Stabilità geotecnica del sito di costruzione. Suscettibilità alla liquefazione. Carlo G. LAI, PhD. con importanti contributi di: Laura Scandella, PhD

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1 Stabilità geotecnica del sito di costruzione. Suscettibilità alla liquefazione. Carlo G. LAI, PhD con importanti contributi di: Laura Scandella, PhD La Spezia, 1 Ottobre 2011

2 sommario Stabilità geotecnica del sito di costruzione Il fenomeno della liquefazione - generalità sul fenomeno - casi storici di liquefazione - rilevanza fenomeno in Italia - valutazione suscettibilità - misure di mitigazione 2

3 OPCM n del stabilità geotecnica sito di costruzione 20/03/2003 e successive modifiche e integrazioni Requisiti sito costruzione e terreno fondazione.dovrà essere accertato che il sito di costruzione e i terreni di fondazione... siano esenti da pericoli di instabilità dei pendii, liquefazione, eccessivo addensamento in caso di terremoto, nonché rottura di faglia in superficie.. aperture di faglie e fratture in superficie instabilità versanti instabilità del suolo Effetti indotti dai terremoti - liquefazione - espansione laterale - colamenti di terreno - fontane di sabbia - eccessivo addensamento terreni grana-grossa - rammollimento in depositi a grana-fine 3

4 stabilità geotecnica del sito di costruzione (da Lanzo e Silvestri, 1999) 4

5 Il fenomeno della liquefazione 5

6 generalità sul fenomeno Definizione della liquefazione (NTC08) Meccanismo di generazione del fenomeno di liquefazione: Incremento di pressioni interstiziali durante l eccitazione sismica in condizioni non-drenate con annullamento o forte riduzione della resistenza al taglio 6

7 u 0 u 0 a terremoto Meccanismo di della a liquefazione terremoto progetto t di progetto t materiali materiali sabbiosi sabbiosi sc iolti, sc saturi iolti, saturi substrato substrato stabile stabile generalità sul fenomeno Resistenza al taglio delle sabbie RESISTENZE DELLE SABBIE IN RESISTENZE ASSENZA DELLE DI TERREMOTO SABBIE IN ASSENZA DI TERREMOTO in assenza di terremoto RESISTENZE DELLE SABBIE IN RESISTENZE PRESENZA DELLE DI TERREMOTO SABBIE IN PRESENZA DI TERREMOTO Resistenza al taglio delle sabbie in presenza di terremoto REQUISITI PROGETTUALI: In REQUISITI aggiunta PROGETTUALI: alle verifiche tradizionali delle fondazioni in campo statico e In sismico, aggiunta occorrerà alle verifiche controllare tradizionali che: delle fondazioni in campo statico 7 e u sismico, indotte occorrerà dal terremoto controllare ~ trascurabili, che: ovvero coefficienti di sicurezza nei c onfronti della liquefazione > 1.25

8 generalità sul fenomeno DILATANZA: variazione di volume corrispondente alla applicazione di uno sforzo deviatorico (taglio puro) terreno granulare modello semplificato Entità fenomeno dipende da porosità iniziale e tensioni di confinamento 8

9 generalità sul fenomeno Stato critico e stazionario di deformazione: DILATANZA Curva dello stato critico nello spazio t-e-s (da Kramer, 1996) 9

10 generalità sul fenomeno campione addensato Meccanismo della liquefazione risposta drenata aumento volume (dilatanza) risposta non-drenata pressione acqua negativa (comportamento stabile) campione sciolto tensione di confinamento costante risposta drenata diminuzione volume (contrattanza) risposta non-drenata pressione acqua positiva (comportamento instabile) 10

11 generalità sul fenomeno debole confinamento Meccanismo della liquefazione risposta drenata aumento volume (dilatanza) risposta non-drenata pressione acqua negativa (comportamento stabile) forte confinamento porosità iniziale costante risposta drenata diminuzione volume (contrattanza) risposta non-drenata pressione acqua positiva (comportamento instabile) 11

12 Casi storici di liquefazione Rilevanza fenomeno in Italia 12

13 casi storici di liquefazione San Francisco, California, 18 Aprile 1906 (M = 8.3) ( 13

14 casi storici di liquefazione Niigata, Giappone, terremoto del 16 Giugno 1964 (M = 7.5) ( 14

15 casi storici di liquefazione Perdita capacità portante (liquefazione) ( Izmit, Turchia, 17 Agosto 1999 (M = 7.4) 15

16 casi storici di liquefazione Perdita capacità portante (liquefazione) ( Izmit, Turchia, 17 Agosto 1999 (M = 7.4) 16

17 casi storici di liquefazione Effetti indotti Espansione laterale: rilevato stradale ( 17

18 casi storici di liquefazione Effetti indotti Espansione laterale: ( Fontane di sabbia 18

