FRANE IN ROCCIA 04/04/2013

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1 FRANE IN ROCCIA Eventi rapidi, con preavviso scarso o nullo, caratterizzati da elevate velocità Fattibilità degli interventi ardua (sono possibili solo interventi preventivi o di ripristino, a seguito dell evento) Nella classifica di Varnes le frane in questione rientrano tra i crolli (falls), ribaltamenti (topples), scorrimenti (slides) e meno frequentemente espandimenti laterali (lateral spreads) 1 2 1

2 I fattori discriminanti sono: Tipo di movimento (sovente con perdita di contatto con il pendio crolli); Natura litologica dei materiali coinvolti (rocce lapidee) e dimensioni del cumulo di frana (blocchi); Velocità (elevate o molto elevate >> 1 m/s); Stato di attività Cause (naturali ed antropiche), meccanismi d innesco, mobilità del cumulo, angolo di proiezione. 3 Classificazione in base alla velocità 4 2

3 FATTORI D INNESCO Geomorfologico (altezza, inclinazione, esposizione dei versanti, precedenti condizioni di stabilità, azione delle acque incanalate o moto ondoso alla base di eventuali falesie) Geologico e geostrutturale (litologia, assetto stratigrafico e strutturale, grado di fratturazione dell ammasso) Ambientale (condizioni climatiche: piovosità e gelo disgelo; copertura vegetale: azione delle radici; azioni sismiche) Geomeccanico (proprietà fisiche e meccaniche della matrice rocciosa, delle discontinuità e degli eventuali riempimenti; variazioni del regime delle pressioni neutre) Antropico (variazioni della geometria dei pendii, sovraccarichi, interventi mal progettati). 5 Principali e più comuni modelli di rottura di versanti in roccia Le tipologie di frane sono quanto mai varie e dipendono essenzialmente dalla geometria del versante, dalla litologia, dall assetto giaciturale, dall andamento delle discontinuità, da singolarità morfologiche e antropiche del versante. 6 3

4 Crollo (Rockfall) Distacco, caduta libera, rotolamento e rimbalzo di blocchi singoli o multipli. L interazione dinamica tra i blocchi è limitata. Più importante è l interazione con il pendio e le sue caratteristiche litologiche. I blocchi di solito hanno volumi limitati (fino ad alcuni metri cubi)

5 Ribaltamento(Toppling) Rotazione al piede di elementi colonnari o lastre separate da fratture ravvicinate e subverticali. La roccia è abbastanza massiva e la rotazione avviene lungo discontinuità basali ben definite. Il movimento può essere inizialmente lento ma poi accelera negli ultimi stadi. 9 Ribaltamenti complessi Di norma, i distacchi avvengono lungo superfici di rottura preesistenti al moto e lungo le quali si raggiungono condizioni di minima resistenza al taglio. Sono possibili segni premonitori del distacco solo per eventi di dimensioni medio grandi, con superfici di rottura profonde 10 5

6 Ribaltamento flessurale evoluto in scorrimento (Flexural topple evolving in rock slump) 11 La Clapiere, Francia 12 6

7 Scorrimento rotazionale (rock slump) Slittamento di una massa rocciosa lungo una superficie cilindrica, non strutturalmente controllata. Deformazioni interne limitate. Si rilevano una corona di frana molto estesa e blocchi tiltati. Di solito lenta. 13 Altri modelli di frane complesse in roccia La definizione del tipo di frana deriva essenzialmente dalla morfologia del versante deformato e dalla natura del materiale coinvolto. 14 7

8 Espandimento laterale (compound rock slide) Scorrimento di una massa di roccia su una superficie di rottura irregolare. Il movimento è cinematicamente possibile solo se accompagnato da significative distorsioni interne della massa in movimento (Horst e Graben) Lento o estremamente rapido. Interventi generalmente impossibili o limitati,a causa delle dimensioni. Interessano la ricerca scientifica 15 La ricostruzione del modello di frana più rispondente alla realtà geomorfologica è la fase più importante nello studio di questi fenomeni. Errori in questa fase comportano conseguenze negative sia in relazione alla modellazione cinematica del fenomeno (fattori di sicurezza) che ai possibili interventi di stabilizzazione e ripristino. 16 8

9 Frane in roccia più comuni in Campania De Riso, (A) Distacchi di grandi dimensioni (Rock avalanche) La frana di Amalfi del 22 Dicembre 1899: probabile causa antropica (costruzione della strada amalfitana) In (A) prima della costruzione della strada (ca 1860); in (B) dopo i lavori (B) Imbocco galleria 18 9

