Corso di Laurea Scienze Geologiche Geologia Applicata

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1 Corso di Laurea Scienze Geologiche Geologia Applicata (GEO/05) Dott.ssa Stefania Da Pelo '... if you do not know what you should be looking for in a site investigation, you are not likely to find much of value' (Glossop, 1968)

2 Comportamento degli ammassi rocciosi Tensioni e deformazioni che il materiale può sopportare Proprietà fisiche Caratteristiche geologiche Condizioni idrogeologiche Composizione mineralogica Densità Struttura Tessitura Porosità Permeabilità Alterabilità Durezza Litologia Stratigrafia Struttura geologica Discontinuità geologiche o diagenetiche Stati tensionali Sono il risultato di: Genesi Condizioni e processi geologici e tettonici subiti Per ammasso roccioso si intende l'insieme di roccia intatta e piani di discontinuità. Clima

3 Metodologie Ammasso Roccioso Roccia Intatta Discontinuità Resistenza ed i criteri che permettono di quantificarne le caratteristiche (trazione - compressione taglio) la deformabilità (o il suo inverso, cioè la rigidezza) la resistenza ed i criteri che permettono di quantificarne l entità le caratteristiche geometriche e morfologiche la deformabilità le caratteristiche geometriche (spaziatura e grado di definizione dei volumi rocciosi) definiscono la posizione dei valori di tali proprietà rispetto al limite superiore (roccia intatta) ed inferiore (discontinuità)

4 Come si determinano le caratteristiche fisiche e meccaniche?

5 Metodi La Finalità delle prove è quella di determinare la resistenza del materiale in funzione degli sforzi applicati e delle sue proprietà intrinseche, per permettere una previsione di come e quando avverrà la rottura.

6 Resistenza e deformabilità degli ammassi rocciosi Dipende dalla scala del problema

7 Tipo di comportamento

8 Resistenza Resistenza di picco Resistenza residua Dipende da c e φ, intensità degli sforzi, storia geologica (carico e scarico) presenza di acqua

9 Prova di compressione semplice Comportamento elastico Modulo di Young Coefficiente di Poisson Il modulo dinamico E d si determina attraverso la misura della velocità sonica Limite di elasticità σ y

10 La forma della curva tensione deformazione è dettata dalla microstruttura Le rocce fragili si rompono lungo piani di rottura netti e generalmente in modo istantaneo, mentre i materiali duttili lo fanno in maniera progressiva e con maggior grado di deformazione

11 Caratteristiche fisico meccaniche dei materiali lapidei: ordini di grandezza

12 Influenza della litologia sul comportamento meccanico

13 Caratteristiche fisico-meccaniche dei materiali lapidei : ordini di grandezza

14 Caratteristiche fisico-meccaniche dei materiali lapidei

15 Meccanismi di rottura Le variazioni tensionali possono essere di carico o scarico, con evoluzioni e conseguenze pratiche differenti. P. es. : fondazioni - scavi - gallerie Sforzo costante Flessione trazione Compressione

16 Come valutare la resistenza della roccia intatta? Legge di comportamento: Resistenza di picco Resistenza residua Resistenza al limite di elasticità Inizio di formazione delle fratture Deformazioni Energia del processo di rottura e deformazione? CRITERI DI ROTTURA o RESISTENZA = f(σ 1, σ 2, σ 3, K i ) Ottenuti empiricamente a partire da prove di laboratorio K i = insieme di parametri caratteristici della roccia σ 1, σ 2, σ 3 = sforzi principali

17 Resistenza

18 Criteri di resistenza Criterio di Mohr-Coulomb τ = c + σ n tanφ τ = tensione tangenziale σ n = tensione normale LIMITI E SVANTAGGI Prevede che l inviluppo di rottura delle rocce sia lineare quando in verità non lo è. Il criterio sovrastima la resistenza a trazione Adatto per pressioni di confinamento medie. Per pressioni di confinamento alte, la resistenza delle rocce aumenta meno. In corrispondenza di limitate tensioni di confinamento ed in condizioni monoassiali, si è osservato l aumento di microfratture e lo sviluppo di piani di rottura nella direzione subparallela a quella della tensione principale, con scarsa applicabilità di tale criterio

19 Criteri di resistenza GRANDE PREGIO Criterio di Hoek e Brown si può riferire sia alla roccia intatta che all ammasso Per ammasso σ = σ + mσ σ + sσ ' ' ' ' ci 3 ' ci Per roccia intatta s=1 e m=m i σ 1 e σ 3 = sforzi minimo e massimo nella rottura della prova triassiale eseguite con 0 <σ 3 < 0.5 σ ci σ ci = resistenza a compressione semplice (determinato da prove CM, PLT) m e s = costanti che dipendono dalle proprietà dell ammasso, dal tipo di roccia, dalla frequenza e dalle caratteristiche delle discontinuità σ = σ + m σ σ + σ ' ' ' ' i ci 3 ' ci Il criterio è di natura empirica, non lineare, essendo derivato dalla regressione di punti di rottura sperimentali, diagrammati in un piano (σ 1, σ 3 ).

