Ingegneria civile e ambientale (Anno Accademico 2020/2021) - Strutture e infrastrutture

Per quanto concerne la parte di Meccanica delle Terre, gli obiettivi che si vogliono conseguire sono i seguenti:

1 - Assimilando il mezzo poroso a continui sovrapposti, apprendere la ripartizione dello stato di sforzo tra le fasi costituenti (definizione di sforzo efficace e postulato fondamentale: gli effetti misurabili dipendono dagli sforzi efficaci).

2 - Imparare la distinzione tra materiali a grana fine e materiali a grana grossa, comprendere il significato delle configurazioni drenate e non drenate e delle relative implicazioni.

3 - Inquadrare il comportamento meccanico delle terre nell’ambito della teoria dello stato critico, comprendere il ruolo paritetico degli sforzi efficaci e delle variazioni di volume, assimilare concetti quali resistenza di picco, dilatanza, stato critico.

4 - Inquadrare i problemi di equilibrio limite nell’ambito della teoria della plasticità e risolvere i casi elementari applicando il teorema statico e il teorema cinematico.

5 - Comprendere l’influenza della storia geologica (eventi deposizionali e post-deposizionali) sulla risposta meccanica dei materiali naturali.

In modo analogo, per la parte di Meccanica delle rocce, gli obiettivi sono:

1 - Fornire una visione aggiornata della meccanica e dell’ingegneria delle rocce, con riferimento agli elementi di base per lo studio delle rocce e degli ammassi rocciosi,in un’ottica applicativa.

2 - Imparare a descrivere e classificare in modo qualitativo e quantitativo la roccia intesa come materiale, l’ammasso roccioso e le discontinuità, avendo sempre ben in mente il problema applicativo.

3 - Inquadrare il comportamento meccanico delle rocce e degli ammassi rocciosi alla luce delle indagini e delle prove che si conducono in laboratorio ed in sito, dedicando anche una particolare attenzione alla simulazione del comportamento degli ammassi rocciosi, in un’ottica progettuale.

4 - Illustrare i metodi progettuali e di dimensionamento (di tipo empirico, razionale, osservazionale) delle costruzioni geotecniche in roccia e dei relativi mezzi di sostegno, rinforzo e stabilizzazione con riferimento a opere in sotterraneo, pendii naturali e fronti di scavo, fondazioni.

5 - Fornire, attraverso la presentazione di alcuni casi di studio, una visione dei problemi applicativi di interesse nell’Ingegneria Civile e più in generale nella Gestione/Protezione del territorio.

Il corso è composto da due moduli, Meccanica delle Terre e Meccanica delle Rocce.

Contenuto del modulo di Meccanica delle Terre

1. Introduzione al corso: presentazione degli obiettivi del corso, dell’approccio metodologico seguito, del materiale didattico, delle modalità di verifica.
2. Genesi, identificazione e classificazione delle terre. Fasi costituenti e relazioni tra le fasi.
3. Il mezzo poroso come continui sovrapposti. Ripartizione dello stato di sforzo tra le fasi costituenti. Variabili di sforzo e di deformazione. Percorsi di carico.
4. Tensioni geostatiche e storia geologica. Consolidazione per sedimentazione e eventi post-deposizionali: creep, scarico tensionale e fenomeni diagenetici.
5. Prove edometriche: quantificazione della storia tensionale e parametri di compressibilità. Esempi di calcolo di cedimenti in condizioni monodimensionali.
6. Criterio di rottura, concetto di dilatanza e di stato critico.
7. Comportamento meccanico delle argille tenere (I Parte: prove CID).
8. Comportamento meccanico delle argille tenere (II parte: prove CIU e superficie di stato).
9. Comportamento meccanico delle argille consistenti: peculiarità strutturali, comportamento della matrice e dell’ammasso.
10. Resistenza al taglio non drenata: significato dell’analisi in termini di tensioni totali.
11. Il comportamento meccanico lontano dalla rottura:scelta dei parametri di deformabilità.
12. Moti di filtrazione: aspetti cinematici del moto dei fluidi e influenza del moto di filtrazione sulle condizioni di equilibrio di un mezzo poroso: concetto di gradiente idraulico critico e fenomeni di sifonamento.
13. Modello matematico del mezzo poroso. Filtrazione in regime stazionario.
14. Teoria della consolidazione: modello monodimensionale e applicazione al calcolo del decorso dei cedimenti nel tempo.
15. Condizioni di equilibrio limite: stato limite attivo e stato limite passivo.
16. Teoria di Coulomb e di Rankine. Discontinuità statiche.
17. Opere di sostegno e relative verifiche di sicurezza.
18. Introduzione al calcolo della capacità portante: meccanismi e teoremi della plasticità.
19. Capacità portante delle fondazioni su terreni a grana fine: analisi in condizioni non drenate.
20. Capacità portante delle fondazioni su terreni a grana grossa: formula trinomia.
21. Il comportamento delle strutture nella fase di esercizio: terminologia relativa ai cedimenti e individuazione dei valori limite.
22. Impiego della teoria dell’elasticità: formulazione del problema elasto-statico e calcolo delle tensioni indotte da carichi applicati alla frontiera.
23. Esempio dettagliato di calcolo dei cedimenti con riferimento al comportamento della Torre di Pisa.
24. Esempi di interventi di stabilizzazione: la Cattedrale di Città del Messico e la Torre di Pisa.