19 il fenomeno liquefazione in Italia (da Galli, 2000) (da Galli, 2000) 19

20 il fenomeno liquefazione in Italia Catalogo dei fenomeni di liquefazione storica avvenuti tra il 1117 e il 1990 (da Galli, 2000 Tectonophysics 324, pp ) 20

21 il fenomeno liquefazione in Italia (da Galli, 2000) Terremoto calabro del 1783 vulcani di sabbia lungo gli argini del fiume Mesima da Sarconi, 1784) 21

22 il fenomeno liquefazione in Italia (da Galli, 2000) Terremoto calabro del 1783 crateri formati dal cedimento di depositi sabbiosi da Sarconi, 1784) 22

23 il fenomeno liquefazione in Italia Analisi paleosismiche per stima della magnitudo di terremoti storici M S log (R e ) (da Galli, 2000) Evidenza di paleoliquefazione nella piana del Fucino; terremoto di Avezzano (Italia Centrale) del Da Galadini e Galli,

24 Valutazione della suscettibilità alla liquefazione 24

25 suscettibilità alla liquefazione Esclusione della verifica a liquefazione (OPCM 3274) Si richiedono quando la falda freatica è superficiale ed il terreno comprende strati estesi o lenti spesse di sabbie sciolte sotto falda La verifica può essere omessa se: - il terreno sabbioso saturo è a profondità > 15 m - S a g < 0.15 g e il terreno soddisfa almeno una delle condizioni seguenti: - contenuto in argilla > 20% con indice di plasticità > 10 - contenuto di limo > 35% con N 1 (60)* > 20 - frazione fine trascurabile e N 1 (60)* > 25 *(N 1 (60): N SPT normalizzato) Si accettano metodi di verifica propri dell ingegneria geotecnica, con un fattore si sicurezza minimo rispetto alla liquefazione pari a 1.25 Per terreni risultati suscettibili, con conseguenze su capacità portante e stabilità di fondazioni, occorre procedere con interventi di consolidamento e/o trasferendo il carico a strati più profondi 25

26 suscettibilità alla liquefazione Esclusione della verifica a liquefazione (NTC08) 26

27 suscettibilità alla liquefazione Esclusione della verifica a liquefazione (NTC08) U C <3,5 U C >3,5 27

28 suscettibilità alla liquefazione Esclusione della verifica a liquefazione (NTC08) 28

29 suscettibilità alla liquefazione Valutazione del potenziale di liquefazione (Prevost, 2004) Misura sperimentale Metodi empirici SPT, CPT Metodi teorici avanzati Inoltre esistono metodi che si basano su: Criteri storico-statistici; Criteri geologici e di composizione granulometrica. 29

30 suscettibilità alla liquefazione Valutazione del potenziale di liquefazione Metodi empirici basati sull uso delle prove SPT e CPT Calcolo sforzi di taglio indotti da azione sismica (domanda) - severità dello scuotimento (a max ) - magnitudo del terremoto - profondità Calcolo resistenza del terreno alla liquefazione (capacità) - stato di addensamento iniziale, dimensione grani - tensioni di confinamento (profondità) - percentuale di fine 30

31 suscettibilità alla liquefazione Valutazione del potenziale di liquefazione Metodi empirici basati sull uso delle prove SPT e CPT PASSI PRINCIPALI DELL ANALISI: 1) Stima dello sforzo di taglio ciclico normalizzato (CSR) Tale calcolo si esegue utilizzando la procedura originale di Seed & Idriss (1971): CSR av ' v a max g v0 ' v0 r d K K 31

32 suscettibilità alla liquefazione Valutazione del potenziale di liquefazione Metodi empirici basati sull uso delle prove SPT e CPT 2) Stima dello sforzo di taglio ciclico normalizzato (CSR) Correzione del CSR per tener conto della magnitudo del terremoto: 3) Uso parametro N SPT oppure resistenza alla punta q c come indici normalizzati di resistenza: 32

33 suscettibilità alla liquefazione Valutazione del potenziale di liquefazione Metodi empirici basati sull uso delle prove SPT e CPT 4) Valutazione del rapporto normalizzato di resistenza ciclica CRR; 5) Calcolo del fattore di sicurezza FS = CRR/CSR; 6) Ripetizione del calcolo a diverse profondità. 33

34 suscettibilità alla liquefazione Valutazione del potenziale di liquefazione Metodi empirici basati sull uso delle prove SPT e CPT domanda CSR av ' v0 a 0.65 g max v0 ' v0 r d K K CRR a c (N1) 60cs e (N1) 60cs g (N1) 60cs b (N1) 60cs d (N1) 60cs f (N1) 60cs h (N 1 ) 4 60cs capacità CRR CRR 7.5 MSF Prova SPT (N 1 ) 60cs K S (N 1 ) 60 (da Youd, T.L. & Idriss, I.M., 1997) 34

