137 CAPITOLO 11: COMPORTAMENTO ... - Virgilio
137 CAPITOLO 11: COMPORTAMENTO ... - Virgilio
137 CAPITOLO 11: COMPORTAMENTO ... - Virgilio
Create successful ePaper yourself
Turn your PDF publications into a flip-book with our unique Google optimized e-Paper software.
<strong>137</strong><br />
<strong>CAPITOLO</strong> <strong>11</strong>: <strong>COMPORTAMENTO</strong> TRIDIMENSIONALE<br />
<strong>CAPITOLO</strong> <strong>11</strong>: <strong>COMPORTAMENTO</strong> TRIDIMENSIONALE<br />
Finora abbiamo analizzato alcuni problemi con riferimento allo stato di sforzo e di deformazione<br />
monodimensionali. Con il titolo di questo capitolo “Comportamento tridimensionale” si pone in evidenza che non ci<br />
riferiamo a stati di sforzo o di deformazione monodimensionali.<br />
Meccanica dei continui multifase (mezzo bifase)<br />
Per studiare un mezzo continuo bifase rinunciamo alla descrizione microscopica. L’astrazione che facciamo è quella di<br />
far tendere a zero le dimensioni dei grani e quindi anche dei pori, per cui otteniamo due mezzi continui, sovrapposti e<br />
interagenti. Utilizziamo due mezzi perché sia la fase solida che quella liquida se sottoposti a compressione sono<br />
sostanzialmente incomprimibili se paragonati all’aria, hanno un comportamento non troppo dissimile. Esistono tuttavia<br />
anche delle complesse trattazioni multifase.<br />
Il passaggio al comportamento tridimensionale richiede qualche adattamento.<br />
La prima ipotesi che viene fatta è quella di avere un mezzo saturo ( S=V w/V v=1 ) altrimenti nel mezzo non saturo le cose<br />
risultano più complicate in quanto è necessario considerare anche le tensioni superficiali.<br />
Anche in questo caso è possibile distinguere il contributo che compete allo scheletro solido e il contributo tensionale<br />
relativo alla fase liquida.<br />
Lo stato tensionale totale può essere scritto in forma indiciale come:<br />
σ ij<br />
=σ I ij<br />
uδ ij<br />
La delta di Kronecker vale:<br />
δ ij<br />
=<br />
1 se i= j<br />
0 se i≠ j<br />
Lo stato di sforzo del mezzo è dato da un tensore di sforzo totale, la cui forma matriciale è:<br />
Sforzo totale: σ ij<br />
=<br />
σ x<br />
τ yx<br />
τ xy<br />
σ y<br />
τ xz<br />
τ yz<br />
τ zx<br />
τ zy<br />
σ z<br />
Fase solida:<br />
σ I ij<br />
=<br />
σ x<br />
I<br />
τ yx<br />
τ zx<br />
τ xy<br />
σ y<br />
I<br />
τ zy<br />
τ xz<br />
τ yz<br />
σ z<br />
I<br />
Figura <strong>11</strong>.1<br />
Fase liquida: uδ ij<br />
=<br />
u<br />
0<br />
0<br />
0<br />
u<br />
0<br />
0<br />
0<br />
u<br />
Figura <strong>11</strong>.2<br />
Per ricavare le tensioni efficaci si deve fare la differenza fra tensioni totali e pressioni interstiziali, ma il problema è in<br />
genere accoppiato; vediamo di capire perché e con che cosa lo stato di sforzo nel terreno risulta accoppiato.<br />
Appunti di GEOTECNICA. Versione 1.3. A cura di GIUSEPPE DELLANA. Redatti con l’ausilio di StarOffice Writer 5.2. Linux 2.2.17. Mandrake 7.2.
