamente l’annullamento
delle deformazioni verticali; se ci si sposta verso l’alto, si osservano comportamenti
differenti per le deformazioni fra i due strumenti: nel D15 si nota un minimo e poi un
andamento costante senza annullarsi, nel D17 non si rileva un minimo ma solo un
andamento costante senza annullarsi. Per quanto detto, matematicamente la curva dei
cedimenti relativa al D15 deve presentare, sempre andando verso l’alto, dopo il massimo
un flesso che conferisce alla forma della curva una sorta di pancia; ciò non può accadere
per la curva dei cedimenti in D17, al quale dopo il massimo deve registrare solo una
riduzione dei cedimenti senza la presenza di un flesso. Ciò è ritrovabile nei dati di
monitoraggio. (Fig. 51 e Fig. 52).
Capitolo 4 – Risultati del monitoraggio _________________________________________________________________________
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Capitolo 4 – Risultati del monitoraggio _________________________________________________________________________
103
Gli estensimetri laterali sono troppo corti per leggere come varia il sollevamento al di
sotto della galleria. Si può solo dire che a quota circa 160m s.l.m., dove si annulla la
deformazione verticale, esiste un minimo della curva dei cedimenti. Subito dopo, andando
verso il basso, le deformazioni verticali non accennano un minimo al quale
corrisponderebbe un flesso nella relativa curva degli spostamenti. Tale flesso
annuncerebbe la tendenza del terreno a non risentire più dell’effetto dello scavo e quindi a
non far registrare più deformazioni verticali, che più o meno velocemente tenderebbero ad
annullarsi. L’assenza di questo minimo nelle deformazioni verticali, fa capire come una
forte spessore di terreno sotto la galleria risenta dello scarico e che, quindi, non è possibile
pensare sia presente un terreno “fermo” in prossimità dell’arco rovescio. È possibile anche
ipotizzare che i terreni di base, molto al disotto della galleria, non interessati dalla
caratterizzazione geotecnica definitiva (cfr. capitolo 3), siano terreni a grana fine ai quali è
possibile attribuibile lo sviluppo di fenomeni di rigonfiamento connessi con la complessiva
riduzione dello stato di sforzo. Questo spiegherebbe il progressivo e consistente
sollevamento evidenziato dalle curve dei cedimenti una volta che il fronte è passato e dista
di circa 50 metri dallo strumento (Fig. 48).
Altro aspetto significativo che scaturisce dalle figure è l’evidente concentrazione delle
deformazioni nell’intorno della galleria. In particolare, gli estensimetri D16 e D15, nella
parte sovrastante la galleria, costituita da sabbie variamente cementate, ad una certa
distanza dalla perturbazione, non registrano più deformazioni di rilievo. Un
comportamento di questo genere può essere attribuito alla non linearità delle deformazioni:
lontani dalla perturbazione e in presenza di basse variazioni dello stato deformativo e
tensionale efficacie, i moduli di deformabilità dell’ammasso possono pensarsi molto alti.
È ovvio che l’andamento finale in superficie dell’estensimetro posto in D17 (Fig. 48,
Fig. 50 e Fig. 52) è poco comprensibile e non collegabile a nessun fenomeno fisico dovuto
alle lavorazioni in sito. Nonostante la scelta di nuove letture di riferimento, andamenti di
questo genere sono attribuibili ad errori sistematici non del tutto eliminati.
Una volta capito la qualità e la quantità dei cedimenti che l’ammasso ha presentato nel
passaggio delle lavorazioni, è interessante capire quando si sono verificati. Nelle
precedenti figure si sono tracciate più curve in funzione del tempo e, quindi, in funzione
della posizione del fronte di scavo e relativo pretaglio. La prima osservazione di rilievo da
fare è la seguente: la prima lettura evidente che presenta in quantità e qualità l’influenza
della perturbazione dovuta ai lavori di allargamento è quella in corrispondenza del
Capitolo 4 – Risultati del monitoraggio _________________________________________________________________________
104
passaggio dell’incisione anulare di pretaglio. In altre parole, le misure di monitoraggio in
termini di cedimenti e deformazioni verticali, presentano chiaramente le prime forti
variazioni solo quando il fronte del pretaglio raggiunge la progressiva in cui è installato lo
strumento. In aiuto ci viene anche la Fig. 44 dove è possibile vedere l’andamento con il
tempo delle deformazioni verticali fin dall’inizio: in prossimità del fronte di pretaglio si
riscontrano iniziali variazioni, che si intensificano quando il pretaglio ha coinvolto a pieno
la sezione di misura e poi si assestano una volta che lo stesso è passato. Si può notare
anche la successiva rilevante influenza del passaggio del fronte scavo di allargamento:
un’altra buona parte delle deformazioni totali si sviluppano quando il fronte scavo
raggiunge la sezione di misura. Per una completa rappresentazione dei risultati di
monitoraggio, utili a comprendere l’evoluzione degli spostamenti in funzione del tempo, è
possibile riportare le deformazioni verticali e i cedimenti assoluti in funzione del tempo,
relativi alla nuova lettura di riferimento (Fig. 53 e Fig. 54). Come si può osservare, ancora
una volta è possibile affermare che la prima causa, o meglio, l’innesco delle deformazioni
e degli spostamenti nell’ammasso è attribuibile alle lavorazioni dovute al pretaglio;
un’altro decisivo incremento lo si nota quando sopraggiunge il fronte scavo. Alla luce di
quanto si è evidenziato, si evidenzia come la realizzazione del pretaglio, in termini di
perturbazione dell’ammasso, può essere considerato una sorta di scavo piuttosto che una
fase di realizzazione di un sistema di rinforzo per il terreno o di protezione con funzione di
primo rivestimento per il successivo allargamento.
Capitolo 4 – Risultati del monitoraggio _________________________________________________________________________
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Capitolo 4 – Risultati del monitoraggio _________________________________________________________________________
107
4.4 Le misure inclinometriche
A differenza delle misure estensimetriche di cui si hanno a disposizioni letture
topografiche di superficie, le misure inclinometriche mancano di riferimenti assoluti, con
la conseguente impossibilità di avere la conoscenza del campo di spostamenti orizzontali
assoluti. Le rappresentazioni delle curve rilevate in sito, quindi, indicano un campo di
spostamenti relativo, a meno di uno spostamento rigido d’insieme della curva in direzione
orizzontale. Le curve sono state ottenute con un’integrazione dal basso verso l’alto degli
spostamenti locali registrati. Così facendo si assume, come ipotesi di lavoro, che la base
dell’inclinometro sia fermo, ipotesi non avallata da misure assolute. L’esposizione e
l’eventuale interpretazione delle curve tiene conto di tale limite. Le misure sono state
scomposte nelle due direzioni geografiche più convenienti che sono quella Nord ed Est.
L’opportunità di questa scelta deriva dall’orientamento dell’asse longitudinale della
galleria, che è allineato lungo la direzione Nord-Sud. La scomposizione degli spostamenti
orizzontali verso Nord ed Est corrisponde rispettivamente a scomporre gli spostamenti
orizzontali longitudinalmente e trasversalmente alla galleria. Negli spostamenti
longitudinali, valori negativi indicano spostamenti in direzione Sud, positivi in direzione
Nord. Negli spostamenti trasversali, invece, quando il segno è positivo lo spostamento è in
direzione Est, quando negativo verso Ovest. La disposizione dei grafici nella
rappresentazione delle curve di quest’ultimi è strutturata in modo che lo spostamento può
essere direttamente letto rispetto alla posizione della galleria: basta immaginare di
posizionare la sagoma trasversale della galleria in mezzo ai due grafici dei due inclinometri
D15 e D17, e al disotto del D16.
Tutte le rappresentazioni seguenti delle misure inclinometriche si riferiscono alla nuova
lettura di zero scelta precedentemente. In Fig. 55 e Fig. 56 sono tracciate le isocrone degli
spostamenti longitudinali e trasversali. Indubbiamente l’entità degli spostamenti è
relativamente modesta, ancor più se si considera l’errore massimo dello strumento che è di
64 mm ogni 30 metri, producendo un errore in superficie di 68mm per gli inclinometri in
D15 e D17 essendo lunghi circa 60 metri.
Capitolo 4 – Risultati del monitoraggio _________________________________________________________________________
108
64
20
-2-4
-6m
m
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605550454035302520151050
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m
12
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/12
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.5m
12
3m05
/01
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.5m
12
3m10
/01
122
.5m
12
6m14
/01
124
.5m
12
9m17
/01
126
.5m
12
9m24
/01
130
m
13
5m26
/01
131
.5m
13
5m11
/02
140
.5m
14
5.5m
14/0
2 1
42m
145.
5m03
/03
153
m
15
7.5m
21/0
3 1
66.5
m
169.
7m02
/05
196
m
19
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spos
tam
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long
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121
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16 1
22.5
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long
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nali
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Capitolo 4 – Risultati del monitoraggio _________________________________________________________________________
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128
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56-
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asso
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lla n
uova
lettu
ra d
i zer
o.
Capitolo 4 – Risultati del monitoraggio _________________________________________________________________________
110
Gli unici risultati di monitoraggio degni di nota sono quelli rilevati dall’inclinometro
D15 per quanto riguarda gli spostamenti trasversali (Fig. 56). Ipotizzando ferma la base
dell’inclinometro, dalla quota 165m sl.m. alla quota 180m s.l.m. è possibile osservare
un’evidente tendenza degli spostamenti trasversali verso la galleria. Un comportamento di
questo genere non si riscontra nell’inclinometro D17, simmetrico rispetto alla sagoma
trasversale della galleria in allargamento. Una “asimmetria” simile, è possibile ritrovarla
nell’andamento delle deformazioni verticali e dei cedimenti (Fig. 48 e Fig. 50 ) fra i due
estensimetri D15 e D17. Come si ricorda, la differenza era possibile attribuirla ad un
comportamento singolare, visibile rappresentando le deformazioni verticali rilevate
dall’estensimetro di sinistra (D15), ad una quota di circa 180m s.l.m.(Fig. 50).
Riassumendo, i risultati del monitoraggio mostrano evidentemente che il campo di
spostamenti indotto dalle lavorazioni di allargamento della galleria sono modesti, in
particolar modo quello degli spostamenti orizzontali. Per quanto riguarda quest’ultimi, solo
la verticale di sinistra indica una tendenza di spostamenti verso la galleria degna di nota.
Gli altri inclinometri non registrano apprezzabili spostamenti: i valori sono troppo bassi e
l’errore dello strumento invalida le letture.
Capitolo 5 – Risultati delle analisi numeriche _________________________________________________________________________
111
CAPITOLO 5 Risultati delle analisi numeriche
5.1 Introduzione
Si è gia accennato nel terzo capitolo quale sia l’importanza dello strumento dell’analisi
numerica e come sia un valido e potente strumento di studio se opportunamente utilizzato.
Non bisogna commettere, però, l’errore di considerare lo strumento di analisi numerica
come la panacea di ogni male, di facile utilizzo e praticamente “autosufficiente”. Più di
ogni altra cosa l’analisi numerica richiede un sostanzioso lavoro di messa a punto e
calibrazione del modello, necessario per il successivo studio del caso reale. Preparare una
modellazione che permetta una simulazione minimamente realistica dei lavori previsti
nella realtà, o/e dei fenomeni che si potrebbero e dovrebbero verificare in seguito ad una
qualsiasi variazione o perturbazione delle condizioni al contorno, non è sempre di facile
attuazione. E quando si giunge ad una simulazione opportuna non sempre i risultati
corrispondono a pieno con ciò che accade nella realtà a causa di ineliminabili limiti
intrinseci di cui l’analisi numerica soffre.
Il suo miglior utilizzo deve rispettare alcune regole. Prima di tutto è necessario
utilizzare un codice di calcolo affidabile e flessibile, in grado di permettere una
simulazione che collimi il più possibile con la realtà. Quindi scegliere:
- le dimensioni del modello, funzione dell’entità e del tipo di perturbazione che si
vuole studiare;
- il modello costitutivo, i parametri fisici e meccanici dei materiali di cui è costituito
il modello numerico, funzione della caratterizzazione geotecnica del luogo;
- il grado di accuratezza della modellazione necessaria per alcuni aspetti o per buona
parte del modello, funzione della potenzialità del codice di calcolo ma anche dei
calcolatori;
- l’opportunità di utilizzare alcuni espedienti che possano aiutare il calcolo senza
comprometterne la validità dei risultati.
