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Probabilistic characterization of shear strain-dependency of shear modulus and damping ratio for italian clays

Uzielli Marco Zei Marco Facciorusso Johann
Articolo Immagine
ISSN:
0557-1405
Rivista:
Rivista Italiana di Geotecnica
Anno:
2021
Numero:
2
Fascicolo:
Rivista Italiana di Geotecnica N. 2/2021
DOI:
10.19199/2021.2.0557-1405.055

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Caratterizzazione probabilistica della dipendenza del modulo di taglio e del rapporto di smorzamento dalla deformazione di taglio per argille italiane 


La valutazione quantitativa della dipendenza dal modulo di taglio e del rapporto di smorzamento dal livello di deformazione di taglio costituisce un elemento fondamentale nel processo di caratterizzazione del comportamento dei terreni in campo dinamico e ciclico. Tale dipendenza può essere investigata direttamente mediante lo svolgimento di prove dinamiche e cicliche di laboratorio su campioni indisturbati, e il successivo adattamento di modelli analitici ai dati sperimentali. Tale approccio è difficilmente adottabile nell’ambito della pratica professionale a causa dell’alto costo e della durata temporale delle suddette prove, e si rende quindi conveniente fare riferimento ad approcci empirici che consentono di stimare le proprietà dinamiche dei terreni a partire da altre proprietà geotecniche che condizionano il comportamento dinamico e ciclico e che siano facilmente ottenibili quali l’indice di plasticità. Analogamente a quanto osservato per molte altre discipline tecniche e ingegneristiche, la geotecnica sta sperimentando una costante evoluzione dal tradizionale approccio deterministico a un approccio non deterministico, nel quale la variabilità intrinseca nei dataset, le incertezze nelle misure in sito e di laboratorio, e le incertezze nei modelli utilizzati per ottenere parametri di progetto dalle misure stesse, sono modellate processate e riportate esplicitamente, con l’ausilio di tecniche quali quelle statistiche e probabilistiche. Un corpus crescente di letteratura scientifica e di applicazioni progettuali supporta l’asserzione circa l’adeguatezza dell’approccio non deterministico nel facilitare una più completa comprensione e modellazione ingegneristica della complessità dei sistemi geotecnici, e l’ottimizzazione del rapporto costi-prestazioni in fase di progetto e di realizzazione. Questo articolo presenta un metodo empirico innovativo per la caratterizzazione probabilistica della dipendenza del modulo di taglio e del rapporto di smorzamento dalla deformazione di taglio per terreni argillosi. Il metodo consta di semplici modelli analitici, richiedenti unicamente la conoscenza anche approssimata dell’indice di plasticità e applicabili a un ampio intervallo di valori di probabilità di superamento, derivati da un database di risultati di prove di colonna risonante e taglio torsionale ciclico su 170 campioni indisturbati di argille da siti italiani. L’articolo riporta anche un esempio di applicazione del metodo a un’analisi semplificata di risposta sismica monodimensionale.

The quantitative modeling of the shear strain-dependency of shear modulus and damping ratio is a fundamental step in the characterization of the dynamic cyclic behavior of soils. Such dependency can be investigated directly through specialized cyclic dynamic laboratory testing on undisturbed soil samples and through the subsequent fitting of analytical models. This approach is difficult to implement in routine practice, and it is convenient to refer to empirical models relating dynamic soil properties to other geotechnical properties such as plasticity, which are known to influence dynamic behavior, and which are easily and routinely measured. Like many technical and engineering disciplines, geotechnical engineering is experiencing a momentous shift in paradigm from the traditional deterministic approach to an uncertainty-based approach in which the inherent variability in datasets, uncertainties in measurements and engineering models used to transform in-situ and laboratory data to design parameters are modelled, processed, and reported explicitly, for instance through statistical and probabilistic techniques. An ever-increasing corpus of evidence from research and practice supports the argument that the uncertainty-based approach facilitates the improved understanding and engineering modelling of the unavoidable complexity in geotechnical systems, as well as cost-performance optimization in design and construction. This paper presents a novel method for the probabilistic characterization of shear strain-dependency of shear modulus and damping ratio for clays of differing levels of plasticity. Simple analytical relationships, which only require the availability or estimate of the plasticity index and which are applicable for a wide range of probabilities of exceedance, are derived from a high-quality database of resonant column and cyclic torsional shear test results on 170 undisturbed clay specimens from Italian sites. The paper concludes by demonstrating how to apply the results practically in a simplified one-dimensional ground response analysis. 


Keywords: cyclic dynamic behavior, shear modulus, damping ratio, statistics, probability, quantile regression.