10 Distacchi di grandi dimensioni (Rock avalanche) La frana di Pozzano (1986) lungo la Sorrentina 19 Distacchi di medie dimensioni (Cliff fall) Zona d innesco Cumulo di frana Conca dei Marini

11 Distacchi di medie dimensioni (Cliff fall) Praiano Per lo studio di frane in roccia, occorre preliminarmente distinguere tra versante naturale e fronte di scavo. A seconda delle situazioni, i metodi di studio e i possibili interventi di stabilizzazione differiscono e possono richiedere diversi livelli d approfondimento

12 VERSANTE NATURALE 23 FRONTE DI SCAVO 24 12

13 Rilievi geostrutturali e geomeccanici nello studio delle frane in roccia: grandezze considerate Orientazione Spaziatura Persistenza Scabrezza Apertura Resistenza delle pareti Volume del blocco Forma Riempimento Resistenza a compressione della matrice 25 Questi parametri vengono acquisiti, in affioramento, lungo estendimenti materializzati mediante rolline metriche disposte preferibilmente «a croce» (ortogonali) in modo tale da intercettare un gran numero di discontinuità. L orientazione dell estendimento (scan-line) e la sua lunghezza devono essere opportunamente annotati. frattura D1, D2, Dn = distanze assolute misurate dall inizio della scan-line D2 D1 = spaziatura apparente tra 2 fratture consecutive 26 13

14 Modalità di esecuzione di un estendimento 27 Esempio di estendimento Frattura appartenente al sistema K2 Frattura appartenente al sistema Ks 28 14

15 Rilievo geostrutturale su un fronte in roccia Ubicazione dell estendimento 29 Dettaglio dell area interessata dalla scan - line 30 15

16 31 Esempio di schede per la raccolta dei dati (Berti, 1998) Scheda per la raccolta dei dati NUM. IMM. ( ) INCL. ( ) TIPO DIM. (m) RIEMP. APERT. FORMA SCABR jn 0,3 RX CA C P SR jn 1,1 XX CA P SLU SR jn 1,4 RX CA P P SM jn 3,5 XX CA P P SM jn 3,5 XX CA P SLU SR jn 3 RX CA C P SM jn 2,5 JX CA C SLU SR jn 3,5 XX CA C SLU SR jn 2,5 RX CA C SLU SM jn 3 RX CA P P SR jn 1,8 JR CA P P SM jn 1,6 JR CA C P SM jn 3 JX CA C P SM jn 5 XX CA C P SM jn 4 RX A C P SR s 5 XX A N SLU SR s 5 XX A P STU R s 5 XX CA P SLU SM s 5 XX A C SLU SR s 5 XX A C SLU SR s 5 XX A C SLU SR jn 0,3 JJ A C P SM jn 0,5 JJ A C SLU P jn 0,8 JJ A C P SM jn 0,6 RX A C P SM jn 0,8 JJ A C P SR jn 0,7 JR A C SLU SR jn 1,1 JX A C SLU SM jn 0,4 JJ A C SLU SM jn 2,5 JX A C STU SM jn 1 JR A C SLU SR jn 0,8 JX A C SLU SR jn 1,2 JJ A P SLU SM jn 0,8 JJ A C STU SR jn 0,4 JJ A C SLU SM jn 0,9 JX CA C SLU SR IMM. = azimuth di immersione ( ) APERT. = apertura INCL. = inclinazione ( ) o C = chiusa TIPO = tipo di discontinuità o P = parzialmente aperta o jn = giunto o N = nessun contatto o s = piano di strato FORMA DIM = dimensione o P = planare o R = terminazione in roccia o SLU = debolmente ondulata o J = terminazione su discontinuità o STU = fortemente ondulata o X = terminazione non visibile SCABR. = scabrezza RIEMP. = riempimento o P = lucida o CA = calcite o SM = liscia o A = assente o SR = debolmente rugosa o R = rugosa 32 16

