Fig Esempio di colata.

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1 Nei terreni sciolti il termine colamento è usato per indicare tutti quei fenomeni con una tipica morfologia caratterizzata da un "canale" di frana di forma allungata che si espande a lobo nella parte distale della zona di accumulo. La velocità di colamento è condizionata dal tipo di materiale coinvolto, dalla pressione dell'acqua interstiziale e anche dalle dimensioni della massa che alimenta la frana. Fig Esempio di colata Modi di colamento 1) colate di terra (o di fango) (earthflows o mudflows) (Fig.3.20a): si tratta di colamenti lenti che avvengono su pendenze modeste in materiali coesivi umidi o bagnati. 2) colate laminari (skin flows) (Fig.3.20b): si tratta di colate rapide o molto rapide di un livello sottile superficiale di suolo. Sono movimenti tipici dello strato attivo, sopra il permafrost, il quale è soggetto ad una fusione stagionale. La fusione del ghiaccio nello strato attivo determina il collasso della struttura del terreno ghiacciato e la generazione di sovrapressioni dell'acqua interstiziale, che causano la perdita di resistenza al taglio del terreno. 3) lahars (Fig.3.20c): si tratta di colate di detrito in corrispondenza di edifici vulcanici, che determinano la mobilizzazione del materiale vulcanico sciolto. 4) colate di detrito incanalate (channelized debris flows) (Fig.3.20d): si tratta di colate rapide di detrito, generalmente di elevata densità (80% in peso di solidi) che si sviluppano entro le incisioni dei torrenti montani. Il colamento è spesso associato al ruscellamento che segue precipitazioni eccezionali. Le colate si possono estendere per diversi chilometri, finché la diminuzione del gradiente del canale non causa la cessazione del trasporto solido. Colate incanalate a bassa densità, che sfumano nel trasporto di massa, sono indicate talvolta con il termine torrenti di detrito (debris torrent). 5) colate di detrito non incanalate (open-slope debris flow) (Fig.3.20e): si tratta di colate rapide di detrito su un versante di una valle. In generale la colata è formata da una lingua singola sul versante che raggiunge il fondovalle e dove si sviluppa in maniera sinuosa. Colate di questo tipo, di grandi dimensioni, estremamente rapide, sono identificate anche con il nome di valanghe di detrito (debris avalanches). 6) colate in roccia (bedrock flows) (Fig.3.20f): si tratta di deformazioni spazialmente continue, superficiali o profonde, della roccia in seguito a fenomeni di creep. Il termine creep è usato in meccanica per indicare le deformazioni viscose (tempo-dipendenti) che si verificano sotto uno stato tensionale efficace costante, sotto il limite di resistenza del materiale. Si verificano generalmente di movimenti differenziali estremamente lenti che possono evolvere in scivolamenti. 3-17

2 Fig Modi di colamento: a) colata di terra; b) colata laminare; c) lahar; d) colata di detrito incanalata, d) colata di detrito non incanalata, f) colata in roccia. 3-18

3 3.5 Cause che determinano i movimenti di versante I processi che conducono allo sviluppo di un movimento di versante sono vari ed in genere interagiscono fra loro. In generale, il movimento è controllato da fattori geologici, topografici, climatici e legati all'azione antropica. Le cause possono essere innanzitutto distinte in: - Cause preparatorie o predisponenti: fattori intrinseci di instabilità legati, essenzialmente, alle caratteristiche litologiche, strutturali, tessiturali, giaciturali dei materiali costituenti il pendio. - Cause scarenanti o innescanti: agiscono su un pendio in genere già intrinsecamente instabile e sono così definite perché innescano il movimento franoso (intense precipitazioni, attività sismica, ecc.). Le cause possono venire distinte in maniera abbastanza agevole analizzando la loro azione sulle forze di taglio che, in definitiva, controllano l'entità e le modalità della maggior parte dei fenomeni franosi. Le tensioni di taglio indotte dalle forze gravitazionali tendono a smuovere il terreno stesso lungo potenziali superfici di scivolamento. Se sussiste l equilibrio, la resistenza al taglio mobilitabile lungo ogni possibile superficie supera le tensioni