1a Passi Modellazione Geotecnica

Lezione 1:

I passi della modellazione geotecnica: dal problema

fisico al modello numerico

Prof. Ing. Riccardo Castellanza

Professore associato in Ingegneria Geotecnica

Department of Earth and Envinromental Sciences

Universit degli Studi di Milano Bicocca
http://www.geo.unimib.it/index.php

R.Castellanza: Influence of material model on the settlement results Dott. Ing. Riccardo Castellanza

Initial remarks 2

Modelling forms an implicit part of all engineering design but many

engineers engage in modelling without consciously considering the

nature, validity and consequences of the supporting assumptions. Many

engineers make use of numerical modelling but may not have stopped to

think about the approximations and assumpions that are implicit in that

modelling still less about the nature of the constitutive models that may

have been invoked. Many engineers are probably not aware of the

possibilities and implications of physical modelling either at single gravity

or on centrifuge at multiple gravities

(D.M. Wood, Modelling


ragione come un occhio spalancato sulla realt, che beve

avidamente la realt, ne registra i nessi, le implicazioni, ne discorre,

corre dentro il reale, da una cosa conservandole tutte nella

memoria e tende ad abbracciare tutto. affronta la realt con la

ragione. La ragione ci che ci definisce come

(Luigi Giussani, Senso


Aims of the course 3


di Modellazione Geotecnica intende

fornire quelle competenze specifiche necessarie

delle recenti tecniche di modellazione teorica

e numerica per e la soluzione di problemi al

contorno di ingegneria geotecnica, con particolare

attenzione alla protezione ambientale del territorio.

The course of geotechnical model is intended to provide

the specific skills necessary for the use of recent

theoretical and numerical modeling techniques for the

analysis and the solution of boundary value problems in

geotechnical engineering, with particular attention to

environmental protection.


Geotechnical modelling: Main steps 4


FA

SI

Partendo dalla definizione dei processi fisici alla base del problema in

esame si esaminer:

Passo 1: Inquadramento preliminare e definizione ipotesi di lavoro

Passo 2: i rilievi idro-geologici necessari ad inquadrare il problema in

esame e definizione delle caratteristiche geometriche bidimensionali o

tridimensionali da inserire nel modello,

Passo 3: esecuzione di adeguate indagini di sito e di laboratorio per la

caratterizzazione dei geomateriali sulla base dei modelli

fenomenologici che si utilizzeranno,

Passo 4: scelta dei modelli costitutivi e fenomenologici che si

intendono utilizzare, stima dei rispettivi parametri e delle variabili di

stato sulla base delle evidenze sperimentali,

Passo 5: esecuzione di analisi numeriche (eventualmente per fasi

successive), del problema al contorno,

Passo 6: valutazione criticamente dei risultati ottenuti anche mediante

il confronto con modelli pi semplici di natura analitica e/o empirica.




Spe

rim

en

tale

FA

SI


esame si esaminer:

Passo 1: Inquadramento preliminare e definizione ipotesi di lavoro,


















esame si esaminer:


Passo 2: rilievi idro-geologici necessari ad inquadrare il problema in













Teo

rica





esame si esaminer:














il confronto con modelli pi semplici di natura analitica e/o empirica. Nu

me

rica





esame si esaminer:


Passo 2: rilievi idro-geologici necessari ad inquadrare il problema in













Spe

rim

en

tale

Teo

rica

N

um

eri

ca




Starting from the definition of the physical processes of the matter will

be considered:

Step 1: Framing and defining the preliminary working hypothesis

Step 2: topographic and hydro/geological surveys necessary to

understand the boundary value problem (BVP). Definition of two-

dimensional or three-dimensional geometric features to be included in

the model,

Step 3: Perform the in situ and laboratory experimental campaign for

the characterization of geomaterials based on the phenomenological

models that will be used,

Step 4: choice of constitutive and phenomenological models that are

used, estimation of its parameters and state variables on the basis of

the experimental evidences,

Step 5: Perform numerical analysis (possibly in stages), the boundary

value problem,

Step 6: critically assessing the results achieved through the

comparison with simpler models of nature analytical and / or

empirical.