20 Criteri di resistenza Criterio di Hoek e Brown il parametro m i è legato al grado di interlocking della matrice. Dipende dal tipo di roccia e dalla tessitura

21 Criteri di resistenza Criterio di Hoek e Brown per σ = σ = σ ' 1 ' 3 0 ' ci σ ' + ' ' ' 2 1 = σ 3 + miσ ciσ 3 σ ' ci per σ = σ = σ ' 3 ' 1 0 ' t Esprime la resistenza riferita alla componente principale massima dello stato di sforzo al variare della componente minima

22 Prove di laboratorio sulla roccia intatta

23 Interpretazione prova triassiale Effetto della pressione di confinamento Effetto della pressione interstiziale

24 ESEMPI: applicazione dei criteri di resistenza Esempio: Granito σ 1 (Mpa) PICCO RESIDUO σ 3 (Mpa)

25 Metodologie Ammasso Roccioso Roccia Intatta Discontinuità Resistenza ed i criteri che permettono di quantificarne le caratteristiche (trazione - compressione taglio) la deformabilità (o il suo inverso, cioè la rigidezza) la resistenza ed i criteri che permettono di quantificarne l entità le caratteristiche geometriche e morfologiche la deformabilità le caratteristiche geometriche (spaziatura e grado di definizione dei volumi rocciosi) definiscono la posizione dei valori di tali proprietà rispetto al limite superiore (roccia intatta) ed inferiore (discontinuità)

26 Discontinuità: criteri di resistenza Le caratteristiche di deformabilità dei giunti possono essere sinteticamente descritte dalla rigidezza normale N e da quella a taglio T. La rigidezza normale k n (dell ordine di alcune centinaia di MPa), aumenta a causa del progressivo schiacciamento della spaziatura dei giunti. La rigidezza a taglio k s (dell ordine di alcune decine di MPa), sarà funzione dello sforzo normale applicato, della rugosità e del materiale di riempimento La rigidezza è il rapporto fra lo sforzo applicato e spostamento prodotto: k= σ/µ

27 Discontinuità-criteri di resistenza Giunto Piano Cella di Hoek

28 Metodi di campionamento Giunti Artificiali Splitting Segaggione di carota

29 Discontinuità-criteri di resistenza Giunto Scabro: Patton

30 Discontinuità - criteri di resistenza Giunto Scabro: Barton e Choubey τ = c + σ ν tan(φ b + i eff ) i eff = JRC log JCS / σ con: JRC= joint roughness coefficient JCS= joint compressive strength (resistenza delle pareti) i eff rappresenta il contributo delle asperità, variabile in dipendenza delle condizioni della discontinuità e dello sforzo normale applicato. I eff aumenta all aumentare della scabrezza aumenta all aumentare della resistenza del materiale costituente le asperità diminuisce all aumentare dello sforzo normale, che contribuisce alla rottura delle asperità

31 Applicazioni per le quali è utile valutare i parametri di resistenza al taglio delle discontinuità Scivolamento 2D Scivolamento 3D

32 Metodi di campionamento Solitamente con carotaggi condotti il più possibile perpendicolarmente al giunto Prove di taglio in situ

33 Caratteristiche geometriche e morfologiche: Giacitura Orientazione nello spazio definita da: direzione di immersione α angolo di inclinazione β Piano di discontinuità δ=direzione (strike) α= direzione di immersione (dip direction) β= inclinazione (dip) Piano di discontinuità

34 Rappresentazione della giacitura delle discontinuità Sfera di riferimento Piano equatoriale Grande cerchio Piano delle discontinuità

35 Giacitura: Proiezione stereografica RAPPRESENTANO LA PROIEZIONE DEL PIANO Proiezione del polo Proiezione del grande cerchio TRACCIA CICLOGRAFICA Grande Cerchio: traccia del piano delle discontinuità Piano di proiezione

36 Equiangolare Per approfondimenti: Equiarea poli traccia ciclografica Linee e piani poli Linee

37 Analisi statistica della distribuzione delle giaciture rappresentazione percentuale valutata in base alla densità dei punti che ricade in ogni area utile se si vuole confrontare la distribuzione di punti tra stereogrammi con numero di punti differenti o tra stereogrammi di dimensioni differenti

38 ESEMPIO: traccia ciclografica di piani 10/10 D= vettore inclinazione È la direzione di massima pendenza del piano di discontinuità e rappresenta la direzione secondo cui il blocco scivolerà Strike N100E