tangenziali indotte dalla gravità. Quest ultima non costituisce tuttavia l unica causa che induce movimenti. Forze destabilizzanti sono introdotte dai terremoti; oscillazioni di falda producono variazioni dello stato tensionale e della resistenza disponibile; forze di filtrazione possono giocare un ruolo importante. I fattori che determinano l'instabilità nei versanti possono essere schematicamente suddivisi in: 1. fattori che determinano un aumento delle forze di taglio sul versante; 2. fattori che determinano una diminuzione della resistenza al taglio del materiale Fattori che contribuiscono ad aumentare le forze di taglio Rimozione del sostegno laterale e/o scalzamento al piede Può essere dovuta ai seguenti meccanismi: a) Erosione (fra i tipi più frequenti, quella fluviale e torrentizia, quella marina e quella dovuta ai ghiacciai); b) Scioglimento dei ghiacci e rilascio delle glaciopressioni; c) Azioni antropiche: tagli, cave, canali, rimozione di strutture di sostegno, variazione nel livello di serbatoi artificiali e naturali Sovraccarichi L'applicazione di sovraccarichi nella zona a monte, presso la corona, produce un aumento delle sollecitazioni di taglio. L'applicazione di sovraccarichi nella zona presso il piede produce invece un effetto stabilizzante. Le cause più frequenti di sovraccarico sono le seguenti: a) Accumulo di neve o aumento del peso di volume del terreno per saturazione (parziale o totale) ad opera di acqua di precipitazione; b) Accumulo di materiale detritico sulla sommità del pendio; c) Accumulo di materiale vulcanico; d) Crescita della vegetazione; e) Azioni antropiche: Costruzione di rilevati, edifici ed infrastrutture; discariche di cave e miniere, discariche di rifiuti, peso dell'acqua di acquedotti, fognature, canali e serbatoi artificiali Sollecitazioni transitorie Fra le cause più comuni che ricadono in questo gruppo, si hanno i terremoti, che provocano sia un aumento delle forze di taglio, per le componenti della onda sismica parallele alla potenziale superficie di scorrimento, sia una diminuzione della resistenza al taglio, per la generazione di sovrapressioni dell acqua interstiziale nel materiale. Fra le cause legate all'attività antropica, che agiscono con le stesse modalità, si hanno le vibrazioni provenienti da macchinari in funzione, treni in transito, esplosioni di mine ecc Spinta laterale Un aumento della spinta laterale può derivare dalla presenza di acqua in fratture e condotte sotterranee naturali, aggravata dalla trasformazione dell'acqua in ghiaccio. Lo stesso fenomeno può essere provocato dal rigonfiamento di materiali argillosi e dalla idratazione dell'anidrite Riduzione del supporto sotterraneo 3-19

4 Può essere dovuta ai seguenti fenomeni: a) Attività carsica in rocce carbonatiche; b) Dissoluzione dei gessi; c) Attività mineraria. 3 Fenomeni franosi Fattori che contribuiscono alla diminuzione della resistenza al taglio Si ricorda che in termini di tensioni efficaci la resistenza al taglio di un terreno può essere espressa dal criterio di Mohr Coulomb: τ f = (σ - u) tanφ' + c' Pertanto una riduzione di resistenza al taglio può essere determinata dai seguenti tre gruppi di fattori: a) fattori connessi alle condizioni iniziali e alle caratteristiche intrinseche del materiale, che determinano bassi valori iniziali della resistenza al taglio e condizioni generali sfavorevoli; b) fattori le cui variazioni conducono ad una riduzione degli sforzi efficaci (riduzione degli sforzi normali o aumento delle pressioni interstiziali); c) fattori che conducono ad una riduzione dei parametri di resistenza al taglio c' e φ' Condizioni iniziali che determinano bassi valori di resistenza al taglio I fattori caratteristici dello stato iniziale del materiale che determinano bassi valori della resistenza al taglio sono la sua composizione, tessitura e struttura, nonché la geometria del versante. La presenza di fillosilicati (minerali argillosi), per esempio, costituisce condizioni sfavorevoli, così come un alto contenuto di sostanza organica. La tessitura può essere caratterizzata da un arrangiamento instabile delle particelle, come in sabbie molto sciolte o in argille a tessitura dispersa; tali tessiture sono molto