138<br />
<strong>CAPITOLO</strong> <strong>11</strong>: <strong>COMPORTAMENTO</strong> TRIDIMENSIONALE<br />
Vediamo il computo incognite−equazioni che si presentano nella risoluzione di un problema tridimensionale.<br />
INCOGNITE (19):<br />
• 3 componenti di spostamento : U x, U y, U z ;<br />
• 6 componenti di tensione totale : σ x, σ y, σ z, τ xy, τ yz, τ xz ;<br />
• pressione neutra della fase liquida : uδ ij ;<br />
• 6 componenti di deformazione : ɛ x, ɛ y, ɛ z, γ xy, γ yz, γ xz ;<br />
• 3 componenti della velocità di flusso: v x, v y, v z .<br />
In totale il problema tridimensionale per un MEZZO BIFASE presenta 19 incognite, e quindi è necessario andare a<br />
ricercare 19 equazioni che leghino tra loro queste grandezze.<br />
EQUAZIONI (19):<br />
• Equazioni indefinite di equilibrio quasistatico alla traslazione relativa agli sforzi totali.<br />
∂σ ij<br />
∂ x j<br />
γδ iz<br />
=0<br />
3 equazioni<br />
• Equazioni di congruenza tra le componenti di spostamento e le componenti di deformazione (ipotesi di piccoli<br />
spostamenti), per evitare che non vi sia né lacerazione né sovrapposizione di materia.<br />
ɛ ij<br />
= 1 2<br />
∂U i<br />
∂U j<br />
∂ x j<br />
∂ x i<br />
6 equazioni<br />
il segno meno compare perché vengono assunte positive le compressioni.<br />
• Legame costitutivo che descrive le relazioni tra gli sforzi efficaci e le deformazioni (comportamento dello scheletro<br />
solido).<br />
d ɛ ij<br />
=C ijhk<br />
I<br />
σ hk<br />
I<br />
d σ hk<br />
6 equazioni<br />
Il legame costitutivo viene scritto in forma non differenziale in quanto generalmente è di tipo non lineare e questo è<br />
evidenziato dal fatto che i coefficienti di legame sono funzione dello stato tensionale.<br />
• Equazione di continuità che lega le velocità di flusso alla componente di deformazione volumetrica:<br />
∂ v i<br />
= ∂ɛ v<br />
∂ x i<br />
∂ t<br />
1 equazione<br />
dove v=ɛ hk δ hk rappresenta la variazione volumetrica.<br />
• Legge di flusso di Darcy che lega le velocità alla quota piezometrica:<br />
v i<br />
=k ∂ h<br />
∂ x i<br />
3 equazioni con h=z u γ w<br />
Abbiamo ottenuto un totale di 19 equazioni, e quindi il problema risulta essere ben posto.<br />
Appunti di GEOTECNICA. Versione 1.3. A cura di GIUSEPPE DELLANA. Redatti con l’ausilio di StarOffice Writer 5.2. Linux 2.2.17. Mandrake 7.2.
139<br />
<strong>CAPITOLO</strong> <strong>11</strong>: <strong>COMPORTAMENTO</strong> TRIDIMENSIONALE<br />
Vediamo di semplificare le equazioni che abbiamo esposto:<br />
1. Consideriamo l’equazione indefinita di equilibrio:<br />
∂σ ij<br />
∂ x j<br />
γδ iz<br />
=0<br />
I<br />
σ ij<br />
=uδ ij<br />
σ ij<br />
⇒<br />
I<br />
∂σ ij<br />
∂ u δ<br />
∂ x j<br />
∂ x<br />
ij<br />
γδ iz<br />
=0<br />
j<br />
dove<br />
∂ u<br />
= ∂ u δ<br />
∂ x i<br />
∂ x<br />
ij<br />
j<br />
ma secondo la definizione di quota piezometrica possiamo dire che:<br />
h= z u γ w<br />
⇒ u=γ w<br />
hγ w<br />
z<br />
la quale può essere sostituita nella precedente equazione:<br />
I<br />
∂σ ij<br />
∂ x j<br />
γ w<br />
∂ h<br />
∂ x i<br />
γ w<br />
∂ z<br />
∂ x i<br />
