SEISMIC RESPONSE OF A TUNNEL EXCAVATED IN SATURATED SANDY SOILS

I tunnel metropolitani sono infrastrutture di trasporto fondamentali che consentono di gestire elevati volumi di traffico nelle città moderne. Fino a non molto tempo fa, si riteneva generalmente che le strutture sotterranee non fossero influenzate dalle azioni sismiche; tuttavia, sono stati riportati numerosi casi di danni severi ai tunnel in seguito a eventi sismici (Iida et al., 1996; Wang et al., 2009; Callisto e Ricci, 2019; Sudevan et al., 2020). In particolare, nei siti caratterizzati da terreni sabbiosi saturi suscettibili a liquefazione, sono stati osservati danni significativi, come evidenziato dalle criticità post-sismiche seguite ai terremoti di Loma Prieta, USA (1989) (Schmidt et al., 1998), Kushiro-Oki, Giappone (1993) (Koseki et al., 2000), Kocaeli, Turchia (1999) (Erdik, 2001), Maule, Cile (2010) (Lew et al., 2010), Tohoku, Giappone (2011) (Tokimatsu et al., 2012) e Christchurch, Nuova Zelanda (2011) (Kaiser et al., 2012). In questi casi, le strutture sotterranee sono state danneggiate principalmente da rilevanti forze di galleggiamento generate dalla liquefazione del terreno saturo circostante, che hanno localmente superato il peso proprio delle strutture interrate (Shen et al., 2022). Spesso, la risposta dinamica dei tunnel alle azioni sismiche viene studiata mediante un approccio semplificato disaccoppiato, in cui viene prima valutata la propagazione del moto sismico nel terreno in campo libero e successivamente vengono calcolate le forze indotte nel rivestimento del tunnel adottando soluzioni analitiche basate su ipotesi lineari semplificate. Tuttavia, grazie ai recenti progressi tecnologici che hanno significativamente ridotto i tempi di calcolo, sta diventando sempre più diffuso l’uso di un approccio completamente accoppiato, che consente di tenere esplicitamente conto dell’interazione terreno–struttura nell’ambito di simulazioni dinamiche agli elementi finiti. Questa schematizzazione del problema può portare a risultati differenti a seconda del modello costitutivo adottato per descrivere la risposta sismica del terreno. In questa tesi di dottorato, l’obiettivo è investigare l’influenza del modello costitutivo del terreno nella previsione della risposta sismica trasversale di un tunnel circolare immerso in un terreno sabbioso saturo. In particolare, le analisi numeriche agli elementi finiti ottenute mediante il modello avanzato SANISAND, qui adottato come comportamento di riferimento, vengono inizialmente confrontate con quelle ottenute tramite una formulazione visco-elastica, i cui parametri sono calibrati rispetto ai risultati di un’analisi visco-elastica equivalente lineare, e successivamente con quelle ottenute adottando il modello Hardening Soil with small strain stiffness, attraverso un noto codice commerciale. Un moto sismico di input (Arcelik) è stato scalato a tre diversi livelli di accelerazione massima al suolo (PGA) per valutare il campo di validità dei diversi modelli costitutivi. I risultati mostrano che, all’aumentare della PGA, solo il modello costitutivo SANISAND è in grado di descrivere il comportamento del terreno in modo più realistico. Infatti, grazie all’accoppiamento deviatorico–volumetrico, questo modello è in grado di cogliere l’innesco della liquefazione, che, nei casi di PGA più elevati, si sviluppa in zone prossime alla superficie piezometrica. Vengono quindi evidenziati i limiti associati all’uso di ipotesi costitutive più semplici rispetto all’intensità sismica considerata, fornendo così utili indicazioni sulla complessità del problema in esame. Nel rivestimento del tunnel, gli effetti delle prime irreversibilità si riflettono nelle distribuzioni della forza assiale e del momento flettente sia al termine dell’evento sismico sia al termine della fase di consolidazione. Tali effetti derivano dalle diverse deformazioni del rivestimento, conseguenza dell’accumulo di deformazioni plastiche che possono essere catturate solo mediante l’uso di modelli costitutivi avanzati, ossia utilizzando il modello SANISAND e, in misura minore, il modello HSsmall. Le analisi sono state eseguite sia in condizioni completamente non drenate sia mediante una formulazione di consolidazione dinamica (u–p), nella quale sono stati adottati diversi valori di permeabilità del terreno per investigarne il ruolo nella risposta sismica del tunnel. I risultati delle analisi u–p mostrano l’importanza della permeabilità nella risposta sismica del terreno. Ad esempio, osservando la storia temporale del rapporto di pressione interstiziale in eccesso (Ru) in un punto situato a 4,25 m sotto il livello del suolo, definito come il rapporto tra le pressioni interstiziali in eccesso generate durante l’evento sismico e la tensione verticale efficace litostatica, si può notare che Ru aumenta rapidamente nell’intervallo temporale corrispondente alla parte più significativa dell’accelerogramma di input. Dopo il picco, esso diminuisce con una velocità che dipende dalla permeabilità. Al contrario, nel caso di bassa permeabilità, così come nelle analisi completamente non drenate, Ru aumenta monotonicamente nel tempo fino a raggiungere il valore unitario, indicativo dell’avvenuta liquefazione. Per livelli di PGA più elevati, diventa quindi evidente l’importanza di adottare modelli costitutivi in grado di rappresentare correttamente l’accoppiamento idro-meccanico del terreno, elemento essenziale per una valutazione completa e realistica della risposta sismica dei tunnel in terreni sabbiosi saturi.