sensitive anche a leggere sollecitazioni e possono facilmente collassare. Fattori strutturali e geometrici del versante sfavorevoli alla stabilità sono rappresentati da: a) orientazione delle discontinuità (faglie, fratture, piani di stratificazione e scistosità, ecc.); b) alternanza di strati litoidi su materiali deboli; c) alternanza di livelli permeabili ed impermeabili; d) esposizione del versante, che controlla l'intensità dei fenomeni di alterazione del materiale; e) presenza di superfici di taglio preesistenti Fattori che inducono riduzioni degli sforzi effettivi La riduzione degli sforzi efficaci è determinata essenzialmente dai fattori che provocano l'aumento delle pressioni dell'acqua interstiziale. Possono verificarsi i seguenti tipi di fenomeni: a) Innalzamento della superficie di falda e conseguente aumento delle pressioni dell'acqua statiche. Ciò può essere causato da eventi meteorici o da immissione artificiale di acqua. b) Fenomeni di filtrazione. La filtrazione che agisce dal basso verso l'alto determina una riduzione degli sforzi efficaci fino e condizioni di instabilità (sifonamento). c) Fenomeni di liquefazione. L'annullamento degli sforzi efficaci, e quindi della resistenza al taglio nel caso di materiale privo di coesione (es. sabbie sciolte), è dovuto alla creazione di elevate sovrappressioni dell acqua interstiziale, generate talvolta dal collasso della struttura del materiale. d) Fenomeni che determinano il carico non drenato in terreni a bassa permeabilità. L'applicazione di carichi con velocità superiori a quella della possibilità di drenaggio delle acque interstiziali produce eccessi di pressione dei pori, che vengono gradualmente dissipati nel tempo, ma che, a breve termine, causano la riduzione degli sforzi efficaci Fattori che inducono riduzioni dei parametri di resistenza al taglio Variazioni dei parametri di resistenza al taglio sono causati da processi di alterazione, degradazione meteorica ed altre reazioni fisico-chimiche; a) la disgregazione fisica delle rocce granulari (graniti, arenarie ecc.) per azione del gelo e delle escursioni termiche (crio e termoclastismo); b) variazioni nel tipo e nella quantità di ioni all'interno della struttura a strati dei minerali argillosi; c) idratazione dei minerali argillosi; d) fenomeni di essiccamento e fratturazione delle argille, con conseguente perdita di coesione dell'insieme e formazione di vie d'accesso preferenziali per l'acqua; e) dissoluzione chimica del cemento. Oltre a questi esistono due principali processi che conducono alla riduzione dei parametri di resistenza al taglio mobilitata in situ, rispetto a quelli misurati sullo stesso materiale in laboratorio: 3-20

5 f) Rammollimento (softening): è un processo tipico dei materiali argillosi sovraconsolidati fessurati e consiste nel progressivo decadimento della coesione efficace, conseguente all aumento dell indice dei vuoti; quando il processo raggiunge il suo massimo sviluppo (completo rammollimento), i parametri di resistenza al taglio sono gli stessi del materiale rimaneggiato, normalmente consolidato, con coesione efficace nulla. g) Rottura progressiva: poichè la distribuzione della sollecitazione al taglio non è uniforme lungo la potenziale superficie di scivolamento, in realtà spesso la rottura non è contemporanea lungo tutta la superficie ma inizia in un punto e da essa si propaga in modo progressivo. Ciò fa sì che mentre punti che hanno già subìto rottura vedono decadere la resistenza verso valori residui, nei punti in cui la rottura non si è ancora propagata sono ancora mobilitati valori di picco. I parametri che controllano effettivamente il movimento sono perciò intermedi tra i valori di picco e quelli residui. 