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Rivestimento delle gallerie ANAS: analisi dello stato di sollecitazione e conservazione

Il software RS2 della Rocscience utilizzato per le gallerie abruzzesi San Silvestro e le piane lungo la Tangenziale di Pescara

sfondo roc

La manutenzione delle gallerie, recentemente oggetto di grande attenzione da parte dei mezzi di informazione, al pari di altre importanti opere d’arte – la cui costruzione molto spesso risale a decine di anni fa – è da sempre all’attenzione di chi ha la responsabilità della gestione delle reti infrastrutturali, come dimostrerà anche il presente articolo.

Sono noti i grandi progressi compiuti sia nella progettazione che nelle tecniche di realizzazione e negli stessi materiali di costruzione, soprattutto in termini di durabilità, sicché il problema della manutenzione riguarda soprattutto i manufatti con maggiore età di servizio, ma anche quelli di maggiore importanza in termini di traffico assorbito.

Fra questi sicuramente sono le due gallerie R505 a doppio senso di circolazione San Silvestro (3.623 m) e Le Piane (1.919 m) della S.S. 714 – variante S.S. 16, Tangenziale di Pescara -, scavate in un difficile contesto idrogeologico soprattutto per la presenza di un importante acquifero, con prevalenza di circa 20 m sulla calotta.

  • Gallerie
    1A roc
    1A. La sezione litostratigrafica in asse alla galleria San Silvestro
  • galleria Le Piane
    1B roc
    1B. La sezione litostratigrafica in asse alla galleria Le Piane (1B)
  • galleria San Silvestro
    2 roc
    2. Acqua e silicati presenti nei collettori laterali della galleria San Silvestro

Per queste due gallerie, il Compartimento ANAS per l’Abruzzo ha commissionato una indagine specialistica allo Studio SG di Pesaro, con la preziosa consulenza del compianto Prof. Gian Paolo Giani.

Scopo dello studio, verificare se le infiltrazioni d’acqua – allora presenti in galleria (Figura 2) – stessero provocando un decadimento delle caratteristiche del calcestruzzo del rivestimento delle gallerie.

Propedeuticamente allo studio, sono state intraprese indagini diagnostiche specialistiche, affidate al laboratorio Tecnolab, sia in sito (fra queste anche i rilevamenti termografico e georadar) che in laboratorio su carote dei materiali.

Noti lo stato di consistenza e le caratteristiche attuali dei materiali, con riferimento alle sezioni geometriche e stratigrafiche più rappresentative rispetto alle massime coperture (circa 90 m) è stata condotta una approfondita analisi delle condizioni di sicurezza dei due manufatti, raffrontando le sollecitazioni agenti con la resistenza effettivamente disponibile dei materiali.

L’analisi preliminare dello stato di sforzo sui rivestimenti provvisori in fase di scavo

Preliminarmente, è stata fatta un’analisi bidimensionale dello stato di sforzo delle gallerie mobilitato durante la fase di costruzione, considerando un cavo di diametro equivalente D = 11,3 m con un rapporto H/D = 8, con il metodo delle linee caratteristiche.

Nell’analisi è stato considerato il rivestimento provvisorio, costituito da due centine metalliche affiancate (HEB 180) spaziate di 1,0 m e uno strato di spritz-beton dello spessore di 30 cm.

  • sezione litostratigrafica
    3A roc
    3A. Le curve caratteristiche: il rilascio della pressione del terreno σi; il punto di intersezione individua lo stato di sforzo applicato e la corrispondente deformazione di convergenza della sezione
  • Rivestimento
    3B roc
    3B. Le curve caratteristiche: la curva sforzi/deformazioni dei rivestimenti; il punto di intersezione individua lo stato di sforzo applicato e la corrispondente deformazione di convergenza della sezione

Per maggiore cautela, nel modello di calcolo analitico è stato considerato un carico aggiuntivo, rappresentato dalla intera pressione idrostatica (situazione sicuramente più gravosa di quella reale).

Rispetto al raggio equivalente della sezione ideale considerata, che è pari a 5,65 m, nell’ipotesi di comportamento elastico-perfettamente plastico, si è valutato un raggio plastico di 48,5 m.