39 ESEMPIO: traccia ciclografica di piani D 140/80

40 ESEMPIO: traccia ciclografica di piani D 260/64

41 ESEMPIO: traccia ciclografica di piani 302/44 D

42 ESEMPIO: traccia ciclografica di piani 10/10 302/44 260/64 140/80 98/30

43 Proiezione di φ Un blocco appoggiato su una superficie piana, sottoposto solo alla forza di gravità, resterà fermo se la superficie di scivolamento ha un inclinazione δ minore dell angolo di resistenza al taglio della discontinuità φ, mentre tenderà a scivolare se δ>φ (Fig. 7.3a). E possibile rappresentare in proiezione stereografica la resistenza al taglio tracciando un cerchio con raggio di ampiezza 90-φ dal centro dello stereogramma Conti e Carmignani, 2015

44 Proiezione di φ La zona esterna al cerchio conterrà tutte le linee con inclinazione minore di φ. L inclinazione della discontinuità supera la resistenza al taglio L inclinazione della discontinuità non supera la resistenza al taglio D 90 φ=45 φ=45 D Tutti i vettori D che cadranno nell area esterna al cerchio potranno essere trascurati ai fini dell analisi della stabilità Tutti i vettori D che si troveranno all interno del cerchio potranno potenzialmente dare scivolamento.

45 ESEMPIO: traccia ciclografica di piani 10/10 260/64 e 140/80 POTENZIALMENTE INSTABILI 302/44 260/64 140/80 98/30

46 Valutazione di stabilità dei pendii La stabilità di una discontinuità dipende anche dalla sua giacitura rispetto al versante Il vettore D1 esce dal pendio δ 1 δ2 D= vettori inclinazione/scivolamento delle discontinuità Direzione del fronte Il vettore D 2 NON esce dal pendio Conti e Carmignani, 2015

47 Valutazione di stabilità dei pendii L angolo di sicurezza limite (α) è la massima inclinazione che un pendio con una data direzione può assumere senza che si abbia scivolamento di blocchi, cioè senza che un vettore D esca dal pendio. Per un pendio che ha la Direzione 1 (strike 1) l angolo di sicurezza limite α 1 è l inclinazione del grande cerchio passante per la Direzione 1" e il vettore D del piano di debolezza. Per un pendio che ha la Direzione 2 (strike 2) l angolo di sicurezza limite α 2 è l inclinazione del grande cerchio passante per la Direzione 2" e il vettore D del piano di debolezza vettore inclinazione del fronte α D= vettore scivolamento della discontinuità δ.. Conti e Carmignani, 2015 Inclinazione del pendio stabile Inclinazione del pendio limite Inclinazione del pendio instabile

48 Esempi: Applicazione alla valutazione di stabilità dei pendii Superficie di scivolamento cilindrico Fronte Poli Direzione del fronte

49 Esempi: Applicazione alla valutazione di stabilità dei pendii Piano di scivolamento Ciclografia media delle famiglia di discontinuità Poli

50 Esempi: Applicazione alla valutazione di stabilità dei pendii Cuneo di roccia: Intersezione fra due piani Ciclografie medie delle famiglia di discontinuità Poli

51 Esempi: Applicazione alla valutazione di stabilità dei pendii Ribaltamento per presenza di discontinuità aggettanti Poli Ciclografia media delle famiglia di discontinuità

52 Test di Markland Si avrà scivolamento quando: a) la direzione di scivolamento D è inclinata di un angolo maggiore dell angolo di attrito; b) la direzione di scivolamento immerge nella direzione del versante e ha un inclinazione minore dell inclinazione del versante, quando cioè viene a giorno sul versante.

53 Test di Markland Conti e Carmignani, 2015

54 In alcuni casi è possibile che un cuneo scivoli verso il basso non su due superfici secondo la linea di intersezione, ma solo su una delle due superfici, secondo la direzione di massima pendenza di tale superficie. Test di Markland Devono essere verificate le seguenti condizioni: che la linea di intersezione tra le due superfici di discontinuità sia sufficientemente inclinata che venga a giorno sul versante che la direzione di scivolamento di uno dei due piani di discontinuità sia compresa tra la direzione di immersione della linea intersezione dei due piani e la direzione di massima pendenza del versante si avrà scivolamento sulla superficie di discontinuità secondo la sua direzione di massima pendenza. Conti e Carmignani, 2015

55 Orientamento delle discontinuità

56 Rilevamento Geomeccanico Conti e Carmignani, 2015

57 Spaziatura dei giunti

58 Spaziatura dei giunti Solo poche delle discontinuità sono perpendicolari allo stendimento Quanto più la linea a di stendimento si discosta dalla direzione perpendicolare alle discontinuità di un generico sistema iesimo tanto più elevato è l errore compiuto nella valutazione del numero di discontinuità appartenenti al sistema stesso I dati delle spaziature misurate sullo stendimento non perpendicolare devono essere corretti

