PIANO REGIONALE DELLE ATTIVITA ESTRATTIVE

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1 PIANO REGIONALE DELLE ATTIVITA ESTRATTIVE VALUTAZIONI PRELIMINARI SULLA NATURA E SULLO STATO DEGLI AMMASSI ROCCIOSI IN RELAZIONE ALLO SVILUPPO DI ATTIVITÀ ESTRATTIVE Consulenza: Overland Studio Associato

2 L approvvigionamento di materie prime mediante la coltivazione in cava va ad inserirsi in un sempre più complesso sistema ambientale, tecnico, economico e normativo atto ad evitare il semplicistico sfruttamento della risorsa individuata, cercando di ottimizzare, in termini spaziali e temporali, la collocazione delle diverse attività. Ciò, insieme alla necessità di procedere, nelle diverse fasi di coltivazione, con il massimo del rendimento per quanto attiene la produttività e con il massimo del controllo in materia di sicurezza, evidenzia l importanza di un approfondita conoscenza dello stato della risorsa e della sua possibile evoluzione in funzione delle geometrie e delle metodologie di scavo adottate. Ad aspetti cardine dell impresa estrattiva quali la previsione e la pianificazione a medio-lungo termine dell attività, la valutazione della economicità e coltivabilità della risorsa ed il rispetto delle norme di sicurezza e di tutela ambientale vanno ad aggiungersi nuove problematiche legate al corretto inserimento ed all integrazione nel contesto naturale, sia nelle fasi di lavorazione sia nel corso del ripristino dei luoghi, nonché alla valutazione preventiva della qualità del giacimento e dei possibili fenomeni di instabilità innescabili da errate o superficiali analisi soggettive sui fronti di cava. Quanto verrà discusso nel seguito ha lo scopo di fornire un quadro sinottico relativo alle più diffuse metodologie di analisi degli ammassi rocciosi mediante le quali giungere ad una corretta classificazione degli stessi. Il campo di applicazione spazia da rilievi in condizioni pre-intervento, ovvero analisi di versanti in condizioni naturalità, a rilievi volti all ottimizzazione delle geometrie di attacco dei fronti, durante la coltivazione, a rilievi di tutte quelle situazioni relative a cave non più utilizzate ed i cui fronti potrebbero costituire un elemento di pericolosità in merito al manifestarsi di scorrimenti, distacchi e cedimenti nell ammasso roccioso non stabilizzato. A quest ultimo aspetto è stata recentemente data attenzione a livello nazionale per la sua possibile integrazione nei vari Piani Regionali delle Attività Estrattive in considerazione della solo recente regolamentazione del settore (anni 80) a livello regionale contrapposta alla lunga tradizione e storia dell attività estrattiva in Italia, che pertanto ha dato luogo a molteplici situazioni di tale natura. In tale ambito l obiettivo programmato è quello di giungere in via prioritaria alla conoscenza dello stato degli ammassi rocciosi per tutte quelle attività abbandonate e/o dismesse ed alla conseguente pianificazione e 2

3 progettazione degli interventi di mitigazione del rischio associato alla possibile generazione di fenomeni di instabilità. Descrizione e classificazione degli ammassi rocciosi Nel corso degli studi preliminari per l individuazione di materiali passibili di coltivazione ed in assenza di analisi di dettaglio sullo stato dei luoghi e sulle caratteristiche dell ammasso roccioso nonché sullo stato tensionale e sulle condizioni idrogeologiche dell area, l utilizzo di schemi classificativi può fornire notevoli vantaggi. In via preliminare la classificazione di un ammasso roccioso può fornire un insieme di informazioni utili allo scopo finale, derivandole dall esame di ben determinate ed oggettive caratteristiche da rilevare. Naturalmente il carattere speditivo del rilievo di tali dati non può sostituire le analisi di dettaglio da condurre nelle fasi esecutive e di produzione ma, essendo disponibili sin dal primo approccio, consentono una ottimale pianificazione delle attività future ed una concreta valutazione dello stato del giacimento. Al fine di descrivere correttamente la risorsa individuata alcune valutazioni preliminari devono essere condotte. In particolare è necessario definire la tipologia di materiale in funzione di: petrografia della roccia, tenendo conto della costituzione mineralogica, della modalità di messa in posto e dei caratteri tessiturali. Benchè di carattere generale tale descrizione fornisce informazioni qualitative sul comportamento dell ammasso (es. presenza di anisotropie nel fabric individuano aree di concentrazione di stress, presenza di minerali igroscopici o idrosolubili); mineralogia della roccia, considerando la diffusione di particolari specie mineralogiche e la presenza di fenocristalli o associazioni criptocristalline; struttura e tessitura della roccia, valutando da un esame macroscopico la dimensione delle particelle costituenti, la presenza di condizioni isotrope o l orientazione preferenziale di alcune di esse, le condizioni di microfessurazione; alterazione, valutando lo stato e la natura della stessa nonché lo spessore coinvolto nel processo; 3

