Interventi di tipo strutturale per la stabilizzazione dei pendii

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1 Ciclo di Seminari Ricerca, Alta Formazione e Mitigazione del Rischio Idrogeologico in Calabria Interventi di tipo strutturale per la stabilizzazione dei pendii Prof. Ing. Enrico Conte

2 La principale finalità degli interventi strutturali nella stabilizzazione dei pendii è quella di aumentare i margini di sicurezza del pendio mediante l applicazione di forze resistenti sulla massa di terreno potenzialmente instabile Siffatte opere possono essere definite di tipo passivo, in quanto entrano in carico per effetto degli spostamenti del terreno (e non per effetto di forze esterne ad esse applicate: opere di tipo attivo ) Opere rigide (muri, paratie, pali, pozzi) Opere flessibili (chiodature, placcaggi con ancoraggi attivi o passivi, ) Le opere flessibili vengono, generalmente, impiegate nei pendii in roccia

3 Esempi di opere flessibili N T Le chiodature operano una sorta di cucitura della superficie di scorrimento In generale, T riduce la forza instabilizzante N aumenta la resistenza

4 Le strutture rigide sono principalmente utilizzate nella stabilizzazione dei pendii in rocce sciolte ASPETTI PROGETTUALI E METODI DI DIMENSIONAMENTO Per quanto riguarda il dimensionamento, saranno presi in esame unicamente i metodi che si rifanno agli approcci usualmente utilizzati nella pratica corrente, quali l equilibrio limite, il metodo a molle. Saranno invece tralasciati i metodi di analisi finalizzati allo studio tensio-deformativo del complesso opera-pendio complessità (analisi 3D, leggi costitutive appropriate )

5 MURI DI SOSTEGNO Sono utilizzati per stabilizzare masse di terreno di ridotte dimensioni S W R Vengono posizionati al piede del pendio anche al fine di determinare una riduzione della pendenza

6 TIPOLOGIE DI MURI muri in c.a.

7 ANALISI DELL INTERAZIONE DI UN OPERA RIGIDA CON UN PENDIO INSTABILE E o = spinta esercitata sulla parete τ o = resistenza mobilitata lungo la superficie di scorrimento F o = coefficiente di sicurezza del pendio ( 1) E a > E o E b < E o a monte della parete tende ad instaurarsi lo stato limite passivo ed a valle lo stato limite attivo F > F o E a ed E b possono essere determinati con il MEL (Metodo Equilibrio Limite) per un assegnato valore di F (Evangelista, 1994)

8 S = E a - E b Fo = coefficiente di sicurezza iniziale F* = coefficiente di sicurezza di progetto S F F o 1 F * F* tale che non si verifichino scorrimenti del pendio

9 Affinchè possa essere definito correttamente F* (e quindi S) occorre conoscere la relazione F-v (coefficiente di sicurezza - velocità di scorrimento della massa instabile) v F o F * F Una siffatta relazione può essere definita sulla base di dati sperimentali (misure di spostamenti e pressioni neutre)

10 Piezometric level (m) G.L. B3 B Safety factor, F v F Displacement rate, v (mm/day) (D Elia et al., 1998)

11 α h F Costo h h Le opere strutturali risultano efficaci e sostenibili solo quando lo spessore del terreno instabile non è elevato

12 POSIZIONAMENTO DELL OPERA DI SOSTEGNO Cartier (1986) e Poulos (1995) osservano che: lo scorrimento potrebbe proseguire a valle la frana potrebbe riattivarsi a monte

13 Cartier (1986) F Cai & Ugai (2000)

14 LE PARATIE pali leggermente distanziati, accostati o intersecati pannelli adiacenti (continui)

15 Un opera di questo tipo potrebbe influenzare negativamente il regime delle pressioni interstiziali È necessario rendere la struttura permeabile (elementi distanziati e non intersecati e realizzazione di adeguati sistemi di drenaggio) libere ancorate α α Coltre instabile Substrato stabile