35 suscettibilità alla liquefazione VALUTAZIONE DI CRR DA PROVE CPT q c CPT f s Prova CPT pressione in situ: vo ; ' vo Q = (q c - vo )/' vo F = f s /(q c - vo ) I c < 2,6 I c = (3,47 - logq) 2 + (1,22 + log F) 2 0,5 I c > 2,6 q c1n = (q c /P a )*(P a /' vo ) 0,5 q c1n = Q I c < 2,6 I c = (3,47 - logq c1n ) 2 + (1,22 + log F) 2 0,5 I c > 2,6 q c1n = (q c /P a )*(P a /' vo ) 0,75 I c = (3,47 - log q c1n ) 2 + (1,22 + log F) 2 0,5 se I c 1,64 K c = 1,0 se I c > 1,64 K c = - 0,403 I 4 c + 5,581 I 3 2 c - 21,63 I c + 33,75 I c -17,88 se 1,64 < I c < 2,36 ed F< 0,5% K c = 1,0 se I c > 2,60 e: F > 1% probabilmente non liquefacibile F < 1% usare altri criteri (q c1n ) cs = q c1n * K c se 50 < (q c1n ) cs < 160 CRR 7,5 = 93 (q c1n ) cs / ,08 (da Youd, T.L. & Idriss, I.M., 1997) se (q c1n ) cs < 50 CRR 7,5 = 0,833 (q c1n ) cs / ,05 35

36 suscettibilità alla liquefazione Valutazione del potenziale di liquefazione SPT CPT (da SGI, 2000) 36

37 Depth [m] Depth [m] suscettibilità alla liquefazione 0 Condizioni naturali deposito sabbioso a Taiwan D R [%] CSR W.T. (-3.35 m) 5 CPTU C101S CPTU C CPTU C106S 10 CPTU C110A CPTU C116S CPTU C130S CPTU C125S 10.0 Liquefaction CPTU C120S 15.0 C101S No Liquefaction 25 NATURAL SITE CONDITIONS Threshold Liquefaction Line (Youd & Idriss, 1997) PGA = 0.33g (da SGI, 2000) 37

38 Depth [m] Depth [m] suscettibilità alla liquefazione Mitigazione attraverso l uso di colonne di ghiaia G max [MPa] V S [m/s] Natural Soil Threshold Profile to Prevent Liquefaction Composite (Soil+Columns) Profile after Treatment Soil Column Equivalent (da SGI, 2000) 38

39 suscettibilità alla liquefazione LPI: Liquefaction Potential Index LPI Severità liquefazione 0 scarsa o irrilevante 0-5 modesta 5-15 moderata > 15 elevata 39

40 suscettibilità alla liquefazione Terremoto di scenario Mappa di microzonazione del potenziale di liquefazione a Memphis (TN) (da Rix e Romero, 2004) 40

41 suscettibilità liquefazione: caso di Ancona PE5_ Progettazione sismica di strutture portuali marittime Ancona è il primo porto del mare Adriatico in termini economici: passeggeri camion in transito Il porto di Ancona è stato selezionato come rappresentativo dei porti italiani a moderata sismicità PGA attesa = 0.25 g per T PR 475 anni Il porto è costituito da 30 banchine, 25 delle quali costruite negli anni

42 suscettibilità liquefazione: caso di Ancona From DISS, 2007 SCENARI SU ROCCIA Analisi numeriche 3D sia in bassa che alta frequenza utilizzando due metodi ad hoc: (0-1.3 Hz) metodo semianalitico (Hisada & Bielak, 2003) ( Hz) metodo deterministico-stocastico DSM (Pacor et al., 2005) + EFFETTI DI SITO Analisi lineari-equivalenti con il codice EERA (Equivalent-linear Earthquake site Response Analysis), utilizzando come eccitazione di ingresso l accelerazione su roccia valutata con le analisi 3D SENIGALLIA ANCONA CONERO OFFSHORE Accelerazione di picco PGA lin-equiv. ITGG030 SENIGALLIA ITGG029 CONERO OFFSHORE Risultati numerici Risultati empirici 42

43 Profondità l.m.m. [m] Profondità l.m.m. [m] Profondità l.m.m [m] Profondità l.m.m. [m] suscettibilità liquefazione: caso di Ancona FATTORE DI SICUREZZA F S (Seed & Idriss, 1971) resistenza alla liquefazione Cyclic Resistance Ratio = Cyclic Stress Ratio tensione tangenziale ciclica indotta dal sisma Resistenza alla punta normalizzata PROBABILITA DI LIQUEFAZIONE P L IL CASO DI ANCONA M = 5.9 a max = 0.21 g (Metodo di Juang et al., 2003) Funzione di v qc [kg/cm2] qc [kg/cm2] qc [kg/cm2] qc [kg/cm 2 ] CPT1/2006, molo n. 28 PL Fs Fs FFs PL PL S P -2 L coefficiente riduttivo dell accelerazione sismica con la profondità a causa della compressibilità del terreno fattore di scala che trasforma la sollecitazione indotta dal sisma di generica magnitudo M a quella indotta da un sisma di magnitudo M = 7.5, assunta di riferimento Probabilità NULLA alla liquefazione 43