17 ORIENTAZIONE DELLE DISCONTINUITA In Geologia strutturale (ed in Meccanica delle rocce), l orientazione di una discontinuità è data da due valori angolari che rappresentano l Immersione e l Azimuth di Immersione della discontinuità. L'Immersione ( dip ) è l'angolo misurato tra la retta di massima pendenza della discontinuità e la sua proiezione sul piano orizzontale (tra 0 e 90 ). L'azimuth di immersione ("dip direction") invece, è l'angolo azimutale (cioè misurato sul piano orizzontale) contato in senso orario tra il nord vero e la proiezione sul piano orizzontale stesso della retta di massima pendenza (tra 0 e 360 ). / = 250 /45, vuol dire che la discontinuità ha un verso di immersione di 250 con una inclinazione di L'immersione e l'azimuth di immersione vengono rapidamente misurate in campagna mediante l'uso della Bussola di Clar. Essa consente con una unica misura, utile soprattutto in luoghi difficilmente accessibili, di determinare l'immersione (letta su di un goniometro posto in coincidenza dell'asse di rotazione del coperchio dello strumento) e l'azimuth d'immersione (letto mediante il doppio ago della bussola, una volta che essa sia stata disposta orizzontalmente mediante un livello a bolla d'aria incorporata)

18 RAPPRESENTAZIONE DELLE DISCONTINUITA Per illustrare i valori dell'orientazione di molte discontinuità, si utilizzano soprattutto i Diagrammi a rosa e le Proiezioni stereografiche. Diagrammi a rosa (o a Rosetta ) Consentono la rappresentazione della frequenza con cui si presentano discontinuità di cui sia nota solo la direzione, oppure quando si abbia a che fare con superfici verticali. Campi usuali di applicazione: studio della fratturazione nei rilievi aereofotogrammetrici, studi idrogeologici a carattere regionale. 35 Proiezioni stereografiche Rappresentazione delle relazioni spaziali tra azimuth d immersione ed immersione delle discontinuità al fine di raggruppare le informazioni in famiglie di discontinuità nell ammasso roccioso. Ogni famiglia è caratterizzata da valori medi di e che possono ricavarsi agevolmente proprio grazie all'uso delle proiezioni. Si utilizzano principalmente la proiezione polare e quella equatoriale. Entrambe si ottengono proiettando i meridiani e paralleli, tracciabili sulla superficie di una sfera di riferimento, su piani tangenti al polo e all equatore della sfera rispettivamente

19 a) costruzione di un grande cerchio; b) costruzione del polo ad esso relativo 37 Rappresentazione in proiezione polare deipolididiscontinuità.a(000 /00 ); B (040 /60 ); C(106 /90 ); D (220 /82 ); E (300 /60 ); F (000 /80 )

20 Proiezione equatoriale equiareale. Le diverse ellissi vengono chiamate grandi cerchi e i piccoli cerchi. L asse verticale rappresenta un piano verticale; tutte le altre ellissi 39 individuano piani variamente inclinati. Criterio grafico per il tracciamento dei grandi cerchi su carta da ricalco. Il foglio trasparente è libero di ruotare in tutte le posizioni perché è bloccato al centro con 40 uno spillo. L uso di programmi permette di evitare la costruzione manuale dei grandi cerchi. 20

21 Criterio di costruzione di un grande cerchio rappresentante un piano 130 /50, medianteun foglio trasparente libero di ruotare rispetto al centro della proiezione. 41 Uso di programmi di calcolo per la rappresentazione delle discontinuità Fase di inserimento dati direttamente da programma o da file excel. La proiezione adoperata è quella polare Rappresentazione mediante grandi cerchi. Si noti il dato relativo al fronte (in tratteggio) 42 21

22 Siprocedequindiatracciareleisodensealfinediidentificarelefamiglieprincipalidi discontinuità 12/290 65/254 85/205 53/ Confronto tra poli (a sinistra) e isodense (a destra) 44 22

23 Ricostruzione, mediante il programma di calcolo, dei grandi cerchi delle famiglie presenti in un ammasso roccioso. In (a) ed in (b) le famiglie di discontinuità presenti sono 4, caratterizzate dai loro valori di dip/dip direction medi. S indica la stratificazione, mentre K1, K2 e Ks rappresentano 3 famiglie di discontinuità di origine tettonica I dati di orientazione e le curve di isodensità possono essere rappresentate efficacemente in proiezione equatoriale (emisfero inferiore) 45 Ricostruzione finale 3D di un ammasso con individuazione dei piani (e relative orientazioni) e dei fronti che lo delimitano e lo intersecano 46 23

24 Rappresentazione dei dati strutturali per 4 possibili modelli di rottura di pendii, mediante la rappresentazione equatoriale equiareale 47 Rilievi geostrutturali e geomeccanici nello studio delle frane in roccia: grandezze considerate Orientazione Spaziatura Persistenza Scabrezza Apertura Resistenza delle pareti Volume del blocco Forma Riempimento Resistenza a compressione della matrice 48 24

