LE CARATTERISTICHE GEOTECNICHE DELLE STRUTTURE ARGINALI

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1 LE CARATTERISTICHE GEOTECNICHE DELLE STRUTTURE ARGINALI Scuola di Ingegneria Università degli Studi di Firenze Seminario IL RISCHIO IDROGEOLOGICO IN TOSCANA: LE STRUTTURE ARGINALI 2

2 EROSIONE ESTERNA SORMONTO (overtopping) EROSIONE AL PIEDE LATO FIUME EROSIONE INTERNA (seepage, piping ) SIFONAMENTO ROTTURA MECCANICA INSTABILITA DI MASSA CEDIMENTI 3 Collasso di argini fluviali in terra per instabilit à di massa ROTTURA MECCANICA INSTABILITA DI MASSA Applicazione dei principi della meccanica delle terreni alla valutazione della condizioni di stabilità lato fiume e lato campagna a partire da: - identificazione dei caratteri geometrico-dimensionali ottenibili da, dati topografici - variazione delle pressioni neutre all interno del rilevato arginale ottenibile da, analisi di filtrazione - valori dei parametri fisico- meccanici dei terreni ottenibili da, analisi geotecnica interpretazione dei risultati di indagini in sito e prove di laboratorio 4

3 Carrione 2014 Serchio Ombrone 2010 Massaciuccoli

4 Approccio metodologico 7 Approccio metodologico n = Numero di parametri predisponenti disponibili m = Numero di parametri di sollecitazione disponibili MODELLO SPEDITIVO MODELLO SEMPLIFICATO MODELLO COMPLETO Si perviene alla scalabilit à del modello per successive semplificazioni attraverso: -analisi comparativa dei parametri del sistema, sia predisponenti che di sollecitazione; -individuazione delle peculiarit à delle fenomenologie studiate; -tarature dei modelli implementati; -analisi dei dati disponibili. La metodologia implementata si caratterizza per la grande flessi bilit à di calcolo in ragione dei dati disponibili per il singolo sito 8

5 Instabilità di massa MODELLO TEORICO COMPLETO MODELLO NUMERICO SEMPLIFICATO Principali caratteristiche del fenomeno 1) Influenza della tridimensionalità fisica sul fenomeno di instabilità lungo uno una sezione 2) Disomogeneit à delle caratteristiche fisico meccaniche dei terreni i e variabilit à spaziale della successione stratigrafica 3) Legami sforzi -deformazioni non lineari Solutori numerici agli elementi finiti e alle differenze finite (modellazione al continuo) consentono una stima aderente alle realt à fisica del fenomeno, permettendo di ottenere una stima accurata di: stato tensionale efficace iniziale, effetti della storia di carico del terreno, variazione puntuale del regime delle pressioni interstiziali, caratteristiche di rigidezza e resistenza dei terreni in condizioni statiche, dinamiche e cicliche Principali effetti delle ipotesi semplificative sul calcolo 1) la rottura si manifesta lungo una superficie netta di separazione tra la massa instabile e il terreno stabile 2) la massa instabile è un blocco indeformato in moto di roto - traslazione rigida 3) la resistenza mobilitata lungo la superficie di scorrimento in condizioni di equilibrio limite è costante nel tempo, indipendente dalle deformazioni e pari alla resistenza al taglio TUTTAVIA l affidabilità dei risultati dipende quasi esclusivamente dalla corretta schematizzazione del fenomeno e dalla scelta dei parametri di progetto che, proprio a causa della scarsa aderenza alla realt à fisica del modello costitutivo adottato per il terreno, devono essere fissati con grande attenzione e consapevolezza 9 Indipendentemente dal metodo di verifica di stabilit à di un argine (Bishop, Morgenstern e Price, Strenght reduction method, etc. ), occorre conoscerne le caratteristiche meccaniche e idrauliche : Caratteristiche meccaniche terreno argine, c, c u Caratteristiche meccaniche terreno fondazione, c, c u Permeabilità e porosit à Entità pressioni neutre variabili con t 10

6 11 Alcune correlazioni Peck, 1953 Japan Road Association, 1990 Caquot Lunne e Eide c u ( z) ( ) σ ( ) qc vz o z = Mayne & Kemper, 1988 N K (N K = 15 per penetrometro a punta elettrica) 12