4 proprietà meccaniche, valutate in via speditiva con test effettuati direttamente sull ammasso roccioso o se possibile con prove di laboratorio per la valutazione della resistenza a compressione uniassiale. La descrizione di un ammasso roccioso è volta oltre che all individuazione e classificazione del comportamento delle litologie in esame anche alla valutazione dei fenomeni di instabilità che possono coinvolgerle in porzioni più o meno estese nell ambito del versante naturale o del fronte di cava. Possono distinguersi a tal riferimento diverse tipologie di fenomeni: rotture su superfici planari o circolari lungo piani di scorrimento preferenziale, preesistenti o di neoformazione. Ne possono essere coinvolti ammassi rocciosi sia a comportamento attritivo che coesivo, aventi struttura granulare (ghiaie, sabbie, limi e argille) o essendo costituiti da rocce compatte altamente fratturate. Fra le cause innescanti può essere considerato la presenza di versanti e superfici esposte con elevata altezza ed inclinazione, il richiamo di una resistenza al taglio inferiore allo sforzo agente lungo il od i piani di scorrimento, la filtrazione di acque nell ammasso, la presenza o l imposizione di carichi accidentali di natura statica (sovraccarichi) o dinamica (input sismici); rotture e distacco di porzioni di roccia con seguenti crolli e rotolamenti di blocchi isolati cinematicamente. Sono coinvolti essenzialmente materiali lapidei il cui distacco e le cui traiettorie sono condizionate dalla geometria del versante o dal fronte dello scavo, dalla presenza di discontinuità variamente interagenti fra di loro, di zone alterate e degradate, dalla presenza ed accumulo di acque nelle intercapedini e dall assetto strutturale che pone a contatto materiali a differente reologia e resistenza nei confronti degli agenti esogeni; rotture e distacco di porzioni di roccia con seguenti ribaltamenti di blocchi a geometria tabulare o colonnare. In tale tipo di fenomeno restano coinvolti essenzialmente litologie ad elevata resistenza, interessate da sistemi di fratturazione subverticali ed aventi direzione parallela a quella del versante esposto. Sono cause innescanti/predisponenti la presenza di forti dislivelli topografici, di set di fratture isoorientate, di apparati radicali di piante ruderali o d alto fusto, di acque nelle discontinuità e stress dinamici (input sismici); rotture lungo superfici piane la cui intersezione individua cunei o prismi di roccia la cui dinamica è legata alle relazioni giaciturali fra i suddetti piani la superficie esposta del versante naturale o del fronte di cava. Anche in questo caso sono cause innescanti/predisponenti la presenza di forti dislivelli topografici, di set di fratture ben 4

5 definiti aventi intersezioni ad elevata pendenza ed emergenti dal versante, di acque di infiltrazione nelle discontinuità e di stress dinamici (input sismici). Per quanto attiene la prima tipologia di movimenti la valutazione della stabilità del fronte è generalmente affrontata a mezzo di modelli di calcolo 2D all equilibrio limite, atti ad individuare, mediante processi iterativi, la superficie critica di rottura in funzione di parametri geometrici, fisici e geomeccanici, dei versanti analizzati. In condizioni di stabilità le procedure di calcolo forniscono un coefficiente di sicurezza calcolato dal rapporto fra resistenza richiamata e forze agenti. Modelli di calcolo più complessi sono basati su analisi di probabilità nell individuazione della superficie di più probabile scorrimento o su analisi 3D o quasi 3D basati su modelli di calcolo agli elementi finiti o alle differenze finite. In ambito estrattivo le problematiche maggiormente frequenti sono però legate alle restanti tipologie e, pertanto, per esse viene di seguito fornito un quadro più dettagliato delle indagini da effettuare completato dalla predisposizione di un esempio pratico eseguito su di un versante carbonatico di una vecchia cava abbandonata. 5

6 Fronti di cava in roccia Sono da definire cave in roccia tutte quelle cave per la coltivazione di ammassi rocciosi; si considerano ammassi rocciosi quei materiali in posto, formati da minerali o aggregati di granuli, caratterizzati da valori medi-elevati di resistenza meccanica che non decade considerevolmente in funzione delle condizioni di umidità e pressione. Le metodiche di caratterizzazione di seguito esposte sono valide per fronti rocciosi nei quali si abbia la presenza di discontinuità sufficientemente estese che localmente si intersechino. Classificazione e stima della stabilità dei fronti rocciosi di cave La classificazione dei fronti di cava, costituiti da masse rocciose caratterizzate da discontinuità sufficientemente persistenti, andrà valutata mediante la definizione del Rock Mass Rating (RMR; Bieniawski, 1989). L RMR (come si vedrà più avanti) è un indice che si ottiene dalla somma di una serie di sottoindici, i quali dipendono dalle principali caratteristiche della roccia e dei giunti di discontinuità (Resistenza a compressione della roccia intatta, Rock Quality Designation, Spaziatura, Tipologia dei giunti, Condizioni idrauliche), ed è corretto in funzione della mutua orientazione dei piani di discontinuità, del fronte libero e dell angolo di attrito disponibile lungo le discontinuità stesse. In particolare, l interazione tra i giunti di discontinuità, il fronte libero e l angolo di attrito disponibile andrà valutata mediante l applicazione del Test di Markland che consente di pervenire ad una prima stima della stabilità del fronte roccioso. Il rilievo geomeccanico dovrà fornire un modello dell'ammasso roccioso il quale consenta di suddividere il fronte di cava in aree omogenee. Ogni area omogenea sarà caratterizzata da un medesimo indice RMR e da un unico Test di Markland. Le aree ad uguale RMR e caratterizzate da un unico Test di Markland dovranno essere riprodotte in elaborati cartografici. Il numero e la lunghezza degli stendimenti del rilievo geomeccanico, definiti in funzione della geometria dei fronti e della distribuzione e densità spaziale dei giunti, dovranno permettere di pervenire alla stima di aree geomeccanicamente omogenee. Zone poco accessibili non riconducibili ad aree omogenee rilevate o zone il cui 6

7 comportamento non può essere ricondotto ad un mezzo roccioso caratterizzato da discontinuità dovranno essere opportunamente indicate negli elaborati cartografici e la loro stabilità, se necessario, dovrà essere valutata con altri sistemi. Al fine di avere una stima dell'influenza di ponti di roccia (dovuti all interruzione di una discontinuità nella roccia) sulla stabilità del fronte, per ogni area omogenea, dovrà essere indicato l'indice Tr e il potenziale contributo unitario alla resistenza al taglio offerto dalla coesione (c) del ponte di roccia. 7

