5. IL MODELLO NUMERICO
5.1 IL MODELLO COSTITUTIVO PER IL TERRENO: HARDENING SOIL MODEL
L'Hardening Soil Model with Small Strain Stiffness (HSsmall), rappresenta l'evoluzione dell'Hardening Soil Model (HS) proposto da Schanz et al. (1999) e consente di descrivere il comportamento paraelastico ed isteretico del terreno che è non lineare già per bassi livelli deformativi. Tale modello tiene conto della grande rigidezza dei terreni alle piccole deformazioni dipendente dallo stato tensionale, della variazione di rigidezza con il livello deformativo e dell'accumulo di deformazioni plastiche già alle prime fasi di carico. L'HSsmall è un modello elasto-plastico con incrudimento isotropo: prevede cioè una superficie di snervamento nello spazio delle tensioni principali che si espande con lo sviluppo delle deformazioni plastiche. L'idea alla base dell'HSsmall è la relazione iperbolica tra la deformazione ε e il carico deviatorico q in una prova triassiale consolidata drenata TXCD rappresentata in Figura 5.1:
Figura 5.1-Relazione iperbolica tra sforzo deviatorico e deformazione per una prova TXCD (Plaxis Material Models Manual)
123
(5.1)
dove:
qf è il carico di rottura basato su un criterio di rottura
alla Mohr-Coulomb:
(5.2) σ'3 è la tensione efficace orizzontale agente mentre c, φ e ψ
sono i parametri di rottura in accordo col criterio di Mohr- Coulomb:
c' è la coesione (efficace);
φ' l'angolo di resistenza a taglio (efficace); ψ l'angolo di dilatanza;
qa è il valore asintotico della resistenza a taglio:
(5.3)
dove il rapporto di rottura Rf=qf/qa deve essere minore di 1,
(di default Plaxis assume Rf=0.9);
Ei rappresenta la rigidezza iniziale:
(5.4)
dove E50 è il modulo di rigidezza secante.
Come nell'HS, anche nell'HSsmall il comportamento elastico lineare e isotropo del terreno è implementato attraverso tre moduli: E50, Eur e Eoed che rappresentano il comportamento del
terreno per diversi percorsi di carico, rispettivamente primo carico, scarico-ricarico e compressione isotropa. Tali moduli dipendono tutti dai parametri di resistenza alla Mohr-Coulomb e dal livello tensionale (efficace), secondo l'esponente m che governa l'andamento lineare o non lineare della rigidezza del terreno con la profondità. Nel dettaglio:
E50 è la rigidezza secante non elastica in fase di primo
carico, dipendente dalla pressione di confinamento σ'3 e per
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(5.5)
dove E50ref è la rigidezza secante alla pressione di
riferimento pref=100 kPa (di default per Plaxis pref=100 kPa); Eur è la rigidezza elastica in fase di scarico-ricarico per un
carico superiore al 50% di quello di rottura e dipendente dalla pressione di confinamento σ'3:
(5.6)
dove Eurref è il modulo elastico in fase di scarico-ricarico
alla pressione di riferimento pref=100 kPa; di default Plaxis
assume Eurref=3 E50ref
Eoed è la rigidezza tangente per percorsi di carico isotropi:
(5.7)
dove Eoedref è la rigidezza edometrica alla pressione di
riferimento pref=100 kPa e σ'
1 la tensione efficace verticale;
si può assumere Eoedref=E50ref.
Nel modello il dominio elastico è delimitato da due superfici di snervamento (Figura 5.2): la superficie deviatorica (fs),
che evolve in funzione della deformazione deviatorica plastica fino al criterio di rottura di Mohr-Coulomb e la superficie volumetrica (fv), la cui dimensione è funzione della
deformazione volumetrica plastica.
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La fs si modifica in funzione della deformazione plastica
deviatorica:
γp = - (2ε
1p- εvp) ≌ - 2ε1p (5.8)
dove ε1 è la deformazione assiale mentre εv è la deformazione
volumetrica. La fv (cap) è funzione della deformazione volumetrica
secondo la legge lineare:
ε˙vp=sinψmγ˙p (5.9)
dove ψm è la dilatanza mobilitata.
