Università degli Studi di Salerno - Facoltà di Ingegneria A.A Laurea Magistrale in Ingegneria per l Ambiente ed il Territorio

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1 Università degli Studi di Salerno - Facoltà di Ingegneria A.A Laurea Magistrale in Ingegneria per l Ambiente ed il Territorio Corso di Frane Prof. ing. Michele Calvello Frane attive in terreni argillosi

2 Frane attive in terreni argillosi > Dispense Articoli principali Caratterizzazione geotecnica di grandi aree. Esu (1994). In: Problemi geotecnici relativi alle arginature e alle sponde di fiumi e canali, CISM, ISBN <ESTRATTO> Experiences on slope movements in clayey soils (Esperienze su movimenti di versante in terreni argillosi). Lanzo G., D Elia G. (1997). Rivista Italiana di Geotecnica, 2/97: Previsione degli spostamenti di frane riattivate da escursioni di livelli piezometrici: un caso di studio. Calvello M., Sorbino G., Cascini L. (2005). Proc. IARG 2005, Ancona, 1-4. (APPROFONDIMENTI) Fasi evolutive delle frane di tipo colata nell alta valle del F. Basento (Potenza). Guida D., Iaccarino G. (1991). Studi trentini di scienze naturali - Acta geologica, 68(1): <ESTRATTO> Lenti movimenti di versante nell Abruzzo adriatico: caratteri e criteri di stabilizzazione. Bertini T, Cugusi F, D Elia B, Rossi-Doria M. (1986). Atti del XVI Convegno Naz. di Geotecnica, Bologna, A numerical procedure for predicting rainfall-induced movements of active landslides along pre-existing slip surfaces. Calvello M., Cascini L., Sorbino G. (2008). Int. J. Numer. Anal. Meth. Geomech., 32: DOI: /nag.624. L analisi degli spostamenti di sistemi geotecnici con la modellazione osservazionale. Calvello, M. & Cascini, L. (2007). Proc. IARG 2007, Salerno, 1-4.

3 Frane attive (e riattivazioni occasionali) in terreni argillosi Varnes (1978) Vaunat et al. (1994), Leroueil et al. (1996) Cruden & Varnes (1996) Varnes, D. J. (1978). Slope movement: types and processes. In Landslides: Analysis and Control, TRB Report 176, Cruden, D. M. & Varnes, D. J. (1996). Landslide types and processes. In Landslides: Investigation and Mitigation, TRB Special Report 247, Vaunat, J., Leroueil, S. & Faure, R. (1994). Slope movements: a geotechnical perspective. Proc. 7th Cong. Int. Assoc. Eng. Geol., Lisbon, Leroueil, S., Vaunat, J., Picarelli, L., Locat, J., Faure, R. & Lee, H. (1996). A geotechnical characterization of slope movements. Proc. 7th Int. Symp. Landslides, Trondheim, Norway, 1:53-74.

4 Scorrimenti in terreni argillosi sovraconsolidati (formazioni strutturalmente complesse) Varnes (1978) Vaunat et al. (1994), Leroueil et al. (1996) Cruden & Varnes (1996) Reactivated slides in stiff clay or clay shale slope movements localized along a shear zone residual shear strength at the sliding surface low rate of displacements related to the stress level at the sliding surface increase in pore pressures in the vicinity of shear surfaces Causa innescante: PIOGGIA Governa il regime delle pressione neutre nel pendio e, di conseguenza, la velocità del fenomeno franoso

5 Aree di collina e di montagna in Italia (Esu 1994) Tipi di terreno Terreni argillosi Lacustri Argille marnose marine Formazioni strutturalmente complesse Componente lapideo e componente argilloso/argillitico Formazioni torbiditiche & Argille scagliose Rocce Scala del campione di laboratorio: bassa porosità, alta resistenza meccanica Ammasso: comportamento funzione di quantità e caratteristiche delle discontinuità Esu (1994). Caratterizzazione geotecnica di grandi aree. Problemi geotecnici relativi alle arginature e alle sponde di fiumi e canali, CISM, ISBN

6 struttura Prof. Michele Calvello (2013). Corso di Frane, A.A , Università di Salerno, ITALY Le formazioni strutturalmente complesse (Esu 1977, 1994) Classifica delle formazioni strutturalmente complesse omogeneità / eterogeneità A. Materiali a grana fine, litologicamente omogenei, con discontinuità strutturali A1. Ammassi poco disturbati, struttura ordinata (argille azzurre) A2. Ammassi suddivisibili in scaglie centimetriche (argille varicolori) B. Alternanze di terreni litologicamente eterogenei (flysch di rocce lapidee e argilliti) B1. Struttura regolare e ordinata B2. Struttura disarticolata B3. Struttura estremamente caotica C. Terreni litologicamente eterogenei (terreni residuali, coltri d alterazione e di frana) A1 & B1. sono importanti superfici di strato e giunti A2 & B2, B3. sono importanti le fessure di origine tettonica Esu (1977). Behaviour of slopes in structurally complex formations. Proc. Int. Symp. Geotechnics of Structurally Complex Formations, Capri, Italy, 2:

7 CASO di studio 1: La miniera a cielo aperto di S. Barbara (Arezzo, Toscana) Riferimenti biliografici Lanzo & D'Elia (1997). Esperienze su movimenti di versante in terreni argillosi. Miniera di lignite a cielo aperto Movimenti franosi Primo distacco (durante l attività mineraria, fino al 1983) Riattivazioni Monitoraggio (dal 1989) Misura degli spostamenti in superficie (rilievi topografici) Misure degli spostamenti in profondità (inclinometri) Misure di pressione neutra (piezometri Casagrande ed elettropneumatici) Lanzo, D Elia (1997). Experiences on slope movements in clayey soils. Rivista Italiana di Geotecnica, 2/97:15-27.

8 CASO di studio 1: La miniera a cielo aperto di S. Barbara (Arezzo, Toscana) Inquadramento geologico e proprietà geotecniche Depositi lacustri pliocenici costituiti, dal basso verso I'alto, da sabbie di letto, dal banco principale di lignite e dall'argilla di S. Barbara. Le sabbie di letto sono formate da sabbie medio-fini con sottili strati di limi argillosi. L'argilla di S. Barbara è un'argilla sovraconsolidata fessurata, con intercalazioni sottili di sabbia fina. Il comportamento meccanico e idraulico dell'argilla in sito dipende dai suoi caratteri strutturali. In particolare l'argilla in-situ, se scaricata, presenta una permeabilità piuttosto elevata a causa della apertura delle discontinuita come conseguenza del rilascio tensionale. A causa dei deboli legami diagenetici, i processi di softening e strain-softening dell'argilla di S. Barbara sono molto pronunciati e tali da rendere il comportamento del materiale di frana simile a quello di un'argilla normalmente consolidata. Inoltre, il materiale di frana presenta una permeabilità d'insieme minore di quella del materiale indisturbato.

9 CASO di studio 1: La miniera a cielo aperto di S. Barbara (Arezzo, Toscana) Analisi dei risultati del monitoraggio 3 Pendii (corpi di frana interessati da movimenti lenti) Bomba Piagge Carpinete

10 CASO di studio 1: La miniera a cielo aperto di S. Barbara (Arezzo, Toscana) BOMBA Frana di primo distacco: 1983 Quota del piede della frana: 80 m s.l.m. Riempimento: (135 m s.l.m.) Completamento berma: 1992 (150 m s.l.m.)

11 CASO di studio 1: La miniera a cielo aperto di S. Barbara (Arezzo, Toscana) PIAGGE Frana di primo distacco: 1965 Quota del piede della frana: 144 m s.l.m. Riempimento: (135 m s.l.m.) Completamento berma: 1994 (160 m s.l.m.)

12 CASO di studio 1: La miniera a cielo aperto di S. Barbara (Arezzo, Toscana) CARPINETE Frana di primo distacco: 1983 Quota del piede della frana: 154 m s.l.m. Riempimento: (135 m s.l.m.)

13 CASO di studio 1: La miniera a cielo aperto di S. Barbara (Arezzo, Toscana) Confronto tra i tre pendii

14 Spostamenti e velocità Class Description Velocity (m/s) (..) Class Velocities (for displacements between 1,3 mm and 13 m)../s../min../h../d../w../month../y 7 Extr. rapid ,0E+00 5 (m/s) 6 Very rapid ,0E-02 3 (m/min) 5 Rapid ,0E-04 1,8 (m/h) 4 Moderate ,0E (m/month) 3 Slow ,0E-08 1,6 (m/y) 2 Very slow ,0E-10 1,6 (cm/y) 1 Extr. slow 7 (ER) m 300 m 6 (VR) cm 3 m 180 m 5 (R) cm 1,8 m 43 m 300 m 1,3 km 4 (M) cm 43 cm 3 m 13 m 160 m 3 (S) ,3 mm 3 cm 13 cm 1,6 m 2 (VS) ,3 mm 1,6 cm 1 (ES) Cruden & Varnes (1996)

15 Spostamenti e velocità Frana di Vallcebre (Spagna) v [m/y] Slow Very Slow 0 21/11/96 21/11/97 21/11/98 Corominas et al. (2005) intervallo temporale = 1 anno v [m/y] Slow v [m/y] Slow Very Slow Very Slow /11/96 21/11/97 21/11/98 intervallo temporale = 1 giorno 0 21/11/96 21/11/97 21/11/98 intervallo temporale = 1 mese modificato da Cascini (LARAM School) Corominas et al. (2005). Prediction of ground displacements and velocities from groundwater level changes at the Vallcebre landslide (Eastern Pyrenees, Spain). Landslides, 2(2):83-97.