Scelte di questo genere non possono essere fatte sempre con l’ottica di raggiungere la
più dettagliata simulazione possibile. Un criterio di questo genere porterebbe nel
Capitolo 5 – Risultati delle analisi numeriche _________________________________________________________________________
112
cimentarsi in una modellazione eccessivamente onerosa, con insostenibili tempi necessari
per la messa a punto, e soprattutto costosa in termini di forze e in denaro senza che ce ne
sia un evidente bisogno. In altre parole raggiungere la perfetta riproduzione della realtà
nella modellazione non è sinonimo di ottimizzazione delle proprie risorse.
L’ottimizzazione consiste nell’individuare l’obbiettivo primario della simulazione e,
quindi, curare nel dettaglio alcuni particolare e tralasciarne altri. Significa semplificare il
più possibile la modellazione in modo da raggiungere a pieno l’obbiettivo con il minor
tempo e fatica possibile. Inoltre, non sempre si raggiunge l’ottimo da subito, ma è possibile
si debba intervenire apportando evoluzioni del modello anche durante lo studio e la
simulazione.
Seguendo una filosofia di questo genere si è gia estesamente descritto nel capitolo 3
quale siano state le scelte, motivandole, nella messa a punto della modellazione nell’analisi
numerica per lo studio dell’allargo della galleria di Nazzano. Nello stesso capitolo sono
stati esposte le caratteristiche geometriche del modello, le caratteristiche fisiche e
meccaniche dei materiali utilizzati, il modello costitutivo, la modellazione dei lavori e i
dettagli della simulazione con i relativi espedienti utilizzati. Di seguito si riportano i
risultati delle analisi numeriche, dopo aver descritto che tipo di analisi sono state condotte,
quali le differenze e dopo aver brevemente ricordato quale zona del sito in esame si è presa
in considerazione nelle analisi.
5.2 Le analisi numeriche eseguite
I risultati delle analisi numeriche provengono tutte dalla modellazione relativa
all’allargo della galleria in prossimità della terza sezione di monitoraggio. Le
caratteristiche del modello, in particolare della griglia, e i criteri con le quali sono state
scelte, sono ampiamente riportate e argomentate nel terzo capitolo. La terza sezione
strumentata, a differenza delle prime due, è stata l’unica a fornire dati di monitoraggio
affidabili e utilmente interpretabili e ciò spiega l’interesse nei risultati delle analisi
numeriche relative alla simulazione dell’allargo in prossimità della terza sezione.
Utilizzando il medesimo reticolo, sono state condotte più analisi in cui si sono cambiate
alcune caratteristiche meccaniche dei terreni, condizioni iniziali o/e tecnica di simulazione
dell’esecuzione del pretaglio. Per ciascun tipo di analisi si rappresentano gli aspetti più
Capitolo 5 – Risultati delle analisi numeriche _________________________________________________________________________
113
significativi del campo di spostamenti e delle grandezze derivate, nella forma con cui sono
stati tracciati i risultati del monitoraggio. In altre parole, nella rappresentazione di risultati
numerici sottoforma di grafici, si tracciano le curve di grandezze quali spostamenti e
deformazioni, a partire da una posizione delle lavorazioni coincidente con la posizione
relativa alla data in cui è stata eseguita la misura presa come riferimento per la
rappresentazione dei risultati di monitoraggio e lungo verticali il più possibile coincidenti
con la posizione degli strumenti estensio-inclinometri presenti in sito. Anche nella
rappresentazione dei risultati delle analisi numeriche si è posto, sopra ogni grafico, il nome
della verticale e la relativa progressiva esatta in cui è posizionata nella griglia utilizzata per
l’analisi numerica. Inoltre, anche in questi grafici la posizione della galleria rispetto
all’andamento delle curve è evidenziato dalla presenza di un rettangolo con linea
tratteggiata. Infine, si immagina di osservare la galleria in fase di allargo avendo alle spalle
l’imbocco dal quale sono iniziati i lavori d’ampliamento.
Le varie analisi non sono state eseguite rispettando una programmazione stabilita a
priori di analisi parametriche, ma sono il prodotto di una ricerca tendente alla miglior
modellazione della realtà. La conoscenza globale del campo di spostamenti verificatesi in
sito grazie alle misure di monitoraggio, infatti, ha guidato l’ottimizzazione del modello e in
particolare ha richiesto alcune attenzioni di cui altrimenti non si avrebbe avuto percezione.
Non solo, guidati dall’evidenza sperimentale, l’analisi numerica è stata un utile mezzo per
conoscere il comportamento di un ammasso in cui si pratica lavori di allargamento di
gallerie preesistenti anche per diverse condizioni e diverse situazioni non necessariamente
ritrovabili nel sito in esame. Infine, le analisi sono state condotte anche per esplorare le
condizioni limite di collasso.
La Tab. 10 presenta una sintesi delle caratteristiche fisiche e meccaniche che
scaturiscono dalla caratterizzazione geotecnica definitiva, descritta nel capitolo 2. Nella
Tab. 11 si riportano le caratteristiche fisiche e meccaniche assegnate all’analisi, indicando
anche il tipo di modello costituivo scelto e il valore del coefficiente di spinta in quiete. La
Tab. 12, invece, riporta i valori delle caratteristiche meccaniche dei terreni o/e delle
condizioni iniziali che differiscono dalla precedente tabella, che contraddistinguono le
singole analisi effettuate. Nella stessa tabella viene anche precisata, quando diversa, la
Capitolo 5 – Risultati delle analisi numeriche _________________________________________________________________________
114
modalità di simulazione dello scavo dell’incisione anulare1. Nella Tab. 13 si riportano i
valori delle caratteristiche meccaniche e fisiche di fine stagionatura degli elementi
strutturali, valori che sono uguali per tutte le analisi, e il modello costitutivo utilizzato per
la loro simulazione nell’analisi numerica.
Tab. 10 – Caratteristiche fisiche e meccaniche dei terreni provenienti dalla caratterizzazione
geotecnica.
litotipo sabbioso superficiale litotipo limo-sabbioso inferiore
γ (kN/m3) 20 20E' (MPa) 100 100
ϕ° 36 32c' (kPa) 40 0
Tab. 11 – Caratteristiche dei terreni adottate nell’analisi.
litotipo sabbioso superficiale litotipo limo-sabbioso inferiore
γ (kN/m3) 20 20E' (MPa) 100 100
ν 0,2 0,2ϕ° 36 32
c' (kPa) 40 0ko 0,4~0,3 0,4~0,3
modello elastico-plastico perfetto elastico-plastico perfetto
1 Come meglio descritto nel capitolo 3, sono state impiegate due tecniche diverse per simulare i lavori di
esecuzione dell’incisione anulare.
Capitolo 5 – Risultati delle analisi numeriche _________________________________________________________________________
115
Tab. 12 – Caratteristiche variate nelle differenti analisi.
Analisi A litotipo sabbioso superficiale litotipo limo-sabbioso inferiore
E' (MPa) 400 400
Analisi B litotipo sabbioso superficiale litotipo limo-sabbioso inferiore
E' (MPa) 1800 400
Analisi C litotipo sabbioso superficiale litotipo limo-sabbioso inferiore
E' (MPa) 400 400c' (kPa) 12 0
Analisi D litotipo sabbioso superficiale litotipo limo-sabbioso inferioreE' (MPa) 400 400
ko >1 >1
Analisi E litotipo sabbioso superficiale litotipo limo-sabbioso inferioreE' (MPa) 400 400pretaglio
Analisi F litotipo sabbioso superficiale litotipo limo-sabbioso inferioreE' (MPa) 400 400c' (kPa) 12 0
pretaglio
a campione
a campione
Tab. 13 – Caratteristiche fisiche e meccaniche di fine stagionatura degli elementi strutturali.
rivestimento della galleria preesistente
rivestimento definitivo della galleria allargata guscio di pretaglio magrone di
collegamento
γ (kN/m3) 24 25 24 24
E' (MPa) 28500 33600 33600 22000
ν 0,2 0,2 0,2 0,2
modello elastico elastico elastico elastico
spessore 0,8 m 0,6 m 0,3 m 0,4 m
L’analisi “A” sarà presa come riferimento, ovvero si considererà come l’analisi dalla
quale poi si cambiano una, o al massimo due caratteristiche nelle modellazioni successive.
In ordine si presentano i risultati delle analisi A, B, C, D, E, F, dopo aver commentato la
particolare scelta del modulo di rigidezza dell’analisi “A” di riferimento, differente da
quello indicato in Tab. 10.
Le analisi condotte utilizzando i valori di rigidezza indicati in Tab. 10, hanno registrato
un campo di cedimenti estremamente più alto di quello evidenziato dai dati di
monitoraggio, raggiungendo in superficie valori anche di 3 cm. Da qui, è stato inevitabile
Capitolo 5 – Risultati delle analisi numeriche _________________________________________________________________________
116
considerare un modulo di rigidezza più alto che avesse potuto simulare un campo di
spostamenti più basso, simile a quello verificatesi in sito. Il confronto con i dati di
monitoraggio ha consigliato di utilizzare un modulo di rigidezza 4 volte più grande, pari a
400 MPa. Il perché sia possibile, per il sito in esame, scegliere il miglior valore della
rigidezza per i terreni da utilizzare nelle analisi numeriche, aiutandosi anche con i risultati
di monitoraggio, a prescindere dai valori indicati dalla caratterizzazione geotecnica
definitiva, è stato esposto nelle considerazioni finali relative alla caratterizzazione
geotecnica, nel capitolo2.
L’analisi A
Nelle figure seguenti (Fig. 57, Fig. 58, Fig. 59 e Fig. 60) si riportano i risultati
dell’analisi numerica sottoforma di cedimenti, deformazioni verticali, spostamenti
trasversali e spostamenti longitudinali. Analogamente a quanto detto per la
rappresentazione dei risultati di monitoraggio, con il termini di trasversale e longitudinale
si vuole intendere rispettivamente la rappresentazione delle grandezze su un piano
ortogonale all’asse della galleria, e su un piano verticale parallelo all’asse longitudinale
della galleria.
La Fig. 57 relativa ai cedimenti assoluti mostra un campo di spostamenti superficiale
che non supera il centimetro; il valore cresce con la profondità fino ad un valore massimo
in prossimità della quota della corona dell’incisione anulare. Nelle due verticali laterali alla
galleria, si ha l’annullamento del cedimento ad una quota fissa di circa 170 m s.l.m.;
andando verso il basso, in prossimità dell’arco rovescio, si cominciano a sviluppare degli
spostamenti verso l’alto. La verticale di destra presenta un andamento simmetrico a quella
di sinistra a meno di una leggera traslazione delle curve verso l’alto e una maggior
tendenza al sollevamento al di sotto della galleria. L’evoluzione delle curve è caratterizzata
da una tendenza all’aumento della curvatura, ruotando intorno al punto in cui lo
spostamento rimane nullo. Da notare che la prima curva che denuncia uno spostamento
considerevole è quella in corrispondenza della simulazione dell’esecuzione del pretaglio; le
curve successive indicano un aumento progressivo del campo di spostamenti al proseguire
della simulazione dello scavo. L’andamento delle deformazioni verticali è concorde con
quanto descritto per gli spostamenti (Fig. 58): mentre l’effetto del passaggio dello scavo
dell’incisione anulare è ben distinto, l’effetto del passaggio del fronte di allargo è meno
Capitolo 5 – Risultati delle analisi numeriche _________________________________________________________________________
117
chiaro. È interessante notare, però, che le curve registrano un considerevole incremento del
cedimento e della deformazione verticale ogni volta che si esegue un nuovo pretaglio, e
non quando avanza il fronte di scavo. Tale incremento, infatti, è indicato ogni volta da una
coppia di curve, quasi coincidenti, che differiscono fra loro solo per la posizione del fronte
di allargo della galleria, mentre hanno in comune la stessa progressiva del fronte
dell’incisione anulare.
Nell’osservare la Fig. 59, relative agli spostamenti trasversali è possibile evidenziarne
l’esigua entità. È rilevabile una asimmetria degli spostamenti fra le due verticali laterali
alla galleria. Una possibile causa potrebbe essere trovata nella morfologia superficiale
irregolare della griglia, oppure nella presenza dell’altra galleria, alla destra di quella in fase
di allargo. Un accenno di simmetria è possibile ritrovarlo se si traslano le curve della
verticale di destra più verso il basso. La figura Fig. 60 mostra gli spostamenti longitudinali.