16 Il progetto deve riguardare: la lunghezza d infissione nel terreno stabile le verifiche strutturali (M, T) le verifiche degli ancoraggi (paratie ancorate) Lunghezza d infissione h L L min 1 3 h

17 S S h h L S e S a L S e S a S = spinta sul tratto h S a = spinta attiva sul tratto L S e = spinta che equilibra le forze in gioco Se S p Sp = resistenza passiva sul tratto L (nel rispetto della Normativa vigente) verifica di stabilità globale Evangelista (1994)

18 Calcolo strutturale EI d d 4 z y 4 + p = 0 S h z L p relazione p-y di tipo elastico-plastico con valore limite attivo o passivo K = E S L p p p E S = modulo di deformazione del terreno K λ = E M K = 1. 2 α λ 2 3 L α = coefficiente reologico E M = modulo pressiometrico (Schmidt, 1995) p a y

19 TIRANTI D ANCORAGGIO

20 Verifiche degli ancoraggi (attivi) Raccomandazioni AICAP Forza limite della fondazione: N N fu N fu = forza di trazione che provoca lo sfilamento dell armatura oppure lo sfilamento della fondazione (nel rispetto della Normativa vigente) N fu = N fu (caratteristiche del tirante e del terreno) Forza limite dell armatura: N N ys Nys = forza di trazione corrispondente al limite elastico dell acciaio (V. anche Normativa)

21 I PALI PER LA STABILIZZAZIONE DEI PENDII L impiego dei pali per la stabilizzazione dei pendii risale ai primi anni 70 (Fukuoka, 1970) I pali sono distanziati (generalmente con i >2d) INTERVENTO POCO INVASIVO

22 Possono essere dimensionati per assolvere due differenti funzioni: aumentare il coefficiente di sicurezza del pendio ad un prefissato valore (il pendio è stabile) il terreno instabile rimane bloccato fra i pali per effetto arco regolare la velocità di spostamento della massa in frana l arco resistente non si genera (interassi elevati), il terreno continua a scorrere fra i pali ma con una velocità minore a causa della presenza dei pali A questa soluzione si ricorre quando i costi per la stabilizzazione del pendio risultano alti (estensione dell area in frana)

23 IL DIMENSIONAMENTO DEI PALI L interazione palo-terreno-palo (effetto arco) dovrebbe essere indagata, a rigore, effettuando analisi 3D Il metodo di Viggiani (1981) per il palo isolato Il metodo di Ito e Matsui (1975, 1981) per pali disposti in una fila Entrambi i metodi assumono un comportamento di tipo rigido-plastico all interfaccia palo-terreno

24 IL METODO DI VIGGIANI (1981) Il carico ultimo p y (per unità di lunghezza) agente sul palo è espresso da: p = K c y 1 u1 d per il tratto di palo immerso nello strato in movimento p = K c y 2 u2 d per il tratto di palo immerso nella formazione di base c u1 = coesione non drenata del terreno instabile c u2 = coesione non drenata del terreno stabile d = diametro del palo K 1 e K 2 = coefficienti di capacità portante γ z K1 = c u 1 K 2 = 9 (Conte e Troncone, 2004) Il palo ha un comportamento di tipo rigido-plastico con momento di plasticizzazione, My (formazione di cerniere plastiche)

25 Meccanismi 1 e 2: l ammasso scivola lungo la preesistente superficie di rottura Il terreno scorre liberamente tra i pali, li trasporta o causa la formazione di cerniere plastiche posizionate nella coltre instabile

26 Meccanismi 3: La superficie di scorrimento si modifica localmente I pali ruotano rigidamente o si ha la formazione di una cerniera plastica nella formazione stabile

27 POSSIBILI CINEMATISMI DEL PALO

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30 Confronto fra i risultati ottenuti con il metodo di Viggiani e con un metodo numerico (tipo BEM) sviluppato da Poulos (1995) (Conte e Troncone, 2004)