8 Rilievo geomeccanico Un ammasso roccioso può essere descritto attraverso le caratteristiche della roccia sana (non alterata ed in posto) e delle discontinuità che la dissecano. Di seguito vengono elencati e definiti i principali parametri necessari alla classificazione di un ammasso roccioso. La maggior parte di questi parametri dovrà essere definita lungo una linea di misura indicando opportunamente la distanza progressiva della discontinuità dal punto zero sullo stendimento di misura. La lunghezza della linea di misura dovrà essere tale da intercettare un numero di discontinuità rappresentativo del fronte in esame. DISCONTINUITÀ Termine che indica qualsiasi interruzione nella continuità dell ammasso roccioso avente resistenza a trazione bassa o nulla. Durante il rilevamento è importante indicare la tipologia (frattura, faglia, strato, ecc) di ogni discontinuità rilevata. DISTANZA PROGRESSIVA Misura della distanza della intercetta della discontinuità con la linea dello stendimento di misura dal punto scelto come origine (progressiva 0+00 m+cm). ORIENTAZIONE DEI GIUNTI La giacitura nello spazio delle discontinuità (orientazione) è definita dall inclinazione della linea di maggior pendenza, misurata rispetto all orizzontale, e dalla direzione dell immersione misurata in senso orario rispetto al Nord. Nella figura è rappresentata la convenzione per la misura dell orientazione; in essa sono in evidenza: a retta di massima pendenza del piano di discontinuità; b proiezione della retta a sul piano orizzontale; α angolo formato dalle rette a e b (inclinazione); β angolo azimutale della retta a misurato in senso orario (direzione di immersione). 8

9 Esempio di giacitura di una discontinuità: direzione di immersione/inclinazione: 010 /50. FAMIGLIA O SISTEMA DI DISCONTINUITÀ La famiglia o sistema di discontinuità è un insieme di discontinuità che hanno orientazione simile e possono essere rappresentate da un unica orientazione. L orientazione delle singole famiglie andrà assegnata tramite opportuna proiezione equatoriale equiarea (emisfero inferiore del reticolo di Schmidt) dei poli delle discontinuità rilevate e successiva ricostruzione delle linee di iso-densità dei poli e delle aree ad uguale densità di poli. Il valore centrale dell area a concentrazione di poli più alta può essere assunto come rappresentativo dell orientazione media dell insieme di discontinuità. Nell esempio sono riportati i poli delle discontinuità e le aree ad ugual densità di poli rappresentate con colori che vanno dal giallo al rosso all aumentare della percentuale di densità. Per il caso riportato si possono assumere tre famiglie di discontinuità principali: Strato 011/49 Discontinuità principali 095/80 Discontinuità secondarie 201/30 Ad esse sono associate alcune discontinuità occasionali a giacitura variabile. APERTURA DISCONTINUITÀ Distanza tra le pareti di una discontinuità sul fronte, misurata perpendicolarmente alle stesse, in millimetri, in prossimità dello stendimento di misura. Per ogni sistema di discontinuità andrà indicato il valore modale. Le aperture visibili sui fronti sono caratterizzate, naturalmente, da una apertura che è verosimilmente maggiore di quella che caratterizza l interno della massa rocciosa. 9

10 Aperture estremamente larghe( 1m) dovranno essere ubicate negli elaborati cartografici ai quali andrà allegata fotografia rappresentativa della discontinuità. RIEMPIMENTO DISCONTINUITÀ Il riempimento è il materiale interposto tra le pareti della discontinuità. Di tale materiale andranno descritte la natura e la resistenza a compressione uniassiale mediante prove di indice manuale, prove con Pocket Penetrometer, prove con sclerometro o prove di laboratorio su campioni indisturbati. Sulla base di queste prove il materiale di riempimento potrà essere distinto in compatto o molle. Come riferimento si possono considerare molli i riempimenti con JCS < 25 MPa e compatti quelli con JCS 25 MPa. ALTERAZIONE GIUNTO Indicazione qualitativa del grado di alterazione delle pareti del giunto a causa dei processi di ossidazione, disgregazione e degradazione. Si utilizzano termini secondo una scala che va da non alterato a decomposto. Una indicazione sul grado di alterazione si può ottenere dal rapporto JCS/UCS. RUGOSITÀ E JRC (JOINT ROUGHNESS COEFFICIENT) La rugosità rappresenta l andamento morfologico (ondulazioni, dentellature, gradini ecc.) delle superfici affacciate di una discontinuità. Essa deve essere definita secondo la direzione di potenziale scivolamento e dovrà far riferimento all andamento della superficie del giunto a piccola scala (diversi centimetri) ed a scala intermedia (diversi metri). Di fianco sono riportati i profili di rugosità e la relativa nomenclatura: Scala piccola rugosa, liscia e levigata Scala intermedia segmentata, ondulata e piana. La lunghezza di ciascun profilo rappresentato può variare da 1 a 10 metri; le scale orizzontale e verticale sono uguali. 10

11 La definizione della rugosità a piccola scala deve prevedere la determinazione del Coefficiente di rugosità del giunto (JRC) il quale rappresenta un parametro fondamentale per poter determinare l angolo di attrito di picco. Il JRC potrà essere ottenuto tramite il confronto tra il profilo della discontinuità (ottenuto con profilometri ad aghi) ed i dieci profili tipo proposti da Barton (coefficienti variabili da 0 a 20). ESTENSIONE Misura in metri della lunghezza della traccia visibile della discontinuità. CONTINUITÀ INTRAFORMAZIONALE La tipologia di terminazioni del giunto è indicativa della continuità della discontinuità all interno del fronte roccioso. Per ogni discontinuità si devono classificare le due terminazioni secondo la seguente terminologia: tipo X terminazione del giunto non visibile; tipo D terminazione della discontinuità su un altra discontinuità; tipo R terminazione della discontinuità nella roccia; L estensione e le terminazioni di un giunto sono rappresentative dell estensione areale della discontinuità (persistenza della discontinuità). I dati relativi alle terminazioni dei giunti dovranno essere sintetizzati mediante la 11