Expe

rim

en

tal

Teo

retica

l N

um

eri

cal


Examples of Geotechnical modelling path 10


Example #1: Piazza Ghiaia in Parma

(Excavation processes)

Example #2: Cavities in Canosa (BT)

(Underground Cavities)


Example#1: Excavation under water table 11



Example#1: Excavation under water table 12



Ex.#1 Fase 0: Ipotesi di lavoro


Ex.#1 Fase 1: inquadramento geologico


Ex.#1 Fase 1: inquadramento neotettonico


Ex.#1 Fase 1: inquadramento geologico


Ex.#1 Fase 1: inquadramento storico


Ex.#1 Fase 1: rilievo profilo esistente


Ricostruzione stratigrafica

(sondaggi e carotaggi)

Prove di permeabilit in situ

Prove penetrometriche

statiche e dinamiche

Stima sforzi geostatici

Vantaggi: non altero il materiale

e lo studio nelle condizioni reali

Svantaggi: non posso

controllare lo stato tensionale

Ex.#1 Fase 1: stratigrafia ed indagini di sito


Ex.#1 Fase 1: stratigrafia ed indagini di sito


Ex.#1 Fase 1: indagini geofisiche


Ex.#1 Fase 1: Ricostruzione profili


Ex.#1 Fase 1: Sintesi del caso di studio


Classificazione materiale (terre: analisi granulometriche

e limiti di Atterberg; rocce: analisi petrografica

tessiturale ) e propriet indice

Parametri meccanici: determinazione dei parametri di

resistenza e deformabilit attraverso: prove

edometriche, prove triassiali, prove di taglio diretto (per

terreni).

Parametri idraulici: - prove di permeabilit

Vantaggi: controllo perfettamente lo stato tensionale;

percorsi di carico arbitrari.

Svantaggi: materiale di prova alterato da operazioni di

campionamento - effetto scala.

Ex.#1 Fase 1: Prove di laboratorio


Ex.#1 Fase 1: Prove taglio diretto


Ex.#1 Fase 1: Prove triassiali


Q h

L

pietra porosa

h Qv k v

l ALegge di Darcy

Ricavo k (permeabilit [m/sec])

Provino

Ex.#1 Fase 1: Prove di permeabilit


Ex.#1 Fase 1: Sintesi prove e

definizione modello geotecnico


Ex.#1 Fase 2: Analisi limite


34

4 MODELLI COSTITUTIVI ELASTOPLASTICI

Theme #2: a critical point is that we want to use the most simple model !

Let us see what it happens in a BVP by adopting :

1) EI model (Elastic Isotropic)

2) MC model (Mohr Coulomb)

3) MMC model (Modified Mohr Coulomb)

hk hkij ijC

11 12 13 14 15 16

21 22 23 24 25 26

31 32 33 34 35 36

41 42 43 44 45 46

51 52 53 54 55 56

61 62 63 64 65 66

x x

y y

z z

xy xy

xz xz

yz yz

C C C C C C

C C C C C C

C C C C C C

C C C C C C

C C C C C C

C C C C C C

ij p

hk hkij ij hk ijD ( , , ,...)

The stiffness matrix of geomaterials

should depend at least by:

1)EI

Ex.#1 Fase 2 Scelta modelli costitutivi


35







hk hkij ijC

11 12 13 14 15 16

21 22 23 24 25 26

31 32 33 34 35 36

41 42 43 44 45 46

51 52 53 54 55 56

61 62 63 64 65 66

x x

y y

z z

xy xy

xz xz

yz yz

C C C C C C

C C C C C C

C C C C C C

C C C C C C

C C C C C C

C C C C C C

ij p




2)MC



36







hk hkij ijC

11 12 13 14 15 16

21 22 23 24 25 26

31 32 33 34 35 36

41 42 43 44 45 46

51 52 53 54 55 56

61 62 63 64 65 66

x x

y y

z z

xy xy

xz xz

yz yz

C C C C C C

C C C C C C

C C C C C C

C C C C C C

C C C C C C

C C C C C C

ij p




3)MMC

Cap model MMC q



Ex.#1 Fase 3: Analisi numeriche


Examples of Geotechnical modelling path 48


Example #1: Piazza Ghiaia in Parma

(Excavation processes)