31 METODO DI ITO & MATSUI (1975) teoria della deformazione plastica (criterio di Mohr-Coulomb) teoria del flusso plastico (mezzo alla Bingham) La teoria della deformazione plastica è basata sulle seguenti ipotesi: stato di deformazione piano lungo l asse z rottura del terreno localizzata al volume AECBB C E A stato tensionale noto lungo AA e pari alla tensione attiva di Rankine la tensione normale lungo AECB e A E C B è pari alla tensione passiva di Rankine σ α = K P σ x + 2c ' K P τ = c ' +σα tg ϕ'

32 Espressioni per calcolare il carico (per unità di lunghezza) agente sul generico palo della fila ( ) ϕ + π ϕ ϕ + γ = ' 8 ' exp 1 ' ) ( D tg tg K D D D K tg K D D D K z z p P P P P per i pali immersi in terreni incoerenti ( ) z D D tg D D D D D D C z p u γ + π + = log ) ( per i pali immersi in terreni puramente coesivi p = p (parametri geotecnici, interasse dei pali D1, diametro del palo D1-D2) ( )dz z p P h = 0

33 De Beer & Carpentier (1977) K i d p γ z d P K P i = interesse dei pali d = diametro del palo z = profondità K P = coeff. resistenza passiva

34 Ito e Matsui (1981) hanno anche proposto una procedura per il calcolo strutturale dei pali E I d 4 d z w p( z) p p = 0 < z < h 4 p = E s w E p I p d 4 d z w 4 = E s w z > h

35 STABILITÀ DEL PENDIO (MEL) F o = R I s R s = resistenza offerta dal terreno lungo la superficie di scorrimento I = resistenza mobilitata per l equilibrio delle forze agenti F* = R s + I R p R p = contributo alla resistenza dovuto ai pali 1 h R p = p( z) dz D 1 o

36 Meccanismi 4 e 5: si creano nuove superfici di scorrimento che non interagiscono con i pali

37 Pali per la riduzione della velocità di frana I pali vengono disposti secondo un reticolo ordinato (ad es. secondo una maglia rettangolare) con interassi più elevati del caso precedente α h v o τ Superficie di o scorrimento τ o = γ h sin α cosα vo τ 1 = τ o p h A p v1 < vo p = carico (uniformemente distribuito) agente su ciascun palo A p = area d influenza del generico palo

38 Winter et al. (1983) hanno proposto il seguente legame sforzo di taglio-velocità di scorrimento: v τ 1 = τ o 1 + I v ln v 1 o Iv è un coefficiente funzione del limite liquido wl v p h = τo I v ln 1 Ap vo v o dovrebbe essere determinato da misure di spostamento

39 m a = W sin α R F v m = massa del blocco a = accelerazione del blocco (a=dv/dt) R = forza resistente alla base del blocco (R = N tgϕ ) F v = forza viscosa (F v = η v) (Corominas et al., 2005) La velocità del corpo di frana è ottenuta integrando l equazione del moto con le relative condizioni iniziali

40 Considerazioni finali Gli interventi di tipo strutturale per la stabilizzazione dei pendii presentano alcune caratteristiche: sono sollecitati a seguito degli spostamenti del terreno instabile possono essere realizzati senza alterare significativamente le condizioni del pendio l impiego di un intervento di questo tipo è però fortemente condizionato dallo spessore del terreno instabile all aumentare della profondità della superficie di scorrimento, l efficacia dell opera diminuisce ed i costi aumentano notevolmente, soprattutto se l opera è progettata con la finalità di bloccare completamente i movimenti del terreno per ridurre i costi, l opera potrebbe essere dimensionata per regolare la velocità della frana Sono disponibili procedimenti di calcolo semplici ma approssimati È necessario prevedere sistemi di monitoraggio per il controllo del comportamento dell opera e del pendio