44 suscettibilità liquefazione: caso di Salerno Valutazione del danno sismico Implementazione procedura valutazione potenziale liquefazione da dati di prove SPT: approccio deterministico: fattore di sicurezza F S e indice potenziale liquefazione LPI approccio probabilistico: probabilità di liquefazione P L e indice di severità di liquefazione LSI Valutazione puntuale per diverse profondità: fattore di sicurezza F S e probabilità di liquefazione P L Porto di Salerno Stima globale: indice del potenziale liquefazione LPI e indice di severità di liquefazione LSI. 44

45 suscettibilità liquefazione: caso di Salerno Valutazione del danno sismico Implementazione procedura valutazione cedimenti indotti nel terreno da liquefazione per dati di prove SPT: cedimenti verticali CV spostamenti laterali SL Porto di Salerno Porto di Kobe (1995) 45

46 Valutazione del danno sismico suscettibilità liquefazione: caso di Salerno Stima del danno Mappe di danno sismico Il probabile danno atteso alle strutture del porto risulta nullo per T R 101 e 475 anni, mentre è stimato un danno lieve per T R =950 anni per le gru semoventi, le cisterne di carburante non interrate e le cabine elettriche, applicando la Metodologia C, ossia la più cautelativa (Seed, 2010). 46

47 Probabilità di funzionalità suscettibilità liquefazione: caso di Salerno Valutazione del danno sismico IL PORTO DI SALERNO Stima dei tempi di ripristino Lieve GRU NON ANCORATE Salerno Moderato Esteso Completo Funzionalità Funzionalità (%) dopo 2 gg (%) GRU HAZUS (NIBS, 2004) t (giorni) 47

48 suscettibilità liquefazione: caso di Salerno IL PORTO DI SALERNO Bozzoni F., Scandella L., Lai C.G., Corigliano M. (2011). Stima del danno sismico di porti marittimi attraverso la tecnologia GIS: il caso del porto di Salerno. Accettato da Progettazione Sismica. 48

49 Interventi di consolidamento e di mitigazione 49

50 interventi di mitigazione Interventi di consolidamento del terreno (da NTC-2008) 50

51 interventi di mitigazione Interventi di consolidamento del terreno compattazione dinamica vibro-flottazione colonne di ghiaia 51

52 interventi di mitigazione Interventi di consolidamento del terreno compattazione dinamica terreni a grana grossa (da Vibro Group Ltd, 2005) 52

53 interventi di mitigazione Interventi di consolidamento del terreno Vibroflottazione terreni a grana grossa (da Vibro Group Ltd, 2005) 53

54 interventi di mitigazione Interventi di consolidamento del terreno Colonne di ghiaia terreni a grana fine (da Vibro Group Ltd, 2005) 54

55 Vibroreplacement interventi di mitigazione Interventi di consolidamento del terreno 55

56 interventi di mitigazione Interventi di consolidamento del terreno Jet-grouting 56

57 bibliografia Juang C.H., Yuan H., Lee D.H., Lin P.S. [2003] Simplified Cone Penetration Test-based method for Evaluating Liquefaction Resistance of Soils, Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Eng. ASCE Vol. 129, No. 1, Kramer, S.L. (1996). Geotechnical Earthquake Engineering., Prentice-Hall, New Jersey, pp.653. NCEER (1997). Proceeding of the NCEER Workshop on Evaluation of Liquefaction Resistance of Soils, Edited by T. L. Youd and I. M. Idriss, Technical Report NCEER , December 31, Seed HB, Idriss IM [1971] Simplified procedure for evaluating soil liquefaction potential. Journal of Soil Mech. and Found. Eng. ASCE 97(9), Seed, H.B., Tokimatsu, K., Harder, L.F., and Chung, R.M. (1985). Influence of SPT Procedures in Soil Liquefaction Resistance Evaluations., Journal of Geotechnical Engineering, Vol. 111, No. 12, pp Stark T. D. and S. M. Olson (1995). Liquefaction Resistance Using CPT and Field Case Histories. Journal of Geotechnical Engineering, Vol. 121, No. 12, pp Youd L., Stokoe K.H., Robertson P. K., Finn, W. D. L., and Byrne P. M. (1996). Recent Developments in Seismic Liquefaction Assessment. A Symposium Sponsored by CONETEC, Vancouver, BC. 57