Example #2: Cavities in Canosa (BT)

(Underground Cavities)


Percorso metodologico: Fase 1 49

Fase 1 - Studio sperimentale:

- a) rilievi: geometrico (cavit ed edifici) , idro-

geologico, e dei processi degradativi in atto;

- b) prove geomeccaniche in laboratorio (e sito) per

caratterizzare il comportamento meccanico dei

geomateriali intatti ed alterati;

- c) prove di degradazione: per quantificare gli effetti

dei processi di alterazione nel tempo (eventuale)

OBIETTIVI:

PASSARE IN RASSEGNA TUTTI I FATTORI IN GIOCO

DEL PROBLEMA REALE E SELEZIONARE QUELLI

RITENUTI DETERMINANTI PER LA SOLUZIONE.




Fase 2 - Studio teorico:

- a) scelta o sviluppo dei modelli teorici adeguati alla

descrizione dei processi selezionati;

- b) (eventuale) sviluppo e calibrazione semplificati

(modelli analitici) per una prima modellazione del

problema utilizzando geometrie semplificate

- c) sviluppo e calibrazione di modelli costitutivi

semplici e/o avanzati adatti a descrivere problemi

idro-chemo-meccanici

OBIETTIVO:

DEFINIRE UN MODELLO MATEMATICO CAPACE DI

DESCRIVERE E PREDIRE IL COMPORTAMENTO

GEOMECCANICO DEI MATERIALI SCELTI.




Fase 3 - Studio Numerico:

- a) scelta dello strumento numerico (metodo agli

elementi finiti e metodo agli elementi discreti);

- b) creazione di un unico modello 2D o 3D che

riassuma le informazioni selezionate (input

geometrico, idro-geologico, geotecnico e geochimico)

- c) esecuzioni delle analisi numeriche seguendo un

percorso gerarchico da modelli semplici a modelli

complessi

- d) analisi critica dei risultati e valutazione

quantitativa della stabilit

OBIETTIVO:

FORNIRE ANALISI E PREVISIONI QUANTITATIVE

DI




Fase 1 - Studio sperimentale:

- a) rilievi: geometrico (cavit ed edifici) , idro-

geologico, e dei processi degradativi in atto;

- b) prove geomeccaniche in laboratorio (e sito) per

caratterizzare il comportamento meccanico dei

geomateriali intatti ed alterati;

- c) prove di degradazione: per quantificare gli effetti

dei processi di alterazione nel tempo (eventuale)

OBIETTIVI:

PASSARE IN RASSEGNA TUTTI I FATTORI IN GIOCO

DEL PROBLEMA REALE E SELEZIONARE QUELLI

RITENUTI DETERMINANTI PER LA SOLUZIONE.



Esempio #2: Cavit sotterranee in calcarenite

Fase 1a rilievi



Fase 1a planimetria cavit-edificio



Fase 1a rilievo 3D con Laserscan



Fase 1a rilievo geologico



Fase 1b Prove sperimentali



Fase 1c Processi di alterazione

Dipendenza dal grado di saturazione Dipendenza dalla distanza dalla parete



Fase 1c Ulteriori prove avanzate

Bande di compattazione



Fase 2 - Studio teorico:

- a) scelta o sviluppo dei modelli teorici adeguati alla

descrizione dei processi selezionati;

- b) (eventuale) sviluppo e calibrazione semplificati

(modelli analitici) per una prima modellazione del

problema utilizzando geometrie semplificate

- c) sviluppo e calibrazione di modelli costitutivi

semplici e/o avanzati adatti a descrivere problemi

idro-chemo-meccanici

OBIETTIVO:

DEFINIRE UN MODELLO MATEMATICO CAPACE DI

DESCRIVERE E PREDIRE IL COMPORTAMENTO

GEOMECCANICO DEI MATERIALI SCELTI.