25 Spaziatura Distanza tra discontinuità adiacenti misurata in direzione ortogonale alle stesse (I.S.R.M. 1978) α2 sistema n. 1 sistema n. 2 sistema n. 3 d2 S2 = d2 sinα2 49 Elaborazione dei dati di spaziatura Sistema K 1 (292/81) Spaziatura(mm) Frequenza Frequenza Percentuale (classi) cumulata (%) Totale Moda = 80 mm Istogramma di frequenza Numero di osservazioni Spaziatura (mm) 50 25

26 Rilievi geostrutturali e geomeccanici nello studio delle frane in roccia: grandezze considerate Orientazione Spaziatura Persistenza Scabrezza Apertura Resistenza delle pareti Volume del blocco Forma Riempimento Resistenza a compressione della matrice 51 Persistenza Lunghezza della traccia della discontinuità osservata in un affioramento Tipo di discontinuità ST = piano di strato Terminazione R = term. in roccia JN = giunto tettonico J = term. su discontinuità FG = faglia X = term. non visibile DS = giunto discontinuo 52 26

27 Rilievi geostrutturali e geomeccanici nello studio delle frane in roccia: grandezze considerate Orientazione Spaziatura Persistenza Scabrezza Apertura Resistenza delle pareti Volume del blocco Forma Riempimento Resistenza a compressione della matrice 53 Stima della SCABREZZA mediante il PETTINE DI BARTON 54 27

28 Scabrezza Rugosità delle superfici di discontinuità JRC = Joint Roughness Coefficient (coefficiente di rugosità) Scabrezza (SCABR.) SL = slickensided (levigata) [JRC = 0-2] P = polished (lucida) [JRC = 2-4] SM = smooth (liscia) [JRC = 4-8] SR = slightly rough (debolmente rugosa) [JRC = 8-12] R = rough (rugosa) [JRC = 12-16] V = very rough (molto rugosa) [JRC = 16-20] Barton 55 Rilievi geostrutturali e geomeccanici nello studio delle frane in roccia: grandezze considerate Orientazione Spaziatura Persistenza Scabrezza Apertura Resistenza delle pareti Volume del blocco Forma Riempimento Resistenza a compressione della matrice 56 28

29 Apertura Distanza perpendicolare tra le pareti di una discontinuità aperta Forma Tiene conto dell ondulazione a grande scala delle discontinuità Apertura (APERT.) C = closed (chiusa) [0-0.5 mm] P = partial wall contact (contatto parziale) [0.5-5 mm] N = no wall contact (nessun contatto) [> 5 mm] Forma P = planar (planare) SLU = slightly undulated (debolmente ondulata) STU = strongly undulated (fortemente ondulata) S = stepped (dentellata) 57 Riempimento Volume del blocco Natura del materiale di riempimento di una discontinuità (calcite, argilla, limo, ecc.) Riempimento (RIEMP.) A = assente S = materiale incoerente CA = calcite CC = materiale coesivo compatto SC = materiale coesivo soffice La dimensione dei blocchi è un indicatore estremamente importante del comportamento dell ammasso roccioso S1 S2 S3 Vb sin sin sin

30 Forme e Dimensione dei blocchi La dimensione dei blocchi è un indicatore estremamente importante del comportamento dell ammasso roccioso Esempi di forme di blocchi, individuate dall andamento dei sets di fratturazione In molti casi, mancando un andamento regolare della fratturazione, è preferibile una caratterizzazione grossolana della forma dei blocchi, in 4 principali tipi 59 Numero dei sistemi di fratturazione e Volume del blocco (VRU) Il volume del blocco (Vb) può essere ricavato dai dati di spaziatura dei sistemi di frattura. Nel caso più comune di 3 sistemi: Vb = S1 x S2 x S3 x (Sin 1 x Sin 2 x Sin 3) S1, S2, S3 sono le spaziature modali e 1 2, 3 sono gli angoli tra i sistemi. Nel caso di intersezioni ad angoli retti, il volume del blocco è dato da: Vb = S1 x S2 x S3 Dove non è possibile osservare il blocco individuale (specie in presenza di meno di 3 sistemi) e con fratture random con spaziatura da 5 a 10 volte il valore di quella del sistema principale, una stima di massima è data da: 60 30