Per le sezioni più caricate scavate all’interno della formazione di base delle argille grigie, i seguenti valori di convergenza (Figure 3A e 3B):

  • spostamento radiale prima dell’installazione dei rivestimenti provvisori: 0,013 m;
  • prima della messa in opera dell’arco rovescio: 0,135 m;
  • prima della realizzazione del rivestimento definitivo: 0,18 m.

Si tratta di valori importanti, che potrebbero essere stati occasionalmente anche maggiori in caso di eventuali applicazioni dei rivestimenti meno tempestive, ma che comunque portano a valutare adeguati coefficienti di sicurezza dei rivestimenti provvisori man mano applicati nelle varie fasi.

I rapporti fra la resistenza dei materiali utilizzati e le sollecitazioni applicate sono infatti:

  • per le centine: Fs = 724/550 (kPa) = 1,32;
  • per lo spritz-beton: Fs = 769/480 (kPa) = 1,58.

L’analisi con il metodo delle linee caratteristiche ha dato una sostanziale conferma di una corretta progettazione del metodo di scavo e dei rivestimenti di prima fase messi in opera.

  • Spritz beton
    4A roc
    4A. Il modello FEM rappresenta il terreno sino in superficie, il contorno di scavo, le centine e lo spritz-beton, e il rivestimento definitivo
  • Modello FEM
    4B roc
    4B. Il modello FEM rappresenta il terreno sino in superficie, il contorno di scavo, le centine e lo spritz-beton, e il rivestimento definitivo

L’analisi dello stato di sforzo attuale sui rivestimenti definitivi

Il trasferimento delle sollecitazioni sui rivestimenti definitivi è un fenomeno lungo e complesso, spesso condizionato da ulteriori deformazioni della struttura e dal progressivo degrado dei rivestimenti di prima fase.

Per meglio indagare questi aspetti e per diminuire talune incertezze del metodo analitico (anisotropia), si è provveduto ad eseguire un’analisi FEM su un modello elasto-plastico più sofisticato e completo (Figure 4A e 4B sopra), simulando le varie fasi di scavo e di implementazione dei rivestimenti provvisori e definitivi.

L’analisi, condotta con il software RS2 della Rocscience, ha consentito di valutare le zone di plasticizzazione del terreno dovute allo scavo della galleria, gli stati tensionali e di deformazione su tutti gli elementi strutturali, valutandone sia la stabilità globale sia una mappa dei coefficienti di sicurezza puntuali nei vari elementi del modello.

La costruzione della galleria è stata simulata secondo le seguenti fasi:

  1. stato tensionale efficace e totale prima dello scavo;
  2. scarico del 27,7% degli sforzi indotti dallo scavo, posa centine e spritz-beton;
  3. scarico sino al 77% degli sforzi e messa in opera dell’arco rovescio;
  4. scarico all’82% degli sforzi indotti e messa in opera del rivestimento definitivo.

  • terreni
    5A roc
    5A. La mobilitazione delle tensioni efficaci verticali σ1 nelle varie fasi di costruzione
  • Costruzione
    5B roc
    5B. La mobilitazione delle tensioni efficaci verticali σ1 nelle varie fasi di costruzione
  • deformazione
    5C roc
    5C. La mobilitazione delle tensioni efficaci verticali σ1 nelle varie fasi di costruzione
  • analisi bidimensionale
    6A roc
    6A. La mobilitazione delle tensioni efficaci verticali σ3 nelle varie fasi di costruzione
  • calcolo analitico
    6B roc
    6B. La mobilitazione delle tensioni efficaci verticali σ3 nelle varie fasi di costruzione
  • sollecitazioni
    6C roc
    6C. La mobilitazione delle tensioni efficaci verticali σ3 nelle varie fasi di costruzione

Nella simulazione numerica, la falda, a sfavore di calcolo, è stata mantenuta costante, senza perciò considerare alcun eventuale drenaggio durante la costruzione della galleria applicando la pressione idraulica direttamente sui rivestimenti di prima e seconda fase.

I risultati dei passi di calcolo sono dati dai diagrammi nelle Figure 5A, 5B, 5C, 6A, 6B e 6C sopra, riferiti alle tensioni efficaci principali σ1 e σ3. Aperto lo scavo, la riduzione del carico in calotta da 1,6 a 1 MPa circa si verifica, come è ovvio, a discapito di un aumento delle tensioni principali in parete.