Valori negativi degli spostamenti indicano un verso concorde con il verso di avanzamento
dello scavo di allargamento. Anche in questo caso il campo di spostamenti è veramente
piccolo. In prossimità della galleria, le curve delle tre verticali sono concordi ad indicare
una tendenza degli spostamenti nello stesso verso dello scavo. In altre parole la presenza
della galleria preesistente con il proprio rivestimento e la presenza di un guscio rigido,
eliminano possibili effetti d’estrusione del fronte che porterebbe ad incrementare un campo
di spostamenti verso lo scavo. Come accade evidentemente per i cedimenti e le
deformazioni verticali, anche per entrambi i due tipi di spostamenti orizzontali è possibile
notare la tendenza alla formazione di coppie di curve con lo stesso andamento, che hanno
in comune solo la stessa posizione del fronte di scavo del pretaglio.
Capitolo 5 – Risultati delle analisi numeriche _________________________________________________________________________
118
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04
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605550454035302520151050
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57-
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Capitolo 5 – Risultati delle analisi numeriche _________________________________________________________________________
119
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0005
0.00
10.
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0.00
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605550454035302520151050
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-0.0
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0004
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2605550454035302520151050
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Capitolo 5 – Risultati delle analisi numeriche _________________________________________________________________________
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Capitolo 5 – Risultati delle analisi numeriche _________________________________________________________________________
121
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m s.l.m.
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124
m
12
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130
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Fig.
60-
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nali.
Capitolo 5 – Risultati delle analisi numeriche _________________________________________________________________________
122
L’analisi B
I risultati delle analisi numeriche “B” corrispondono ad una modellazione uguale a
quella precedente con la sola differenza del modulo di rigidezza assegnato nella parte
superiore della griglia, in corrispondenza del litotipo sabbioso presente in sito. Il modulo
assegnato è 4.5 volte più grande del precedente (Tab. 12). Un valore così alto del modulo
di rigidezza non è indicato da nessuna prova, sia in sito sia di laboratorio, ma deriva dal
desiderio di cercare di riprodurre l’eterogeneità riscontrate in sito a causa della presenza di
livelli arenaci, più o meno potenti, che si trovano nella parte alta dell’ammasso oggetto dei
lavori. La loro presenza indubbiamente alza il valore medio della rigidezza della parte alta
del litotipo sabbioso, rendendone difficile la scelta di un valore realistico da utilizzare nelle
analisi numeriche. Con questa analisi si tenta di indagare l’effetto dei lavori di allargo sul
campo di spostamenti quando si aumenta la rigidezza attribuita alla parte alta della griglia.
In Fig. 61 si evidenzia lo spessore in cui si aumenta il valore del modulo: dalla quota di
170 m s.l.m fino in superficie.
Fig. 61 – Distribuzione del modulo di Young E’ nella griglia utilizzata per l’analisi B.
Capitolo 5 – Risultati delle analisi numeriche _________________________________________________________________________
123
La Fig. 67 mostra come il campo di spostamenti al disotto dell’arco rovescio, dove il
modulo di rigidezza è rimasto invariato, non è molto diverso dal precedente. Viceversa,
nella parte sovrastante, il campo di spostamenti si è sensibilmente ridotto, sia per quanto
riguarda la componente verticale, sia per quanta riguarda la componente orizzontale (Fig.
69 e Fig. 70), anche se quest’ultima già assumeva valori modesti nell’analisi “A”. Se i
cedimenti, rispetto al caso precedente, si sono ridotti significativamente, è anche vero che
gli andamenti delle curve degli spostamenti verticali indicano, al di sopra della galleria
allargata, una sorta di spostamento rigido globale verso il basso, o meglio, non si osserva
un’apprezzabile diminuzione del cedimento spostandosi verso l’alto. Ciò è deducibile
anche dall’andamento delle deformazioni verticali (Fig. 68), che indicano valori pressoché
nulli al di sopra dell’incisione anulare. Grazie ai risultati delle analisi “A” e “B”, è
possibile constatare che i lavori di allargamento apportano, nella simulazione numerica,
deformazioni di natura plastica ridotte o di modesta entità, se si assegnano i parametri
meccanici di resistenza riportati in Tab. 11 e Tab. 12. Ciò spiega perché all’aumentare
della rigidezza diminuiscono le deformazioni verticali, differentemente a quanto
accadrebbe se ci fossero forti deformazioni plastiche; in questo ultimo caso, infatti,
entrambi le analisi numeriche presenterebbero un incremento dell’entità di deformazioni
verticali confrontabili, poiché una volta superato il criterio di plasticizzazione, il modulo di
rigidezza assegnato, diverso per le due analisi, non sarebbe più così influente.
Riassumendo, la simulazione dei lavori di allargo prevedono una fascia di plasticizzazione
intorno allo scavo non fortemente estesa e ciò è visibile in Fig. 63 e Fig. 64, in cui si
evidenziano le zone plasticizzate in tutta la griglia quando il fronte di scavo è a 126m e il
fronte del pretaglio a 130m. Le Fig. 62 a), b), c), d), e), f) e g) indicano l’evoluzione delle
zone plastiche nell’analisi B, in corrispondenza di una sezione posta a 126m dall’imbocco,
quando si esegue un intero ciclo di scavo: pretaglio, intasamento, avanzamento
dell’allargo. Un comportamento del tutto simile lo si ritrova per le analisi A. Dalle prime
due figure (Fig. 63 e Fig. 64) si può notare come le zone plastiche si concentrano fra le due
gallerie e sotto la galleria, dove si è posto nullo il valore della coesione “c’”, mentre in
corrispondenza del fronte non è evidente una plasticizzata significativa. La tendenza allo
sviluppo di zone in condizioni plastiche sotto la galleria avviene quando il fronte ormai è
passato per una distanza di circa 12 m, mentre la tendenza alla formazione di zone
plastiche fra le due gallerie avviene da subito. Si nota anche una fascia fra le due gallerie,
spostata verso l’alto e posta al di là del fronte, che si trova in condizioni plastiche. Dalle
Capitolo 5 – Risultati delle analisi numeriche _________________________________________________________________________
124
Fig. 62 a), b), c), d), e), f) e g) si può notare come la presenza del guscio di calcestruzzo
realizzato precedentemente garantisca un istantaneo confinamento che riporta in condizioni
di elasticità il terreno interessato dallo scavo. La formazione delle zone plastiche in
prossimità dell’incisione (Fig. 62 b), infatti, ritornano subito in campo elastico quando si
attiva il guscio di betoncino fibrorinforzato (Fig. 62 c).
A tal proposito è anche interessante riportare la rappresentazione della configurazione
del campo di zone plasticizzate nella griglia, in corrispondenza di una sezione intermedia,
in cui la galleria è stata già interessata dai lavori di allargamento, per entrambi due tipi di
analisi (Fig. 66). Come si nota l’estensione delle zone ancora in condizioni plastiche,
concentrata fra le due gallerie e al disotto di esse, è comunque ridotta; più estesa, invece, è
la condizione delle zone che hanno sviluppato deformazioni plastiche, ma che sono
ritornate in condizioni di elasticità. In questo caso, però, va ricordato come le condizioni
pregresse di plasticità sono in parte dovute al calcolo numerico e quindi poco significative,
in parte da attribuire ai lavori di realizzazione delle gallerie preesistenti, come si può
apprezzare osservando la Fig. 65, e solo in parte, ancora, alle sequenze lavorative
precedenti relative all’allargo.
Fig. 62 a)
Rispetto alla sezione rappresentata, posta a 126m dall’imbocco:
il fronte dello scavo di allargo si trova a 124m dall’imbocco (-2m dalla sezione)
il fronte del pretaglio si trova a 126m dall’imbocco (0 m dalla sezione)
rivestimento definitivo si trova a 116m dall’imbocco ( -10m dalla sezione)
Capitolo 5 – Risultati delle analisi numeriche _________________________________________________________________________
125
Fig. 62 b)
Esecuzione del pretaglio: fronte dello scavo di pretaglio si trova a 130m dall’imbocco (+4m dalla sezione)
Fig. 62 c)
Intasamento del pretaglio con betoncino fibrorinforzato
Capitolo 5 – Risultati delle analisi numeriche _________________________________________________________________________
126
Fig. 62 d)
Installazione di un arco di rivestimento definitivo: il rivestimento definitivo si trova a 118m dall’imbocco (-8m dalla sezione)
Fig. 62 e) Avanzamento di due metri di scavo di allargo Il fronte dello scavo di allargo si trova a 126m (0m dalla sezione)
Capitolo 5 – Risultati delle analisi numeriche _________________________________________________________________________
127
Fig. 62 f) Installazione di un arco di rivestimento definitivo Il rivestimento definitivo si trova a 120m dall’imbocco (-6m dalla sezione)
Fig. 62 g) Avanzamento di due metri di scavo di allargo Il fronte di scavo di allargo si trova a 128m dall’imbocco (+2m dalla sezione)
Capitolo 5 – Risultati delle analisi numeriche _________________________________________________________________________
128
Fig.
63
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Capitolo 5 – Risultati delle analisi numeriche _________________________________________________________________________
129
Fig.
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.
Capitolo 5 – Risultati delle analisi numeriche _________________________________________________________________________
130
Fig. 65 – distribuzione delle zone di plasticizzazione prima dei lavori di allargo.
Capitolo 5 – Risultati delle analisi numeriche _________________________________________________________________________
131
A
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Fig.
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Capitolo 5 – Risultati delle analisi numeriche _________________________________________________________________________
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Fig.
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Capitolo 5 – Risultati delle analisi numeriche _________________________________________________________________________
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Capitolo 5 – Risultati delle analisi numeriche _________________________________________________________________________
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Capitolo 5 – Risultati delle analisi numeriche _________________________________________________________________________
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long
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nali.
Capitolo 5 – Risultati delle analisi numeriche _________________________________________________________________________
136
L’analisi C
L’entità delle deformazioni plastiche può incidere sulla risposta dell’ammasso
interessato dall’allargo. Lo sviluppo di plasticizzazioni è direttamente collegato ai
parametri di resistenza che caratterizzano il terreno. Nella analisi è stato scelto un
parametro medio dell’angolo d’attrito e della coesione per ogni litotipo presente in sito. Per
quanto riguarda il litotipo sabbioso, il valore della coesione scelto grazie ai risultati della
caratterizzazione geotecnica, è riconducibile alla cementazione più o meno diffusa delle
sabbie. La presenza di una variabilità della cementazione presuppone che, per alcune zone
dell’ammasso il valore della coesione utilizzato non sia sufficientemente rappresentativo.
In particolare in sito si è riscontrato in alcune zone la mancanza di sufficiente
cementazione delle sabbie da giustificare una coesione, seppur modesta. Ci si domanda,
quindi, che risultati numerici si ottengono se si riducono significativamente le
caratteristiche di resistenza in termini di coesione nel modello. Nella presente analisi “C” si
è ridotto di circa il 75% solo il valore della coesione drenata nel parte di griglia
corrispondente alla sabbia ocracea superficiale presente in sito. Si passa da un valore di c’=
40 kPa a un valore di 12 kPa. Per le restanti parti della griglia non si effettua nessuna
variazione, come nessun cambiamento è previsto per il valore dell’angolo d’attrito in tutto
il reticolo. La particolare scelta del valore della coesione di 12kPa deriva da analisi
precedentemente eseguite per individuare il meccanismo di collasso tridimensionale,
utilizzando la tecnica della progressiva riduzione dei valori numerici dei parametri di
resistenza. Queste analisi hanno mostrato come nella fase più delicata del processo
costruttivo, l’esecuzione del pretaglio, il cavo perde di stabilità con il progressivo ridursi
della coesione efficace fino ad un valore limite pari a 11 KPa. Il meccanismo di collasso si
innesca a partire dalla volta del pretaglio con il coinvolgimento di un volume di terreno di
apprezzabile estensione (Fig. 71).
Capitolo 5 – Risultati delle analisi numeriche _________________________________________________________________________
137
Fig. 71 – Evoluzione delle zone in condizione di plasticità nella fase del pretaglio.
Le Fig. 75 e Fig. 76 mostrano l’andamento dei cedimenti e delle deformazioni verticali.