7 13 Formula di Hazen Grafici di Prugh per sabbie non cementate 14

8 ANALISI DEI RISULTATI E DETERMINAZIONE DEI VALORI CARATTERISTICI 15 Ubicazione delle campagne di indagini geotecniche disponibili Reticolo Fluviale Tratti con presenza di dati geotecnici Complessivamente 55 tratti distinti, Considerando sia indagini puntuali sia estese con continuit à per alcuni km (e.g. Arno, Serchio, Stella) suddivisi su 38 corsi d acqua (e.g. Arno 6 tratti, Serchio e Stella 1 tratto) Per insufficienza dei dati geotecnici in termini di quantit à e qualit à, le caratterizzazioni hanno riguardato 19 tratti LE CARATTERISTICHE GEOTECNICHE DELLE STRUTTURE SCALA ARGINALI REGIONALE distinti, 16 suddivisi su 14 corsi d acqua

9 Dati disponibili A B C D E F G H I TIPOLOGIA DATI GENERALI CARTOGRAFICI TOPOGRAFICI GEOLOGICI GEOTECNICI IDROLOGICI IDRAULICI INTERFEROMETRICI VEGETAZIONALI Complessivamente 55 tratti distinti, Considerando sia indagini puntuali sia estese con continuit à per alcuni km (e.g. Arno, Serchio, Stella) suddivisi su 38 corsi d acqua (e.g. Arno 6 tratti, Serchio e Stella 1 tratto) Per insufficienza dei dati geotecnici in termini di quantit à e qualit à, le caratterizzazione hanno riguardato 19 tratti distinti, suddivisi su 14 corsi d acqua Composizione delle indagini in sito e delle prove di laboratorio disponibili PROVE IN SITU Sondaggi a c. c. con/senza prove in foro tipo SPT : 316 Sondaggi a distruzione : 9 Prove penetrometriche statiche (CPT, CPTU) : 450 Prove dinamiche superpesante (DPSH) : 26 Prove di permeabilit à in foro tipo Lefranc : 141 Prove dilatometriche (DMT) : 56 Prove di carico su piastra : 22 Prove geoelettriche : 13 Prove sismiche a rifrazione/riflessione : 11 PROVE DI LABORATORIO Campioni indisturbati (con prove di classificazione, granulometrie, LL. AA.) : 353 Campioni rimaneggiati (con prove di classificazione, granulometrie, LL. AA.) : 123 Prove edometriche : 67 Prove triassiali (TxCiD, TxCiU, TXUU) : 93 Prove a espansione laterale libera (ELL) : 44 Prove di taglio diretto (TD) : 91 Prove Proctor : 22 Prove MASW : 4 Prove down hole (DH) : 2 18

10 Caratterizzazioni geotecniche Prova in sito considerate Determinazione effettuata Sondaggi a c.c. Riconoscimento lito -stratigrafico *** Riconoscimento lito -stratigrafico ** Prove CPT c u terreni a grana fine *** terreni a grana grossa * terreni a grana grossa *** Prove SPT ** noto I c u terreni a grana fine P * Prove Lefranc Permeabilità a saturazione k *** Affidabilit à Assegnata Legenda simboli I P : indice di plasticit à : angolo d attrito c u : coesione non drenata 19 Caratterizzazioni geotecniche Prove di laboratorio considerate Prova edometriche Prova TD Prova TxCiD Prova TxCIU Determinazione Affidabilit à effettuata assegnata Porosit à n alla = 0 *** Modulo di compressibilit à di volume m v alla = 0 *** Permeabilità k alla = 0 *** Coesione efficace c *** Angolo di attrito efficace *** Coesione efficace c *** Angolo di attrito efficace *** Coesione efficace c *** Coesione non drenata c u se c = v0 ** Angolo di attrito efficace *** Prova TxUU Coesione non drenata c u *** Prova ELL Coesione non drenata c u ** Prove di classificazione Granulometriche,LL. AA Riconoscimento lito -stratigrafico ** Legenda simboli 0 : tensione litostatica efficace alla profondit à di estrazione del provino su cui è eseguita la prova; c : pressione di consolidazione pari alla differenza fra la pressi one di cella e la contropressione interstiziale 20