16 Spostamenti e velocità Prof. Michele Calvello (2013). Corso di Frane, A.A , Università di Salerno, ITALY displacements [mm] non linear displacements linear displacements linear displacements displacements [mm] v-1 day v-5 days v-15 days v-30 days time [days] t [days] Spostamenti cumulati displacements [mm] dw dr non linear displacements time-dependent velocity velocity [mm/d] v-1 day v-5 days v-15 days v-30 days di ti tr tw time [days] t [days] Velocità medie modificato da Grimaldi (2008) Grimaldi (2008). Modelling the displacements of slow moving landslides. Tesi di dottorato, Università degli Studi di Salerno.

17 Spostamenti e velocità Cruden & Varnes (1996) Name Where Type measured estimated velocity velocity P.Cassia (OR) Orvieto, Italy Eath Slide Extremely Slow Very Slow P.Cassia (O4) Orvieto, Italy Eath Slide Very Slow Very Slow P.Cassia (OV) Orvieto, Italy Eath Slide Very Slow Very Slow Castelrotto Bolzano, Italy Eath Slide Very Slow Very Slow F.S. Martino Teramo, Italy Eath Slide Very Slow Very Slow F. Cignale Teramo, Italy Eath Slide Very Slow Very Slow M. Casola Alessandria, Italy Eath Slide Very Slow Very Slow Vallcebre Spagna Eath Slide Slow Slow Bomba Italy Eath Slide Very Slow Slow Piagge Italy Eath Slide Slow Slow Lioni Avellino, Italy Eath Slide Very Slow Slow Cruden & Varnes (1996) TYPE OF M measured estimated Name TYPE OF Where MOVEMENT Type velocity velocity E BEDROCK Alverà Belluno, Italy Earth Flow Slow Slow Predominant Staulin Belluno, FALLS Italy Earth Flow Very Rock Slow fall Very SlowDebris Rio Roncatto Belluno, Italy Earth Flow Slow Slow TOPPLES Rock topple Debris to B. di Montagna Potenza, Italy Earth Flow Moderate Moderate La Chenula Switzerland ROTATIONAL Earth Flow Moderate Moderate SLIDES Rock slide Debris s Mam Tor Great TRANSLATIONAL Britain Earth Flow Slow Slow V. Fossate (A) Isernia, Italy Earth Flow Very Slow Very Slow LATERAL SPREADS Rock spread Debris sp M. Marino Potenza, Italy Earth Flow Slow Slow T. Miscano Benevento, FLOWS Italy Earth Flow Very Rock Slow flow Very SlowDebris f (deep creep) COMPLEX Combination of two or more Displacement rate Prof. Michele Calvello (2013). Corso di Frane, A.A , Università di Salerno, ITALY first failure pre-failure post-failure occasional reactivation active landslide Velocity Class Description Extremely Rapid Very Rapid Rapid Moderate Slow Very Slow Extremely Slow Velocity (mm/sec) 5 10e1 5 10e e e e-7 Typical Velocity 5 10e3 5 m/sec 3 m/min 1,8 m/hr 1,3 m/mon 1,6 m/yr 15 mm/yr Sta Active Reactiv Suspen Inactive Dorm Aban Stabi Relic Material Velocità massima giornaliera modificato da Grimaldi (2008) Rock Soil

18 Fasi evolutive delle frane tipo colata (Guida e Iaccarino 1991) Modello evolutivo (Alta valle del F. Basento - Potenza) in cui si distinguono 4 fasi sulla base di elementi morfologici caratteristici Fase A Fase B Fase C Fase D Distacco della nicchia di alimentazione e flusso del materiale nel canale di frana. Velocità da rapide a molto rapide (Varnes, 1978). Materiali in frana si muovono nel canale. Velocità da lente a moderate. Bordi delle scarpate smussate, deformazioni con ondulazioni del piano campagna. Velocità da estremamente lente a lente. Assenza di deformazioni macroscopiche, superficie topografica quasi regolarizzata. Velocità da nulle a estremamente lente. Guida, Iaccarino (1991). Fasi evolutive delle frane di tipo colata nell alta valle del F. Basento (Potenza). Studi trentini di scienze naturali - Acta geologica, 68(1):