Contenuto del modulo di Meccanica delle Terre

25. Introduzione al corso: presentazione degli obiettivi, illustrazione del programma, dell’approccio metodologico seguito, del materiale didattico, dei campi di applicazione.
26. Descrizione della roccia intatta e dell’ammasso roccioso. Descrizione qualitativa e quantitativa delle caratteristiche delle discontinuità (Sistemi e discontinuità principali).
27. Indagini geologiche e geotecniche in profondità:il ruolo e l’utilizzo delle perforazioni di sondaggio. Esempi.
28. Indagini geologiche e geotecniche in superficie:il ruolo e l’utilizzo dei rilievi lungo stendimento. Trattazione dei dati riguardanti l’ammasso roccioso e le discontinuità. Esempi.
29. Classificazione degli ammassi rocciosi. Inquadramento dei metodi. Metodo RMR. Esempi.
30. Classificazione degli ammassi rocciosi. Metodi Q e GSI. Esempi.
31. Prove di laboratorio su roccia (I Parte). Le prove di classificazione.
32. Prove di laboratorio su roccia(II Parte).La determinazione delle caratteristiche di deformabilità e resistenza. Prova di compressione monoassiale e triassiale. Interpretazione delle prove. Esempi.
33. Prove di laboratorio di tipo specialistico. L’ anisotropia di deformabilità e di resistenza. Le prove in pressa rigida. L’influenza del fattore tempo. Prove in presenza di fluido. Il comportamento meccanico della roccia nelle condizioni di laboratorio.
34. I criteri di resistenza per la roccia intatta. Criterio di resistenza di Mohr-Coulomb. Criterio di resistenza di Hoek-Brown. Esempi di interpretazione per la determinazione dei parametri di resistenza.
35. La resistenza al taglio delle discontinuità. La prova di taglio diretto per discontinuità artificiali e naturali. Il comportamento meccanico delle discontinuità. Il criterio di resistenza di Barton.
36. Prove in sito (I Parte). Prove statiche per la determinazione delle caratteristiche di deformabilità degli ammassi rocciosi. La prova di carico su piastra e le modalità di interpretazione.
37. Prove in sito (II Parte).Prove ed indagini geofisiche per la determinazione delle caratteristiche di deformabilità degli ammassi rocciosi. Il flusso idraulico nei mezzi fratturati. Le prove per la determinazione delle caratteristiche di permeabilità.
38. La determinazione dello stato di tensione naturale in sito. Metodi sperimentali per misure a piccola ed a grande profondità. Esempi.
39. Metodi di simulazione del comportamento meccanico degli ammassi rocciosi. Continuo e discontinuo. Sviluppo dei diversi modelli in un’ottica applicativa e progettuale. Stima dei parametri.
40. Metodi progettuali e di dimensionamento delle costruzioni geotecniche, alla luce dell’interazione con l’ammasso roccioso (Parte I). Metodi di tipo tipo empirico, razionale, osservazionale. Metodi analitici: equilibrio limite e metodo delle tensioni.
41. Metodi progettuali e di dimensionamento delle costruzioni geotecniche, alla luce dell’interazione con l’ammasso roccioso (Parte I). Metodi numerici. Ruolo e limiti in un’ottica progettuale moderna. Esempi.
42. Gallerie e cavità sotterranee (Parte I). Inquadramento sui metodi di scavo tradizionale e meccanizzato. Opere lineari (le gallerie) e puntuali (le caverne). I relativi mezzi di sostegno, rinforzo e stabilizzazione. Esempi.
43. Gallerie e cavità sotterranee (Parte II). Metodi delle tensioni. Soluzioni analitiche in forma chiusa per gallerie circolari profonde. L’analisi di stabilità.Esempio di calcolo.
44. Gallerie e cavità sotterranee (Parte II). Metodo convergenza -confinamento. La linea caratteristica del cavo. La linea caratteristica del “sostegno”. Effetto fronte.Esempio di calcolo.
45. Gallerie e cavità sotterranee (Parte III). Metodi di calcolo delle gallerie in mezzi spingenti. Analisi della risposta del cavo in rocce a comportamento fragile a grande profondità.Esempio di calcolo.
46. Pendii naturali e fronti di scavo (Parte I). Esame dei tipi di instabilità negli ammassi rocciosi. Il metodo dell’equilibrio limite in condizioni bidimensionali e tridimensionali.Il fattore di sicurezza. Esempi di calcolo.
47. Pendii naturali e fronti di scavo (Parte II). I metodi di rinforzo e stabilizzazione. Introduzione ai metodi di analisi e calcolo.
48. Fondazioni su roccia. Metodi di verifica. Dighe e grandi e grandi infrastrutture.
49. Casi di studio. Esempi.