12 definizione dell indice di terminazione della massa rocciosa (Tr). L indice Tr è dato dal rapporto percentuale tra il numero di terminazioni delle discontinuità in roccia ed il numero totale di discontinuità [Tr = 100* (terminazioni in roccia / 2*discontinuità rilevate)]. Tale indice consente di avere una prima indicazione dell influenza di eventuali ponti di roccia sulla stabilità dell ammasso roccioso. A fianco sono riportate le tracce di discontinuità presenti in corrispondenza di un fronte roccioso. Le lettere apposte sulle estremità delle discontinuità indicano la tipologia delle terminazioni. Si contano 17 terminazioni X, 2 terminazioni D e 13 terminazioni R; queste forniscono un indice Tr = 40%. ORIENTAZIONE DEL FRONTE E DELLA LINEA DI MISURA Le orientazioni del fronte di cava e della linea di misura di rilievo geomeccanico (stendimento) vanno rilevate e sono valide le stesse metodologie date per la misura delle discontinuità. Secondo quanto indicato per le discontinuità andranno misurate le orientazioni del fronte di cava e della linea di misura di rilievo geomeccanico. RESISTENZA A COMPRESSIONE UNIASSIALE DELLA ROCCIA SANA (UCS) E DELLE PARETI DEI GIUNTI (JCS) E COESIONE DEI PONTI DI ROCCIA La resistenza a compressione della roccia intatta (UCS) dovrà essere stimata mediante prove di laboratorio o prove in sito condotte sul materiale costituente l ammasso roccioso non alterato. Tra le prove di laboratorio saranno preferibili quelle convenzionali su provini cilindrici; per quelle in sito si potrà utilizzare il martello di Schmidt tipo L per rocce da deboli a estremamente resistenti. La resistenza a compressione delle pareti dei giunti (JCS) dovrà essere valutata 12

13 mediante prove con sclerometro (martello di Schmidt tipo L) o prove di indice manuale effettuate in corrispondenza delle pareti della discontinuità. Operativamente in corrispondenza di ogni zona di prova vengono effettuate 10 battute con il martello che consentono di ottenere 10 valori di rimbalzo ( r per la valutazione di JCS ed R per la valutazione di UCS). I cinque valori più alti del rimbalzo vengono mediati e successivamente corretti in funzione dell inclinazione dello sclerometro al momento della misura. In laboratorio si determina il peso dell unità di volume della roccia; utilizzando il valore medio corretto di r e R ed il peso dell unità di volume della roccia si determinano mediante il grafico proposto da Hoek & Bray (1981) la resistenza a compressione della roccia sana (UCS) e la resistenza a compressione dei giunto (JCS). Di seguito sono riportate la tabella di correzione del rimbalzo in funzione dell inclinazione dello sclerometro e la carta di correlazione per il martello di Schmidt (tipo L) tra la densità, la resistenza a compressione e il valore dell impulso. Correzione del rimbalzo in funzione dell inclinazione dello sclerometro Rimbalzo Verso il basso Verso l alto Orizzontale , , ,9-8,8-6,9-3, ,8-7,8-6,2-3, ,7-6,6-5,3-2, ,6-5,3-4,3-2, ,4-4,0-3,3-1,7 13

14 Carta di correlazione per il martello di Schmidt La coesione dei ponti di roccia (c) potrà essere stimata assumendo una curva di inviluppo a rottura sul piano di Mohr di tipo lineare (c = 0,5 (Co*To) 1/2 ) ed una resistenza a trazione della roccia intatta (To) pari ad un nono della resistenza a compressione uniassiale della roccia intatta (Co). Utilizzando le semplificazioni prima enunciate la coesione è pari ad 1/6 della resistenza a compressione uniassiale. CONDIZIONE IDRAULICA DEL GIUNTO La condizione idraulica del giunto è rappresentata dalla quantità di acqua presente in corrispondenza delle varie discontinuità. SPAZIATURA, NUMERO VOLUMETRICO DELLE DISCONTINUITÀ (JV) E ROCK QUALITY DESIGNATION (RQD) La spaziatura è il valore modale della distanza che separa discontinuità della stessa famiglia. Essa è riferita ad un piano ortogonale alle discontinuità. Può essere misurata per 14

15 ogni sistema di discontinuità secondo una linea normale alla famiglia di giunti; qualora non fosse possibile si dovrà effettuare una correzione che tenga conto dell orientazione della linea di misura e della giacitura della famiglia di discontinuità. Il numero volumetrico delle discontinuità (Jv) è la somma del numero di discontinuità al metro lineare per ogni famiglia di giunti. Il numero di discontinuità al metro lineare per ogni famiglia di giunti dovrebbe essere valutato lungo una linea perpendicolare all orientazione di ogni discontinuità. Il Rock Quality Designation è un indice rappresentativo della qualità dell ammasso roccioso intesa come integrità della roccia in esame. Esso è originariamente definito come il rapporto percentuale tra la somma degli spezzoni di carota di sondaggio più lunghi di 10 cm e la lunghezza del tratto di perforazione considerato (le lunghezze da prendere in considerazione sono funzione della variazione dei domini strutturali attraversati durante i sondaggi geognostici). In definitiva l RQD potrà essere ottenuto mediante l esecuzione di sondaggi geognostici ovvero tramite la correlazione con il Jv secondo la seguente relazione RQD = 115 3,3 Jv. 15

16 Parametri di classificazione L ammasso roccioso dovrà essere classificato attraverso la determinazione del Rock Mass Rating, dell indice di terminazione dei giunti e della stima della forma dei blocchi. CLASSIFICAZIONE DI BIENIAWSKI E ROCK MASS RATING La Classificazione di Bieniawski (1989) prevede la definizione di cinque parametri relativi alle caratteristiche dell ammasso roccioso e dei giunti; la somma di questi cinque parametri fornisce il BRMR. Per poter pervenire al Rock Mass Rating è necessario apportare una correzione all indice BRMR la quale dipende dalla mutua orientazione dei piani di discontinuità e del fronte libero e dall angolo di attrito disponibile lungo le discontinuità stesse. Le singole caratteristiche, dei giunti e della roccia intatta, utili alla definizione dei parametri propri della classificazione RMR dovranno essere opportunamente valutati in sito e restituiti in forma di tabelle e diagrammi da allegare alla classificazione. I parametri e gli indici necessari a poter pervenire ad una corretta valutazione del RMR sono i seguenti Parametro A1 - Resistenza a compressione della roccia intatta La resistenza a compressione della roccia intatta dovrà essere stimata mediante prove con martello di Schmidt per rocce da deboli a estremamente resistenti, mentre si dovrà far ricorso a prove di indice manuali (o di laboratorio) per rocce molto deboli o estremamente deboli. Sulla base del grafico proposto da Bieniawski del 1989 la correlazione tra la resistenza a compressione della roccia intatta e l indice del parametro A1 varia in forma continua. 16

