Nuove prospettive sulla storia della pre-frantumazione nei terreni granulari

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 4576 (2023) Citare questo articolo

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La progettazione di pendii profondi per miniere a cielo aperto richiede solitamente informazioni sulla resistenza del suolo alla liquefazione durante i terremoti. Questa resistenza dipende non solo dallo stress iniziale, dalla densità iniziale e dall'ampiezza del carico ciclico, ma anche dal pre-taglio, cioè dal percorso deviatorico dello stress applicato al terreno prima del carico ciclico. Per esplorare l'influenza del pretaglio sul successivo comportamento del terreno, viene presentata una serie di prove triassiali con una combinazione di cicli di sollecitazione di pretaglio non drenato e drenato utilizzando due metodi di preparazione del campione. È dimostrato che il pre-taglio e il metodo di preparazione hanno una grande influenza sull'accumulo di deformazione in seguito al carico ciclico. Le simulazioni degli esperimenti con quattro modelli costitutivi avanzati rivelano che né l'effetto duraturo del pre-taglio né il metodo di preparazione possono essere adeguatamente catturati da tutti i modelli. Questa carenza dei modelli costitutivi può portare a progettazioni non sicure a causa della sovrastima della resistenza ciclica alla liquefazione e della sottostima dei cedimenti a lungo termine.

Le valutazioni della stabilità dei pendii e degli assestamenti a lungo termine appartengono agli aspetti più impegnativi della progettazione dei pendii delle discariche per le miniere di lignite a cielo aperto. Ciò vale soprattutto per le miniere profonde, come Hambach (Germania), dove gli strati granulari scaricati in modo sciolto possono raggiungere una profondità di 400 m ed è prevista la ricoltivazione dell'area dopo l'estrazione della lignite, vedere Fig. 1. Per prevenire eventi catastrofici , la progettazione dei pendii delle discariche richiede informazioni sulla resistenza del suolo alla liquefazione durante possibili terremoti. Ma anche se la liquefazione non avviene, un eccessivo accumulo di cedimenti dovuto al carico ciclico e/o quasi statico durante e dopo l'inondazione delle acque sotterranee può mettere in pericolo i processi di ricoltivazione. Da notare che un terremoto (taglio non drenato) può presentare il pre-taglio del successivo carico sismico. Sono quindi essenziali previsioni adeguate della liquefazione e dell'accumulo di stress e deformazioni in seguito al carico ciclico, compresa l'influenza della densità e del metodo di deposizione sul comportamento del suolo.

Vista del lato di estrazione della miniera di lignite a cielo aperto di Hambach (lato sinistro) con una superficie di 85 km\(^2\) e una profondità di 400 m realizzata con escavatore per carbone e discarica (lato destro)1.

Per quanto riguarda la liquefazione, l’influenza della densità, dello stress di consolidamento nonché dell’ampiezza del carico ciclico sono stati ampiamente studiati negli ultimi decenni. In generale, test triassiali non drenati su campioni consolidati in direzione isotropa mostrano che i campioni densi richiedono più cicli del carico applicato per raggiungere la liquefazione rispetto a quelli sciolti. Tuttavia, ciò non è vero quando le direzioni di precaricamento e successivo caricamento differiscono.

Utilizzando test triassiali non drenati, Ishihara e Okada2 hanno studiato l'influenza della storia di carico (precarico) sulla resistenza alla liquefazione della sabbia del fiume Fuji. Hanno interpretato il precarico come precompressione o pretaglio. In caso di precompressione il terreno ha subito uno stress di compressione isotropo maggiore di quello presente all'inizio del successivo taglio. In caso di precesoiamento il terreno subisce una determinata sollecitazione deviatorica prima del successivo carico. Aumentando il rapporto di sollecitazione dall'asse di sollecitazione isotropico durante il pretaglio, hanno osservato una tendenza del campione a contrarsi mentre si sviluppavano deformazioni di taglio relativamente piccole. In condizioni drenate la contrazione determina un aumento della deformazione volumetrica, mentre in condizioni di taglio non drenato determina un aumento della pressione interstiziale in eccesso. Un ulteriore aumento del rapporto di stress ha portato, al contrario, ad una dilatazione e a deformazioni di taglio molto maggiori. In condizioni drenate o non drenate, la dilatazione determina rispettivamente una diminuzione della deformazione volumetrica o un eccesso di pressione dell'acqua interstiziale (aumento dello stress efficace medio). In2, così come ampiamente nella letteratura geotecnica, il rapporto di stress al quale il comportamento del terreno cambia da contrazione a dilatazione è indicato come linea di trasformazione di fase (PTL). Di conseguenza, le storie di carico che raggiungevano rapporti di sollecitazione inferiori al PTL erano chiamate pre-shearing piccolo mentre quelle che andavano oltre il PTL erano chiamate pre-shearing grande. La Fig. 2 (digitalizzata da2) mostra il comportamento della sabbia del fiume Fuji sottoposta a grande pretaglio con successivo carico ciclico non drenato. Dopo alcuni cicli con ampiezza di sollecitazione deviatorica di \(q^{{\text{ ampl }}}=0.4\) kg/cm\(^2\) (primo caricamento), il campione è stato caricato oltre il PTL (large preshearing ) con una sollecitazione deviatorica di \(q\circa 1.1\) kg/cm\(^2\). Quindi, il risultante eccesso di pressione dell'acqua interstiziale è stato dissipato aprendo il drenaggio fino al recupero dello stress isotropico efficace iniziale (p = 1,0 kg/cm\(^2\)) (riconsolidamento). Infine, il campione è stato sottoposto a cicli non drenati di stress deviatorico (secondo carico) con la stessa ampiezza del primo carico. L'esperimento mostra che la sollecitazione effettiva si riduce più velocemente con il numero di cicli di carico nel caso di grande pretaglio (secondo carico) che nel caso senza pretaglio (primo carico). Anche se il rapporto dei vuoti prima del secondo caricamento (\(e=0,825\)) è inferiore a quello prima del primo caricamento (\(e=0,840\)), lo stato più denso soggetto alla stessa ampiezza di caricamento si liquefa più facilmente. Pertanto, la storia del carico (precarico) gioca un ruolo importante (a volte anche più significativo della densità) nel comportamento del materiale e può ridurre significativamente la sua resistenza alla liquefazione.