11 Caratterizzazioni geotecniche 21 Fattori che influenzano la distribuzione territoriale delle prove su scala regionale : - Omogeneità dei terreni che costituiscono gli argini fluviali - Disponibilità dei dati esistenti nelle banche dati (uffici tecnici, piani regolatori, etc.) - Costi Frequenza usuale delle indagini (Viggiani, 1993) SI VUOL OTTENERE UNA MAPPATURA COMPLETA 22

12 Caratterizzazione geotecnica: il caso del fiume Serchio presso Lucca - Icona rossa: la prova CPT è stata eseguita in prossimit à di un sondaggio geotecnico - Icona gialla: punti di esecuzione delle sole prove CPT Composizione delle indagini sito e delle prove di laboratorio di sponibili - Sondaggi a carotaggio continuo: 16 fino a 20,0 m di profondit à (6 attrezzati con piezometro) - Prove penetrometriche statiche (CPT): 104 Lunghezza investigata 10 km 23 Caratterizzazione geotecnica: il caso del fiume Serchio COMPOSIZIONE DELLE INDAGINI SITO E DELLE PROVE DI LABORATORIO DISPONIBILI - Sondaggi a carotaggio continuo: 16 fino a 20.0 m di profondit à (6 attrezzati con piezometro) - Prove penetrometriche statiche (CPT): Prove Lefranc: 16 - Campioni Indisturbati (con prove di classificazione, granulometrie, LL.AA.): 31 -Prove triassiali consolidate non drenate (TxCIU): 31 RISULTATO SINTETICO DELLE CARATTERIZZAZIONE GEOTECNICA Rilevato/Sponda Fondazione µ dv CV [%] min max µ dv CV [%] min max γ n [kn/m 3 ] ϕ' [ ] c' [kpa] c u [kpa] k [cm/s] 4.45E E E E E E E E-03 D 10 [mm] D 60 [mm] n [%] < < < m v [Mpa- 1 ]

13 ϕ ϕ' [ ] TERRENO FONDAZIONE ( z )[ ] qc 'arctan = + σ ' v ( z) 0 ( z) Robertson e Campanella (1983) q 3 c < f Terreno sabbioso in matrice limosa s dv = ( z) ( ) σ ( ) q z z c v o Cu[ ] TERRENO RILEVATO ARGINALE c = Mayne & Kemper (1988) u N K qc 30 terreno prevalentemente limoso f s dv = kpa 26

14 RISULTATI - PROVE LEFRANC Profondità [m] k [cm/s] Profondità [m] k [cm/s] Profondità [m] k [cm/s] Profondità [m] k [cm/s] S E E E E-04 S E E E E-04 S E E E E-03 S E E E E-03 S5 N/D N/D N/D S E E E E-04 S E E E E-04 S E E E E-05 S E E E E-05 S10 N/D N/D N/D S E E E E-04 S E E E E-03 S E E E E-04 S E E E E-05 S E E E E-04 S E E E E-04 La permeabilit à misurata in tratti di prova a profondit à minori di 5.35 m è considerata rappresentativa dei terreni componenti il rilevato arginale; viceversa la permeabilit à misurata in tratti di prova a profondit à maggiori di 5.35 m è considerata rappresentative dei terreni di fondazione. 27 DISTRIBUZIONE DI FREQUENZA (ARGINE) Ampiezza 2.0E-04 cm/s 28

15 FREQUENZE Vs DISTRIBUZIONE DI PROBABILITA (ARGINE) 29 DISTRIBUZIONE DI FREQUENZA (TERRENO DI FONDAZIONE) Ampiezza 1.14 E-04 cm/s 30

16 FREQUENZE Vs DISTRIBUZIONE DI PROBABILITA (TERRENO DI FONDAZIONE) 31 REALIZZAZIONE NUOVI ARGINI O INNALZAMENTO DEGLI ARGINI ESISTENTI PROVE PROCTOR -peso di volume secco massimo - contenuto d acqua optimum Angolo d attrito optimum 32

17 GRAZIE PER L ATTENZIONE Seminario IL RISCHIO IDROGEOLOGICO IN TOSCANA: LE STRUTTURE ARGINALI