17 Grafico di correlazione tra la resistenza a compressione della roccia intatta e l indice del parametro A1 Parametro A2 - Rock Quality Designation Sulla base del grafico proposto da Bieniawski del 1989 la correlazione tra il Rock Quality Designation e l indice del parametro A2 varia in forma continua. Grafico di correlazione tra il Rock Quality Designation e l indice del parametro A2 17

18 Parametro A3 - Spaziatura La spaziatura è il valore modale della distanza che intercorre tra discontinuità appartenenti alla stessa famiglia, essa dovrà essere misurata o calcolata secondo un piano ortogonale alla famiglia di discontinuità. Sulla base del grafico proposto da Bieniawski del 1989 la correlazione tra la spaziatura e l indice del parametro A3 varia in forma continua. Grafico di correlazione tra la spaziatura e l indice del parametro A3 18

19 Parametro A4 - Condizione dei giunti Dovranno essere definite le caratteristiche principali dei giunti quali: lunghezza, apertura, rugosità, riempimento e alterazione. Attraverso la suddivisione per classi è possibile assegnare gli indici parziali di ogni caratteristica dei giunti. La somma dei singoli indici parziali consente di pervenire all indice del parametro A4. Condizione dei giunti Caratteristiche Valori e tipologia Lunghezza giunto <1m 1-3 m 3-10 m m >20 m Indice Apertura giunto Chiuso <0,1 mm 0,1-1 mm 1-5 mm >5 mm Indice Rugosità Molto Leggerm. Rugoso giunto rugoso rugoso Liscio Laminato Indice Riempimento Nessun o Compatto<5mm Compatto>5mm Molle<5mm Molle>5mm Indice Alterazione Non Molto Legg.alterati Mediam.alterati giunti alterati alterati Decomposti Indice Parametro A5 - Condizioni idrauliche La definizione delle condizioni idrauliche prevede l indicazione qualitativa della quantità di acqua presente in corrispondenza delle varie discontinuità. Le quantità dovranno essere definite indicando il periodo intercorso dall ultima precipitazione piovosa o nevosa. Attraverso la stima qualitativa della quantità di acqua nei giunti è possibile assegnare l indice del parametro A5. 19

20 Condizioni idrauliche Tipologia dei giunti Giunti asciutti Umidi Bagnati Stillicidio Venute d acqua Indice Indice BRMR Dalla somma dei parametri precedentemente indicati si ottiene il BasicRMR (BRMR = A1+A2+A3+A4+A5) Indice di correzione e RMR Il RMR corrisponde al BRMR corretto tramite la sottrazione di un indice di correzione Ic che dipende dalle condizioni di stabilità del fronte (RMR = BRMR Ic). L indice di correzione è definito mediante termini qualitativi che dovranno comunque essere opportunamente giustificati mediante interpretazione del Test di Markland. Indice di Condizione di stabilità correzione Molto Favorevole Media Sfavorevole Molto sfavorevole favorevole Indice Test di Markland Il Test di Markland dovrà essere effettuato definendo per ogni area omogenea l'orientazione delle singole famiglie di giunti (preferibilmente definita mediante proiezione dei poli dei piani delle discontinuità rilevate e successiva analisi delle linee di isodensità dei poli sull'emisfero inferiore del reticolo equiareale di Schmidt), l orientazione del fronte di cava e stimando l angolo di apertura del cono d attrito tramite. L applicazione della relazione di Barton: 20

21 φ picco = Jrc log (Jcs/σ n )+φ r Jrc = coefficiente di rugosità della discontinuità Jcs = resistenza a compressione delle pareti del giunto φ r = angolo di attrito residuo φ picco = angolo di attrito di picco φ r = φ b (JCS/UCS) φ b = angolo di attrito di base L angolo di attrito di base potrà essere stimato in funzione della litologia affiorante secondo la seguente tabella: Litologia φ b ( ) Litologia φ b ( ) Calcare Siltite Dolomite Arenaria Marna Gesso Basalto Granito Il cono d'attrito dovrà essere definito sulla base del più basso angolo di attrito di picco mobilitabile lungo la famiglia di discontinuità o le famiglie di discontinuità predisponenti all instabilità dell ammasso roccioso. Nel caso di discontinuità completamente piane o di discontinuità che hanno già subito scorrimento, l'angolo di attrito residuo sarà l'unica componente disponibile della resistenza al taglio. Nel caso di discontinuità riempite con aperture maggiori dell ampiezza della rugosità l'angolo di attrito disponibile sarà quello proprio del materiale di riempimento. 21

22 Le giaciture delle famiglie di discontinuità, la giacitura del fronte libero di scavo ed il cono d attrito proiettati su reticolo di Wulff consentono di stimare la stabilità dei singoli blocchi delimitati dalle discontinuità rilevate. Il reticolo di Wulff (emisfero inferiore) è una proiezione sferica isogona e consente di mantenere le relazioni angolari tra le strutture in esame. Nella proiezione di Wulff un piano passante per il centro della sfera interseca la semisfera inferiore generando un cerchio il quale, proiettato sul piano equatoriale, disegna un arco di cerchio la cui orientazione è rappresentativa dell inclinazione ed immersione del piano stesso. Nell esempio riportato a fianco sono rappresentate tre famiglie di discontinuità aventi le orientazioni riportate nella seguente tabella: Famiglia Dir. Inclinazione Immersione Di seguito sono riportati alcuni esempi rappresentativi delle condizioni di stabilità possibili. Caso I - Fronte stabile Fronte 030/80 (subverticale) Cono d attrito 40 Tre famiglie di discontinuità Fronte stabile, sono presenti due famiglie di discontinuità normali al fronte libero ed una 22

23 superficie a franapoggio con angolo d inclinazione minore rispetto all angolo del cono d attrito. Caso II - Fronte con cuneo a stabilità incerta Fronte 350/48 Cono d attrito 40 Fronte con stabilità incerta, le famiglie di giunti 1 e 3 individuano un cuneo e si intersecano in corrispondenza di una linea a franapoggio con inclinazione uguale all angolo del cono di attrito. Caso III - Fronte instabile per ribaltamento Fronte 090/80 (subverticale) Cono d attrito 40 Fronte instabile per ribaltamento, sono presenti due famiglie di discontinuità una poco inclinata e normale al fronte libero ed un altra subparallela ad elevata inclinazione. Questa ultima determina instabilità del fronte per fenomeni di ribaltamento. 23

