Liquefazione dei terreni in condizioni sismiche

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1 UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI FIRENZE DIPARTIMENTO DI INGEGNERIA CIVILE e AMBIENTALE Sezione Geotecnica Liquefazione dei terreni in condizioni sismiche Prof. Ing. Claudia Madiai INTRODUZIONE Definizioni In senso stretto liquefazione è lo stato fisico in cui può venire a trovarsi un terreno sabbioso saturo quando la sua resistenza al taglio si riduce drasticamente per effetto dell incremento e dell accumulo delle pressioni interstiziali In senso ampio con il termine liquefazione si indicano differenti fenomeni fisici (liquefazione ciclica, mobilità ciclica, fluidificazione) molto diversi tra loro, osservati nei materiali granulari saturi durante l applicazione di carichi dinamici e ciclici in condizioni non drenate 2 1

2 INTRODUZIONE La liquefazione dei depositi e dei pendii durante i terremoti è una delle principali cause di danno ed è perciò uno dei fenomeni più studiati dal punto di vista geotecnico Lo studio è affrontato a diverse scale e con diversi approcci: Osservazione e analisi di casi reali hanno evidenziato: manifestazioni diverse nei depositi e nei pendii siti più predisposti di altri verificarsi del fenomeno in relazione alla severità del terremoto Indagini in sito e di laboratorio hanno consentito di: caratterizzare i depositi interessati o meno da fenomeni di liquefazione riprodurre il fenomeno in laboratorio mediante prove cicliche Analisi teoriche e numeriche hanno permesso: la modellazione teorica del fenomeno la simulazione numerica con verifica dei modelli 3 INTRODUZIONE Le conoscenze acquisite mediante lo studio alle diverse scale e con i diversi approcci hanno evidenziato che: l occorrenza di fenomeni di liquefazione è legata alla combinazione di fattori predisponenti (natura dei terreni) e fattori scatenanti (sisma); in mancanza di uno di tali fattori i terreni non arrivano a liquefazione è possibile effettuare affidabili previsioni del rischio di liquefazione e proteggersi dagli effetti distruttivi legati a questo fenomeno con una opportuna scelta dei siti di costruzione e/o con interventi sui terreni e sulle opere di fondazione e hanno consentito di approfondire i seguenti aspetti: 1. che cos è la liquefazione e perché accade 2. quando e dove può verificarsi 3. evidenze ed effetti alla scala del manufatto e del territorio 4. come si può valutare il rischio di liquefazione 5. come è possibile mitigarne gli effetti 4 2

3 1. Che cos è la liquefazione e perché accade Per capire cos è la liquefazione occorre esaminare lo stato di sforzo prima e durante lo scuotimento sismico in un elemento di volume di terreno all interno del deposito Un terreno granulare saturo è costituito da un insieme di grani a contatto tra loro e da acqua interstiziale La resistenza è di tipo frizionale, dipende solo dalla tensione media di contatto ( ) e può essere espressa ad es. dalla relazione di Mohr-Coulomb: = tg = ( -u) tg ( : tensione totale; u: pressione interstiziale) 5 1. Che cos è la liquefazione e perché accade Durante lo scuotimento sismico (carico dinamico e ciclico) si realizzano condizioni non drenate l acqua rimane intrappolata nei vuoti e la pressione interstiziale varia di u con conseguente variazione della resistenza al taglio: = tg = ( -u- u) tg Se la deformazione di taglio indotta dalla sollecitazione è maggiore di v, la u media è progressivamente crescente la resistenza al taglio può ridursi drasticamente fino ad annullarsi (per u= iniziale ) e il terreno tende a comportarsi come un fluido viscoso 6 3

4 1. Che cos è la liquefazione e perché accade h v D Prima dello scuotimento sismico un generico elemento di volume all interno di un deposito è soggetto, rispettivamente sui piani orizzontale e verticale, agli sforzi normali efficaci ' v e h nonché ad eventuali sforzi di taglio D (driving stresses) (parte della resistenza disponibile in direzione orizzontale e verticale è mobilitata per contrastare gli sforzi di taglio D ) 7 1. Che cos è la liquefazione e perché accade Durante il terremoto l elemento di volume è soggetto a sforzi aggiuntivi i di taglio alternati ti cyc Tali sforzi inducono nei terreni sciolti la tendenza ad una diminuzione di volume che, essendo impedita (condizioni non drenate), genera un incremento della pressione interstiziale degradazioned della rigidezza id deformazioni sempre più elevate Sforzi efficaci (e resistenza) si riducono e possono giungere ad annullarsi il terreno si comporta come un fluido viscoso h u D v cyc cyc t h cyc max v D t 8 4