Rispetto all’analisi “A”, l’entità dei cedimenti è sensibilmente aumentata e, prendendo in
esame le verticali laterali alla galleria allargata, le forme delle curve differiscono. In
particolare, è possibile notare l’accentuazione del flesso in corrispondenza delle pareti
della galleria in allargo, dettato dal significativo aumento dei cedimenti e dalla
corrispondente tendenza, sia del campo di spostamenti di sollevamento sia dei cedimenti, a
non smorzarsi e ad annullarsi repentinamente solo quando si “incontrano”. Inoltre gli
spostamenti di sollevamento si spingono ben al di sopra dell’arco rovescio, senza
diminuire l’entità. Il massimo valore delle deformazioni verticali di contrazione (Fig. 76) è
posizionato sempre alla stessa quota, come anche l’estensione dell’intervallo in cui si
manifestano è sempre lo stesso rispetto alle precedenti analisi. In queste analisi, però,
l’entità delle deformazioni verticali è almeno doppia rispetto all’ analisi “A”. Ciò giustifica
Capitolo 5 – Risultati delle analisi numeriche _________________________________________________________________________
138
la brusca variazione nelle curve a ridosso dell’intervallo in cui si sviluppano la maggior
parte delle deformazioni di contrazione, soprattutto per la verticale di sinistra in cui tale
intervallo sembra essere più ristretto. La differenza fra la verticale di sinistra e quella di
destra è comprensibile se si esaminano la distribuzione delle zone plasticizzate in una
sezione ormai allargata (Fig. 72). È possibile individuare un incipiente formazione di un
meccanismo di collasso che coinvolge tutto il terreno sovrastante la galleria allargata. Le
zone in cui si stanno sviluppando ancora deformazioni plastiche, a sinistra della galleria,
individuano una banda inclinata trasversale; analogamente, in mezzo alle due galleria, se
ne distingue una sub-verticale. Se si posizionano nella griglia le verticali in corrispondenza
delle quali si rappresentano le deformazioni verticali in Fig. 76, si nota che la banda
trasversale interseca la verticale di sinistra (D15), solo in una zona ristretta, nella quale si
concentrano la maggior parte delle deformazioni verticali plastiche di compressione. La
banda sub-verticale, invece, prevede lo sviluppo di deformazioni plastiche in
corrispondenza di gran parte della verticale di destra D17, posizionata proprio nel mezzo
delle due gallerie. Le due bande che circoscrivono proprio il possibile cinematismo di
collasso, coinvolgono direttamente la parte medio-bassa della galleria allargata, in
corrispondenza del piede del rivestimento della stessa. Il campo dei cedimenti in
superficie, quindi, si arricchisce di uno spostamento globale verso il basso dovuto alla
traslazione di tale cuneo di terreno che sovrasta tutta la galleria. Nella stessa figura, inoltre,
si può notare una fascia plasticizzata che circonda la parte superiore della galleria allargata
in cui si sono sviluppate deformazioni plastiche di trazione, che giustificano le forti
deformazioni di estensione lungo la verticale D16. Questa zona evidenzia una tendenza al
cinematismo di collasso che prevede il distacco di cunei in calotta per trazione in assenza
di opere di sostegno, analogamente a quanto visto in Fig. 71.
Capitolo 5 – Risultati delle analisi numeriche _________________________________________________________________________
139
Fig. 72 - Distribuzione delle zone di plasticizzazione.
In Fig. 77 si riportano gli spostamenti trasversali. La verticale in asse alla galleria,
registra spostamenti trasversali nella parte alta, dovuti con molta probabilità alla
morfologia irregolare della griglia in superficie. Analogamente è possibile notare un
andamento di questo genere nelle verticali laterali. In quest’ultime due, inoltre, si nota una
netta tendenza a sviluppare deformazioni orizzontali in direzione dello scavo in
corrispondenza della parete della galleria, ad una quota leggermente più alta rispetto a
quella nella quale si sviluppano le maggiori deformazioni verticali di compressione.
Facendo riferimento alla verticale di sinistra, è interessante notare la differenza della forma
tra la prima curva e le altre successive. Queste ultime si riferiscono al caso in cui il
pretaglio ha già interessato la progressiva relativa alla verticale in esame, mentre la prima
curva rappresenta gli spostamenti nelle condizioni in cui il pretaglio è molto vicino alla
progressiva della verticale ma ancora non l’ha raggiunta. Si nota che appena il pretaglio
Capitolo 5 – Risultati delle analisi numeriche _________________________________________________________________________
140
passa in corrispondenza della verticale, si sviluppa una sensibile deformazione che varia
molto poco con il successivo procedere dello scavo. La spiccata differenza è possibile
attribuirla allo sviluppo prevalentemente di deformazioni plastiche quando si simula
l’esecuzione dell’incisione anulare. Ciò è visibile dalla Fig. 73. La distribuzione nello
spazio delle zone plasticizzate, quando il fronte dello scavo di allargo si trova a 126m
dall’imbocco e il fronte dello scavo di pretaglio a 130m, è rappresentato in Fig. 74.
Rispetto ai risultati delle analisi A e B, si può notare la formazione di una zona in
condizioni plastiche alla sinistra della galleria, fino a raggiungere la superficie. Inoltre si
sviluppano deformazioni plastiche al di sotto della galleria dopo che il fronte si è
allontanato di circa 6 m e il fronte di pretaglio di 8m, a differenza delle deformazioni
plastiche fra le due gallerie e lateralmente che tendono a svilupparsi da subito.
Il maggior sviluppo di deformazioni plastiche aumenta l’entità degli spostamenti
longitudinali (Fig. 78), che comunque presentano valori modesti. In particolare, nella
verticale di destra D17, è possibile notare facilmente che, in corrispondenza della galleria,
si ha un cambio di tendenza nel segno degli spostamenti una volta che il fronte di scavo del
pretaglio è passato: si passa da campi di spostamenti con tendenza di verso concorde
all’avanzamento dello scavo e di modulo invariato rispetto ai risultati dell’analisi “A”, a
spostamenti con tendenza di segno opposto e di maggior entità.
a) b)
Fig. 73 – Zone in condizioni plastiche prima a) e dopo l’esecuzione del pretaglio b).
Capitolo 5 – Risultati delle analisi numeriche _________________________________________________________________________
141
Fig.
74
– A
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i C: d
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Capitolo 5 – Risultati delle analisi numeriche _________________________________________________________________________
146
L’analisi D
Questa analisi sottolinea l’importanza e l’incidenza del coefficiente di spinta in quiete
sui risultati delle analisi tensio-deformative dello scavo di gallerie. Le curve dei cedimenti
e delle deformazioni verticali, le curve degli spostamenti trasversali e longitudinali, sono
qualitativamente e quantitativamente diverse dai risultati delle analisi precedenti. Iniziando
con le curve dei cedimenti (Fig. 82), si nota lo sviluppo di spostamenti in corrispondenza
della posizione della galleria e la loro netta e repentina diminuzione sia in superficie sia in
profondità. Oltre all’entità dei cedimenti diversa, la differenza più vistosa tra i risultati
dell’analisi “A” e “D” è l’andamento che assumono le curve al di sopra della galleria; nel
caso in esame, infatti, è evidente un deciso recupero dei cedimenti andando verso l’alto. Se
si pone l’attenzione sul campo di spostamenti di Fig. 81, dove si rappresentano i vettori
spostamento per una sezione trasversale della griglia quando il fronte di scavo è già
passato, è evidente la differenza tra le due analisi: mentre l’analisi “D” prevede un campo
di spostamenti concentrato in prossimità della galleria allargata e nettamente orientato
verso lo scavo, nell’analisi “A” i vettori spostamento hanno una tendenza ad orientarsi
lungo una verticale, accentuando cedimenti o sollevamenti e prevedendo degli spostamenti
orizzontali di minor entità. Dalla distribuzione dei vettori spostamento di Fig. 81, sono
spiegabili gli andamenti delle curve relative alle due verticali laterali alla galleria in fase di
allargo dell’analisi “D”, in particolare gli andamenti degli spostamenti trasversali, che sono
particolarmente accentuati in direzione dello scavo (Fig. 84). In asse alla galleria sono
presenti cedimenti solo in prossimità del pretaglio, come si può notare nella verticale D16,
dovuti alla formazione della fascia plastica a ridosso dell’incisione anulare (Fig. 80 e Fig.
82). Il risultato in termini di cedimenti superficiali, in corrispondenza della galleria in fase
di allargo, è una curva con la concavità rivolta verso il basso, a differenza delle altre analisi
fin qui viste che prevedono delle curve dei cedimenti in superfici con la concavità rivolta
verso l’alto e con il massimo valore dei cedimenti in asse alla galleria (Fig. 79). Come
accade per lo scavo di gallerie profonde in cui “ko” è prossimo all’unità, anche nel presente
caso, il valore del coefficiente di spinta in quiete ko>1 produce effetti benefici in termini di
estensione delle zone di plasticizzazione intorno alla galleria (Fig. 80). Un spinta
orizzontale dei terreni dello stesso ordine di grandezza o leggermente più grande rispetto
alle forze verticali agenti, tende a contrastare la formazione di zone con forti valori del
Capitolo 5 – Risultati delle analisi numeriche _________________________________________________________________________
147
deviatore e quindi forti plasticizzazioni per taglio, aiutando la formazione dell’effetto arco
nella realizzazione dell’allargo.
Per quanto riguarda gli spostamenti longitudinali (Fig. 85) sono tendenzialmente nulli in
superficie e sotto la galleria, mentre manifestano valori più apprezzabili, anche se ancora
contenuti, in prossimità della galleria rispetto alle analisi precedentemente esaminate.
Lungo la verticale D16, in asse alla galleria, si nota una forte tendenza all’estrusione ancor
prima che il fronte sia passato. Esaminando la Fig. 83 relativa alle deformazioni verticali,
si nota che la posizione del punto di massimo, lungo le verticali laterali alla galleria, è
spostato più verso il basso rispetto alle precedenti analisi. Non solo, con l’avanzamento
dello scavo tale punto si sposta ancora più verso il basso. Anche le curve degli spostamenti
orizzontali sembrano variare le quote dei lori punti di massimo e minimo. In particolare,
tale tendenza si nota una volta che la progressiva dell’esecuzione del pretaglio ha raggiunto
la verticale esaminata. Nello spostamento longitudinale (Fig. 85), per esempio, dopo che il
pretaglio ha raggiunto le verticali, si forma una curvatura convessa in direzione dello
scavo, in prossimità del piede della galleria, che si accentua progressivamente spostandosi
verso l’alto. Anche negli spostamenti trasversali il massimo valore degli spostamenti in
valore assoluto si presenta per quote sempre più basse, soprattutto una volta che il fronte
del pretaglio ha superato la progressiva relativa alla verticale in esame.
Fig. 79 – Analisi D: cedimenti dopo i passaggio dei lavori d allargo.
Capitolo 5 – Risultati delle analisi numeriche _________________________________________________________________________
148
( I ) Prima dell’allargo
( II ) Dopo allargo
Fig. 80- Distribuzione delle zone di plasticizzazione.
Capitolo 5 – Risultati delle analisi numeriche _________________________________________________________________________
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Capitolo 5 – Risultati delle analisi numeriche _________________________________________________________________________
154
L’Analisi E
La tecnica di esecuzione del pretaglio, come si è accennato nel capitolo 3, è stata
oggetto di una evoluzione. Come già descritto, la procedura originaria consisteva nella
realizzazione dello guscio di calcestruzzo scavando tutta l’incisione anulare e solo dopo
provvedendo al suo intasamento con calcestruzzo fibrorinforzato. L’evoluzione della
tecnica di esecuzione prevede, invece, la realizzazione del pretaglio anulare in più fasi:
mantenendo inalterata la profondità dell’incisione anulare, si suddivide lo sviluppo anulare
del pretaglio in tratti di lunghezza variabile dai 2 ai 4 metri. Ogni intervallo viene scavato
solo dopo che il precedente è stato già intasato di calcestruzzo fibrorinforzato e additivato
con silicati che accelerano la stagionatura. L’analisi “E” riporta i risultati numerici relativi
all’allargo della galleria, in cui si simula l’esecuzione del pretaglio facendo riferimento alla
sua realizzazione in più fasi.