24 Caso IV - Fronte instabile per scorrimento traslativo Fronte 180/80 (subverticale) Cono d attrito 40 Fronte instabile per scivolamento traslativo lungo un piano di discontinuità, sono presenti due famiglie di discontinuità normali al fronte libero che dissecano la famiglia di discontinuità 2 la quale, oltre ad essere orientata a franapoggio, è caratterizzata da un inclinazione maggiore rispetto all angolo del cono d attrito. In corrispondenza della discontinuità 2 si ha instabilità per scorrimento traslativo. Caso V- Fronte instabile per scorrimento traslativo di un cuneo Fronte 180/60 Cono d attrito 40 Fronte instabile per scorrimento traslativo di un cuneo roccioso, le famiglie di discontinuità 1 e 2, unitamente al fronte libero, isolano un cuneo e si intersecano in corrispondenza di una linea disposta a franapoggio e caratterizzata da un inclinazione minore di quella del fronte ma maggiore dell angolo del cono d attrito. 24

25 Per poter definire l indice di correzione Ic potranno essere adottate le seguenti correlazioni: Indice di correzione Tipologia stabilità Test di Markland 0 Molto assenza di direzioni critiche favorevole -5 Favorevole assenza di direzioni critiche ma una modesta variazione della orientazione del fronte o dei giunti e/o una piccola variazione dell angolo di attrito di base attribuito possono determinare l instabilità -25 Discreta presenza di un unica direzione incerta -50 Sfavorevole presenza di almeno una direzione critica o due direzioni incerte -60 Molto presenza di due o più direzioni critiche o sfavorevole tre o più direzioni incerte DEFINIZIONE DELLA CONTINUITÀ INTRAFORMAZIONALE Tale parametro dovrà essere definito tramite la determinazione del Tr determinato con i dati rilevati in campagna, per ogni area geomeccanicamente omogenea, secondo le indicazioni fornite nel capitolo precedente (Coesione + tr 100). STIMA DELLA FORMA E DELLA DIMENSIONE DEI BLOCCHI E INDICE DEI BLOCCHI La dimensione dei blocchi sarà stimata mediante la definizione del numero volumetrico delle discontinuità Jv e correlando tale dato alla descrizione dei blocchi costituenti l ammasso roccioso. 25

26 Blocchi Jv (giunti/m 3 ) Molto grandi <1 Grandi 1-3 Medi 3-10 Piccoli Molto piccoli >30 Al numero di giunti per metro cubo dovrà essere associato in termini puramente qualitativi la descrizione della forma dei blocchi utilizzando termini come forma regolare, irregolare, prismatica, cubica etc. La stima della dimensione e forma dei blocchi dovrà essere fatta per ogni area geomeccanicamente omogenea. Rappresentazione dei risultati Andranno identificate, rappresentate e cartografate aree geomeccanicamente omogenee (domini strutturali) con il medesimo RMR e Test di Markland, si dovranno inoltre indicare l RMR, il Tr, la coesione C, forma e dimensione dei blocchi. 26

27 ESEMPIO APPLICATIVO A titolo di esempio viene di seguito riportata la procedura applicata per la classificazione e stima della stabilità del fronte roccioso di una cava alto circa 20 m e costituito da calcare. In corrispondenza del fronte sono stati eseguiti alcuni rilievi geomeccanici secondo le procedure indicate dall I.S.R.M.. L elaborazione dei dati derivanti dal rilievo geomeccanico ha permesso di definire il BRMR, Ic, l RMR, il Tr, la coesione C, la forma e la dimensione dei blocchi. L indice Ic è stato definito mediante interpretazione del Test di Markland. Dei diversi rilievi effettuati viene di seguito riportata l elaborazione dei dati relativi al rilievo geomeccanico 1 effettuato nell AGO A (area geomeccanicamente omogenea A). Tale rilievo è stato effettuato secondo la seguente procedura: Rilievo geomeccanico lungo una linea di misura di lunghezza tale da intercettare un numero congruo di discontinuità e consentire la valutazione della spaziatura e del numero volumetrico delle discontinuità Elaborazione dei dati e Test di Markland Interpretazione e valutazione degli indici RILIEVO GEOMECCANICO LUNGO LA LINEA DI MISURA Per ogni linea di misura sono stati definiti: Distanza progressiva Orientazione dei giunti Riempimento discontinuità Apertura discontinuità Alterazione del giunto JRC (Joint roughness coefficient) Estensione Continuità intraformazionale Orientazione del fronte e della linea di misura Resistenza a compressione uniassiale della roccia sana (UCS) e delle pareti 27