5 Effetti della perdita di resistenza del terreno per liquefazione Nell ipotesi che valga il criterio di rottura di Mohr-Coulomb: f f,o ( ' n ' n u ) f, o resistenza al taglio iniziale ' n sforzo efficace iniziale normale alla giacitura di rottura Ribaltamento di edifici Ribaltamento e spostamento laterale di opere di sostegno Movimenti franosi 9 1. Che cos è la liquefazione e perché accade Fenomeni inclusi nel termine liquefazione D = sforzo di taglio statico prima del terremoto r= resistenza al taglio non drenata residua m = tensione efficace media Fluidificazione D r D sforzo statico prima del terremoto sforzo statico prima del terremoto Mobilità ciclica m 0 r D r Liquefazione ciclica m 0 r D r r D 0 D

6 1. Che cos è la liquefazione e perché accade Fenomeni e severità del danno Liquefazione ciclica (cyclic liquefaction) Assenza di sforzi di taglio necessari per l equilibrio statico (p.c. orizzontale e assenza di carichi in superficie) Non produce danni Mobilità ciclica (cyclic mobility) Sforzi di taglio necessari per l equilibrio statico inferiori alla resistenza al taglio dopo il terremoto Deformazioni permanenti limitate, spostamenti ti laterali, li cedimenti, smottamenti ti Fluidificazione (flow liquefaction) Sforzi di taglio necessari per l equilibrio statico superiori alla resistenza al taglio dopo il terremoto Deformazioni permanenti elevate, collassi di fondazioni e opere di sostegno, frane Che cos è la liquefazione e perché accade La liquefazione ciclica è un caso particolare di mobilità ciclica E importante soprattutto perché i metodi di previsione della liquefazione fanno riferimento a questo caso Superficie libera v v h cyc h cyc cyc cyc t 12 6

7 2. Quando e dove può verificarsi la liquefazione La liquefazione è influenzata da: CARATTERISTICHE DEL TERRENO comportamento contraente o dilatante, funzione dello stato di addensamento (D r, e) e della pressione media efficace di confinamento ( 0 ) distribuzione granulometrica (D 50,Uc,CF) storia tensionale (OCR) grado di saturazione (S r ) condizioni di drenaggio (impedito o semimpedito, ad es. dalla presenza di stati drenanti intercalati ai terreni liquefacibili) sforzi di taglio statici preesistenti e resistenza residua ( D, r ) CARATTERISTICHE DELLA AZIONE SISMICA ampiezza dello sforzo di taglio ed inversione degli sforzi Quando e dove può verificarsi la liquefazione La liquefazione generalmente avviene quando sono verificate simultaneamente le seguenti condizioni: Condizioni del terreno : (fattori predisponenti, influiscono su iniziale ) Profondità dello strato < m dal p.c. Profondità della falda < 5 m Densità relativa D r < 60 %) Diametro medio 0.02 mm < D 50 <2 mm Frazione di fini ( < mm) < 15% Condizioni sismiche : (fattori scatenanti, influiscono su u) Magnitudo > 5.5 PGA > 0.15 g durata > sec 14 7

8 2. Quando e dove può verificarsi la liquefazione CASO Niigata (1964) Niigata (1964) Alaska (1964) Alaska (1964) Tokachioki (1968) Tokachioki (1968) S.Fernando (1971) M D r (%) a max (g) durata (s) Periodo (s) Sì Sì Sì No No Sì Sì Quando e dove può verificarsi la liquefazione Caso M Niigata 7.5 (1964) 0 (kpa) N SPT N Liquefazione Liquefazione No Niigata (1964) Alaska (1964) Alaska (1964) Sì Sì Sì Tokachioki (1968) Tokachioki (1968) Tokachioki (1968) No Sì Sì 0 : tensione efficace media di confinamento N : valore di N SPT corretto e normalizzato 16 8

9 2. Quando e dove può verificarsi la liquefazione osservazione di casi reali di liquefazione e non liquefazione CSR = sforzo di taglio indotto dall azione sismica (normalizzato rispetto alla pressione litostatica efficace) (N 1 ) 60 = numero di colpi della STP (corretto e normalizzato) CSR liquefazione non liquefazione (N 1 ) Quando e dove può verificarsi la liquefazione terreni suscettibili di liquefazione 18 9

10 2. Quando e dove può verificarsi la liquefazione La liquefazione si può verificare nei seguenti siti: in prossimità di mari, fiumi, laghi, baie, oceani, spiagge, depositi fluviali, estuari, pianure aree portuali depositi sabbiosi olocenici e pleistocenici sciolti con falda molto superficiale (H < 5m) prima durante Evidenze ed effetti in sito Le manifestazioni associate alla liquefazione sono numerose e molto varie: crateri, vulcanelli, fuoriuscite di acqua e sabbia grandi oscillazioni e rotture del terreno abbassamenti e sollevamenti del terreno movimenti orizzontali del terreno (lateral spreading) movimento di masse fluide / collasso in pendii naturali e artificiali perdita di capacità portante delle fondazioni galleggiamento di opere sotterranee collasso di opere di sostegno e banchine portuali 20 10

