UNIVERSITÀ DEGLI STUDI ROMA TRE FACOLTA' DI INGEGNERIA. Laurea Magistrale in Ingegneria Civile per la Protezione dai Rischi Naturali

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1 UNIVERSITÀ DEGLI STUDI ROMA TRE FACOLTA' DI INGEGNERIA Laurea Magistrale in Ingegneria Civile per la Protezione dai Rischi Naturali RELAZIONE DI FINE TIROCINIO Stima dei parametri di resistenza di un materiale di una coltre in frana mediante una back analysis sviluppata tramite il programma Slide 7. Tutor Prof. Albino Lembo Fazio Studente Guido Meacci A.A

2 Introduzione pag. 3 Il fattore di sicurezza pag. 4 La back analysis pag. 6 La modellazione pag. 7 La sezione pag. 9 La stratigrafia pag. 13 I materiali pag. 17 La falda pag. 23 La superficie di scorrimento pag. 26 Risultati delle analisi pag. 28 2

3 Introduzione L'attività di tirocinio è stata svolta presso il laboratorio di geotecnica dell' Università degli studi Roma Tre. L'obiettivo dell'attività è stato quello di identificare le caratteristiche di resistenza di un materiale interessato da un movimento franoso. Il movimento franoso è avvenuto nella zona del bacino del fiume Sangro, a seguito di uno sbancamento di una piccola porzione di terreno ai piedi del pendio e di un innalzamento del livello di falda dovuto a precipitazioni atmosferiche. Di tale materiale coinvolto nello scorrimento verso valle non era possibile prelevare campioni indisturbati, quindi è stata necessaria un'analisi inversa (back-analysis) per ricavarne i parametri di resistenza di coesione e angolo d'attrito. Per effettuare questa back analysis è stato utilizzato un programma di analisi di stabilità di versanti, Slide, versione 7.0, prodotto dalla ditta rocscience. Il programma Slide permette di definire stratigrafia e condizioni idrogeologiche della sezione di pendio interessata, e sulla base di questi input effettua delle analisi di equilibrio limite, individuando quindi le possibili superfici di scorrimento e i relativi fattori di sicurezza; inoltre permette di associare a tali analisi delle analisi probabilistiche, attraverso cui è possibile valutare l'andamento dei fattori di sicurezza variando le caratteristiche dei materiali o il livello della falda all'interno di un range definito dall'utente. 3

4 Il fattore di sicurezza Le analisi di stabilità di un pendio sono generalmente basate sui metodi all'equilibrio limite, che considerano cioè solo l equilibrio delle forze in azione. Il corpo è supposto rigido, non si hanno quindi deformazioni e spostamenti, e dopo aver ipotizzato la superficie di rottura si impone la soddisfazione del criterio di resistenza e delle condizioni di equilibrio. La massa di terreno viene generalmente schematizzata attraverso una serie di conci verticali delimitati da una superfice di scorrimento ad arco di circonferenza; il momento agente che tende a destabilizzare il pendio è la sommatoria della forza peso dei singoli conci per le rispettive distanze dei baricentri dal centro della circonferenza, mentre il momento stabilizzante è dato dalla somma delle forze resistenti allo scorrimento, funzione di coesione e angolo d'attrito, moltiplicate per le rispettive le distanze dal baricentro. A questo punto si confrontano i momenti stabilizzanti e i momenti ribaltanti e sulla base del loro rapporto si definisce il fattore di sicurezza. F = M s M r 4

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6 La back analysis Una back-analysis è un'analisi di tipo inverso, dove si utilizzano come dati di input dei parametri che generalmente sono gli obiettivi finali della ricerca, mentre in questo caso vengono utilizzati come dati iniziali da cui partire per ricostruire la situazione. Il caso in esame presentava un versante franato in seguito a un piccolo sbancamento al piede del pendio; eravamo quindi a conoscenza della situazione geologica iniziale della sezione in esame, dell'entità dello sbancamento, e dunque della sezione attuale del profilo. Ciò che non era possibile ricavare erano le caratteristiche di resistenza del materiale superficiale coinvolto nel movimento franoso, in quanto costituito da depositi eterometrici caotici, per il quale era dunque molto difficile prelevare un campione indisturbato rappresentativo. Si può dedurre che la sezione senza sbancamento, essendo stabile, aveva un fattore di sicurezza poco maggiore dell'unità, mentre la sezione con sbancamento, essendo franata, aveva un fattore di sicurezza inferiore all'unità. Dunque i parametri non noti di resistenza da assegnare al materiale superficiale saranno quelli che, utilizzati nel metodo all'equilibrio limite, comporteranno FS > 1 per profilo originario e FS < 1 per profilo sbancato. Le caratteristiche di resistenza dei materiali degli strati inferiori sono note, infatti sono state ricavate interpretando le prove di taglio diretto eseguite sui campioni indisturbati prelevati in sito. Il livello della falda è molto alto, sostanzialmente prossimo al piano campagna, come è stato verificato a seguito di ispezione diretta. 6