3.6 Indagini Le indagini su frane in atto o potenziali hanno come obiettivo: a) verifica della stabilità del pendio; b) scelta e progettazione del tipo di intervento di stabilizzazione. Le indagini sono finalizzate alla definizione dei seguenti punti: a) riconoscimento delle condizioni di instabilità, in atto o potenziale, dei versanti; b) definizione del tipo di movimento e della sua estensione; c) definizione delle condizioni idrauliche. Tali informazioni possono essere conseguite tramite due tipi di indagini: a) indagini geomorfologiche; b) indagini strumentali. Solo dopo aver riconosciuto il tipo di frana (in atto o potenziale), nonché la sua geometria, premesse indispensabili per la formulazione di ipotesi sul meccanismo del movimento e sulla sua tendenza evolutiva, è possibile passare alla progettazione ed esecuzione degli interventi più idonei Indagini geomorfologiche Le condizioni di instabilità dei versanti sono valutabili attraverso il riconoscimento di indizi di movimento già avvenuto o di condizioni geomorfologiche, geologiche ed idrogeologiche favorevoli allo sviluppo di fenomeni gravitativi. In genere, le aree instabili mostrano evidenze di movimenti già avvenuti o incipienti, per cui molti fenomeni possono essere già individuati attraverso una accurata indagine geomorfologica. All'interno di un determinato ambiente climatico, le forme del paesaggio sono determinate dall'azione di agenti morfogenetici (gravità, acque correnti superficiali, ghiaccio, moto ondoso, azioni antropiche), ognuno dei quali determina una serie di processi morfogenetici, sotto l'influenza di determinate condizioni (litologia, struttura, tettonica, forme del rilievo preesistente). La forma è quindi direttamente connessa al processo morfogenetico che la determina, ed entrambi dipendono quindi dal tipo di agente e dal quadro di condizioni al contorno entro cui questo opera. Diversi tipi di processi possono essere determinati dallo stesso agente, ad esempio l'agente gravità può dare origine a processi franosi di diverso tipo (crolli, ribaltamenti, scorrimenti, colamenti). Le indagini di tipo geomorfologico, analogamente allo studio dei processi di erosione del suolo, si basano sostanzialmente sul rilevamento (di campagna e da fotointepretazione) e si concretizzano nella rappresentazione cartografica dei processi e delle forme presenti sui versanti e delle informazioni sul loro grado di attività (Fig.3.21). In particolare lo studio geomorfologico fornisce il miglior strumento per la determinazione dell'estensione planimetrica dei fenomeni di instabilità e per la loro classificazione (individuazione del tipo di movimento e di materiale) Indagini strumentali Per quanto riguarda un movimento franoso in atto, le indagini strumentali possono determinare la causa del movimento e gli interventi di risistemazione più idonei. Le indagini strumentali sono effettuate in una fase successiva al rilevamento geologico-geomorfologico di campagna e sono finalizzate ai seguenti scopi: a) studio della cinematica dei movimenti mediante l'installazione di sistemi di monitoraggio (inclinometri, spie, estensimetri, picchetti); b) ricostruzione della geometria del corpo di frana in planimetria ed in profondità mediante trincee, perforazioni, prove penetrometriche, studi geofisici (sondaggi elettrici e sismici) e l installazione di sistemi di monitoraggio; c) determinazione della posizione e delle oscillazioni della tavola d'acqua e misura delle pressioni interstiziali mediante installazione di piezometri. 3-21

6 Questa campagna di indagini può essere integrata con l'installazione di una stazione meteorologica per lo studio dell'andamento delle precipitazioni nell'area e delle loro eventuali relazioni con le escursioni della falda e con l'instabilità del versante. Fig Legenda per la carta geomorfologica di base Studio della cinematica dei movimenti L installazione di sistemi di monitoraggio permette di stabilire lo stato di attività della frana, in particolare consente di: a) verificare se e dove la frana si sta muovendo; b) osservare la frequenza delle riattivazioni e di correlarle eventualmente con le precipitazioni o con i livelli piezometrici; c) stabilire la cinematica del movimento: ad esempio distinguere se si tratta di uno scivolamento in corrispondenza di una netta superficie di rottura o se invece si tratta di un colamento in cui le deformazioni si esauriscono gradualmente in profondità; 3-22