62







hk hkij ijC

11 12 13 14 15 16

21 22 23 24 25 26

31 32 33 34 35 36

41 42 43 44 45 46

51 52 53 54 55 56

61 62 63 64 65 66

x x

y y

z z

xy xy

xz xz

yz yz

C C C C C C

C C C C C C

C C C C C C

C C C C C C

C C C C C C

C C C C C C

ij p




1)EI


Fase 2a Scelta modelli costitutivi


63







hk hkij ijC

11 12 13 14 15 16

21 22 23 24 25 26

31 32 33 34 35 36

41 42 43 44 45 46

51 52 53 54 55 56

61 62 63 64 65 66

x x

y y

z z

xy xy

xz xz

yz yz

C C C C C C

C C C C C C

C C C C C C

C C C C C C

C C C C C C

C C C C C C

ij p




2)MC




64







hk hkij ijC

11 12 13 14 15 16

21 22 23 24 25 26

31 32 33 34 35 36

41 42 43 44 45 46

51 52 53 54 55 56

61 62 63 64 65 66

x x

y y

z z

xy xy

xz xz

yz yz

C C C C C C

C C C C C C

C C C C C C

C C C C C C

C C C C C C

C C C C C C

ij p




3)MMC

Cap model MMC q




65

Mechanical desctructuration (Lagioia and Nova, (1995))

p p pc s m v vtij

p p p p

Modelling the brittle-ductile transition of soft rocks (Nova (1992))

INTERGRANULAR BONDS

pt : tensile strength pm : additional compression strength

INITIAL ELASTIC DOMAIN

Triaxial compression Isotropic compression

CALCARENITE

LIMESTONE: triaxial comp.

Solid phase





Fase 2b,c Scelta dei modelli costitutivi

elastoplastico

semplice alla Mohr-Coulomb

2)MC

Lagioia

Nova (1995) , Nova Castellanza (2004)

grain (permanent)

bond (degradable)

O

C

fu (unbonded soil)g (plastic

potential)

Q(plastic flow direction)

f0 (fresh

rock)

Calcarenite

Calcarenite

Calcarenite


Calcarenite

Calcarenite

Calcarenite


Fase 2c criterio di rottura del modello scelto



Fase 3 - Studio Numerico:

- a) scelta dello strumento numerico (metodo agli

elementi finiti e metodo agli elementi discreti);

- b) creazione di un unico modello 2D o 3D che

riassuma le informazioni selezionate (input

geometrico, idro-geologico, geotecnico e geochimico)

- c) esecuzioni delle analisi numeriche seguendo un

percorso gerarchico da modelli semplici a modelli

complessi

- d) analisi critica dei risultati e valutazione

quantitativa della stabilit

OBIETTIVO:

FORNIRE ANALISI E PREVISIONI QUANTITATIVE

DI




Fase 3a fem o dem?

fem dem



Fase 3a esempio FEM con modello avanzato



Fase 1a rilievo 3D con Laserscan



Fase 3b solido 3D cavit



Fase 3b solido 3D edificio con carichi



Fase 3b modello di interazione completo



Fase 3b modello agli elementi finiti - mesh



Fase 3c analisi per fasi : carico geostatico



Fase 3c analisi per fasi : scavo cavit



Fase 3c analisi per fasi : costruzione edificio



Fase 3c risultati: sforzo deviatorico



Fase 3c risultati: sforzo deviatorico (max 335 kPa)



Fase 3c risultati: pressione media efficace



Fase 3c deformazioni plastiche



Fase 3d analisi critica quantitativa

Calcarenite

Calcarenite

Calcarenite

Sicurezza in condizioni estreme

Sicurezza in condizioni

Dott. Ing. Riccardo Castellanza Dott. Ing. Riccardo Castellanza


Definizione di modelli 94


Cosa intendiamo con modellazione

geotecnica?


Geological model

95


Classification model

Empirical modelling

Theoretical modelling

Constitutive modelling

Numerical modelling

Physical modelling

Centrifuge modelling

What we mean with geotechnical modelling?

Reference text: D.M. Wood (2004 ) Geotechnical Modelling, Spon Press, Taylor&F , Chapter 1 and Chapter 6

See examples in the following

1a Passi Modellazione Geotecnica

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