28 dei giunti (JCS) Condizione idraulica del giunto Spaziatura e Jv 28

29 Dati rilevati in sito stendimento 1 area geomeccanicamente omogenea A Data 10/10/02 Località Litotipo Calcare Altezza fronte 20 m Orientazione linea di misura 045/75 Numero Distanza Orientazione Tipologia Inclinazione Immersione Riempimento Apertura Alterazione JRC Estensione Continuità Condizione idraulica progressivo progressiva fronte giunto medio intraformazionale del giunto (m+cm) ( ) N( ) (mm) (m) ; 75 Joint terra rossa 2 Media XD Umido ; 75 Strato vuota 0.5 Modesta XX Umido ; 75 Joint terra rossa 1 Media DD Umido ; 75 Joint terra rossa 2 Media RD Umido ; 75 Joint terra rossa 2 Media DD Umido ; 75 Strato vuota 1 Modesta 8 16 XX Umido ; 75 Joint terra rossa 2 Media XD Umido ; 75 Joint terra rossa 5 Modesta XD Umido ; 75 Joint terra rossa 2 Media XD Umido ; 75 Joint vuota 3 Media XD Umido ; 75 Joint terra rossa 2 Media DD Umido ; 75 Strato vuota 1 Modesta 8 15 XX Umido ; 75 Joint terra rossa 2 Media RD Umido ; 75 Joint vuota 5 Elevata XD Umido ; 75 Strato vuota 0.5 Modesta 8 15 XX Umido ; 75 Joint terra rossa 2 Media DR Umido ; 75 Joint terra rossa 4 Media DR Umido ; 75 Joint terra rossa 10 Modesta DD Umido ; 75 Strato vuota 0.5 Media 8 13 XX Umido ; 75 Joint terra rossa 1 Media DD Umido ; 75 Joint vuota 2 Media DD Umido ; 75 Strato vuota 1 Modesta 6 13 XX Umido ; 75 Joint terra rossa 2 Elevata DD Umido ; 75 Joint terra rossa 1 Media DD Umido ; 75 Joint terra rossa 2 Media XD Umido ; 75 Joint terra rossa 4 Media DD Umido ; 75 Joint terra rossa 3 Media XD Umido ; 75 Strato vuota 0.5 Modesta 8 12 XX Asciutto ; 75 Joint terra rossa 10 Media 8 1,5 XD Asciutto ; 75 Joint terra rossa 10 Media 12 1,5 DD Asciutto 29

30 Tipologia Numero r (numero di rimbalzo allo sclerometro) Inclinazione Progressivo sclerometro ( ) J J J S S J J J Tipologia Progressiva R (numero di rimbalzo allo sclerometro) Inclinazione (m + cm) sclerometro ( ) Roccia Roccia Roccia Roccia Roccia Roccia Famiglia Spaziatura N giunti al metro (m) (J/m) Joint 1 0,22 5 Joint 2 0,75 1 Strato 0,35 3,2 30

31 ELABORAZIONI DEI DATI I dati del rilievo geomeccanico sono elaborati sulla base della classificazione BRMR (1989). Determinazione delle famiglie dei giunti Con l ausilio della proiezione stereografica dei poli dei piani di discontinuità (reticolo di Schmidt emisfero inferiore) si determinano le linee o aree di isodensità che consentono di ottenere le orientazioni delle famiglie di discontinuità. Nel caso in esame sono state ottenute le seguenti giaciture caratteristiche di ogni famiglia di giunti. Famiglia J1 266/80 Famiglia J2 129/70 Famiglia strato 067/35 31

32 Riempimento discontinuità Distribuzione riempimento Numero discontinuità J1 J2 S Totale 0 < 5 mm >5 mm < 5 mm >5 mm Nessuno Compatto Compatto Molle Molle Tipo del riempimento Il materiale di riempimento è costituito prevalentemente da terra rossa con valori di Pocket Penetrometer uguali a 50 kpa e può essere definita, in base alle prove di indice proposte dal ISRM come materiale morbido (molle per la classificazione RMR) Apertura discontinuità Apertura giunti Numero giunti J1 J2 S Totale 5 0 Chiuso < 0,1 mm 0,1-1 mm 1-5 mm > 5 mm Apertura 32

33 Alterazione giunto Alterazione giunti 25 Numero giunti J1 J2 S Totale 0 Non alterati Legg. alterati Mediam. Alterati Molto alterati Decomposti Alterazione JRC (Joint roughness coefficient) JRC dei giunti 12 Numero giunti J1 J2 S Totale JRC Estensione Estensione giunti 25 Numero giunti J1 J2 S Totale 0 <1 m 1-3 m 3-10 m m > 20 m Estensione 33

34 Continuità intraformazionale Continuità intraformazionale Numero terminazioni J1 J2 S Totale 0 X D R Terminazione Sulla base delle discontinuità rilevate l ammasso roccioso nella sezione di misura ha un Tr = 6,6% Condizioni idrauliche (due settimane dall ultima precipitazione) Condizioni idrauliche dei giunti Numero giunti J1 J2 S Totale 0 Asciutti Umidi Stillicidi Venute d'acqua Condizioni idrauliche Spaziatura e Jv I valori modali delle distanze tra le discontinuità per ogni famiglia di giunti sono i seguenti: Famiglia J1 Famiglia J2 Famiglia strato 0,22 m 0,75 m 0,35 m 34

35 I valori del numero di giunti al metro per ogni famiglia di discontinuità sono i seguenti: Famiglia J1 5 Famiglia J2 1 Famiglia strato 3,2 Questi ultimi determinano un valore di Jv uguale a 9,2 giunti/m 3. A tale valore corrispondono blocchi di dimensioni media. I blocchi di roccia presentano una forma prevalentemente irregolare. Rock Quality Designation In assenza di carote di sondaggio l ordine di grandezza del RQD è stato valutato mediante la relazione raccomandata dall ISRM RQD =115 3,3 Jv. Questa ha condotto alla stima di un RQD = 84% Resistenza a compressione della roccia sana e dei giunti Per valutare la resistenza a compressione della roccia intatta e dei giunti sono stati selezionati, per ogni serie di misure, i cinque valori del rimbalzo più elevati. La media è stata corretta sulla base dell inclinazione del martello nel momento della prova ottenendo il valore medio del rimbalzo corretto. La determinazione del peso dell unità di volume della roccia (26kN/m 3 ) ha permesso di stimare, mediante il grafico proposto da Hoek & Bray (1981) la resistenza a compressione della roccia sana (UCS) e la resistenza a compressione dei giunto (JCS). 35

36 Tipologia Numero r medio r tot. medio JCS Progressivo corretto corretto (Mpa) J1 1 31,8 J1 8 35,2 J ,5 S 15 32,0 S 22 32,0 31,8 52 J ,8 J ,5 J ,5 Tipologia Progressiva R medio R tot. medio UCS (m + cm) corretto corretto (Mpa) Roccia ,1 Roccia ,6 Roccia ,0 Roccia ,4 45,8 110 Roccia ,1 Roccia ,0 Test di Markland La proiezione dei piani delle famiglie di discontinuità e del fronte libero sul reticolo equiangolare di Wulff consente di valutare l orientazione dei piani di possibile scorrimento. Il cono d'attrito dovrà essere definito sulla base del più basso angolo di attrito di picco mobilitabile lungo la famiglia di discontinuità o le famiglie di discontinuità che delimitano blocchi instabili. Nel caso in esame, la superficie della famiglia di giunti predisponente al movimento è la famiglia strato. Essendo la cava in esame caratterizzata da un fronte con altezza di 20 m, in corrispondenza della superficie della famiglia strato dei giunti alla base del fronte agirà una pressione media uguale a 0,426 MPa. Inoltre si ha: Jrc = 8 Jcs = 52 MPa φ r = 22 Applicando la relazione proposta da Barton otteniamo un φ picco di circa 39 36