11 3. Evidenze ed effetti in sito Liquefazione ciclica - deposito sabbioso omogeneo Getti d acqua e sabbia (dissipazione delle pressioni interstiziali in eccesso) crateri cedimenti prima durante dopo particelle di sabbia sciolta a contatto tra loro ( > 0) perdita dei contatti per accumulo di u fino a che 0 dissipazione di u, recupero dei contatti, addensamento delle particelle Evidenze ed effetti in sito Liquefazione ciclica - deposito sabbioso con copertura di terreno non liquefacibile Terreno non liquefacibile Getti d acqua e sabbia (dissipazione delle pressioni interstiziali in eccesso) Vulcanelli di sabbia Terreno sabbioso cedimenti prima durante dopo 22 11

12 3. Evidenze ed effetti in sito Schemi di manifestazioni di liquefazione ciclica Sabbia NS Cratere (vent) Strato NL Avvallamenti Sabbia SL andboil_ mo Sabbia NS Sabbia SL Cratere con riempiment o Cratere con acqua Rotture Strato NL Sabbia SL Graben Strato NL manifestazioni associate a grandi oscillazioni Vulcanelli di sabbia (sand boils) Sabbia SL Strato NL Sabbia SL Vulcanelli di sabbia convessi Strato NL Fessure di sabbia NL= non liquefacibile NS = non satura SL = satura liquefacibile Strato NL Sabbia SL Sabbia SL 23 Crateri e vulcanelli Loma Prieta, California, M=

13 Crateri e vulcanelli Emilia Romagna, M= Testimonianza storica del terremoto di Rimini, M=

14 Rotture del terreno/fuoriuscite di acqua e sabbia Taiwan, M= Rotture del terreno/fuoriuscite di acqua e sabbia Taiwan, 1999 Emilia - M=7.6 Romagna, M=

15 Fuoriuscite di acqua e sabbia / formazione di laghi Kokaeli, Turkey, M= Fuoriuscite di acqua e sabbia Niigata, Japan, M=

16 Fuoriuscite di acqua e sabbia Emilia Romagna, M= Rotture del terreno/fuoriuscite di acqua e sabbia Emilia Romagna, M=

17 3. Evidenze ed effetti in sito Schemi di manifestazioni di mobilità ciclica grandi oscillazioni e rotture del terreno abbassamenti e sollevamenti del terreno 33 Abbassamenti e sollevamenti del terreno Loma Prieta, California, M=

18 Abbassamenti e sollevamenti del terreno Emilia Romagna, M= Abbassamenti del terreno Niigata, Japan, M=

19 Abbassamenti del terreno Kocaeli, Turkey, M= Evidenze ed effetti in sito Schemi di manifestazioni di mobilità ciclica movimenti orizzontali del terreno (lateral spreading) 38 19

20 Lateral spreading Loma Prieta, California, M= Movimento di grandi masse dovuto a lateral spreading Kocaeli, Turkey, M=7.6 Tipico profilo dei terreni ad Adapazari, Turkey 40 20

21 Lateral spreading Emilia Romagna, M= Evidenze ed effetti in sito Schemi di manifestazioni di fluidificazione movimento di masse fluide/collasso in pendii naturali e artificiali 42 21

22 Movimento di masse fluide e collasso di pendii naturali Anchorage, Alaska, M= Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali S. Fernando, California, M=

23 Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali Meccanismo relativo al crollo della diga di S. Fernando Evidenze ed effetti in sito Schemi di manifestazioni di fluidificazione perdita di capacità portante delle fondazioni collasso di opere di sostegno e banchine 46 23

24 Perdita di capacità portante delle fondazioni Loma Prieta, California, M= Perdita di capacità portante delle fondazioni Kocaeli, Turkey, M=

25 Perdita di capacità portante 49 Galleggiamento di manufatti Kobe, Japan, M=6.9 S. Francisco, California, M=

26 Strutture fuori terra sprofondamento Manufatti interrati galleggiamento 51 Spostamento orizzontale e collasso di una banchina portuale Kobe, Japan, M=