Grazie alla Fig. 88 relativa alle deformazioni verticali, si può ancora desumere come sia
la realizzazione del pretaglio ad innescare la formazione di un’apprezzabile deformazione
di compressione. Il confronto, con l’analisi di riferimento, delle deformazioni verticali
(Fig. 58) rileva una marginale riduzione dell’entità. Conseguentemente anche i cedimenti
si riducono, anche se di poco (Fig. 87). Sempre dal confronto con i risultati delle analisi
“A” è possibile notare anche una differenza nella disposizione delle curve: mentre nelle
analisi di riferimento si era evidenziato il raggruppamento a due a due delle curve che
avevano in comune la stessa progressiva del fronte di pretaglio, nei risultati della presente
analisi è meno evidente tale tendenza. Più precisamente, le curve che hanno in comune lo
stesso avanzamento del pretaglio si distinguono fra loro: le curve a cui corrisponde una
progressiva del fronte scavo di allargo maggiore riportano un aumento dei cedimenti e
delle deformazioni verticali. Questo comportamento è tanto più evidente quanto più i
lavori di allargo sono in vicinanza della verticale lungo la quale si registrano le grandezze
in esame. Nel campo dei cedimenti, quindi, l’effetto del pretaglio si può ancora
evidenziare, ma sembra sia influente anche l’avanzamento del fronte scavo di allargo.
La scelta di eseguire la tecnica di pretaglio per campioni deriva dalla necessità di
migliorare le condizioni di stabilità dello scavo di pretaglio, piuttosto che di ridurre il
campo di spostamenti indotto. Le analisi numeriche mostrano proprio come l’esecuzione
per tratti dell’incisione anulare riduca le zone in condizioni plastiche durante lo scavo di
pretaglio. Dalla Fig. 86 si nota come l’analisi di riferimento “A” prevede una incisione
Capitolo 5 – Risultati delle analisi numeriche _________________________________________________________________________
155
anulare su tutta la sezione con la formazione di una zona in condizioni plastiche al di sopra
ed intorno lo scavo, mentre l’analisi “E”, non prevede mai lo scavo completo della
incisione anulare e la distribuzione finale delle zone in condizioni plastiche è confrontabile
con la condizioni precedenti allo scavo. Le zone plastiche previste dall’analisi “A”
ritornano parzialmente in campo elastico solo successivamente, una volta che viene
attivato il guscio di pretaglio.
In Fig. 89 sono rappresentate le curve degli spostamenti trasversali. Se si focalizza
l’attenzione sulle verticali laterali (D15 e D16), si può riscontrare come gli spostamenti
siano qualitativamente e quantitativamente molto simili a quelli osservati nell’analisi A,
ovvero di modesta entità. Analogamente si può dire per gli spostamenti longitudinali, dove
si registrano valori molto bassi. Anche in questo caso, e forse a maggior ragione, un basso
valore delle deformazioni orizzontali è possibile giustificarlo dalla ridotta formazione di un
estesa zona in condizioni plastiche e dal ridotto sviluppo di deformazioni plastiche
conseguenti. La realizzazione per fasi dell’incisione anulare, per valori delle caratteristiche
meccaniche di resistenza uguali all’analisi “A”, non influisce significativamente sugli
spostamenti orizzontatali, ma ha un effetto benefico sui cedimenti, tendendo a ridurli,
come si è già esposto e argomentato precedentemente.
Capitolo 5 – Risultati delle analisi numeriche _________________________________________________________________________
156
prima dello scavo (Analisi “C”) prima dello scavo (Analisi “E”)
dopo lo scavo di pretaglio (Analisi “C”) dopo lo scavo di pretaglio (Analisi “E”)
Fig. 86 – Distribuzione delle zone plastiche nella fase di esecuzione del pretaglio.
Capitolo 5 – Risultati delle analisi numeriche _________________________________________________________________________
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161
L’Analisi F
Nell’analisi presente si sono cambiate due condizioni rispetto a quella di riferimento
(analisi “A”). In questa analisi, infatti, si è riproposta la particolare simulazione della
realizzazione del pretaglio vista nell’analisi precedente (analisi “E”), e si è attribuito alla
parte di griglia corrispondente alla sabbia superficiale, variamente cementata, un valore più
basso della coesione efficace, pari a quello proposto nell’analisi “C”, di 12 kPa (Tab. 12).
I risultati ottenuti, quindi, possono essere commentati e confrontati, avendo a disposizione
non solo i risultati dell’analisi “A”, ma anche e soprattutto quelli dell’analisi “C” ed “E”,
rispetto alle quali si cambia solo una variabile.
Dal confronto con i risultati dell’analisi “A”, si nota una sostanziale coincidenza dei
cedimenti fino a quando la progressiva del pretaglio non raggiunge la verticale in esame
(Fig. 93). Successivamente, l’andamento delle curve si discosta significativamente,
registrando un aumento dei cedimenti. Lo stesso si può notare per le deformazioni verticali
(Fig. 94). In quest’ultime, inoltre, è possibile evidenziare dove e come le curve si
differenziano. In particolare, lo sviluppo di deformazioni verticali positive, una volta che il
fronte di scavo è passato, tende ad aumentare lungo la verticale a quote superiori. Questo
comportamento è possibile notarlo anche nell’analisi “C” (Fig. 75 e Fig. 76), dove,
peraltro, i cedimenti e le deformazioni verticali sono sensibilmente più alte. Il confronto fra
l’analisi presente e l’analisi “C”, entrambe caratterizzati da valori bassi della coesione nella
parte di griglia corrispondente alla sabbia superficiale presente in sito, indica che una
buona parte dei cedimenti non dipende dall’esecuzione del pretaglio, ma dall’evoluzione
dello stato tensio-deformativo tridimensionale che segue l’avanzamento del fronte scavo e
che, per valori bassi della coesione, prevede una grande aliquota di deformazioni di natura
plastica. L’evoluzione delle zone in condizioni plastiche dietro il fronte è possibile notarla
anche nell’analisi di riferimento (Fig. 63), ma nella analisi dove la coesione è più bassa
(Analisi “C” e analisi “F”), indipendentemente dal tipo di simulazione dell’esecuzione del
pretaglio, si può constatare che l’entità di questa evoluzione delle zone plastiche è molto
più significativa e inizia a verificarsi molto più vicino al fronte. L’esecuzione per fasi del
pretaglio non riesce a bloccare l’evoluzione tridimensionale delle zone plastiche dietro il
fronte, qualsiasi sia il valore della coesione scelto, ma solo a ridurne l’entità. Ciò giustifica
la marcata diversità degli andamenti delle deformazioni verticali delle l’analisi “C” e “F”
rispetto a quelli relativi all’analisi “A” e “E”, ovvero fra le analisi con valore della
Capitolo 5 – Risultati delle analisi numeriche _________________________________________________________________________
162
coesione basso e quelle con valore della coesione più alto. Una differenza degna di nota fra
l’analisi presente e l’analisi “C” consiste nella diversa distribuzione delle zone plastiche:
mentre quando si esegue l’incisione anulare completamente in una sola fase si ha una
distribuzione della plasticizzazione prevalentemente a sinistra della galleria in allargo,
nell’analisi “F” la concentrazione maggiore di zone plastiche si trova fra le due gallerie e
quindi a destra di quella in allargo. È interessante far notare, infine, che tutte le analisi fin
qui esposte, non prevedono lo sviluppo di deformazioni plastiche al fronte durante
l’avanzamento dello scavo, ma solo in corrispondenza dell’incisione anulare e solo quando
questa è eseguita a piena sezione. Dalla Fig. 91 si nota, infatti, come il pretaglio a
campione limiti lo sviluppo di deformazioni plastiche in corrispondenza dell’incisione
anulare anche quando la coesione è molto bassa, analogamente a quanto si è visto nelle
analisi “E”(Fig. 86).
Per gli spostamenti trasversali la scelta dell’una o l’altra tecnica di pretaglio influisce
significativamente sul campo di spostamenti solo quando la coesione è molto bassa (Fig.
95). Il confronto tra l’analisi “A” “E” e l’analisi “F” mostra una sostanziale coincidenza di
risultati, differentemente da quanto si può dire per il confronto tra l’analisi “C” e “F”, in
cui si nota come la scelta di eseguire il pretaglio a tratti, limita vistosamente gli
spostamenti orizzontali. Riassumendo, quando la coesione è bassa, la qualità e la quantità
degli spostamenti orizzontali risentono in maggior misura della tecnica di scavo, e in minor
misura dell’evoluzione tridimensionale tensio-deformativa del terreno interessato
dall’avanzamento dello scavo, a differenza delle deformazioni verticali e relativi
cedimenti, la cui qualità dipende soprattutto dall’evoluzione dello scavo. Mentre i primi si
sviluppano e si stabilizzano al passaggio dei lavori di pretaglio, i cedimenti si sviluppano al
passaggio di quest’ultimo, ma evolvono all’avanzare dello scavo.
Per quanto riguarda gli spostamenti longitudinali (Fig. 96), è possibile evidenziare,
sempre grazie ad un confronto con le analisi “A”, “C” e “E”, che la qualità degli
spostamenti non vari molto, mentre quantitativamente si notano valori più alti registrati
nelle analisi in cui il valore della coesione è più basso.
Capitolo 5 – Risultati delle analisi numeriche _________________________________________________________________________
163
prima dello scavo (Analisi “A”) prima dello scavo (Analisi “F”)
dopo lo scavo di pretaglio (Analisi “A”) dopo lo scavo di pretaglio (Analisi “F”)
Fig. 91 - Distribuzione delle zone plastiche nella fase di esecuzione del pretaglio.
Capitolo 5 – Risultati delle analisi numeriche _________________________________________________________________________
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169
Ulteriori risultati e confronti delle analisi numeriche
Di seguito si riportano alcune elaborazioni provenienti dalle analisi numeriche in termini di
spostamento. In Fig. 100 si tracciano i cedimenti superficiali lungo tre sezioni longitudinali
alla galleria, disposte ai lati e in asse alla stessa. Visto l’irregolarità della superficie della
griglia, così appositamente modellata per riprodurre la topografia del sito reale in esame, i
cedimenti superficiali non sono propriamente gli spostamenti registrati in superficie, ma
quelli relativi ad una quota fissa lungo tutto lo sviluppo longitudinale della galleria, il più
possibile prossima alla superficie (Fig. 97, Fig. 98 e Fig. 99). Le tre sezioni passano,
ognuna, per una delle tre verticale prese in esame lungo le quali sono stati diagrammati
precedentemente gli spostamenti e le deformazioni verticali. Per ogni sezione si riportano i
risultati di tutte le analisi eseguite. In questo caso i cedimenti registrati spazialmente lungo
tutta la galleria si riferiscono ad una determinata progressiva sia del fronte di scavo
d’allargo sia del fronte di scavo del pretaglio. Inoltre, gli spostamenti diagrammati non
sono spostamenti integrali ma parziali, ovvero derivano dalla differenza fra il profilo di
spostamenti relativi alla specifica posizione dello scavo, indicato anche in Fig. 100, con
quelli relativi a quando il fronte di scavo di allargo è posto a 110m dall’imbocco della
galleria allargata. Questo giustifica la forma “a conca” delle curve di Fig. 100.
Fig. 97 – Sezione longitudinale della griglia, lateralmente alla galleria in allargo.
Capitolo 5 – Risultati delle analisi numeriche _________________________________________________________________________
170
Fig. 98 – Sezione longitudinale della griglia, in asse alla galleria in allargo.
Fig. 99 – Sezione longitudinale della griglia, lateralmente alla galleria in allargo.
Capitolo 5 – Risultati delle analisi numeriche _________________________________________________________________________
171
Dalla Fig. 100 si nota come, la tecnica di esecuzione del pretaglio per fasi è in grado di
ridurre i cedimenti, e questo effetto è tanto più evidente tanto più la coesione del terreno in
cui si esegue il pretaglio è fissata a valori bassi. Si nota anche una asimmetria delle curve
relative alle due sezioni longitudinali laterali alla galleria in allargo: la sezione sinistra
prevede degli spostamenti più accentuati rispetto a quelli registrati nella sezione laterale
destra, posta fra le due gallerie.