37 Di seguito è rappresentato il Test di Markland effettuato sul reticolo equatoriale equiangolare di Wulff. In esso sono rappresentati le famiglie di discontinuità il fronte roccioso ed il cono d attrito. L analisi consente di valutare i cunei identificati come stabili. Coesione La coesione unitaria disponibile in corrispondenza dei ponti di roccia è uguale a circa 18 MPa. Si sottolinea comunque che il basso valore di Tr non consente di considerare nessun contributo relativo alla coesione dell ammasso roccioso. 37

38 Sintesi dei dati dell area geomeccanicamente omogenea A Nelle seguenti tabelle sono riassunti i parametri geomeccanici definiti per l area geomeccanicamente omogenea A. Famiglia Inclinazione ( ) Immersione N( ) Riempimento Apertura (mm) Alterazione Jrc medio J < 5 mm 1-5 Media 10 molle J < 5 mm 1-5 Media 10 molle Strato Nessuno 0,1-1 Leggermente 8 Famiglia Estensione (m) Continuità intraformazionale Condizione idraulica Spaziatura (m) J1 1-3 DD Umido 0,22 J2 1-3 DD Umido 0,75 Strato XX Umido 0,35 RQD UCS (%) (MP a)

39 Assegnazione degli indici della classificazione BRMR Parametri A1 Resistenza della roccia, A2 Rock Quality Desigantion, A3 Spaziatura Sulla base dei grafici proposti da Bieniawski nel 1989, e di seguito riportati, considerando nell ordine la resistenza a compressione uniassiale, il Rock Quality Designation e la spaziatura minore delle famiglie di discontinuità che caratterizzano l ammasso roccioso in esame otteniamo rispettivamente un Parametro A1 = 10, un Parametro A2 = 17 ed un Parametro A3 = 8. Parametro A1 Resistenza della roccia Parametro A2 Rock Quality Desigantion 39

40 Parametro A3 Spaziatura 40

41 Parametro A4 Condizione dei giunti Il parametro A4 si ricava considerando le principali caratteristiche del giunto secondo la seguente tabella: Condizione dei giunti Caratteristiche Valori e tipologia Lunghezza <1m 1-3 m 3-10 m m >20 m giunto Indice Apertura Chiuso <0,1 mm 0,1-1 mm 1-5 mm >5 mm giunto Indice Rugosità Molto Rugoso Leggerm. rugoso Liscio Laminato giunto rugoso Indice Riempimento Nessuno Compatto<5mm Compatto>5mm Molle<5mm Molle>5mm Indice Alterazione giunti Non alterati Legg.alterati Mediam.alterati Molto alterati Decomposti Indice In arancio sono segnati i valori, le tipologie ed i relativi indici identificati per i giunti dell ammasso roccioso in esame. Si sottolinea che per la rugosità, un Jrc uguale a 10 corrisponde ad un valore medio e quindi ad una tipologia Leggermente rugoso nella classificazione BRMR. Dalla somma dei vari indici parziali otteniamo un Parametro A4 = 13 Parametro A5 Condizione idrauliche dei giunti Il parametro A5 si ricava considerando le condizioni idrauliche dei giunti secondo la seguente tabella: 41

42 Condizioni Tipologia idrauliche Giunti Umidi Bagnati Stillicidio Venute d acqua dei giunti asciutti Indice In arancio è segnata la principale tipologia identificata ed il relativo indice. Si ottiene un ParametroA5=10. Indice BRMR Dalla somma dei parametri precedentemente indicati si ottiene il BasicRMR (BRMR = A1+A2+A3+A4+A5). Nel caso in esame il BRMR è uguale a 58 Indice di correzione Ic L indice di correzione da apportare è stimato mediante il Test di Markland, considerando quindi la mutua orientazione dei sistemi di discontinuità e delle superfici libere (fronte della cava). Il test condotto ha permesso di identificare due famiglie di discontinuità stabili secondo il fronte libero in esame ed una famiglia di discontinuità stabile per attrito (angolo cono d attrito>angolo inclinazione discontinuità), in relazione a questo si può definire il fronte in esame in una condizione favorevole alla stabilità. Anche se una modesta variazione dell orientazione della famiglia Strato e/o dell angolo di attrito di base stimato 42

43 comporterebbero una instabilità secondo i giunti appartenenti alla stessa famiglia. In relazione a quanto indicato dalla classificazione nel caso in esame avremo un Ic = -5 Condizione Indice di correzione Molto favorevole alla 0 stabilità Favorevole alla stabilità -5 Discreta stabilità -25 Sfavorevole alla stabilità -50 Molto sfavorevole alla -60 stabilità Rock Mass Rating Il Rock Mass Rating è correlato alla qualità dell ammasso roccioso secondo la seguente tabella. RMR CLASSE I II III IV V QUALITA Ottima Buona Discreta Scadente Molto scadente Sulla base dei coefficienti definiti si ottiene RMR = 53 Classe III Qualità Discreta. 43

44 Rappresentazione delle Aree geomeccanicamente omogenee La rappresentazione delle aree geomeccanicamente omogenee deve essere effettuata su fotografie rappresentative del fronte di scavo al momento dell esecuzione del rilievo geomeccanico. Ad essa devono essere allegate fotografie di dettaglio rappresentative di ogni area geomeccanicamente omogenea indicando l ubicazione degli stendimenti di rilievo, l orientazione del fronte, del punto di vista e dove possibile le famiglie di discontinuità. Di seguito, a titolo d esempio, è riportato un fronte di cava suddiviso in aree geomeccanicamente omogenee. 44

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