59 Apertura dei giunti

60 Continuità dei giunti

61 Scabrezza dei giunti

62 Resistenza dei giunti: Prove da compressione monoassiale (Martello di Schmidt) Può essere minore della resistenza della roccia a causa dell alterazione

63 Presenza d acqua: Filtrazione

64 Numero delle famiglie dei giunti

65 Geometria dei blocchi

66 Grado di alterazione

67 Metodologie Ammasso Roccioso Roccia Intatta Discontinuità Resistenza ed i criteri che permettono di quantificarne le caratteristiche (trazione - compressione taglio) la deformabilità (o il suo inverso, cioè la rigidezza) la resistenza ed i criteri che permettono di quantificarne l entità le caratteristiche geometriche e morfologiche la deformabilità le caratteristiche geometriche (spaziatura e grado di definizione dei volumi rocciosi) definiscono la posizione dei valori di tali proprietà rispetto al limite superiore (roccia intatta) ed inferiore (discontinuità)

68 Dalla roccia intatta all ammasso: EFFETTO SCALA sforzo E d <E t E d E t E t E d deformazione E E t d Rappresenta il fattore di scala

69 Come stimo la deformazione dell ammasso?

70 Prove dilatometriche 0.5 m 3

71 2-2.5 m 3 Prova con Martinetto Piatto

72 8-10 m 3 Prova su Piastra Estensimetro multibase

73 Prove Lugeon per la determinazione della permeabilità e valutazione dell effetto dell incremento di pressione sul comportamento delle discontinuità

74 Classificazione dell ammasso roccioso Proprietà della matrice rocciosa Frequenza e natura delle discontinuità Grado di alterazione Stato tensionale in sito Presenza di acqua

75 RMR: Rock Mass Rating System Beniawski 1973 Dall RMR si ricava la classe di appartenenza della roccia, da cui: coesione e angolo di attrito; giudizio sulle difficoltà di scavo e sui tempi di autosostentamento del materiale (cioè la capacità che hanno i materiali al contorno del cavo di sostenersi senza alcuna armatura); modalità di avanzamento ed il tipo di sostegno provvisorio da adottare: centine, bulloni o "spritz-beton".

76 Non adatta a rocce tenere o con forte anisotropia (scisti ardesie etc) Carico P I s = P/D 2 D σ c = 23 x I s L min = 1,5 D

77 ESEMPI

78 ESEMPI

79 ESEMPI

80 RMR: Rock Mass Rating System Beniawski 1973

81 Slope Mass Rating (SMR, Romana 1985) Romana propone di aggiungere al valore di RMR (di base), alcuni fattori di aggiustamento: orientamento relativo fra discontinuità e fronte del versante ulteriore fattore che tiene conto del metodo di scavo SMR = RMR B + (F1 x F2 x F3) + F4 F1 dipende dal parallelismo fra l immersione del fronte e l immersione dei giunti. F2 è riferito all inclinazione del giunto nell ipotesi di rottura planare. F3 mantiene le relazioni proposte da Beniawski per l inclinazione fra fronte e giunti. F4 rappresenta un fattore di correzione legato al metodo di scavo ed è stato fissato empiricamente.

82 Slope Mass Rating (SMR, Romana 1985) +

83 SMR F1 αj = immersione del giunto αf = immersione del fronte del versante αi = immersione della retta di intersezione di due piani per la rottura a cuneo N αf αj αj αf

84 SMR F2 βj = inclinazione del giunto βi = inclinazione della retta di intersezione di due piani per la rottura a cuneo

85 SMR F3 + βi = inclinazione della retta di intersezione di due piani per la rottura a cuneo (α) βj = inclinazione del giunto (α) βf = inclinazione del fronte (ψ)

86 SMR F4

87 SMR Fornisce indicazioni generali sul grado di stabilità della scarpata, sul tipo di cinematismo di rottura che si può instaurare su quanto possano pesare eventuali interventi di stabilizzazione

88 Q System: Rock Mass Quality Burton, Lien e Lunde 1974

89 CLASSIFICAZIONE DI RABCEWICZ-PACHER (applicabile a tutti gli ammassi, rocciosi e non) Considera cinque classi differenti fra loro non tanto per le caratteristiche litologiche, petrografiche e strutturali delle masse rocciose, bensì per il grado di stabilità all'apertura di cavità.

90 GSI (Geologic Strength Index) Descrive la qualità dell ammasso in funzione di grado e caratteristiche della fratturazione; struttura; alterazione delle discontinuità Giuseppe Sappa Geologia Applicata 2015 Città Studi Edizioni

91 Giuseppe Sappa Geologia Applicata 2015 Città Studi Edizioni

92 Giuseppe Sappa Geologia Applicata 2015 Città Studi Edizioni