Capitolo 5 – Risultati delle analisi numeriche _________________________________________________________________________
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Capitolo 6 – Confronto tra risultati delle analisi e delle osservazioni sperimentali _________________________________________________________________________
173
CAPITOLO 6 Confronto tra risultati delle analisi e delle osservazioni
sperimentali
6.1 Introduzione
Il confronto tra i risultati provenienti dall’implementazione di strumenti di analisi
tridimensionale, in grado di riprodurre fedelmente le singole fasi costruttive previste nella
realtà esecutiva, e i dati rilevati in sito con appropriati sistemi di monitoraggio permette di
migliorare la comprensione del comportamento d’insieme di un ammasso interessato dai
lavori di allargamento delle gallerie. Il confronto permette, inoltre, di spiegare eventuali
evidenze sperimentali rilevate in sito insolite o inaspettate. I risultati delle analisi
numeriche sono stati già esposti nel capitolo precedente, come anche i risultati di
monitoraggio sono stati ordinati e riportati sotto forma di grafici nel quarto capitolo. Nel
presente capitolo si raffrontano le due famiglie di risultati, si evidenziano le affinità e le
divergenze. Le curve degli spostamenti e delle grandezze derivate, lungo gli strumenti
estensio-inclinometri della terza sezione, possono essere confrontati con le equivalenti
grandezze ricavate nell’analisi numerica, lungo le verticali della griglia posizionate il più
possibile prossime alla posizione degli strumenti di monitoraggio. Il confronto è utile
anche se va tenuto ben presente che è praticamente impossibile raggiungere la perfetta
coincidenza di quanto rilevato in sito con la simulazione numerica. Non solo per la scelta
obbligata di un’opportuna semplificazione nella messa a punto della modellazione
numerica di cui si è già fatto cenno, ma anche per l’impossibile conoscenza nel dettaglio
delle condizioni reali del sito, e per l’incertezza e l’errore delle misure di monitoraggio. Per
esempio, senza dubbio è impossibile conoscere le condizioni degli strumenti in sito, quali
la loro verticalità e quindi la loro precisa ubicazione rispetto alla galleria lungo tutta la
profondità. E ancora, per esempio, è difficile avere la piena certezza sull’accuratezza delle
misure topografiche di superficie, visto l’imprecisione delle prime rilevazioni eseguite.
Comunque sia, tutto ciò non toglie, come si diceva, l’utilità del confronto, che permette
una conoscenza più profonda e completa nello studio dell’allargo di galleria con la tecnica
del pretaglio. Entrambe le curve provenienti dall’analisi numerica e dall’osservazione
Capitolo 6 – Confronto tra risultati delle analisi e delle osservazioni sperimentali _________________________________________________________________________
174
sperimentale in sito sono rappresentate a partire da una stessa posizione del fronte di scavo.
Tutte mostrano, inoltre, incrementi di spostamenti a partire da una configurazione in cui le
lavorazioni di allargo sono già iniziate.
Il capitolo si articola riportando il confronto dei risultati numerici con i risultati rilevati
in sito per ogni grandezza di interesse, indicando di volta in volta il tipo di analisi numerica
da cui sono stati ricavati i dati posti a confronto. Un confronto sistematico di tutti gli
spostamenti e le grandezze da essi derivati, per tutti i tipi di analisi condotte (analisi “A”,
“B”, “C”, “D”, “E” e “F”), non sembra particolarmente utile. Piuttosto l’utilizzo dell’una o
dell’altra analisi per il confronto di uno, o più tipi di spostamenti, rilevati in sito dagli
estensio-inclinometri, con lo scopo di illustrarne differenze ed eventuali particolarità,
permette una visione sia completa sia sintetica del confronto.
In tutti i grafici, le curve provenienti dall’analisi numerica sono a linea tratteggiata,
mentre le curve ricavate dai dati rilevati in sito sono a linea continua.
6.2 Il confronto
Il confronto tra risultati dell’analisi numerica di riferimento e i dati sperimentali rilevati
in sito per tutte le componenti di spostamento e per alcune grandezze derivate permette una
prima valutazione delle principali differenze delle due “famiglie” di risultati.
In Fig. 101 sono riportati i cedimenti. La maggior parte delle curve dei cedimenti, al di
sotto della galleria e per circa una decina di metri al di sopra dell’arco rovescio, sono
approssimativamente coincidenti. Per la restante parte, le osservazioni sperimentali
indicano cedimenti sensibilmente inferiori rispetti a quelli ottenuti nelle analisi numeriche.
Un comportamento di questo genere è più evidente per le curve corrispondenti ad una
posizione del fronte di scavo maggiore o uguale a 126.5 m. Infatti, se si esaminano le curve
a confronto coppia a coppia, si può pensare di traslare rigidamente le curve numeriche
rispetto alle curve di monitoraggio, o viceversa, fino a farle coincidere (Fig. 103). Un
operazione di questo genere porta ad una sostanziale sovrapposizione solo per le prime
curve, poi, nessuna traslazione rigida è in grado di far coincidere i due risultati. Non solo,
le ultime curve presentano, senza operare nessuno spostamento relativo, una coincidenza di
risultati nella parte inferiore della curva e una netto distacco nella parte superiore. In Fig.
103 si indica di quanto la curva numerica relativa ad una posizione del fronte di scavo
Capitolo 6 – Confronto tra risultati delle analisi e delle osservazioni sperimentali _________________________________________________________________________
175
inferiore ai 126.5m, debba spostarsi rigidamente rispetto alla corrispondente curva di
monitoraggio per ottenere la sovrapposizione. Le curve delle deformazioni verticali
riescono a sottolineare questa differenza (Fig. 102 e Fig. 104): le prime curve coincidono
bene a differenza delle altre curve in cui si osserva un netto scostamento a partire dalla
parete della galleria fino in superficie. In quest’ultime, per esempio, si osserva che
nell’analisi numerica si sviluppano deformazioni verticali di compressione dove nei dati
sperimentali osservati in sito sono presenti deformazioni verticali quasi nulle o di
estensione. Un evidenza, quest’ultima, molto più visibile per l’estensimetro di sinistra
(D15).
I dati di monitoraggio indicano che il campo deformativo sviluppatosi in sito è molto
più basso di quello previsto dall’analisi numerica. Una possibile causa è riconducibile alla
maggior rigidezza dei terreni in sito rispetto a quella utilizzata nelle analisi numeriche; un
ulteriore fenomeno che può giustificare la differenze evidenziate durante i confronti è il
comportamento non lineare della deformabilità del terreno. La non linearità, non
implementata nel codice di calcolo utilizzato, può essere un aspetto importante da
considerare per cogliere bene il campo di spostamenti indotto dalla perturbazione,
soprattutto quando si è sufficientemente lontani dallo scavo. Un primo tentativo per capire
meglio che tipo di previsioni numeriche si hanno, rispetto ai dati rilevati in sito, quando si
opera sulla rigidezza, lo fornisce il confronto con i risultati dell’analisi “B”. In questa
analisi, infatti, come è stato già illustrato nel capitolo 5, si prevede un aumento della
rigidezza di 4.5 volte più grande rispetto all’analisi di riferimento, nella parte più alta della
griglia, a partire da una quota di 170 m s.l.m., quota dalla quale il confronto esposto
precedentemente non è più soddisfacente. Nelle Fig. 105 e Fig. 106 si riporta, sempre in
termini di cedimenti e deformazioni verticali, il confronto con i risultati dell’analisi “B”. In
questo caso le curve dei cedimenti provenienti dall’analisi numerica indicano valori più
ridotti avvicinandosi ai valori rilevati in sito, ma nell’insieme, il confronto continua a
mostrare significative differenze nella qualità delle curve; la curvatura delle curve ottenute
numericamente, infatti, sono talmente ridotte da intersecare le curve di monitoraggio, e
questo accade soprattutto per l’estensimetro di destra (D17). Il confronto dell’andamento
delle deformazioni verticali indica un buona coincidenza per quanto riguarda l’entità delle
deformazioni stesse, molto meno per quanto riguarda la distribuzione delle deformazioni
lungo la verticale. Se da un lato si nota una coincidenza nelle curve in corrispondenza delle
quote dei massimi, infatti, è anche vero che le curve numeriche sottostimano la tendenza a
Capitolo 6 – Confronto tra risultati delle analisi e delle osservazioni sperimentali _________________________________________________________________________
176
sviluppare delle deformazioni di estensione in corrispondenza della quota della corona
della galleria allargata, accennando viceversa delle deformazioni di compressione.
Nel complesso, però, il confronto con l’analisi “B” mostra un buon accordo: le prime
curve coincidono bene se si pratica una traslazione rigida orizzontale; le ultime curve,
invece, anche senza una traslazione rigida indicano un valore degli spostamenti molto
simile (Fig. 107 e Fig. 108). Grazie al confronto dei cedimenti e delle deformazioni
verticali fin qui esposti è possibile riassumere che, se l’aumento della rigidezza nella
modellazione numerica permette una previsione numerica quantitativa più vicina ai dati
rilevati in sito, non è in grado di cogliere la distribuzione lungo la verticale del campo di
spostamenti. Viceversa per il confronto con l’analisi “A”.
La necessità di traslare rigidamente una curva rispetto all’altra deriva dalla volontà di
confrontare la “forma” delle curve piuttosto che i valori assoluti. Un operazione di questo
genere è lecita nel momento in cui si abbia, come in questo caso (Fig. 46), un’incertezza
sull’affidabilità delle prime misure topografiche di superficie. Valori imprecisi delle
livellazioni di superficie, infatti, producono una semplice traslazione delle curve di
monitoraggio come se ci fosse stato uno spostamento verticale globale d’insieme del
terreno in cui è installato l’estensimetro. Le curve relative alle deformazioni verticali,
invece, possono essere messe a confronto senza problemi, poiché non sono influenzate
dalle letture topografiche di superficie e quindi dalle relative incertezze.
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185
Un ulteriore confronto interessante per il campo di spostamenti verticali è quello con
l’analisi “E”, nella quale si simula l’esecuzione dell’incisione anulare per fasi. Il confronto
dei cedimenti in Fig. 109 mostra la pratica coincidenza, sempre a meno di traslazioni rigide
di diversa entità, delle prime curve. La sovrapponibilità dei risultati è ancora più evidente
rispetto all’analisi di riferimento “A”. Per quanto riguarda le ultime curve, anche in questo
caso si nota una netta tendenza dei risultati dell’analisi numerica a discostarsi dai dati di
monitoraggio. Anche per il confronto delle deformazioni verticali si può sottolineare una
buona corrispondenza dell’analisi numerica con i risultati di monitoraggio (Fig. 110),
migliore di quella osservata nel confronto con l’analisi “A”. Tutte le curve numeriche
sembrano rispettare l’entità delle deformazioni e la posizione dei punti notevoli rispetto
alle curve di monitoraggio. Fanno eccezione le ultime curve della verticale di sinistra, in
cui non c’è più una coincidenza delle due famiglie di risultati a causa della maggior entità
prevista dalle analisi numeriche, e l’ultima curva della verticale di destra, in cui si ha una
divergenza nella forma e nell’entità.
Nonostante la miglior sovrapponibilità è possibile ritrovarla nell’analisi “E”, soprattutto
per quanto riguarda le deformazioni verticali, è interessante evidenziare un aspetto comune
a tutti i confronti fin qui esposti. Si nota come la forma delle curve è molto simile a meno
di una zona localizzabile tra la quota della parete della galleria e la quota della corona del
pretaglio ( tra 170 m s.l.m e 180 m s.l.m.). In altre parole, in questa zona le analisi
numeriche tendono a sviluppare deformazioni di compressione, mentre i dati rilevati in sito
evidenziano deformazioni di estensione. Al di là di tale zona, la forma delle curve in
confronto è estremamente simile, soprattutto per quanto riguarda i risultati dell’analisi “E”.
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Passando ai confronti degli spostamenti orizzontali, va prima di tutto ricordato che in
questo caso non si hanno a disposizione, per i risultati di monitoraggio, misure di
spostamento assoluto.