Al progredire del rilascio degli sforzi, con il ribasso per l’arco rovescio e a fronte della riduzione in calotta a circa 1 MPa, le tensioni verticali in parete aumentano sino a circa 3 MPa, stato tensionale che si conferma poi nella fase finale di chiusura del rivestimento.

Alle variazioni dello stato tensionale verticale corrispondono modifiche delle tensioni orizzontali che, dai livelli iniziali intorno a 0,8 MPa, tendono a diminuire in corrispondenza delle reni (0,4-0,5 MPa) per aumentare sui piedritti con il massimo alla base degli stessi (2 MPa circa).

Queste osservazioni trovano conferma nei diagrammi di “strength factor” (fattore di sicurezza puntuale) che, dalla distribuzione più o meno costante nella fase iniziale di scavo (media 1,42, in linea con i valori 1,32 e 1,58 forniti dall’analisi elastica), al procedere dello scavo tende a ridursi con valori minimi 1,12 sulle reni e i piedritti, cristallizzandosi poi con la chiusura del rivestimento (Figure 7A, 7B e 7C).

  • argille
    7A roc
    7A. Lo strength factor nelle varie fasi di costruzione
  • contorno di scavo
    7B roc
    7B. Lo strength factor nelle varie fasi di costruzione
  • arco rovescio
    7C roc
    7C. Lo strength factor nelle varie fasi di costruzione
  • centine
    8A roc
    8A. Lo yielded nelle varie fasi di costruzione
  • progettazione
    8B roc
    8B. Lo yielded nelle varie fasi di costruzione
  • strength factor
    8C roc
    8C. Lo yielded nelle varie fasi di costruzione

L’osservazione dei diagrammi delle zone di plasticizzazione (“yielded”, Figure 8A, 8B e 8C) permette di effettuare le seguenti considerazioni:

  1. al primo passo di calcolo (scavo del 27,7% non sostenuto) non si hanno zone di plasticizzazione, come già ipotizzato con l’analisi elastica, la quale indicava l’inizio della plasticizzazione solo al raggiungimento del 50% dello scarico tensionale, dopo la messa in opera dei rivestimenti di prima fase (centine e spritz);
  2. nelle fasi successive si formano zone di plasticizzazione alla base dei piedritti e localmente sino alle reni.

Le verifiche di sicurezza e le misure di manutenzione adottate

Come ultimo passo, sono state calcolate le caratteristiche di sollecitazione sulla struttura, raffrontandole alle resistenze attuali dei materiali, come certificate con le prove di laboratorio eseguite.

  • Rocscience
    9 roc
    9. Lavori di scavo e idraulici nella galleria San Silvestro
  • Tangenziale di Pescara
    10A roc
    10A. Sollecitazioni sul rivestimento e raffronto con le caratteristiche di resistenza del calcestruzzo del rivestimento
  • calotta
    10B roc
    10B. Sollecitazioni sul rivestimento e raffronto con le caratteristiche di resistenza del calcestruzzo del rivestimento
  • parete
    10C roc
    10C. Sollecitazioni sul rivestimento e raffronto con le caratteristiche di resistenza del calcestruzzo del rivestimento
  • stato tensionale
    10D roc
    10D. Sollecitazioni sul rivestimento e raffronto con le caratteristiche di resistenza del calcestruzzo del rivestimento
  • plasticizzazione
    10E roc
    10E. Sollecitazioni sul rivestimento e raffronto con le caratteristiche di resistenza del calcestruzzo del rivestimento

Certificata la sicurezza dei due manufatti, si è provveduto al rifacimento del sistema di drenaggio delle gallerie, che era risultato intasato da depositi calcarei e silicei accumulatisi nel tempo.

Purtroppo, le due gallerie non si sviluppano per intero all’interno del substrato argilloso (Figura 1) sicché esse, e in particolare la San Silvestro, tendono inevitabilmente a drenare l’acquifero.

La modesta pendenza delle livellette facilita il deposito di sali calcarei che, nel tempo, tendono a ostruire i drenaggi, i quali dovranno perciò essere periodicamente oggetto di manutenzione e/o rifacimento.

piedritti
11. Il completamento dei lavori alla galleria San Silvestro sulla Tangenziale di Pescara Associati S.C

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