γδ iz<br />
=0<br />
I<br />
∂σ ij ∂ h<br />
γ<br />
∂ x<br />
w<br />
γ<br />
j<br />
∂ x<br />
w<br />
δ iz<br />
γδ iz<br />
=0<br />
i<br />
I<br />
∂σ ij ∂ h<br />
γ<br />
∂ x<br />
w<br />
γγ<br />
j<br />
∂ x<br />
w<br />
δ iz<br />
=0 con γγ w<br />
=γ I<br />
i<br />
I<br />
∂σ ij ∂ h<br />
γ<br />
∂ x<br />
w<br />
γ I δ<br />
j<br />
∂ x<br />
iz<br />
=0<br />
i<br />
Notiamo in quest’ultima equazione che la variazione di tensione efficace dipende da 2 fattori: da una componente che<br />
dipende dal peso dell’unità di volume immerso in acqua e da una componente che è dovuta alla piezometrica che<br />
determina il moto di filtrazione. L’effetto dell’acqua è duplice e non è dovuto tanto alla sua presenza quanto piuttosto<br />
alla sua pressione.<br />
2. Consideriamo l’equazione di continuità:<br />
∂ v i<br />
= ∂ɛ v<br />
∂ x i<br />
∂ t<br />
all’interno di questa equazione è possibile sostituire la legge di Darcy:<br />
v i<br />
=k ∂ h<br />
∂ x i<br />
e quindi si ottiene che:<br />
k ∂2 h<br />
∂ x =∂ɛ v<br />
2<br />
i<br />
∂ t<br />
La deformazione volumetrica ɛ v può essere espressa in termini di tensore di deformazione ɛ ij nel modo seguente:<br />
ɛ v<br />
=ɛ ij<br />
δ ij<br />
e quindi abbiamo che:<br />
k ∂2 h<br />
∂ x =∂ɛ ij<br />
2<br />
i<br />
∂ t δ ij<br />
Facendo riferimento al legame costitutivo possiamo ricavare la quantità<br />
Appunti di GEOTECNICA. Versione 1.3. A cura di GIUSEPPE DELLANA. Redatti con l’ausilio di StarOffice Writer 5.2. Linux 2.2.17. Mandrake 7.2.
140<br />
<strong>CAPITOLO</strong> <strong>11</strong>: <strong>COMPORTAMENTO</strong> TRIDIMENSIONALE<br />
∂ɛ ij<br />
∂ t<br />
Per cui vale che:<br />
ɛ ij<br />
=C ijhk<br />
I<br />
σ hk<br />
k ∂2 h<br />
∂ x i<br />
2 =C ijhk<br />
k ∂2 h<br />
∂ x i<br />
2 =C ijhk<br />
I<br />
d σ hk<br />
I<br />
σ hk<br />
I<br />
∂σ hk<br />
∂ t<br />
I<br />
∂σ hk<br />
δ ij<br />
∂ t<br />
δ ij<br />
⇒<br />
∂ɛ ij<br />
∂ t =C ijhk<br />
Con queste semplificazioni abbiamo ottenuto due serie di equazioni in cui compaiono come incognite la sola quota<br />
piezometrica h e le componenti della tensione efficace σ ij<br />
I<br />
.<br />
Osserviamo che in generale il problema risulta essere accoppiato in quanto in entrambe le equazioni compaiono le<br />
incognite sopra citate. C’è un problema idraulico e un problema statico, accoppiati.<br />
In altre trattazioni il problema tridimensionale trova una soluzione accoppiata nel senso che in essa variano<br />
contemporaneamente e indipendentemente sia le tensioni totali che le pressioni interstiziali.<br />
Esistono però dei casi particolari in cui si annullano dei termini e quindi le equazioni si presentano in forma<br />
disaccoppiata.<br />
CASI PARTICOLARI:<br />
A) TERRENO SECCO<br />
Se il terreno è secco non vi sono interazione tra i due materiali: aria e solido.<br />
La pressione dell’aria può variare dall’esterno all’interno del terreno ma con gradienti molto piccoli per l’elevata<br />
comprimibilità dell’aria.<br />
Il problema è disaccoppiato. Il mezzo terreno può essere affrontato come se il mezzo fosse secco e l’aria non ci<br />