Sia i risultati delle analisi “A” e “B”, sia i risultati di monitoraggio, non indicano un
campo di spostamenti orizzontale marcato, ad eccezione dello spostamento trasversale
registrato dall’inclinometro laterale di sinistra (D15) (Fig. 111 e Fig. 112). In quest’ultimo,
infatti, è evidente un profilo di spostamenti in direzione dello scavo, a metà altezza della
galleria allargata. Lo spostamento trasversale rilevato dal monitoraggio, infatti, supera i 6
mm, a differenza di tutte le altre curve di spostamento orizzontale diagrammate in cui si
hanno valori che non superano i 2-3 mm. La simulazione numerica relativa alle analisi
“A” e “B” non riesce a cogliere questa particolarità (Fig. 111 e Fig. 112). Poiché è proprio
la forma della curva di monitoraggio a non corrispondere con le previsioni delle analisi
numeriche, una possibile motivazione è da trovare nel legame costitutivo; cambiare il
valore numerico dei soli parametri elastici, infatti, non produce variazioni apprezzabili
della forma. Per esempio, un comportamento di questo genere è possibile spiegarlo se si
ipotizza una consistente zona di plasticizzazione intorno alla galleria, che indurrebbe un
campo di spostamenti in direzione dello scavo. Tuttavia, non si può affermare con certezza
che trattasi di fatti plastici anche se a tal proposito pare interessante porre a confronto il
profilo degli spostamenti trasversali con l’analisi “C” (Fig. 113). In questa analisi, infatti,
si è ridotto del 75% il valore della coesione rispetto all’analisi di riferimento, in tutta la
parte della griglia corrispondente alla sabbia superficiale, litotipo in cui sono scavate
interamente sia le gallerie preesistenti sia quelle allargate. In Fig. 113 si vede come, per
l’inclinometro di sinistra, si ottiene un risultato numerico molto prossimo all’evidenza
sperimentale, a differenza dell’inclinometro di destra. Per la verticale D15, le forme delle
curve sono molto simili tra loro. In Fig. 114 si sono prese quattro coppie di curve da porre
in confronto relative alla verticale di sinistra: si nota che una semplice traslazione rigida
delle curve in tratteggio riesce a sovrapporre le due curve soddisfacentemente. Anche in
questo caso, però, solo le prime curve riescono a sovrapporsi alle corrispondenti curve di
confronto grazie ad una traslazione rigida. Le curve successive riescono a riprodurre il
campo di spostamenti trasversali solo per la parte più bassa della curva, mentre il risultato
si discosta andando più in superficie, dove l’analisi numerica prevede dei spostamenti
maggiori rispetto all’evidenza sperimentale in sito. In Fig. 114 la traslazione rigida
evidenziata è stata applicata per tutte le curve numeriche rappresentate nel grafico.
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In questo caso operare delle traslazioni rigide orizzontali ad una delle due curve poste al
confronto è lecito considerando l’assenza do misure assolute orizzontali. Ciò che deve
essere osservato e posto a confronto dei profili degli spostamenti tracciati, infatti, è la
forma e non il valore assoluto. In questo caso, durante l’elaborazione dei dati di
monitoraggio è stato ipotizzato fisso il piede dell’inclinometro. La tendenza al rifluimento
del terreno posto sotto la galleria verso lo scavo, evidenziato dalle analisi numeriche,
invece, produce un’apprezzabile campo di spostamento orizzontali ai lati della galleria e
nella parte bassa, e ciò vanifica la piena sovrapponibilità dei due tipi di risultati se non si
opera una traslazione rigida orizzontale.
Va sottolineato come la zona dove le curve poste al confronto tendono evidentemente
ad allontanarsi è localizzabile alla quota della corona del pretaglio. Un osservazione simile
è stata già proposta nel confronto delle deformazioni verticali e dei relativi spostamenti
verticali, dove però tale zona si estendeva anche verso le pareti della galleria allargata . Un
altro aspetto comune riscontrato nei confronti fin qui esposti consiste nella maggior
sovrapponibilità delle curve corrispondenti ad una posizione del fronte di allargo
antecedente la progressiva 126,5 rispetto a quelle successive. A tal proposito va ricordato
come le analisi che utilizzano modelli di continuo, con moduli elastici costanti, prevedono
una propagazione maggiore e più accentuata degli effetti in termini di spostamenti di una
qualsiasi perturbazione. Questo è uno dei motivi principali per cui gli spostamenti previsti
dalle analisi numeriche sono sempre di entità maggiori rispetto a dati rilevati in sito.
Poiché l’analisi numerica “C” riesce a prevedere spostamenti orizzontali trasversali
simili a quelli di monitoraggio, è interessante osservare come si presenta il confronto dei
cedimenti e delle deformazioni verticali utilizzando la stessa analisi. In Fig. 115 e Fig. 116
sono evidenti le differenze macroscopiche: la previsione numerica indica degli spostamenti
e delle deformazioni verticali molto più grandi di quelle rilevate in sito dal sistema di
monitoraggio.
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Con riferimento all’analisi “E”, si riportano ora i confronti degli spostamenti orizzontali
trasversali (Fig. 117). I risultati dell’analisi numeriche non sono simili ai dati di
monitoraggio per quanto riguarda gli spostamenti trasversali della verticale laterale di
sinistra (D15). Per le altre verticali, come si è già avuto modo di dire per le altri analisi,
non si hanno particolari evidenze da sottolineare, visto l’entità degli spostamenti modesta.
Pur con il limite di valori così bassi, si può notare tuttavia come la forma delle curve degli
spostamenti trasversali della verticale D17 assomigli molto alle corrispondenti previsioni
numeriche dell’analisi di riferimento e dell’analisi “E”( Fig. 111 e Fig. 117).
Si è visto precedentemente come l’analisi “A” riesce a cogliere la forma dei profili degli
spostamenti verticali rilevati in sito. L’analisi “E”, che differisce dall’analisi di riferimento
per la simulazione della tecnica di esecuzione del pretaglio, fornisce una previsione degli
stessi spostamenti verticali migliore dell’analisi “A”. Analogamente, se l’analisi “C”, in cui
si è abbassata la coesione in tutta la zona della griglia corrispondente al litotipo sabbioso, è
riuscita a riprodurre lo stesso tipo di spostamenti trasversali rilevati dall’inclinometro di
sinistra, è interessante osservare cosa accade se si opera un confronto con l’analisi “F”
relativamente agli stessi spostamenti trasversali.
L’analisi numerica “F”, infatti, contempla la simulazione dell’esecuzione del pretaglio
per fasi e in più è caratterizzata da un valore della coesione efficace bassa per la parte di
griglia corrispondente alla formazione sabbiosa superficiale. In Fig. 118 si nota che la
simulazione dell’esecuzione del pretaglio per fasi non permette lo sviluppo di spostamenti
trasversali importanti nell’analisi numerica, nemmeno quando, come in questo caso, la
coesione è stata sensibilmente abbassata. Le curve numeriche relative alla verticale di
destra, a meno di una traslazione rigida, si sovrappongono bene con le curve provenienti
dal monitoraggio, a differenza delle curve della verticale di sinistra dove l’analisi numerica
non prevede spostamenti orizzontali evidenti in direzione dello scavo.
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Capitolo 6 – Confronto tra risultati delle analisi e delle osservazioni sperimentali _________________________________________________________________________
199
Per quanto riguarda gli spostamenti longitudinali, sia i dati rilevati in sito sia le
previsioni numeriche indicano, come più volte accennato, degli spostamenti irrilevanti, che
si aggirano intorno ai due millimetri e difficilmente superano i quattro millimetri. Per
questo motivo non si è ritenuto significativo un confronto per gli spostamenti longitudinali
ottenuti numericamente.
6.3 Conclusioni
I confronti qui esposti riescono a fornire un quadro abbastanza completo
sull’accuratezza della modellazione numerica, sviluppata per lo studio dell’allargo della
galleria esistente, per quanto riguarda la capacità di cogliere bene le evidenze sperimentali
rilevate in sito. È possibile da subito suddividere i confronti in due sottoclassi: i confronti
relativi alle deformazioni verticali e ai cedimenti e i confronti relativi agli spostamenti
orizzontali.
Per quanto riguarda i primi, le analisi numeriche sono in linea con i risultati rilevati in
sito. Complessivamente l’entità e la qualità dei cedimenti monitorati sono previste anche
dalla simulazione numerica tridimensionale. Tuttavia la sovrapponibilità fra le due
famiglie di risultati non è completa. Esiste una zona in cui le curve non riescono a
sovrapporsi. Qui i risultati di monitoraggio, per esempio, indicano la tendenza a sviluppare
deformazioni di estensione mentre le previsioni numeriche indicano deformazioni di segno
opposto. In questi casi c’è, in altre parole, un effetto “locale” della perturbazione che tutte
le analisi numeriche non sono in gradi di cogliere, chi più chi meno. Le cause non sono
precisamente note anche se è possibile attribuirle ad effetti di disomogeneità nelle proprietà
meccaniche di resistenza dei terreni, ad eventuali anisotropie delle stesse, o anche alla
configurazione dello stato tensionale in sito asimmetrica a causa della costruzione delle
gallerie preesistenti, di cui non si conosce le modalità e le tecniche di scavo, che può
incidere sull’assetto finale tensio-deformativo generato dal successivo scavo di allargo. La
non linearità, inoltre, più volte invocata nella corretta scelta della rigidezza da utilizzare
nelle analisi numeriche, può giocare un ruolo importante per quanto riguarda la non
sovrapponibilità dei risultati nella parte alta delle curve, lontano dalle operazioni di allargo.
Per quanto riguarda gli spostamenti orizzontali, l’assenza di misure assolute non ha
permesso di conoscere con esattezza le curve degli spostamenti orizzontali assoluti. Ciò
Capitolo 6 – Confronto tra risultati delle analisi e delle osservazioni sperimentali _________________________________________________________________________
200
non ha compromesso l’utilizzo dei dati di monitoraggio, perché lo studio si è basato
sull’osservazione della forma della curva e non del valore assoluto. Le curve di
monitoraggio sono state tracciate con un’integrazione dal basso dei dati. Il confronto di tali
curve con quelle provenienti dall’analisi numerica, comunque, ha evidenziato come
l’ipotesi di lavoro adottata nel considerare ferme le basi delle verticali inclinometriche,
risulta sufficientemente approssimata.
Per quanto riguarda gli spostamenti longitudinali, poc’anzi si è accennato all’esiguità
dei valori registrati sia dagli strumenti di monitoraggio, sia dalle analisi numeriche, che
rende evidente l’accordo fra le due famiglie di risultati nella quantità. Per tale motivo non
si è ritenuto utile procedere ai relativi confronti. Per quanto riguarda gli spostamenti
trasversali, è possibile ripetere quanto detto per gli spostamenti longitudinali a meno dei
risultati rilevati dall’inclinometro di sinistra, che rileva degli evidenti spostamenti in
direzione dello scavo. Alcune analisi numeriche hanno aiutato nella ricerca delle cause di
tale andamento: la riduzione dei parametri di resistenza meccanica, localizzabile in alcune
zone dell’ammasso, sembra un possibile motivo.
Riassumendo, anche se gli effetti delle perturbazioni simulate nelle analisi numeriche si
protraggono per maggiori distanze rispetto a quanto registrato in sito a causa anche del
semplice modello costitutivo adottato, con la conseguente amplificazione degli effetti in
termini di spostamenti e deformazioni, nel complesso sembra che la simulazione numerica
sia riuscita a prevedere sufficientemente bene l’effetto delle conseguenze dello scavo di
pretaglio e del successivo allargo, riconfermando sostanzialmente i dati rilevati dal
monitoraggio.
Capitolo 7 – Considerazioni conclusive _________________________________________________________________________
201
CAPITOLO 7 Considerazioni conclusive
Il lavoro di ricerca documentato in questa tesi ha riguardato lo studio del processo di
allargo di una galleria esistente per mezzo della tecnica del pretaglio. La presenza di una
sito reale, ben caratterizzato e ben strumentato, oggetto di una convenzione tra la società
Autostrade per L’Italia S.p.A. e il Dipartimento di Ingegneria Strutturale e Geotecnica, ha
fornito alla ricerca informazioni che hanno arricchito e motivato la parte sperimentale
numerica. La ricerca ha permesso di raggiungere i due obiettivi prefissati nella premessa di
questa tesi. Il primo è stato, infatti, la messa a punto di una procedura che ha consentito
l’ottimizzazione delle analisi numeriche tridimensionali in modo da assicurare un buon
compromesso tra accuratezza dei risultati e tempi di analisi. Il secondo è consistito nel
migliorare la comprensione del comportamento d’insieme di un ammasso interessato
dall’allargo di gallerie con l’impiego della tecnica del pretaglio. Determinante a tal scopo è
stata la possibilità di un confronto tra i risultati provenienti dall’implementazione
dell’analisi tridimensionale, in grado di riprodurre fedelmente le singole fasi costruttive
previste nella realtà esecutiva, e i dati rilevati in sito con gli strumenti di monitoraggio
estensio-inclinometrici installati.