19 Spostamenti e velocità Class Description Velocity (m/s) (..) Varnes (1978) 7 Extr. rapid ,0E+00 5 (m/s) 6 Very rapid ,0E-02 3 (m/min) 5 Rapid ,0E-04 1,8 (m/h) 4 Moderate ,0E (m/month) 3 Slow ,0E-08 1,6 (m/y) 2 Very slow ,0E-10 1,6 (cm/y) 1 Extr. slow 10 ft/s ( 3 m/s ) 1 ft/min ( 0.3 m/min ) 5 ft/day ( 1.5 m/day ) 5 ft/month ( 1.5 m/month ) 5 ft/year ( 1.5 m/year ) 1 ft/ 5 year ( 6 cm/year ) Cruden & Varnes (1996)

20 Transizione da scorrimento a colata, e viceversa (Picarelli 2001) (Alta valle del F. Basento Potenza) Picarelli (2001). Transition from slide to earthflow, and the reverse. Proc. Conf. Transition from slide to flow: mechanisms and remedial measures, Patron Editore,

21 Transizione da scorrimento a colata, e viceversa (Picarelli 2001) (Alta valle del F. Basento Potenza) fonte: Comegna (2005) Comegna (2005). Proprietà e comportamento delle colate in argilla. Tesi di dottorato, Seconda Università degli Studi di Napoli.

22 Il modello geotecnico di pendio Indagini in-situ e prove di laboratorio Stratigrafia Comportamento meccanico del terreno Monitoraggio Pressioni interstiziali Spostamenti Modellazione Condizioni di stabilità Evoluzione del fenomeno modificato da Cascini (LARAM School)

23 Eventi pluviometrici e movimenti franosi (Cascini & Versace 1986) Modellazione del regime delle pressioni neutre: classi di modello Modello idrologico Modello completo di versante (a scatola chiusa) (misto) (fisicamente basato) rainfall rainfall rainfall run-off evapotranspiration Pore water pressure Pore water pressure impervious Based on statistical relationships Based on both statistical and functional relationships Based on mathematical relationships describing the physical processes controlling the groundwater regime modificato da Cascini (LARAM School) Cascini, Versace (1986). Eventi pluviometrici e movimenti franosi. XVI Convegno nazionale di geotecnica, Bologna,

24 Previsione degli spostamenti di una frana attiva Landslide risk management (Fell at al. 2005) Frequenza = misura della probabilità (conditionale) di un risultato, espressa come numero di accadimenti di un evento in un dato intervallo di tempo (sulla base di un insieme di dati, ipotesi e informazioni) In questo caso l EVENTO non è il COLLASSO, ma il realizzarsi di movimenti lungo la superficie di scorrimento (e la loro previsione nel tempo) Fell et. al. (2005). A framework for landslide risk assessment and management. Landslide Risk Management, Taylor & Francis, ISBN-13:

25 Previsione degli spostamenti di una frana attiva indotti da eventi pluviometrici Tipologia di modello Modelli fenomenologici (black-box) relazioni empiriche tra movimenti del pendio e cause innescanti Modelli fisicamente-basati e misti il comportamento meccanico del terreno è esplicitamente considerato (i modelli possono essere definiti misti quando impiegano schematizzazioni concettuali e/o semplificazioni del fenomeno all interno di uno schema fisicamente-basato) Leroueil (2001) Leroueil (2001). Natural slopes and cuts: movement and failure mechanisms. Geotechnique, 51(3):

26 Previsione degli spostamenti di una frana attiva indotti da eventi pluviometrici Modello fenomenologico (coeff. di sicurezza locale) Modello misto (coeff. di sicurezza globale) Modello fisicamente-basato (analisi disaccopiata) Pressioni neutre misurate Pioggia netta Pioggia netta Relazione fenomenologica d P u(t) Spostamenti in un punto della sup. di scorrimento Modello completo di versante Pressioni neutre nel pendio Relazione fenomenologica d Slip u(t) Modello completo di versante Pressioni neutre nel pendio Modello tensiodeformativo e ij (t) = f(s ij,t) Spostamenti lungo al sup. di scorrimento Deformazioni nel pendio modificato da Cascini (LARAM School)

27 Previsione degli spostamenti di una frana attiva indotti da eventi pluviometrici Modello fenomenologico (coeff. di sicurezza locale) Modello misto (coeff. di sicurezza globale) Modello fisicamente-basato (analisi disaccopiata) Pressioni neutre misurate in un punto Pressioni neutre calcolate Pressioni neutre calcolate Pw(t) Pw(t) Pw(t) t t t d P u(t) d Slip u(t) e ij (t) = f(s ij,t) Punto P Superficie di scorrimento modificato da Cascini (LARAM School)

28 Previsione degli spostamenti di una frana attiva indotti da eventi pluviometrici Pioggia Groundwater Analysis Pressioni neutre calcolate Kinematic Analysis Spostamenti calcolati Analisi Locale Analisi Globale Analisi Locale Analisi Globale Fisicamente-basato Idrologico Fisicamente-basato Idrologico Fisicamente-basato Fenomenologico Fisicamente-basato Fenomenologico modificato da Grimaldi (2008)