fosse: ho il MEZZO SOLIDO MONOFASE e l’analisi viene condotta in termini di TENSIONI TOTALI.<br />
B) ACQUA IN QUIETE (IDROSTATICA)<br />
Se siamo in condizioni idrostatiche, cioè non esistono gradienti idraulici che possono indurre dei moti di filtrazione,<br />
allora nelle equazioni si annullano i termini che contengono le derivate parziali delle quote piezometriche; in questo<br />
modo si determinano delle relazioni nelle sole incognite tensioni efficaci.<br />
C) L’ACQUA FILTRA IN CONDIZIONI DI REGIME<br />
Se ci troviamo in un regime di moto di filtrazione permanente (ad esempio non variano le condizioni al contorno nel<br />
tempo) allora si annullano tutte le derivate temporali. In questo caso lo sforzo efficace non subisce alcuna variazione<br />
nel tempo e la seconda equazione di Laplace applicata all’incognita quota piezometrica h.<br />
I<br />
∂σ hk<br />
∂ t<br />
=0 da cui ∇ 2 h=0<br />
D) IL TRANSITORIO 9<br />
Per quanto riguarda il processo di CONSOLIDAZIONE non possono essere fatte particolari semplificazioni in<br />
quanto abbiamo una variazione volumetrica nel tempo e le condizioni del problema sono di moto transitorio.<br />
SOLUZIONE APPROSSIMATA.<br />
Una ipotesi semplificativa potrebbe essere quella di considerare lo stato tensionale totale costante nel tempo durante<br />
la fase transitoria. Questa ipotesi è corretta nel caso del problema monodimensionale, ma non è necessariamente vera<br />
nel caso tridimensionale (troveremo in questa situazione una soluzione approssimata).<br />
Con questa ipotesi possiamo dire che:<br />
∂σ hk<br />
∂ t<br />
=0 σ I ij<br />
=σ ij<br />
uδ ij<br />
⇒<br />
I<br />
∂σ hk<br />
Secondo questa ipotesi possiamo andare a sostituire nella seconda equazione<br />
∂ t<br />
I<br />
σ hk<br />
I<br />
∂σ hk<br />
∂ t<br />
= ∂ u<br />
∂ t δ hk<br />
9 Renato Lancellotta, Geotecnica, Zanichelli Editore, Bologna 1993, pp. 170−173.<br />
Appunti di GEOTECNICA. Versione 1.3. A cura di GIUSEPPE DELLANA. Redatti con l’ausilio di StarOffice Writer 5.2. Linux 2.2.17. Mandrake 7.2.
141<br />
<strong>CAPITOLO</strong> <strong>11</strong>: <strong>COMPORTAMENTO</strong> TRIDIMENSIONALE<br />
k ∂2 h<br />
∂ x i<br />
2 =C ijhk<br />
I<br />
∂σ hk<br />
∂ t<br />
δ ij<br />
k ∂2 h<br />
∂ x =C ∂ u<br />
2 ijhk<br />
i<br />
∂ t δ δ hk ij<br />
k ∂2 h<br />
∂ x =C ∂ u<br />
2 iihh<br />
i<br />
∂ t<br />
Dalla definizione di quota piezometrica differenziata due volte rispetto ad x i:<br />
h= z u ∂ h<br />
=δ<br />
γ w<br />
∂ x<br />
iz<br />
1 ∂ u<br />
i<br />
γ w<br />
∂ x i<br />
Sostituendo nella relazione precedente:<br />
k ∂ 2 u<br />
γ w<br />
∂ x i<br />
2 =C iihh<br />
∂ u<br />
∂ t<br />
∂ 2 h<br />
∂ x = 1 ∂ 2 u<br />
2 2<br />
i<br />
γ w ∂ x i<br />
La quantità C iihh rappresenta la COMPRIMIBILITÀ VOLUMETRICA e viene indicata con la lettera m.<br />
k<br />
∂ 2 u<br />
γ w ∂ x =m ∂ u<br />
2<br />
i<br />
∂ t<br />
questa equazione è l’analoga di quella che avevamo ricavato nel caso monoassiale (equazione della consolidazione<br />
di Terzaghi).<br />
Questa equazione può essere considerata anche nel caso si consolidazione tridimensionale nell’ipotesi che<br />
