Studio teorico-sperimentale sul comportamento meccanico di discontinuità in roccia soggette a sollecitazioni di taglio ciclico

Abstract

Il comportamento meccanico di un ammasso roccioso, è fortemente influenzato dalla presenza, al suo interno, di fratture, giunti e piani di scistosità. La caratterizzazione meccanica di questi elementi, che interrompono la continuità della roccia, è di notevole importanza in vari campi dell’ingegneria: si pensi allo scavo di una galleria, o alla stabilità di un pendio. La presenza di discontinuità nell’ammasso roccioso modifica, mediante le sue proprietà, le caratteristiche meccaniche, termiche e idrauliche delle rocce. La descrizione dei parametri geometrici (in particolare la rugosità del giunto) e meccanici (resistenza, rigidezza, deformabilità) delle discontinuità naturali, oltre che per lo studio del comportamento a taglio, risultano fondamentali per una buona valutazione delle caratteristiche di resistenza e deformabilità dell’ammasso roccioso. Molti risultati di test di laboratorio, mostrano che, la rugosità delle discontinuità è di estrema importanza per lo studio del comportamento meccanico dei giunti. In particolare, la rugosità influenza fortemente lo sviluppo della dilatanza: di conseguenza, la resistenza a taglio del giunto, durante lo spostamento di taglio, dipende dalla rugosità del giunto stesso. Inoltre, è dimostrato che la rugosità della superficie delle discontinuità diminuisce con l’aumentare dello spostamento di taglio, a causa del superamento delle asperità o della rottura di esse. In una prova di taglio, la rugosità, la tensione di confinamento e lo spostamento di taglio imposto, influenzano la degradazione della superficie, che aumenta al crescere di questi. Nel caso di sollecitazioni cicliche, dovute ad esempio ad un sisma, gli effetti di spostamenti ripetuti, anche di modeste entità, si sommano determinando una progressiva variazione della morfologia delle discontinuità con conseguente diminuzione delle resistenze mobilitabili. L’effetto del danneggiamento delle superfici, appare essere una causa rilevante della variazione della resistenza della discontinuità per carichi agenti inferiori alla resistenza di picco, monotonici o ciclici, ed è per questo motivo che il presente studio si è concentrato sullo sviluppo di una metodologia sperimentale, che permetta di quantificare il danneggiamento delle superfici dovuto anche ad azioni sismiche, per poter prevedere la conseguente riduzione di resistenza. Scopo di questo lavoro infatti, è stato determinare gli effetti di sismi sulle discontinuità sulla base di prove di taglio realizzate in controllo di spostamento e a dilatanza impedita su campioni artificiali che riproducono discontinuità naturali. A tale scopo è stata progettata e realizzata una specifica scatola di taglio per l’esecuzione di prove di taglio ciclico con la possibilità di variare l’ampiezza e la frequenza degli spostamenti indotti. Si è poi cercato di definire un’ indice di degrado legato alle caratteristiche geometriche e meccaniche dei campioni che potesse essere collegato agli effetti dovuti ad un evento sismico. E’ prassi, infatti, simulare le accelerazioni sismiche per il calcolo del danneggiamento a fatica di materiali o di strutture complesse attraverso metodologie di conteggio cicli equivalenti in termini di danneggiamento indotto. Sulla base di questi metodi si è elaborato una tecnica di conteggio cicli equivalenti per prove di taglio e sono state elaborate delle relazioni che descrivono l’evoluzione dei parametri di resistenza, con particolare riguardo al confinamento del campione e alla velocità di raggiungimento dei parametri di resistenza residui nel caso di prova dinamica.

The effect of stresses induced by cyclic loads on the mechanical behavior of rock discontinuity is an important aspect in engineering rock mechanics. Experimental results reported by several authors (Hutson & Dowding, 1990 - Jafari et al., 2004 – Lee et al., 2001) show as shear strength decreases in presence of cyclic loads and as it varies in relation with the number of load cycles, frequency and amplitude. The understanding of this complex mechanism needs the quantitative evaluation of several driving parameters trough experimental testing and theoretical developments. Moreover, shear strength of rock discontinuities is strongly influenced by discontinuity morphology. Cyclic load application, even if of small entity, can induce high stress concentration at the discontinuity asperities. Consequently asperities can failed determining a global stress distribution on the discontinuity and a general strength decrease. Damage effect on the discontinuities (Belem et al., 2000 – Grasselli, 2002) is an important cause of strength variation for small intensity loads even belong the peak values, and, for this reason, this research was dedicated to the development of an experimental methodology able to quantify the rock damage when different amplitude and frequency loads are acting. Moreover, load velocity application can influence joint strength as demonstrated by Barbero et al. in 1996. For this purpose a special device has been design and developed at the University of Parma. This device is realized to be placed inside the MTS press available at our Laboratory of Material testing. The press allows the application of monotonic and cyclic loads, in load or in deformation control. Quantitative evaluation of the rock joint damage is realized by a photogrammetrical survey of the discontinuity realized before and after the tests. The surface comparison allows for the identification of the damage areas. Plasticity areas are compared with damage areas obtained with the experimental tests and the results allow for the model calibration. Finally theoretical and experimental results are interpreted at the light of the damage model developed by Belem et al. 2000 for a quantitative evaluation of the joint roughness and resistance. The work can help in understand the complex behavior of rock discontinuity in different loads conditions.