29 CASO di studio 2: La frana di Fosso S. Martino (Teramo, Abruzzo) Riferimenti biliografici Bertini, Cugusi, D Elia, Rossi-Doria (1986). Lenti movimenti di versante nell Abruzzo adriatico: caratteri e criteri di stabilizzazione. XVI Convegno Nazionale di Geotecnica, Bologna. Calvello, Sorbino, Cascini (2005). Previsione degli spostamenti di frane riattivate da escursioni di livelli piezometrici: un caso di studio. IARG, Ancona. Calvello & Cascini (2006). Predicting Rainfall-induced Movements of Slides in Stiff Clays, Proc. ECI Conference Geohazards, Lillehammer, Norway 7: 1-8. Calvello, Cascini, Sorbino (2008). A numerical procedure for predicting rainfall-induced movements of active landslides along pre-existing slip surfaces. Int. J. Numer. Anal. Meth. Geomech., 32: DOI: /nag.624

30 CASO di studio 2: La frana di Fosso S. Martino (Teramo, Abruzzo) Zona 3 coltre detritica limo-argillosa Zona 2 basamento argilloso marnoso (fascia degradata) Zona 1 basamento argilloso marnoso Caratteristiche dei terreni Zona Terreno spessore (m) g (kn/m 3 ) Proprietà indice w N (%) w L (%) f' R Parametri di resistenza f' c (kpa) Permeabilità (da prove di lab.) k x' (m/s) k y' (m/s) Stima permeabilità in-situ k x' (m/s) k y' (m/s) 3 Coltre detritica (limo-argillosa) fino a E E-07 2 Basamento (parte alterata) E-07 1 Basamento (argilloso-marnoso) E-06 1E-4/1E-5 1E-5/1E-7

31 CASO di studio 2: La frana di Fosso S. Martino (Teramo, Abruzzo) Zona 3 coltre detritica limo-argillosa Zona 2 basamento argilloso marnoso (fascia degradata) Zona 1 basamento argilloso marnoso Misure pluviometriche Misure piezometriche Misure inclinometriche 0m 5m

32 CASO di studio 2: La frana di Fosso S. Martino (Teramo, Abruzzo) KINEMATIC model GROUNDWATER model Prof. Michele Calvello (2013). Corso di Frane, A.A , Università di Salerno, ITALY (parametri di input ) k i calibrazione NO F r calibrazione F MAX, v MAX R = R(t) Analisi del moto di filtrazione (FEM) u = u(t) Confronto Analisi di stabilità (Equilibrio Limite) F = F(t) Relazione F vs. v (Empirica) (monitoraggio) Piezometrico [ u j = u j (t) ] Calvello & Cascini (2006) Predicting Rainfall-induced Movements of Slides in Stiff Clays, Proc. ECI Conference Geohazards, Lillehammer, Norway 7: 1-8. Calvello, Cascini, Sorbino (2008) A numerical procedure for predicting rainfall-induced movements of active landslides along pre-existing slip surfaces Int. J. Numer. Anal. Meth. Geomech., 32: calibrazione v = v(t) NO Confronto Inclinometrico [ v = v(t) ] Leroueil (2001)

33 CASO di studio 2: La frana di Fosso S. Martino (Teramo, Abruzzo) Parametri geotecnici Misure in-situ (monitoraggio) Modello di sottosuolo BC, k i Modello del regime delle acque sotterranee (FEM) Misure pluviometriche [ q = q(t) ] calibrazione h = h(t) NO Confronto OK? Misure piezometriche [ h j = h j (t) ] g i - f i - c i Modellazione delle condizioni di stabilità (Equilibrio Limite) calibrazione FS = FS(t) FS MAX - v MAX Relazione FS vs. v calibrazione v = v(t) NO Confronto OK? Misure inclinometriche [ v = v(t) ]

34 CASO di studio 2: La frana di Fosso S. Martino (Teramo, Abruzzo) Parametri geotecnici Misure in-situ (monitoraggio) Modello di sottosuolo Sezione del pendio Bertini et al. (1984)

35 SEEP/W DEFINE Prof. Michele Calvello (2013). Corso di Frane, A.A , Università di Salerno, ITALY CASO di studio 2: La frana di Fosso S. Martino (Teramo, Abruzzo) Parametri geotecnici Misure in-situ (monitoraggio) Modello di sottosuolo SEEP/W 4 q = q(t) BC, k i Modello del regime delle acque sotterranee (FEM) Misure pluviometriche [ q = q(t) ] q (x 0.001) 3 2 q=q(t) Time (x 1000) h SX h DX q=0 Zona 3: coltre detritica limo-argillosa Zona 2: basamento argilloso marnoso (fascia degradata) Zona 1: basamento argilloso marnoso kr kd ks Conductivity Pressure (x 1000) mv Vol. Water Content (x 0.001) Pressure

