Limit Support Pressure and Critical Cover-to-Diameter Ratio of Shallow-Buried Tunnel Faces in Sand-over- Clay Composite Ground

Sintesi Tecnica: Pressione di Supporto Limite e Rapporto Critico Copertura-Diametro per Fronti di Tunnel Interrati Superficialmente in Terreni Compositi Sabbia-su-Argilla

Definizione del Problema
I tunnel interrati superficialmente in ambienti urbani incontrano sempre più spesso condizioni di terreno composito complesse, specificamente una stratigrafia di tipo sabbia-su-argilla. A differenza dei terreni omogenei, questi sistemi stratificati presentano caratteristiche di resistenza e deformazione contrastanti che influenzano significamente la stabilità del fronte del tunnel. Sebbene la ricerca esistente abbia affrontato la stabilità del fronte del tunnel in terreni sabbiosi o argillosi omogenei, e alcuni studi abbiano esaminato i terreni stratificati, rimane una lacuna nella comprensione dei meccanismi di rottura specifici, dei modelli di rilascio della pressione del terreno e della transizione dai modi di cedimento globale a quelli locale nel terreno composito sabbia-su-argilla. Nello specifico, mancano confronti sistematici tra le differenze di deformazione tra gli strati di sabbia e argilla, il processo di rottura progressiva rispetto alla posizione dell'interfaccia degli strati di suolo (centro rispetto alla chiave) e un criterio quantitativo per il rapporto critico copertura-diametro ($C/D$) sotto diverse resistenze al taglio.

Metodologia
Questo studio ha impiegato un approccio multifasettico combinando modellazione fisica e simulazione numerica:

1. Test su Modello in Centrifuga: Condotti a 60g utilizzando una centrifuga geotecnica TLJ-3. Sono stati progettati quattro casi di test con un diametro del prototipo del tunnel di 6 m. L'interfaccia dello strato di terreno era posizionata o al centro del fronte del tunnel o alla chiave del tunnel, con rapporti copertura-diametro ($C/D$) di 0,8 e 1,2.
2. Tecniche di Monitoraggio: La Velocimetria a Immagini di Particelle (PIV) è stata utilizzata per analizzare i campi di spostamento del terreno e l'evoluzione della zona di rottura. Sensori di spostamento laser hanno misurato il ritiro del fronte, mentre celle di pressione del terreno hanno monitorato il rilascio dello stress al fronte del tunnel e all'interno del terreno davanti al fronte.
3. Analisi Limite a Elementi Finiti Tridimensionale Lower-Bound: È stato sviluppato un modello numerico per determinare la pressione di supporto minima richiesta per la stabilità. Questo metodo ha utilizzato campi di tensione ammissibili che soddisfano l'equilibrio, le condizioni al contorno e il criterio di snervamento di Mohr-Coulomb. È stato utilizzato per validare i risultati sperimentali e per eseguire l'analisi parametrica sull'angolo di attrito interno ($\phi$) dello strato di sabbia superiore.

Contributi Chiave e Risultati

• Meccanismi di Rottura e Posizione dell'Interfaccia:

  • Quando l'interfaccia dello strato di terreno intersecava il centro del fronte del tunnel, l'instabilità era governata principalmente dallo strato di sabbia superiore. La zona di rottura si propagava verso l'alto e verso l'esterno, raggiungendo infine la superficie del terreno (rottura globale).
  • Quando l'interfaccia era situata alla chiave del tunnel, lo strato di argilla sottostante limitava efficacemente la propagazione verso l'alto della zona di rottura. In questi casi, la zona di rottura rimaneva confinata entro circa 1,5 diametri del tunnel davanti al fronte, e non si formava alcuna superficie di rottura continua anche con un ritiro del fronte di 30 mm.

• Fasi di Rottura Progressiva:
  Il processo di ritiro del fronte è stato identificato in tre fasi distinte:

  1. Deformazione Locale: Concentrata vicino al fronte.
  2. Rottura Progressiva: Propagazione verso l'alto e verso l'esterno della zona di spostamento con rilascio continuo della pressione del terreno.
  3. Stabilità Residua: Stabilizzazione della pressione di supporto e formazione di una banda di spostamento continua.
     I casi D1 e D2 hanno raggiunto lo stato limite a un ritiro del fronte di circa 10 mm.

• Rilascio della Pressione del Terreno e Pressione di Supporto:

  • Il rilascio della pressione del terreno nello strato di sabbia è stato significativamente maggiore rispetto a quello dello strato di argilla. Ad esempio, nel Caso D1, il rapporto di rilascio dello stress ha raggiunto il 66% nello strato di sabbia rispetto al 56% nello strato di argilla.
  • Le pressioni di supporto limite per i casi di rottura sono state di 12,7 kPa (D1, $C/D=0,8$) e 13,4 kPa (D2, $C/D=1,2$). L'aumento di $C/D$ da 0,8 a 1,2 ha comportato solo un aumento del 5,5% della pressione di supporto limite, suggerendo una sensibilità limitata alla profondità della copertura entro questo specifico intervallo per questa configurazione di interfaccia.
  • I casi D3 e D4 (interfaccia alla chiave) non hanno raggiunto uno stato limite nell'intervallo di test, con rapporti di pressione di supporto superiori a 0,85.

• Validazione Numerica:
  L'analisi limite tridimensionale lower-bound ha prodotto pressioni di supporto limite con scostamenti inferiori al 10% rispetto ai risultati dei test in centrifuga (−9,4% per D1 e −4,5% per D2). Il modello numerico ha riprodotto con successo le caratteristiche di rottura e ha confermato che lo strato di argilla fornisce un effetto stabilizzante quando si trova al di sotto del fronte del tunnel.

• Rapporto Critico Copertura-Diametro:
  L'analisi parametrica ha rivelato una forte relazione tra l'angolo di attrito interno ($\phi$) dello strato di sabbia superiore e il rapporto critico $C/D$ necessario per la transizione dalla rottura globale a quella locale.

  • All'aumentare di $\phi$ da 15° a 35°, il $C/D$ critico è diminuito da 2,20 a 1,10.
  • Una regressione lineare ha stabilito una relazione: $(C/D)_{crit} = 3,02 - 0,056\phi$, con un coefficiente di determinazione $R^2 = 0,995$.
  • Una maggiore resistenza al taglio nello strato di sabbia potenzia l'effetto di arco del terreno, permettendo alla zona di rottura di chiudersi davanti al fronte a profondità di copertura minori.

Significatività
Gli autori affermano che questi risultati forniscono un riferimento per determinare i parametri di supporto del fronte del tunnel e per valutare il rischio di rottura globale nei tunnel interrati superficialmente in terreni compositi sabbia-su-argilla. Lo studio evidenzia che la posizione dell'interfaccia dello strato di terreno è un fattore determinante per i modi di rottura e che la transizione dalla rottura globale a quella locale può essere prevista quantitativamente in base all'angolo di attrito interno e alla profondità della copertura. Il metodo di analisi limite lower-bound validato offre uno strumento affidabile per identificare potenziali zone di snervamento e modi di rottura in condizioni di terreno simili e complesse.