31 Un parametro importante è il Volumetric Joint Count (Jv) che esprime il numero di fratture che intersecano il volume di ammasso roccioso. Si esprime come numero di giunti per m³ (J/m³). Può essere definito a partire dai dati di spaziatura: Una correlazione tra il Jv ed il Volume del blocco (Vb), per 3 sistemi, è la seguente (Palmstrom, 2001): = angoli tra i sistemi = fattore di forma del blocco con 2 = S2/S1 e 3 = S3/S12 Nel caso particolare di angoli a 90 tra di loro: 61 Palmstrom 1995, fornisce un altra relazione tra RQD e Jv: RQD = Jv per valori Jv > 35, RQD = 0; per valori Jv < 4.5, RQD = 100 % Relazione da prendersi con cautela, perché fornisce valori troppo bassi di RQD Correlazione tra RQD e Jv, per varie forme di blocchi 62 31

32 Combinazioni e conversioni tra misure di densità di fratturazione e volume dei blocchi (Palmstrom, 2001) Esempio: Blocco con fattore di forma = 36 e Jv = 5, il volume è Vb = 0.3 m³ e l RQD 95 %. 63 Percentuale di carotaggio modificata (R.Q.D.) 64 32

33 Stima dell R.Q.D. dai dati di spaziatura (metodo di Priest & Hudson) F(x) = e x = numero di discontinuità /metro x = frequenza = 1/ Dati : Lunghezza totale degli estendimenti: 253,8 m; Spaziatura media: m; Deviazione standard: 0.107; Numero delle misure: Se è verificata la distribuzione esponenziale negativa per le misure effettuate, allora sarà: R.Q.D. = 100 e -0,1 (0,1 + 1) Esempio 1. RQD da sondaggi = 79 % 2. = 7,9 discontinuità/m, ossia x = 1/ = 0,126 m Allora RQD da dati misurati: R.Q.D. = 100 e (0,1 * 7,9) ((0,1 * 7,9) + 1) = 81 % N.B.: Per essere statisticamente significativo, sono necessari estendimenti lunghi, con un elevato numero di misure

34 Rilievi geostrutturali e geomeccanici nello studio delle frane in roccia: grandezze considerate Orientazione Spaziatura Persistenza Scabrezza Apertura Resistenza delle pareti Volume del blocco Forma Riempimento Resistenza a compressione della matrice 67 Martello di Schmidt (sclerometro) per la stima della resistenza a compressione della «pellicola» di roccia affiorante su una discontinuità Sclerometro da roccia 68 34

35 Resistenza delle pareti delle discontinuità: sclerometro da roccia La resistenza a compressione della superficie della discontinuità è minore di quella della matrice rocciosa, ciò e dovuto a: disgregazione meccanica decomposizione chimica JCS = resistenza a compressione della parete della discontinuità 69 Elaborazione dei valori dell impulso Esempio di raccolta ed elaborazione dati sclerometrici Sistema K 2 (216/79) Valori dell impulso r x Valori correttivi r 50, 40, 45, 36, 27, 28, 30, 34, 30, , 27, 18, 15, 38, 30, 27, 37, 30, , 36, 26, 32, 30, 21, 32, 34, 31, , 21, 24, 42, 18, 36, 35, 34, 32, , 34, 38, 20, 38, 32, 42, 40, 42, , 28, 35, 38, 31, 32, 34, 25, 26, , 24, 38, 33, 35, 35, 30, 25, 38, , 24, 20, 32, 32, 28, 38, 30, 36, , 37, 23, 41, 28, 39, 20, 36, 30, r = valore medio delle 5 letture più alte x = direzione dello sclerometro r = 34 JCS = 70 MPa r = valore corretto g = 2.8 t/m

36 Prove di point - load Le prove di point load sono prove di compressione uniassiale semplice (ad espansione laterale libera) di tipo speditivo (da farsi anche in cantiere). Esse servono per determinare la c della matrice rocciosa. Non devono confondersi con le prove sclerometriche dove invece viene testata la resistenza a compressione della pellicola più esterna, alterata, delle superfici di discontinuità. 71 Stima della resistenza a compressione della matrice rocciosa mediante point-load su carote o campioni informi Modalità d esecuzione di una prova assiale ed elaborazione dei risultati 72 36

37 Prova di Point-load diametrale su carota 73 Risultati finali di prove di point load assiali e diametrali su carote estratte da sondaggio 74 37

38 RILIEVO DELLA FRATTURAZIONE CON TECNICHE LASER - SCANNER 75 Esempio di restituzione grafica 76 38

39 Rilievo geostrutturale di un versante interessato da una frana per crollo 77 Rilievo geostrutturale di una falesia e ricostruzione del modello di rottura 78 39