36 CASO di studio 2: La frana di Fosso S. Martino (Teramo, Abruzzo) Parametri geotecnici Misure in-situ (monitoraggio) Modello di sottosuolo SEEP/W 4 q = q(t) BC, k i Modello del regime delle acque sotterranee (FEM) Misure pluviometriche [ q = q(t) ] q (x 0.001) 3 2 q=q(t) Time (x 1000) h SX h DX q=0 Zona 3: coltre detritica limo-argillosa Zona 2: basamento argilloso marnoso (fascia degradata) Zona 1: basamento argilloso marnoso k i (da Bertini et al., 1984) ks (m/g) kr kd ( ) Zona 3 (mezzo isotropo) Zona 2 (mezzo isotropo) Zona 1 (mezzo anisotropo)

37 CASO di studio 2: La frana di Fosso S. Martino (Teramo, Abruzzo) Parametri geotecnici Misure in-situ (monitoraggio) BC, k i calibrazione Modello di sottosuolo Modello del regime delle acque sotterranee (FEM) h = h(t) Misure pluviometriche [ q = q(t) ] SEEP/W q=q(t) h j = h j (t) NO Confronto OK? Misure piezometriche [ h j = h j (t) ] h SX q=0 h DX 167 Total Head Time calibrazione (Calvello, 2002) Calvello (2002). Inverse analysis of a supported excavation through Chicago glacial clays. PhD Thesis, Northwestern University.

38 h (m slm) Prof. Michele Calvello (2013). Corso di Frane, A.A , Università di Salerno, ITALY CASO di studio 2: La frana di Fosso S. Martino (Teramo, Abruzzo) h SX D8 q=q(t) A1 A2 F9 F10 B3 B4 B5 Piezometri C6 C7 G11 G12 Osservazioni Isopieziche (disegnate ogni 2m) al tempo t=1040g q=0 h DX Risultati modello D Tempo (g) 168 A F B G

39 h (m slm) Prof. Michele Calvello (2013). Corso di Frane, A.A , Università di Salerno, ITALY CASO di studio 2: La frana di Fosso S. Martino (Teramo, Abruzzo) h SX D8 q=q(t) A1 A2 F9 F10 B3 B4 B5 Piezometri C6 C7 G11 G12 Osservazioni Isopieziche (disegnate ogni 2m) al tempo t=1040g q=0 h DX Risultati modello A Tempo (g) F B B C C G

40 CASO di studio 2: La frana di Fosso S. Martino (Teramo, Abruzzo) h SX D8 q=q(t) A1 A2 F9 F10 B3 B4 B5 Piezometri C6 C7 G11 G12 Isopieziche (disegnate ogni 2m) al tempo t=1040g q=0 h DX Bertini et al. (1984) Modello calibrato ks (m/g) Zona 3 kr 1 1 kd (º) mv (kpa -1 ) 2.E-04 ks (m/g) Zona 2 kr kd (º) mv (kpa -1 ) 2.E-04 ks (m/g) 5 1 Zona 1 kr kd (º) mv (kpa -1 ) 5.E-05 Hsx (m) 176 Hdx (m) 109

41 CASO di studio 2: La frana di Fosso S. Martino (Teramo, Abruzzo) Parametri geotecnici Misure in-situ (monitoraggio) Modello di sottosuolo BC, k i Modello del regime delle acque sotterranee (FEM) Misure pluviometriche [ q = q(t) ] calibrazione h = h(t) NO Confronto OK? Misure piezometriche [ h j = h j (t) ]

42 CASO di studio 2: La frana di Fosso S. Martino (Teramo, Abruzzo) Parametri geotecnici Misure in-situ (monitoraggio) Modello di sottosuolo SLOPE/W BC, k i Modello del regime delle acque sotterranee (FEM) Misure pluviometriche [ q = q(t) ] h = h(t) Superficie di scorrimento definita (interna alla zona alterata) calibrazione h = h(t) NO Confronto OK? Misure piezometriche [ h j = h j (t) ] g i - f i - c i Modellazione delle condizioni di stabilità (Equilibrio Limite) g i - f i - c i (da Bertini et al., 1984) g (kn/m 3 ) f ( ) c (kpa) Zona Zona Zona