27 4. Come si valuta il rischio di liquefazione Casi in cui si può escludere la liquefazione In base al D.M la liquefazione si può escludere qualora sia verificata almeno una delle seguenti condizioni: 1. Eventi sismici di magnitudo inferiore a 5 2. Accelerazioni massime al piano campagna in condizioni free-field minori di 0,1 g 3. Profondità media stagionale della falda superiore ai 15 m dal piano campagna (per p.c. suborizzontale e strutture con fondazioni superficiali) 4. Sabbie pulite caratterizzate da (N 1 ) 60 >30 oppure q c1n >180, essendo (N 1 ) 60 e q c1n rispettivamente t il valore del numero di colpi da SPT e della resistenza di punta da CPT, normalizzati e corretti 5. Distribuzione granulometrica esterna a determinate fasce critiche Altri criteri di esclusione possono essere stabiliti sulla base del contenuto di fine FC (frazione passante al setaccio 200 ASTM mm) e delle sue caratteristiche, ad es: FC > 20% con indice di plasticità I P > 10%; oppure: FC >35% e resistenza (N 1 ) 60 > 20 oppure FC > 5% e resistenza (N 1 ) 60 > Come si valuta il rischio di liquefazione Casi in cui si può escludere la liquefazione Fasce critiche (coefficiente di uniformità Uc < 3.5) pass sante, p (%) Limo Sabbia Ghiaia Elevata 60 possibilità di liquefazione Possibilità di liquefazione Uc < (curve D.M ) diametro, d (mm) 54 27

28 4. Come si valuta il rischio di liquefazione Casi in cui si può escludere la liquefazione Fasce critiche (coefficiente di uniformità Uc > 3.5) 100 Limo Sabbia Ghiaia pass sante, p (%) Elevata possibilità di liquefazione Possibilità di liquefazione (curve D.M ) Uc > diametro, d (mm) Come si valuta il rischio di liquefazione Come si può determinare la magnitudo attesa per le verifiche di liquefazione Si può fare riferimento al seguente testo guida per la MZS: Gruppo di lavoro MS, Indirizzi e criteri per la microzonazione sismica. Conferenza delle Regioni e delle Province autonome - Dipartimento della Protezione Civile Reperibile al sito: all'interno della sezione "Rischio sismico Le indicazioni sono contenute nel 2.8.2: Valutazione della magnitudo 56 28

29 Come si può determinare la magnitudo attesa per le verifiche di liquefazione METODO DELLE ZONE SISMOGENETICHE 1. Se il sito in esame appartiene a una delle 36 zone sismogenetiche (v. ZS9) si assume come M il valore M wmax della zona di appartenenza 2. Se il sito non ricade in alcuna zona sismogenetica si determinano le minime distanze del sito dalle zone circostanti (R i ) e si calcola M s(i) = 1+3log(R i ). Se M s(i) < M wmax(i) si assume per la verifica il valore M wmax(i) più alto fra quelli che soddisfano la relazione precedente Se M s(i) > M wmax(i) si determina M con il metodo di disaggregazione g Zonazione ZS9 57 Come si può determinare la magnitudo attesa per le verifiche di liquefazione METODO DI DISAGGREGAZIONE Figura Valori medi di M per comune, ottenuti a seguito della disaggregazione della pericolosità con periodi di ritorno di 475 anni (elaborazione su dati da Spallarossa e Barani, 2007)

30 ESEMPIO - Si può escludere la verifica a liquefazione? METODO DELLE ZONE SISMOGENETICHE 905 R 912 (A) 45 km R 917 (A) 130 km M s(912) = 5.96 < 6.14=M wmax(912) M s(917) = 7.34 > 6.14=M wmax(917) (quindi M=6.14 non si può escludere la verifica nel sito A in base al punto 1 del ) R 912 (B) 155 km R 905 (B) 170 km M s(912) = 7.57 > 6.14=M wmax(912) M s(905,906) = 7.69 > 6.60=M wmax(905) R 905 (B) B R 912 (B) A R 917 (A) R 912 (A) Per determinare M attesa al sito B si ricorre al METODO DI DISAGGREGAZIONE 59 ESEMPIO - Si può escludere la verifica a liquefazione? DETERMINAZIONE DELLA MAGNITUDO ATTESA AL SITO B CON IL METODO DI DISAGGREGAZIONE 60 30

31 ESEMPIO - Si può escludere la verifica a liquefazione? DETERMINAZIONE DELLA MAGNITUDO ATTESA AL SITO B CON IL METODO DI DISAGGREGAZIONE M=5.61 (non si può escludere la verifica nel sito B in base al punto 1 del ) 61 ESEMPIO - Si può escludere la verifica a liquefazione? DETERMINAZIONE DELLA ACCELERAZIONE MASSIMA ATTESA AL SITO B a g = 0.057g in base al punto 2 del si può escludere la verifica a liquefazione per le categorie di sottosuolo B, C, E (S S,max = ). Per la categoria di sottosuolo D si ha a max =0.1g (S S,max =1.8) 62 31