VERIFICHE DEGLI STATI LIMITE ULTIMI IDRAULICI (NTC 2018)

Le opere geotecniche devono essere verificate nei confronti dei possibili stati limite di sollevamento o di sifonamento.
Il sollevamento (Uplift) comporta la perdita di equilibrio della struttura o del terreno a causa della sottospinta dell’acqua (fenomeni di galleggiamento di strutture interrate, come parcheggi sotterranei, stazioni metropolitane, etc.. o di sollevamento del fondo scavo).
L’erosione e il sifonamento del terreno è generato dai moti di filtrazione (Hydrodinamic conditions) dal basso verso l’alto, con gradiente idraulico tale da produrre l’annullamento delle tensioni efficaci.

SIFONAMENTO
In un terreno privo di legami coesivi, in presenza di filtrazione ascendente quando i = i_C, si annullano le forze intergranulari, si annulla la resistenza del terreno e le particelle solide possono essere trasportate dall’acqua in movimento, dando origine ad un fenomeno progressivo di erosione che conduce al collasso della struttura del terreno. Tale fenomeno è noto come instabilità idrodinamica (o sifonamento).

NTC 2018 …

In condizioni di flusso prevalentemente verticale:
a) nel caso di frontiera di efflusso libera, la verifica a sifonamento si esegue controllando che il gradiente idraulico i risulti non superiore al gradiente idraulico critico i_C diviso per un coefficiente parziale J_R = 3, se si assume come effetto delle azioni il gradiente idraulico medio, e per un coefficiente parziale J_R = 2 nel caso in cui si consideri il gradiente idraulico di efflusso.
Il fattore di sicurezza globale nei confronti del sifonamento è il rapporto tra il gradiente idraulico critico, i_C, e quello presente in esercizio (gradiente di efflusso), i_E:
FS=(i_C/ J_R )/i_E
In prima approssimazione, con riferimento al percorso di filtrazione più corto, A‐B (situazione più critica, Fig. 1), nell’ipotesi di perdita di carico lineare con la profondità e trascurando lo spessore del diaframma, il gradiente di efflusso, i_E è dato da:
i_E=H/(H+2D)=H/2D

dove:
– H è la perdita di carico tra i due punti A e B della superficie libera
– D è la profondità d’infissione del diaframma.

Fig. 1–Sifonamento (fenomeno localizzato)

b) in presenza di un carico imposto sulla frontiera di efflusso, la verifica si esegue controllando che la pressione interstiziale in eccesso rispetto alla condizione idrostatica risulti non superiore alla tensione verticale efficace calcolata in assenza di filtrazione, divisa per un coefficiente parziale J_R = 2.
Deve risultare:

u_inst,d ≤ σ_stb,d

essendo:
u_inst,d= V_inst,d = valore di progetto della pressione interstiziale instabilizzante
u_inst,d = γ_w ·(D + H_c) =γ_w (D + H/2) (avendo assunto cautelativamente H_c=H/2)
σ_tb,k = G_stab,d + R_d = valore caratteristico della tensione totale stabilizzante
σ_tb,d= σ_tb,k/ J_R
σ_stb,k = γ_sat·D (Q_inst,d = 0)

SOLLEVAMENTO DEL FONDO SCAVO A LUNGO TERMINE

Per la stabilità al sollevamento deve risultare che il valore di progetto dell’azione instabilizzante V_inst,d, ovverosia della risultante delle pressioni idrauliche ottenuta considerando separatamente la parte permanente (G_inst,d) e quella variabile (Q_inst,d), sia non maggiore della combinazione dei valori di progetto delle azioni stabilizzanti (G_stb,d) e delle resistenze (R_d):

V_inst,d ≤G_stb,d+R_d

dove
V_inst,d=G_stb,d+Q_inst,d
Per le verifiche di stabilità al sollevamento, i relativi coefficienti parziali sulle azioni sono indicati nella Tab. 6.2.III. Al fine del calcolo della resistenza di progetto R_d, tali coefficienti devono essere combinati in modo opportuno con quelli relativi ai parametri geotecnici (M2).

Il sollevamento del fondo scavo è un fenomeno analogo al sifonamento, dovuto alle forze di filtrazione al piede di un diaframma (vedi Fig. 2), che si estende a tutta la profondità D dello scavo per una larghezza pari a D/2.

Fig. 2–Sollevamento del fondo scavo 

Forza instabilizzante (forze di filtrazione dovute alla componente idrodinamica della pressione interstiziale):
S_w=γ_w·H_c·D/2
Forza stabilizzante (peso immerso del cuneo di terreno):
W’=γ’·D·D/2

FS=W’/S_w

Per incrementare il valore di FS si possono adottare le seguenti soluzioni:
1) aumentare la profondità di infissione in modo da ridurre il gradiente di efflusso;
2) disporre sul fondo dello scavo in adiacenza al diaframma un filtro costituito da materiale di grossa pezzatura in modo da incrementare le tensioni efficaci:

FS=(W’+W)/S_w
W peso del filtro

3) inserire dei dreni in modo da ridurre le sovrappressioni.

 

Il software SPW esegue le verifiche degli stati limiti idraulici (NTC 2018) e restituisce il reticolo di filtrazione.