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The contribution of constitutive modelling to sustainable geotechnical engineering: examples and open issues

Amorosi Angelo
Articolo Immagine
Rivista:
Rivista Italiana di Geotecnica
Anno:
2020
Numero:
2
Fascicolo:
Rivista Italiana di Geotecnica N. 2/2020
DOI:
10.19199/2020.2.0557-1405.005

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Il contributo della modellazione costitutiva all’ingegneria geotecnica sostenibile: esempi e questioni aperte 

In questo articolo si esamina il ruolo della modellazione costitutiva dei terreni nel contesto di una moderna ingegneria geotecnica orientata alla sostenibilità. In esso, prendendo a riferimento la letteratura scientifica disponibile, sono inizialmente proposte le definizioni e le relazioni tra gli elementi che caratterizzano la sostenibilità, quanto declinata nel contesto dell’ingegneria civile e, più in particolare, in quella geotecnica, per poi focalizzare l’attenzione sul tema specifico del ruolo della modellazione costitutiva, attraverso alcuni esempi caratterizzati da crescente livello di complessità. In dettaglio, vengono per primi discussi i risultati delle analisi di due problemi al finito, uno relativo alla costruzione per fasi di una diga in terra e l’altro al comportamento di una galleria durante e dopo un evento sismico inteso, che mostrano chiaramente come un leggero incremento di complessità nelle ipotesi costitutive possa dare luogo a risultati ben più realistici, tali da supportare l’adozione di soluzioni ingegneristiche più sostenibili. La seconda parte dell’articolo è dedicata alla discussione di questioni specifiche relative ad alcuni recenti progressi nella modellazione costitutiva dei terreni coesivi naturali: in particolare, quelli volti a tener conto dei cosiddetti effetti di struttura, quali ad esempio la cementazione tra i grani e la degradazione meccanica della stessa, ed a quelli di anisotropia e relativa evoluzione. A tal scopo vengono illustrati alcuni quadri di riferimento oggi ben consolidati, basati sulla teoria della plasticità con incrudimento, per tener conto di struttura e anisotropia delle argille, evidenziandone i possibili vantaggi e limiti in analisi numeriche di problemi al finito di ingegneria geotecnica. Emerge che sono necessari ulteriori sforzi di ricerca per definire procedure efficaci di inizializzazione – a livello di intero deposito di terreno – delle, spesso numerose, variabili interne che caratterizzano le moderne leggi costitutive oggi disponibili in letteratura.

This paper discusses the role of constitutive modelling in the context of modern sustainability-driven geotechnical engineering. The necessary definitions and fundamental relations among the elements characterising sustainability in civil and geotechnical engineering are first provided, based on the available scientific literature, to then introduce the key topic here discussed by some examples, characterised by increasing level of complexity in terms of constitutive modelling assumptions. This objective is first attempted by presenting the results of the analyses of two boundary value problems, one related to the staged construction of an earth dam and the other devoted to the analysis of the seismic performance of a tunnel, which clearly show that a slight improvement in the constitutive assumptions can lead to rather more realistic, instructive and sustainable representations of reality. The second part of the paper is devoted to the discussion of some specific issues related to more recent advances in plasticity-based constitutive modelling of soils, focusing on clayey natural soils affected by structure, and its degradation, and by anisotropy, and its evolution. In this context, some well-established advanced constitutive frameworks are discussed, specifically focusing on the advantages and limitations of their use in the numerical analyses of geotechnical boundary value problems. It emerges that more research efforts are needed to define effective procedures to initialise at the deposit level the, often many, internal variables typically characterising advanced constitutive laws.

Keywords: sustainability, constitutive modelling, structure, anisotropy