I parametri finora descritti sono propri dell'HS a cui l'HSsmall aggiunge i parametri G0 e γ0.7, che sono rispettivamente il modulo
di taglio alle piccole deformazioni e il livello di deformazione a cui il rapporto G/G0 vale 0.7:
(5.10)
Il legame tenso-deformativo è descritto dalla legge iperbolica proposta da Hardin e Drnevich:
(5.11)
dove G è il modulo di taglio, G0 rappresenta il modulo di taglio
alle piccole deformazioni, la deformazione a rottura vale γr=τmax/G0
e τmax è lo sforzo di taglio a rottura. La (5.11) mette in relazione
la grande deformazione a rottura γr con le caratteristiche del
materiale alle piccole deformazioni G0. Nell'HSsmall è utilizzata
non la deformazione a rottura ma la deformazione corrispondente ad un decadimento del modulo di taglio alle piccole deformazioni G0
del 70%. La (5.11) diventa di conseguenza:
(5.12)
dove Gs è il modulo d taglio secante la curva e G0 è ancora il
modulo di taglio iniziale o alle piccole deformazioni definito come:
(5.13)
G0ref è il modulo di taglio alle piccole deformazioni (ε<10-6) alla
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piccole deformazioni G0 dipende dallo stato tensionale attraverso
l'esponente m, dalla tensione efficace verticale agente σ'1 e dal
modulo di taglio alle piccole deformazioni alla pressione di riferimento di 100 kPa G0ref.
Si può definire, infine, un valore di modulo a taglio tangente Gt:
(5.14)
dove il modulo di rigidezza a taglio in scarico-ricarico alla pressione di riferimento di 100 kPa, Gurref, è legato al r modulo di
Young Eurref dalla (2.48) che diventa:
(5.15)
La (5.14) significa che il modulo di rigidezza a taglio tangente Gt
decresce, all'aumentare della deformazione, fino ad un valore limite di deformazione γcut-off:
(5.16) raggiunta la quale il modulo di rigidezza a taglio tangente rimane costante e pari a Gur, il che produce un maggior accordo con le
osservazioni sperimentali. Questo espediente permette di "scalare" il problema numerico ai livelli deformativi effettivamente in gioco nei problemi ingegneristici. Le curve di decadimento dei moduli di rigidezza a taglio tangente Gt e secante Gs per le varie
U.G. sono rappresentate insieme alla curva proposta da Vucetic e Dobry (1991) di seguito in Figura 5.3-5.6.
Figura 5.3-Andamento delle curve di decadimento dei moduli tangente e secante a confronto con la curva proposta da Vucetic e Dobry (U.G.1)
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0.00 0.01 1.00 G /G 0 [ -] γ [%] Vucetic e Dobry Gs Gt
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Figura 5.4-Andamento delle curve di decadimento dei moduli tangente e secante a confronto con la curva proposta da Vucetic e Dobry (U.G.2)
Figura 5.5-Andamento delle curve di decadimento dei moduli tangente e secante a confronto con la curva proposta da Vucetic e Dobry (U.G.3)
Figura 5.6-Andamento delle curve di decadimento dei moduli tangente e secante a confronto con la curva proposta da Vucetic e Dobry (U.G.4)
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 0.0001 0.01 1 G /G 0 [ -] γ [%] Vucetic e Dobry Gs Gt 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 0.0001 0.01 1 G /G 0 [ -] γ [%] Vucetic e Dobry Gs Gt 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 0.0001 0.001 0.01 0.1 1 G /G 0 [ -] γ [%] Vucetic e Dobry Gs Gt
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PARAMETRO DESCRIZIONE UNITA' DI MISURA
c Coesione efficace kN/m2
φ Angolo di resistenza a taglio efficace °
ψ Angolo di dilatanza °
E50ref Rigidezza secante in una TXD kN/m2
Eoedref Rigidezza tangente edometrica kN/m2
Eurref
Rigidezza in scarico-ricarico (default
Eurref=3E50ref) (ε≌10-3-10-7) kN/m 2
m Esponente per la dipendenza dal livello tensionale - υur Coefficiente di Poisson per scarico-ricarico (default υ
ur=0,2) -
pref Pressione di riferimento (default pref=100) kN/m2
K0NC
Coefficiente di spinta a riposo in caso di
normal-consolidazione (default K0NC=1-sinφ) -
G0ref
Modulo di taglio alle piccole deformazioni
(default G0ref= Gurref) (ε<10-7) kN/m2
γ0.7
Deformazione di taglio in corrispondenza
della quale Gs=0,7G0 -
Tabella 5.1-Parametri di input dell'HSsmall
Sforzi e deformazione di compressione sono assunti negativi.
5.2 CALIBRAZIONE DEI PARAMETRI DEL MODELLO SULLA BASE DEI DATI