7 d) misurare la velocità del movimento e l eventuale accelerazione prima di una fase di collasso. Gli strumenti normalmente impiegati per lo studio della cinematica si possono suddividere in due categorie: superficiali o profondi. A) Monitoraggio superficiale a) rilievi topografici o fotogrammetrici. I rilievi geodetico-topografici si basano sulla misura, attraverso strumenti di rilevamento topografico (teodolite, distanziometro), degli spostamenti di punti, materializzati da piastrini, vincolati alla superficie del terreno entro l area in frana, rispetto a capisaldi di riferimento posizionati al di fuori della zona franosa (Fig.3.22). I movimenti superficiali, per ciascun punto di misura, vengono rappresentati mediante vettori con moduli proporzionali all entità degli spostamenti (Fig.3.23). La fotogrammetria terrestre si basa sulla ripresa di immagini tramite camera metrica da punti di presa posti a terra, a breve distanza dal versante da monitorare. Può risultare molto più vantaggiosa rispetto ai metodi topografici tradizionali soprattutto quando i punti da determinare sono molto numerosi. La recente diffusione di appositi programmi di calcolo per l elaborazione delle immagini tramite utilizzo di stereorestitutore digitale rende tale metodo particolarmente indicato nel caso di misure di estremo dettaglio. b) estensimetri superficiali. Permettono di registrare una componente dello spostamento in corrispondenza di una fessura nel corpo di frana o al suo bordo. Sono più comunemente utilizzati nel caso di pendii in roccia, essendo strumenti in grado di misurare sia l apertura che lo scorrimento in corrispondenza di una superficie di discontinuità. Alle estremità opposte delle discontinuità vengono fissati due ancoraggi meccanici tra i quali è posizionato un trasduttore di misura meccanico o elettrico (Fig.3.24). Esistono degli estensimetri in grado di misurare l entità delle tre componenti di spostamento (Fig.3.25). c) clinometri superficiali: permettono di registrare lo spostamento angolare in corrispondenza di una fessura nel corpo di frana o al suo bordo. d) spie: si tratta di sbarrette di vetro o di gesso che vengono cementate ai due lati di una fessura (per es. su un edificio sul corpo di frana); la rottura della sbarretta indica la presenza di movimenti differenziali in atto. Fig Esempio di rete regolare di capisaldi di misura da utilizzare nel caso di frane di elevate dimensioni impostate su pendii regolari. Fig Esempio di rappresentazione dei movimenti superficiali per mezzo di vettori spostamento. 3-23

8 Fig Estensimetri per la misura dell apertura e dello scorrimento lungo una superficie di discontinuità. B) Monitoraggio profondo Fig Estensimetro per il controllo delle tre componenti di spostamento. a) estensimetri in fori di sondaggio: si tratta di cavi estensimetrici inguainati che vengono cementati in un foro di sondaggio (es. all esterno di un tubo inclinometrico). La variazione di lunghezza del cavo, registrata mediante un micrometro, permette di stabilire se si verificano deformazioni in profondità e consente di stimare la velocità di tali deformazioni. b) inclinometri. Un inclinometro è costituito da un tubo di alluminio o di plastica (tubo inclinometrico) cementato in un foro di sondaggio, la cui sezione circolare presenta 4 scanalature che fungono da guida per la sonda inclinometrica che, calata nel tubo guida, rileva le eventuali deformazioni del tubo stesso causate da movimenti differenziali del terreno (Fig.3.26). Più precisamente la sonda inclinometrica misura le deviazioni rispetto alla verticale dell asse del tubo inclinometrico. Più inclinometri collegati tra loro mediante un cavo di acciaio costituiscono una batteria inclinometrica. Fig Inclinometro e rappresentazione di misure inclinometriche Ricostruzione della geometria del corpo di frana L'individuazione della posizione dell'eventuale superficie di rottura costituisce in genere il principale obbiettivo delle indagini strumentali, in quanto essa è richiesta per ogni tipo di analisi a posteriori del fenomeno finalizzata alla comprensione dei caratteri del movimento e alla scelta dei criteri di intervento. La localizzazione della superficie di rottura richiede criteri diversi per movimenti franosi in atto o per movimenti inattivi o quiescenti. A) Movimenti in atto a) misura dello spostamento di picchetti sul corpo di frana per definire i limiti laterali; b) misura delle deformazioni in profondità con inclinometri; 3-24