L'infiltrazione d'acqua in terreni parzialmente saturi comporta sempre un incremento del contenuto d'acqua e una variazione del regime delle pressioni interstiziali. Riduzioni significative del livello di suzione possono indurre fenomeni di instabilità in versanti naturali e/o in opere in terra (rilevati, dighe) e collassi di fondazioni superficiali. Il verificarsi di tali fenomeni dipende da numerosi fattori tra i quali: l'entità e la durata della pioggia, le caratteristiche idro-meccaniche del terreno, le condizioni iniziali e al contorno. Per valutare gli effetti indotti dalle precipitazioni è importante, da un lato, comprendere i meccanismi che governano il moto dell¿acqua all'interno del terreno e, dall'altro, acquisire un buona conoscenza del comportamento dei terreni parzialmente saturi.
Il progetto di ricerca mira ad analizzare le condizioni di stabilità di due versanti naturali durante eventi di pioggia di diversa intensità e durata. Lo studio sarà eseguito con il codice di calcolo agli elementi finiti Abaqus/Standard. Il moto dell'acqua sarà descritto integrando numericamente l'equazione di Richards e il comportamento dello scheletro solido sarà simulato con due legami costitutivi (Cam Clay Modificato, Rouainia e Wood, 2000). I due modelli saranno calibrati sulla base dei risultati di prove di laboratorio, in sito e sui dati di monitoraggio. Le prove a suzione controllata (edometriche, triassiali) saranno eseguite presso il Laboratorio Geotecnico della Facoltà di Ingegneria su provini indisturbati e rimaneggiati. Sulla base dei risultati di questo studio si verificheranno le capacità previsionali dei due modelli confrontando le previsioni numeriche con i dati di monitoraggio. Si determineranno, inoltre, gli effetti indotti dalle piogge (campi di spostamento, evoluzione dello stato tensio-deformativo) e gli scenari più sfavorevoli per la stabilità del versante.
Lo studio degli effetti indotti dai processi di infiltrazione e, in particolare, dell'evoluzione delle condizioni di sicurezza di un pendio è un tema di grande interesse dato che ampie parti del territorio nazionale sono interessate dal rischio di movimenti franosi indotti da piogge. Nel corso degli anni si sono moltiplicati gli studi volti ad acquisire maggiori conoscenze sui meccanismi di innesco e di propagazione delle frane superficiali. Ciò nonostante alcuni aspetti del comportamento dei pendii non sono ancora chiari e richiedono ulteriori approfondimenti e verifiche sperimentali. Il progetto di ricerca proposto mira a fornire un contributo alla comprensione di questi aspetti analizzando nel dettaglio la risposta di due versanti naturali durante precipitazioni atmosferiche.
Gli elementi innovativi della ricerca sono molteplici.
Le simulazioni numeriche saranno eseguite con il codice commerciale agli elementi finiti Abaqus utilizzando un approccio accoppiato. Ciò consentirà di cogliere gli effetti di mutua interazione tra le fasi solida e fluida. Durante un processo di imbibizione, infatti, le variazioni di pressione interstiziali nel terreno sono accompagnate da deformazioni dello scheletro solido che a loro volta modicano il regime delle pressioni interstiziali.
Il moto della fase fluida sarà descritto integrando numericamente le equazioni di Richards. La curva di ritenzione e la funzione di permeabilità saranno definite sulla base dei dati sperimentali tendendo esplicitamente conto della dipendenza dall'indice dei vuoti.
Il comportamento meccanico dello scheletro solido sarà descritto utilizzando due legami costitutivi: Cam Clay Modificato e il modello proposto da Rouainia e Wood (2000). Il modello di Cam Clay Modificato è largamente utilizzato nella risoluzione di problemi al finito perché, nonostante la formulazione analitica piuttosto semplice, riesce a cogliere gli aspetti principali del comportamento dei terreni non saturi osservati sperimentalmente, come il collasso volumetrico, la dipendenza della tensione di preconsolidazione dal grado di saturazione e l'aumento della rigidezza e resistenza con il livello di suzione. Al contrario non descrive correttamente l'evoluzione dei moduli di rigidezza per piccoli e medi livelli di deformazione; tende, inoltre, a sovrastimare la resistenza quando il percorso di carico raggiunge la superficie di plasticizzazione al di sopra della linea di stato critico. Un significativo miglioramento delle previsioni numeriche può essere ottenuto utilizzando modelli a plasticità diffusa e incrudimento cinematico, come quello proposto da Rouainia e Wood (2000). Questo modello prevede un decadimento progressivo dei moduli di rigidezza sin da piccoli livelli di deformazione e un'evoluzione della superficie limite con lo stato di sforzo e il volume specifico. Le capacità previsionali del legame costitutivo state verificate da vari autori su elementi di volume e in problemi al finito (Cocciuti, 1999; Bertoldo, 2016; De Lillis, 2017). Nell'ambito di questo progetto di ricerca le equazioni costitutive del modello saranno leggermente modificate per consentirne l'impiego anche in condizioni di parziale saturazione. Si modificherà, in particolare, la legge di incrudimento isotropo introducendo un'esplicita dipendenza della tensione di pre-consolidazione dal grado di saturazione, come proposto da Jommi e Di Prisco. Le capacità previsionali di questo modello in campo non saturo saranno valutate simulando numericamente prove a suzione controllata (triassiali ed edometriche) e confrontando le previsioni con i dati sperimentali.
L'ultimo elemento innovativo del progetto riguarda l'impiego del criterio di Hill, successivamente modificato da Buscarnera e Di Prisco (2011), per la valutazione delle condizioni di sicurezza di un pendio. Come dimostrato dagli autori, questo criterio riesce a individuare le condizioni di potenziale instabilità di elementi di volume in prove triassiali a contenuto d'acqua costante e in prove di saturazione a deviatore costante. Si ritiene, pertanto, opportuno estenderne l'utilizzo in problemi al finito con l'obiettivo di monitorare le condizioni di stabilità nelle diverse zone del pendio e di valutare globalmente la stabilità del versante.