43 CASO di studio 2: La frana di Fosso S. Martino (Teramo, Abruzzo) Parametri geotecnici Misure in-situ (monitoraggio) Modello di sottosuolo SLOPE/W BC, k i Modello del regime delle acque sotterranee (FEM) Misure pluviometriche [ q = q(t) ] h = h(t) calibrazione h = h(t) NO Confronto OK? Misure piezometriche [ h j = h j (t) ] g i - f i - c i Modellazione delle condizioni di stabilità (Equilibrio Limite) FS = FS(t) Coefficiente di Sicurezza, FS /02/80 08/02/81 03/02/82 29/01/83 Data

44 CASO di studio 2: La frana di Fosso S. Martino (Teramo, Abruzzo) Parametri geotecnici Misure in-situ (monitoraggio) Modello di sottosuolo Relazione empirica BC, k i Modello del regime delle acque sotterranee (FEM) Misure pluviometriche [ q = q(t) ] LIN v v max FS FS max max FS 1 calibrazione NO h = h(t) Confronto OK? Misure piezometriche [ h j = h j (t) ] FS v (mm/d) FS max = 1.2 v max = 2 mm/d g i - f i - c i Modellazione delle condizioni di stabilità (Equilibrio Limite) FS = FS(t) LOG-LOG v v vmax logfs log 1 min log min 10 v FS max Relazione FS FS MAX - v max = 1.2 MAX 1.15 FS vs. v v max = 10 mm/d 1.10 v min = 0.08 mm/d 1.05 FS FS v (mm/d) v (mm/d)

45 CASO di studio 2: La frana di Fosso S. Martino (Teramo, Abruzzo) Parametri geotecnici Misure in-situ (monitoraggio) Prof. Michele Calvello (2013). Corso di Frane, A.A , Università di Salerno, ITALY Modello di sottosuolo g i - f i - c i BC, k i Modello del regime delle acque sotterranee (FEM) Misure pluviometriche [ q = q(t) ] FS calibrazione h = h(t) 14/02/80 08/02/81 03/02/82 29/01/83 NO Confronto OK? Misure piezometriche [ h j = h j (t) ] FS v (mm/d) FS v (mm/d) FS MAX - v MAX g i - f i - c i FS MAX - v MAX Modellazione delle condizioni di stabilità (Equilibrio Limite) FS = FS(t) Relazione FS vs. v v (mm/d) Modello /02/80 08/02/81 03/02/82 29/01/83 v = v(t)

46 CASO di studio 2: La frana di Fosso S. Martino (Teramo, Abruzzo) Parametri geotecnici Misure in-situ (monitoraggio) Modello di sottosuolo Modello del regime delle acque sotterranee (FEM) Misure pluviometriche [ q = q(t) ] Prof. Michele Calvello (2013). Corso di Frane, A.A , Università di Salerno, ITALY g i - f i - c i BC, k i FS calibrazione h = h(t) 14/02/80 08/02/81 03/02/82 29/01/83 NO Confronto OK? Misure piezometriche [ h j = h j (t) ] FS v (mm/d) FS v (mm/d) FS MAX - v MAX 0.35 g i - f i - c i Modellazione delle condizioni di stabilità (Equilibrio Limite) v (mm/d) Modello calibrazione FS = FS(t) FS MAX - v MAX Relazione FS vs. v 14/02/80 08/02/81 03/02/82 29/01/ Inclinometro B calibrazione v = v(t) v (mm/d) Inclinometro C NO Confronto OK? Misure inclinometriche [ v = v(t) ] /02/80 08/02/81 03/02/82 29/01/83

47 CASO di studio 2: La frana di Fosso S. Martino (Teramo, Abruzzo) Inclinometro B Modello (LOG-LOG) 0.35 Inclinometro C Modello (LIN) Bertini et al. (1984) Modello calibrato Zona 3 g (kn/m 3 ) g (kn/m 3 ) Zona 2 f (º) v (mm/d) feb-80 8-feb-81 3-feb gen-83 c (kpa) 0 0 LIN FS max v max 2 mm/d LOG-LOG FS max v max 10 mm/d v min 0.1 mm/d calibrazione

48 CASO di studio 2: La frana di Fosso S. Martino (Teramo, Abruzzo) Inclinometro B Modello (LOG-LOG) Inclinometro C Modello (LIN) Bertini et al. (1984) Modello calibrato Zona 3 g (kn/m 3 ) g (kn/m 3 ) Zona 2 f (º) v (mm/d) feb-80 8-feb-81 3-feb gen-83 c (kpa) 0 0 LIN FS max v max 2 mm/d LOG-LOG FS max v max 10 mm/d v min 0.1 mm/d calibrazione validazione (previsione)

