Numerical modelling of ground movements induced by tunnel excavation : the use of simple constitutive models for the short term response of stiff clays

This study discusses the possibility to calculate realistic green-field ground displacements induced by tunnelling in stiff clays with finite element analyses that do not employ advanced constitutive models. The focus is on the short-term response, which is generally associated with the largest differential settlements and distortions and is, therefore, the most impacting in pre-existing structures. There tunnels have been selected as case studies and back-analysed though 2D finite element calculations: the Westbound and Eastbound tunnels of the Jubilee Line Extension at St. James’s Park (London , UK) and the Fleet Line tunnel at Green Park (also in London). 2D plane strain calculations ware carried out for the case histories, initially with a fully realistic set of geotechnical parameters. All materials were modelled with linear elastic-perfectly plastic (LE/PP) constitutive models. The effect of plasticity in the ground was investigated by first identifying the plastic zones associated with the analyses with LE/PP models, then replacing the materials in these zones with a soil with lower mechanical properties. The settlement profiles obtained from analyses with a full set of realistic parameters did not match the data observed on site. Moreover, the introduction of softened zones did not improve the performance of the models. Subsequently, the sensitivity to changes in the initial stress filed was investigated by reducing the ratio between horizontal and vertical total stress in the stiff clays. It was found that a stress ratio artificially reduced to k0 = 0.5 in the stiff clays results in the calculation of realistic settlement profiles for the three cases considered. For the Fleet Line tunnel a good match between calculated and observed settlements at depth was also found. The analysis of three case histories is not sufficient to demonstrate that the approach is universally valid. However, the low sensitivity of the settlement trough to variations in soil strength and stiffness suggests that the presented approach may be a first step toward the realistic numerical modelling with simple constitutive models of tunnelling-induced ground movements.

Nella tesi che segue si discute la possibilita’ di stimare i cedimenti indotti dallo scavo di gallerie in green-field senza l’utilizzo di modelli costitutivi complessi. L’attenzione e’ rivolta alla risposta a breve termine che generalmente e’ associate ai maggiori cedimenti differenziali e distorsioni, che hanno un maggiore impatto dulle strutture esistenti. Come casi studio per la back analysis, tramite analisi ad elementi finiti 2D, tre casi studio sono stati scelti: le gallerie di Est e Ovest costruite come parte della Jubilee Line Extention e il galleria di Green Park, parte della Fleet Line, tutte e tre si trovano a Londra. Le analisi sono state condotte come problemi piani alle deformazioni, inizialmente un set di parametric geotecnici realistici. Tutti I materiali sono stati modellati con modelli costitutivi elastici perfettamente plastici (LE/PP). l’effetto della plasticita’ sul terreno e’ stata studiata prima identificando le zone plastiche ottenute dale analisi LE/PP, poi sostituendo I materiali di queste zone con terreni dale proprieta’ meccaniche diminuite. Il profilo dei cedimenti ottenuto dalle analisi con I parametri reali non coincide con quello dei cedimenti osservato, tantomeno quello ottenuto dalle analisi con zone plastiche. La sensitivita’ al rapporto totale degli sforzi e’ stata quindi studiata. E@ stato trovato che un rapporto totale degli stress artificialmente ridotto a k0 = 0.5 nelle argille sovraconsolidate risulta in un profile realistico dei cedimenti pre tutti e tre I casi considerati. Nel caso della galleria di Green Park e’ stata ottenuta anche una buona stima dei cedimenti in profondita’. L’analisi dei tre casi non e’ sufficiente a dimostrare la validita’ generale dell’approccio. In ogni caso la bassa sensibilita’ dei cedimenti alle variazioni di rigidezza e resistenza del terreno suggerisce che il presente approccio e’ un passo Avanti verso una semplice ma realistica stima dei cedimenti dovuti allo scavo di gallerie.