l’andamento delle tensioni totali non vari nel tempo. Se l’ipotesi è accettabile possiamo risolvere un problema<br />
disaccoppiato altrimenti è necessario andare a considerare il problema accoppiato.<br />
La soluzione approssimata e disaccoppiata coincide abbastanza bene con la soluzione rigorosa e accoppiata, a meno<br />
della fase iniziale. La soluzione approssimata non tiene conto dell’EFFETTO DI MANDEL−CRYER. Mandel e Cryer<br />
furono i primi ad accorgersi e ad occuparsi di questo comportamento.<br />
Facendo un’analisi secondo il problema accoppiato nella<br />
prima fase del problema di consolidazione abbiamo una<br />
riduzione delle tensioni neutre rispetto al problema<br />
disaccoppiato. Questo significa che nel problema<br />
accoppiato abbiamo un livello di stato tensionale<br />
efficace superiore al problema disaccoppiato. Tutto<br />
questo comporta che nella prima fase del processo con<br />
la soluzione approssimata si ottiene un grado di<br />
consolidazione inferiore e questo va sotto il nome di<br />
EFFETTO DI MANDEL−CRYER.<br />
Figura<strong>11</strong>.3<br />
Appunti di GEOTECNICA. Versione 1.3. A cura di GIUSEPPE DELLANA. Redatti con l’ausilio di StarOffice Writer 5.2. Linux 2.2.17. Mandrake 7.2.
142<br />
<strong>CAPITOLO</strong> <strong>11</strong>: <strong>COMPORTAMENTO</strong> TRIDIMENSIONALE<br />
Solitamente l’effetto Mandel−Cryer si rappresenta con il caso di una sfera di terreno alla quale applichiamo uno stato<br />
tensionale isotropo.<br />
Nell’istante t=0 di applicazione del carico non fa in tempo ad uscire<br />
l’acqua e quindi abbiamo un incremento della pressione neutra. Si<br />
realizza in questo modo un gradiente idraulico in prossimità della<br />
superficie della sfera e quindi si instaura un regime di filtrazione<br />
all’interno all’esterno; in questo modo si ottiene una progressiva<br />
riduzione delle pressioni neutre lungo il contorno con un conseguente<br />
incremento delle tensioni efficaci a parità di tensioni totali. Per effetto<br />
di questo incremento di tensioni efficaci si registra una conseguenza<br />
sullo scheletro solido: la striscia esterna tende a contrarsi e questo<br />
provoca un ulteriore stato di sforzo in corrispondenza dell’interfaccia<br />
e quindi cambia nuovamente la tensione neutra (questo succede perché<br />
ci troviamo in una situazione tridimensionale). É un effetto di<br />
cerchiatura che aumenta le tensioni efficaci all’interno della sfera.<br />
Questo aspetto può essere di rilevante importanza quando si realizza<br />
un rilevato su un terreno poco consistente; può succedere che il<br />
rilevato si mantiene per qualche giorno, ma poi crolla a seguito<br />
Figura<strong>11</strong>.4<br />
dell’incremento dello stato tensionale quando il processo di<br />
consolidazione ha raggiunto un certo livello. Questo significa che le<br />
condizioni più gravose non si hanno subito ma si verificano dopo qualche giorno dalla costruzione.<br />
Appunti di GEOTECNICA. Versione 1.3. A cura di GIUSEPPE DELLANA. Redatti con l’ausilio di StarOffice Writer 5.2. Linux 2.2.17. Mandrake 7.2.