Verso la definizione di curve caratteristiche generalizzate per il cavo di gallerie sotterranee

Designing a tunnel lining requires a detailed analysis of the interaction between soil and structure, which is strongly influenced by the excavation method and the installation of the lining itself. In design practice, the most common approach to considering soil-structure interaction is the convergence-confinement method, based on the definition of the characteristic curve that links stress and convergence of the tunnel cavity. This approach allows for the determination of the axial action of the lining only, while the characteristic curve is often introduced when considering a deep excavation with an isotropic geostatic stress state. In this thesis, numerical finite element analyses of cavity unloading in cohesive soils were performed to investigate the influence of excavation depth and the initial anisotropy of the stress state on the deformation of the cavity and the forces acting on the lining. These results highlighted that as the excavation depth decreases and the initial stress anisotropy increases, (i) the cavity deformation is non-homothetic and (ii) the lining tends to be loaded by a bending moment, which is non-negligible compared to the acting axial force. The numerical results were then critically interpreted to extend the characteristic curve approach to account for the excavation depth and the geostatic stress anisotropy. In particular, this required the introduction of kinematic variables capable of describing the non-homothetic cavity deformation and conjugate static variables. The model predictions are in good agreement with the numerical results, demonstrating the potential of the proposed approach for a more rational design of excavation linings.

La progettazione del rivestimento di una galleria richiede un’analisi dettagliata dell’interazione tra terreno e struttura, la quale è fortemente influenzata dalle modalità di scavo e dall’installazione del rivestimento stesso. Nella pratica progettuale, l’approccio più diffuso per considerare l’interazione terreno-struttura è il metodo convergenza-confinamento, basato sulla definizione della curva caratteristica che lega sforzo e convergenza del cavo. Questo approccio consente di determinare unicamente l’azione assiale del rivestimento mentre la curva caratteristica viene spesso introdotta considerando uno scavo profondo con stato di sforzo geostatico isotropo. In questa tesi sono state realizzate analisi numeriche a elementi finiti dello scarico di cavità in terreni coesivi volte ad indagare l’influenza della profondità dello scavo e dell’anisotropia iniziale dello stato di sforzo sulla deformata del cavo e sulle azioni agenti sul rivestimento. Questi risultati hanno messo in luce che al diminuire della profondità dello scavo e all’aumentare dell’anisotropia dello sforzo iniziale (i) la deformata del cavo non è omotetica e (ii) il rivestimento tende a essere caricato da momento flettente, non trascurabile rispetto all’azione assiale agente. I risultati numerici sono stati poi criticamente interpretati per estendere l’approccio della curva caratteristica per tenere conto della profondità dello scavo e dell’anisotropia dello sforzo geostatico. In particolare, questo ha richiesto l’introduzione di variabili cinematiche in grado di descrivere la deformazione non omotetica del cavo e variabili statiche coniugate. Le previsioni del modello sono in buon accordo con i risultati numerici, testimoniando le potenzialità dell’approccio proposto per un più razionale progetto del rivestimento di scavi.