7 La modellazione Nell' inizializzazione di un modello in Slide dobbiamo innanzitutto definire i settaggi generali del programma, nella finestra project settings. Nella prima schermata abbiamo alcune impostazioni base, quali unità di misura utilizzate e direzione della superficie di scorrimento. Alla terza voce dell elenco abbiamo la possibilità di definire un modello a scenario multiplo; nel nostro caso infatti saranno utilizzati dei modelli multipli, con la stessa geometria di base, ma variando le caratteristiche dei materiali e il livello della falda. 7

8 Come vedremo in seguito nell assegnazione delle caratteristiche dei materiali, le proprietà sono state fatte variare nell ambito di un certo range; anche il livello della falda è stato fatto variare di una certa quota; a ognuna di queste variazioni corrisponde un differente scenario all interno del modello; sarebbe stato possibile far variare tali parametri anche automaticamente impostando un analisi probabilistica, ma è stato preferito impostare manualmente i vari scenari per poter apprezzare meglio le differenze. Proseguendo nelle voci del menù troviamo i possibili metodi di risoluzione eseguibili dal programma; i valori dei fattori di sicurezza utilizzati sono stati ricavati utilizzato il metodo di Bishop; l analisi con il metodo di Jambu è stata fatta girare per un avere un confronto; i valori risultanti dai due metodi sono stati molto vicini. 8

9 Costruzione della sezione Il profilo altimetrico della sezione originaria è stato ricavato dalle curve di livello della cartografia, riportato in Autocad e successivamente nel programma di calcolo. 9

10 Anche lo sbancamento di piccola entità al piede del profilo che ha causato la frana è stato riportato su Autocad: Queste due sezioni sono state riportate su Excel trascrivendo le coordinate di ogni vertice: 10

11 External boundary originario External boundary attuale

12 Queste coordinate sono state quindi assegnate al modello, attraverso la definizione di un external boundary. 12

13 La stratigrafia La stratigrafia è stata ricostruita sulla base dei dati dei sondaggi vicini e della stratigrafia effettuata dal geologo in una sezione a circa 50 metri di distanza. La sezione ipotizzata dal geologo: Le linee rosse tratteggiate indicano i limiti dei presunti corpi di frana, attivi o quiescenti; la linea arancione indica la presenza di una faglia; gli strati interessati dalla nostra analisi, escludendo le zone di monte e valle, sono tre: - Costituito da depositi eterometrici caotici messi in posto per fenomeni franosi. 13

14 - Rappresenta la litofacies del substrato alterata, ovvero la parte del substrato inferiore che, essendo in contatto con le zone in movimento, subisce delle alterazioni. - E' il substrato inferiore, considerato stabile, costituito da Flysch di Agnone (risalente al periodo del Messiniano), ovvero argilliti marnose, argilliti, marne e siltiti grigie o avana, con strati arenacei giallastri o grigi a volte teneri, da decimetrici a metrici. La stratigrafia in corrispondenza del carotaggio: 14

15 Da questa stratigrafia è stato possibile ricavare informazioni più precise sulla profondità degli strati nella sezione interessata; la sezione geologica era infatti a una certa distanza dalla sezione in esame, mentre il sondaggio è a pochi metri di distanza dalla sezione modellata. Quindi è stata disegnata in Autocad una sezione composta da tre strati di materiali, a cui successivamente saranno assegnati i parametri di resistenza e peso adeguati, utilizzando gli spessori ottenuti dal carotaggio e mantenendo gli andamenti simili a quelli della sezione geologica. 15