49 CASO di studio 2: La frana di Fosso S. Martino (Teramo, Abruzzo) Parametri geotecnici Misure in-situ (monitoraggio) Modello di sottosuolo La procedura descritta consente di stimare, sulla base di misure BC, k i Modello del regime delle acque sotterranee (FEM) Misure pluviometriche [ q = q(t) ] pluviometriche, piezometriche ed inclinometriche ed in ottimo accordo con i calibrazione NO h = h(t) Confronto OK? Misure piezometriche [ h j = h j (t) ] dati sperimentali, la velocità di spostamento di un movimento franoso lungo una superficie di scorrimento pre-esistente. g i - f i - c i Modellazione delle condizioni di stabilità (Equilibrio Limite) q = q(t) v = v(t) calibrazione FS = FS(t) FS MAX - v MAX calibrazione Relazione FS vs. v v = v(t) È necessario verificare le capacità previsionali del modello utilizzato attraverso una ampia sperimentazione numerica. NO Confronto OK? Misure inclinometriche [ v = v(t) ]

50 Analisi inversa Prof. Michele Calvello (2013). Corso di Frane, A.A , Università di Salerno, ITALY Modellazione osservazionale Observational method (Peck 1969) Procedura che subordina scelte progettuali e dettagli costruttivi della realizzazione di un opera di ingegneria geotecnica all analisi di misurazioni effettuate durante la fase di costruzione dell opera stessa Analisi inversa Con un algoritmo di analisi inversa, un dato modello è calibrato cambiando iterativamente i valori dei suoi parametri di input fino alla minimizzazione di una funzione obiettivo, che quantifica gli errori tra i dati osservati e quelli calcolati. INIZIO Stima parametri di modello Aggiornamento previsioni FINE SI File di input NO Modello ottimizzato? MODELLO numerico di problema geotecnico Aggiornamento parametri di modello Variabile calcolata - d(t), u(t) - Minimizzazione funzione obiettivo (implica iterazioni del modello) Monitoraggio (osservazioni) Peck (1969). Deep excavations and tunneling in soft ground. Proc. 7th Int. Conf.Soil Mechanics and Foundation Engineering, State-of-the-Art Volume, p

51 Modellazione osservazionale Una possibile definizione Insieme di metodi e procedure che, sulla base di dati di monitoraggio e tecniche di analisi inversa aggiornano, nel tempo, il modello numerico di un sistema geotecnico. Campi di applicazione Tutti quei problemi per i quali è importante la previsione nel tempo del comportamento dell opera geotecnica Analisi degli spostamenti di problemi al finito Le fasi della modellazione Analisi probabilistica dell incertezza La parametrizzazione del modello osservazionale

52 Modellazione osservazionale Le fasi della modellazione Previsioni di modello dipendenti dal tempo (NON modello transitorio del sistema geotecnico!!!) t* (istante di analisi) tempo fase di calibrazione fase di validazione fase di previsione calibrazione calibrazione calibrazione validazione validazione validazione t* (istante di analisi) Scenario A Scenario B Scenario C tempo

53 Modellazione osservazionale Le fasi della modellazione Previsioni di modello dipendenti dal tempo (non modello transitorio del problema!!!) t* (istante di analisi) tempo fase di calibrazione fase di validazione fase di previsione t 2 (istante di analisi) calibrazione validazione validazione Scenario A* tempo calibrazione validazione Scenario A* ri-calibrazione Scenario A*

54 Modellazione osservazionale Analisi probabilistica dell incertezza L incertezza di modello è una misura del livello di incertezza sulla previsione dell analisi The model uncertainty is a measure of the level of uncertainty about the bias value of the analysis method (Nadim 2002) Per quantificare l affidabilità delle previsioni nel tempo degli spostamenti di sistemi geotecnici è necessario considerare tutte le fonti di incertezza del modello TIPOLOGIA (e fonti) di incertezza: Incertezza ALEATORIA (variabilità naturale di un parametro) Incertezza EPISTEMICA (conoscenza limitata) incertezza di misura (errore di misura) incertezza statistica (quantità di informazioni disponibili) incertezza di modello

55 Modellazione osservazionale Parametrizzazione del modello osservazionale Relazioni costitutive del modello numero di parametri Osservazioni / Misure Caratteristiche della relazione costtutiva Tipologia (spostamenti, pressioni neutre) numero di parametri non correlati Analisi di sensitività Stratigrafia Numero di osservazioni numero di parametri rilevanti numero totale di parametri rilevanti Percorsi tensionali Sistema geotecnico Implementazione numerica Capacità di ottimizzazione simultanea numero totale di parametri di modello da ottimizzare

56 Modellazione osservazionale Il giudizio dell ingegnere geotecnico Dalla definizione del modello sino alla valutazione dei risultati dell analisi non bisogna mai trascurare l importanza delle capacità, della competenza e dell esperienza dell ingegnere geotecnico che conduce l analisi. Relazioni tra gli ingredienti fondamentali di un modello osservazionale Dati di monitoraggio Algoritmo di analisi inversa Modello numerico del problema Analisi probabilistica dell incertezza