Studio a elementi discreti sulle caratteristiche meccaniche di strati sabbiosi-ghiaiosi a strati sotto un percorso di scarico delle sollecitazioni durante la costruzione con scudo

Perché gli scavi sotterranei influenzano la vita cittadina

Con l’espansione delle reti metropolitane e dei servizi cittadini, sempre più gallerie vengono scavate sotto strade e fabbricati. Quando un grande tunelatore realizza una galleria, modifica il modo in cui il terreno circostante viene compresso e rilasciato. In suoli stratificati composti da sabbia sciolta e massi grossolani, questi cambiamenti possono causare assestamenti o spostamenti imprevisti del terreno, minacciando le strutture vicine. Questo studio pone una domanda pratica: in che modo diverse modalità di rilascio della pressione sotterranea durante lo scavo influenzano la resistenza e la stabilità di tali terreni misti, e quanto conta la composizione degli strati?

Strati di sabbia e pietre sotto i nostri piedi

Molte città cinesi — e in effetti molte città nel mondo — sono costruite su terreni «compositi» costituiti da strati alternati di sabbia fine e massi o ghiaia più grossa. Questi materiali si comportano in modo molto diverso quando sono soggetti a compressione: la sabbia può fluire e riorganizzarsi, mentre i ciottoli formano uno scheletro più rigido. Durante lo scavo con scudo, il terreno davanti alla macchina attraversa un percorso complesso di compressione, taglio e poi scarico man mano che il materiale viene rimosso. I tradizionali test di laboratorio, che solitamente comprimono un unico suolo uniforme sotto pressione laterale costante, non catturano questo reale percorso delle sollecitazioni, in particolare la fase cruciale di scarico quando la faccia di scavo avanza e cambiano le condizioni di supporto.

Seguirne il percorso di compressione e rilascio

Per imitare più fedelmente lo scavo reale, i ricercatori hanno usato un approccio numerico chiamato metodo a elementi discreti, che rappresenta il terreno come innumerevoli particelle individuali che possono muoversi, ruotare e interagire. Hanno prima costruito un modello virtuale di una galleria che avanza attraverso sabbia densa e hanno seguito l’evoluzione delle sollecitazioni in diversi punti davanti alla faccia di scavo. Questo ha rivelato due schemi principali: in alcune zone sia le pressioni verticali sia quelle orizzontali diminuiscono insieme durante lo scavo; in altre, la pressione verticale cala mentre quella orizzontale rimane quasi costante. Questi percorsi delle sollecitazioni sono diventati la base per tre schemi di prova, che vanno dal rilascio rapido e simultaneo delle pressioni a scarichi più lenti o unilaterali, progettati per racchiudere condizioni realistiche di scavo.

Campioni di terreno virtuali sottoposti a prove controllate

Il gruppo ha poi costruito campioni digitali «triaxiali» composti da uno strato superiore di sabbia e uno inferiore di ciottoli, impilati come una torta a due strati. Hanno calibrato con cura le proprietà delle particelle in modo che campioni puri di sola sabbia o solo ciottoli corrispondessero ai risultati di prove di laboratorio su larga scala. Variando il rapporto di altezza tra sabbia e ciottoli, hanno creato diversi provini compositi e li hanno sottoposti ai tre schemi di scarico con diversi rapporti di sollecitazione iniziali (quanto il campione è compresso verticalmente rispetto al lato). Osservare come questi campioni si accorciavano, si ammorbidivano o mantenevano coesione durante scarichi controllati ha permesso ai ricercatori di collegare percorsi delle sollecitazioni, composizione degli strati e resistenza complessiva in modo difficile da ottenere con prove fisiche tradizionali.

Cosa succede cambiando modo e velocità di scarico

Le simulazioni mostrano che il modo in cui la pressione viene rilasciata controlla fortemente la risposta del terreno. Quando sia la pressione verticale sia quella laterale vengono ridotte rapidamente, le forze interne tra le particelle diminuiscono bruscamente e il campione si ammortizza e fallisce più rapidamente. Se la pressione laterale viene rilasciata più lentamente, il terreno ha tempo per riorganizzarsi; la curva sforzo-deformazione decresce più dolcemente e il campione si comporta in modo più resistente, cedendo più tardi. Quando la pressione laterale rimane quasi costante e viene ridotta solo quella verticale, la deformazione resta più limitata e il campione rimane relativamente stabile. In tutti i casi, aumentare lo spessore dello strato di ciottoli rinforza il campione e rende l’indebolimento post‑picco più graduale, perché i ciottoli sopportano forze di contatto maggiori e forniscono uno scheletro più robusto. Rapporti di sollecitazione iniziali più elevati migliorano anch’essi l’incastro tra particelle, aiutando il materiale a resistere all’ammorbidimento durante il rilascio delle sollecitazioni.

Perché questi risultati sono importanti per le gallerie cittadine

In parole semplici, lo studio mostra che sia la «ricetta» sabbia‑ciottoli nel terreno sia il modo preciso in cui lo scavo modifica le pressioni determinano se il terreno intorno a una nuova galleria si ammorbidisce o resta compatto. Un terreno con più ciottoli e uno stato di compressione iniziale maggiore può mantenere meglio la forma quando la pressione viene ridotta, mentre uno scarico rapido e simultaneo delle sollecitazioni verticali e orizzontali vicino alla faccia di scavo è più probabile che provochi perdita di resistenza. Per gli ingegneri ciò significa che il controllo attento della pressione di sostegno, della velocità di scavo e dei tempi del rivestimento, insieme all’attenzione alla stratigrafia locale di sabbia e ciottoli, può ridurre il rischio di assestamenti e instabilità eccessivi nei progetti di scavo urbano.

Citazione: Liang, L., Shi, Y., Wei, G. et al. Discrete element study on mechanical properties of layered sand-cobble strata under unloading stress path of shield construction. Sci Rep 16, 11502 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-41291-y

Parole chiave: scavo con scudo, terreno sabbioso-ghiaioso, percorso delle sollecitazioni, scavo sotterraneo, simulazione con metodo a elementi discreti