Il lavoro è iniziato con la descrizione e comprensione delle fasi lavorative previste nel
cantiere, procedendo poi nella elaborazione delle prove in sito e di laboratorio,
direttamente seguite e programmate dal dipartimento, nell’ambito di una campagna
d’indagine integrativa. La caratterizzazione geotecnica ha permesso di ottenere i parametri
fisici e meccanici definitivi dei terreni presenti in sito, utilizzabili nella successiva
implementazione dell’analisi numerica. Quest’ultima è consistita, in un primo momento,
nella messa a punto di uno strumento numerico funzionale ma non oneroso nell’utilizzo,
richiedendo uno studio dedicato completamente alla scelta delle dimensioni longitudinali
del reticolo. I dati rilevati in sito dal sistema di monitoraggio sono stati ordinati, elaborati e
organizzati in modo da ottenere una visione il più completa e chiara possibile degli effetti
dello scavo di allargo in termini di spostamenti. Analogamente è stato eseguito un lavoro
di elaborazione delle analisi numeriche, estraendone non solo un quadro completo e
sintetico del relativo campo di spostamenti ma anche altre informazioni quali la
Capitolo 7 – Considerazioni conclusive _________________________________________________________________________
202
distribuzione di zone plastiche. Ciò è stato svolto per tutte le diverse analisi numeriche
eseguite, che differiscono fra loro per un particolare nella modellazione o/e delle
caratteristiche meccaniche dei terreni. Il successivo confronto dei risultati numerici con
quelli sperimentali rilevati in sito ha completato la ricerca.
Sinteticamente si elencano in punti le considerazioni e le conclusioni finali che
scaturiscono dalla ricerca.
- La modellazione più appropriata dello scavo è sicuramente quella tridimensionale.
Solo in questo modo è possibile cogliere sia l’evoluzione del campo tensio-defomativo che
si genera al procedere dello scavo sia la differente distribuzione dello stesso nello spazio.
Le capacità della modellazione tridimensionale di simulare i dettagli del processo
costruttivo è stato di notevole aiuto nel lavoro di ricerca di questa tesi. La raffinatezza della
simulazione per alcuni aspetti dello scavo di allargo non sarebbe potuta essere raggiunta
per mezzo di un analisi bidimensionale.
- La scelta di una modellazione numerica tridimensionale, però, comporta dei problemi
per quanto riguarda l’onerosità dei calcoli. L’uso di un legame costitutivo semplice ma
sufficientemente approssimato quale quello elasto-perfettamente plastico con criterio di
resistenza alla Mohr-Coulomb, ha permesso di ridurre notevolmente i tempi di calcolo.
Un’ulteriore possibilità per avere un buon compromesso tra tempi di calcolo e accuratezza
dei risultati consiste nella scelta opportuna delle dimensioni del reticolo e della densità
della mesh. Nella modellazione tridimensionale, la determinazione della dimensione
longitudinale ottimale richiede un approfondito studio preliminare. Indicazioni sulla
larghezza della griglia, infatti, sono fornite in letteratura nell’ambito delle analisi
numeriche bidimensionali, e la profondità è funzione delle caratteristiche meccaniche dei
terreni che si vogliono simulare. In questa tesi è stata messa a punto una procedura che ha
reso possibile scegliere una dimensione longitudinale del reticolo ottimizzata.
La procedura per la messa a punto del reticolo utile allo studio della terza sezione ha
consentito di ottenere una mesh ottimizzata con cui eseguire analisi accurate in tempi
accettabili. La possibilità di un confronto tra i risultati provenienti dalle analisi
tridimensionali e i dati rilevati in sito con gli strumenti di monitoraggio estensio-
inclinometrici installati, ha permesso di constatare la buona capacità del modello numerico
di descrivere gli effetti delle lavorazioni di allargo della galleria. Forti di questo aspetto, le
Capitolo 7 – Considerazioni conclusive _________________________________________________________________________
203
analisi hanno consentito di indagare più aspetti del processo di scavo di allargo per mezzo
della tecnica del pretaglio. Detto ciò, di seguito si espongono le ulteriori considerazioni.
- I risultati numerici hanno permesso di constatare come, anche nell’allargo di gallerie
oltre che nella loro realizzazione ex-novo, gli effetti dello scavo possono essere limitati e
circoscritti ma non del tutto eliminati, utilizzando particolari tecniche di avanzamento dello
scavo, quale quella del pretaglio. In altre parole, le analisi indicano come lo scavo di
allargo, produce comunque un evoluzione delle zone plastiche e dello stato tensio-
deformativo, funzione delle caratteristiche meccaniche del terreno, durante l’avanzamento
dell’opera e intorno alla galleria allargata una volta che il fronte di scavo è passato.
- È stato mostrato come la tecnica del pretaglio sia utile per svariati motivi. Oltre a
permettere i lavori di cantiere in sicurezza mantenendo il traffico in esercizio, la presenza
di un rivestimento provvisorio, già inserito nel terreno prima dello scavo di allargo, fornita
proprio dal guscio di calcestruzzo realizzato grazie alla precedente esecuzione
dell’incisione anulare di pretaglio, assicura una stabilità locale dello scavo altrimenti
incerta. La capacità di limitare effetti di instabilità locali in prossimità dello scavo
comporta, indubbiamente, il benefico effetto della restrizione del campo di deformazione
intorno allo scavo e alla riduzione del conseguente campo di spostamenti, problema
particolarmente sentito soprattutto per gallerie superficiali o con coperture non elevate,
sottostanti a opere edilizie preesistenti in superficie.
- I risultati dell’analisi numerica mostrano come l’esecuzione del pretaglio per fasi,
soprattutto in presenza di caratteristiche meccaniche scadenti dei terreni, assicura la
formazione di zone plastiche ridotte e un conseguente campo di spostamenti decisamente
più limitato rispetto a quando si esegue il pretaglio totalmente in un’unica fase.
- La realizzazione del pretaglio in unica fase risulta possibile solo in presenza di
caratteristiche meccaniche discrete. Grazie alla tecnica della successiva riduzione delle
caratteristiche meccaniche, è stato possibile determinare il valore della coesione efficace
minima di incipiente collasso che si genera quando si esegue il pretaglio in un’unica fase.
Tale valore, pari a 11 kPa, assicura solo la stabilità dello scavo di pretaglio ma non assicura
un campo di spostamenti accettabili nell’ammasso.
- Nonostante gli evidenti pregi e la maggior flessibilità assicurata dalla realizzazione del
pretaglio per fasi, la sua utilizzazione non è sempre possibile. La realizzazione di un
incisione anulare, come si è accennato precedentemente, è comunque possibile quando
sono presenti requisiti minimi di auto-sostegno da parte del terreno. In assenza di
Capitolo 7 – Considerazioni conclusive _________________________________________________________________________
204
caratteristiche meccaniche sufficienti, anche la realizzazione di una “fessura” sub-
orizzontale nel terreno, quale sono le singole parti di cui è composto il pretaglio, non è
fattibile. Da qui è possibile affermare che, l’allargo di gallerie per mezzo della tecnica del
pretaglio può essere utilizzata con successo solo in terreni con un grado coesione minima e
distribuita omogeneamente nell’ammasso interessato dallo scavo. L’analisi numerica ha
previsto la possibilità di eseguire il pretaglio per fasi anche con coesione molto bassa pari a
circa 4 KPa.
- In presenza di adeguate caratteristiche meccaniche, omogenee in tutto l’ammasso, la
realizzazione del pretaglio a campione o in un’unica fase, non produce significative
variazioni, sia in termini di spostamenti sia in termini di entità e distribuzione di zone
plasticizzate. In questo caso la tecnica del pretaglio per fasi non è strettamente necessaria.
- Sia i risultati di monitoraggio sia quelli numerici indicano che gli effetti maggiori
dovuti all’avanzamento dello scavo si registrano, per una determinata sezione, quando si
esegue il pretaglio: le curve degli spostamenti tracciate lungo le tre verticali scelte indicano
un sostanziale incremento e differenziazione degli spostamenti nel momento in cui si
esegue l’incisione anulare. Questo conferma come l’esecuzione del pretaglio è un
momento “cruciale” per lo sviluppo del campo deformativo e tensionale nella zona in cui si
sta effettuando, e quindi la scelta delle modalità di esecuzione sono importanti.
- Le analisi numeriche sono in pieno accordo con le evidenze sperimentali per quanto
riguarda l’entità degli spostamenti orizzontali longitudinali. Si osserva, più precisamente,
uno sviluppo contenuto degli spostamenti longitudinali, sia in asse, sia lateralmente alla
galleria in allargo. A tal proposito i risultati numerici hanno evidenziato, inoltre, che non si
hanno sostanziali differenze nel momento in cui si confrontano i risultati provenienti dalle
due diverse modalità di esecuzione del pretaglio, e non si registrano sostanziali variazioni
quando si assegnano valori della coesione più bassi all’ammasso interessato dallo scavo: in
ogni caso si ottengono spostamenti longitudinali di modesta entità. Da qui è possibile
affermare che, le operazioni di allargo di gallerie preesistenti, utilizzando la tecnica del
pretaglio non prevedono significativi effetti d’estrusione.
- Anche l’entità degli spostamenti orizzontali trasversali, in asse e lateralmente fra le
due gallerie è molto modesta . Relativamente alla verticale laterale di sinistra, invece, i dati
di monitoraggio hanno rilevato un profilo di spostamenti con un evidente tendenza in
direzione della scavo alla quota della galleria. I risultati numerici non riescono a cogliere
questo aspetto, a meno di quelli ricavati dall’analisi in cui si simula l’esecuzione del
Capitolo 7 – Considerazioni conclusive _________________________________________________________________________
205
pretaglio in un’unica fase e si attribuisce al terreno interessato dallo scavo valori della
coesioni bassi (analisi “C” cft, capitolo 5).
- Tale particolare tendenza da parte degli spostamenti trasversali registrata dalla
verticale di sinistra può enumerarsi tra i comportamenti locali dell’ammasso sviluppatesi
durante lo scavo di allargo, difficilmente riproducibili con le analisi numeriche fin qui
condotte. È possibile, in generale, isolare una zona che va da una quota poco superiore ai
reni della galleria fino alla quota della corona allargata, in cui si notano alcuni
comportamenti in sito non riprodotti dalle analisi numeriche eseguite. Questa evidenza è
molto più percepibile confrontando i risultati di monitoraggio e quelli numerici provenienti
dalla verticale posta a sinistra della galleria in allargo.
Tutte le considerazioni conclusive appena esposte sono possibili grazie alla completa
visione, interpretazione ed elaborazione delle due famiglie di risultati, numerici e di
monitoraggio. Per quanto riguarda le misure estensio-inclinometriche va sottolineato come
queste indicano spostamenti di modesta entità. L’esiguità delle misure ha reso difficile la
loro interpretazione, dato che l’ordine di grandezza degli spostamenti rilevati in sito è lo
stesso ordine di grandezza degli errori della strumentazione. Se tale aspetto sperimentale è
particolarmente gradito per chi esegue i lavori, eliminando a priori qualsiasi problema
relativo al campo di spostamenti indotto dalle lavorazioni, d’altro canto ha reso la ricerca
meno interessante in alcuni casi. Rilevare degli spostamenti un po’ più abbondanti, infatti,
avrebbe permesso di disinteressarsi degli errori della strumentazione e inoltre avrebbe
potuto far luce con più chiarezza su alcuni aspetti del comportamento dell’ammasso.
Un ulteriore considerazione riguarda la caratterizzazione geotecnica dei terreni
interessati dallo scavo. La ricerca ha evidenziato l’importanza della resistenza meccanica a
stati di sollecitazione bassi, come sono in corrispondenza dello scavo, per assicurare la
buona riuscita dell’opera utilizzando la tecnica del pretaglio. Ciò richiede necessariamente
una conoscenza del reale valore della resistenza meccanica di tipo coesivo che il terreno è
in grado di garantire, programmando ed eseguendo in modo appropriato le prove in sito e,
soprattutto, quelle di laboratorio.
Bibliografia _________________________________________________________________________
206
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