16 La stratigrafia così definita è stata quindi trascritta su Excel e quindi importata nel modello: Strato 1 Strato E

17 I materiali I primi strati di materiale sono composti da limi sabbiosi con argilla, con consistenza variabile tra bassa e media, struttura caotica e con presenza di clasti arenitici di varie dimensioni; proprio da queste caratteristiche complesse deriva il problema dell'assegnazione di caratteristiche di resistenza adeguate ad un mezzo così eterogeneo. Le caratteristiche dei materiali inferiori sono invece più definite, in particolare per lo strato di terreno stabile non interessato dalla frana; le caratteristiche di tale materiale sono state ricavate dai risultati di una prova di taglio diretto. Al materiale di transizione, compreso tra lo stato in frana e il materiale stabile, sono state assegnate caratteristiche più scadenti rispetto al substrato, in quanto composto da materiale le cui caratteristiche vengono alterate e peggiorate dal moto franoso. L'analisi granulometrica per uno degli strati superficiali: 17

18 La prova di taglio diretto per il materiale stabile: 18

19 I dati di questa prova, riportati su una tabella in Excel forniscono una retta i cui valori di quota e inclinazione sono i valori di coesione e angolo d'attrito ricercati. 19

20 Si è quindi deciso di utilizzare i seguenti valori: Per il materiale superficiale è stato scelto di far variare unicamente la coesione, in quanto è il parametro su cui si hanno meno informazioni a disposizione e che più influenza l'analisi di stabilità in questo caso. Tale coesione è stata ipotizzata molto bassa, con valori di 5, 8 e 10 kpa, ipotesi che sarà poi confermata dalle analisi. Per le argilliti marnose alla base e il materiale di transizione alterato coesione e angolo d'attrito sono stati mantenuti costanti. Tali caratteristiche così ricavate sono state assegnate ai materiali del modello, secondo la stratigrafia ricavata in precedenza. 20

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22 Lo stesso procedimento è stato effettuato anche per il profilo con lo sbancamento. 22

23 La falda Inizialmente anche la posizione della falda era stata considerata variabile e si stavano effettuando le analisi con diversi livelli di profondità, di due, quattro e sei metri. Successivamente a una visita diretta si sono notate alcune evidenze, come terreno molto umido e affioramenti superficiali di acqua, di un livello di falda molto alto, quasi prossimo alla superficie; si è quindi assegnata una falda di profondità variabile da meno due metri fino a poco meno di un metro. La falda viene definita assegnando una linea piezometrica nel modello: 23

24 La watertable (falda) deve essere assegnata a tutti materiali, affinché il programma calcoli le corrette pressioni interstiziali: 24

25 Tutti i parametri geometrici e le proprietà dei materiali sono ora assegnate, e il modello appare in questo modo: 25

26 La superficie di scorrimento A questo punto andiamo a definire la superficie di scorrimento; nelle prime analisi era stata ipotizzata una superficie di scorrimento semplice, di forma circolare; successivamente si è andati a migliorare tale approssimazione assegnando manualmente una superficie di scorrimento prossima a quella risultata dalle evidenze in sito. Il metodo utilizzato è quello del "block search", dove il programma identifica automaticamente i tre blocchi da cui è costituito il terreno in movimento, attivo, passivo e centrale, ponendo i vertici di questi blocchi su punti appartenenti alla polilinea definita dall'utente. 26

27 La ricerca delle superfici critiche può avvenire all'interno di limiti definiti dall'utente, che sono stati utilizzati per indirizzare e velocizzare la ricerca. A questo punto si può far girare l'analisi e valutare i risultati ottenuti. 27

28 Risultati delle analisi Le ipotesi sui valori di coesione ipotizzati pari a 5, 8 e 10 kpa si sono verificate realistiche; lo scenario risultato più interessante è stato quello con la coesione del materiale superficiale pare a 8 kpa, infatti in questa situazione il fattore di sicurezza per il profilo originario risulta pari a 1.004, quindi di poco maggiore dell unità. Il versante è quindi in una situazione prossima a quella critica, ma il movimento verso valle non è ancora iniziato. Con coesione pari a 5 kpa il versante risultava già in frana, quindi una situazione non coerente con quella reale. 28

29 Effettuando lo sbancamento al piede del pendio, sempre con coesione del materiale superficiale pari a 8 kpa, il fattore di sicurezza scende al di sotto dell unità, e ha quindi inizio lo scorrimento verso valle. Utilizzando coesione di 10 kpa invece il profilo modellato risulterebbe ancora stabile, e anche questa sarebbe una situazione non coerente con quella reale. Quindi da queste analisi è emerso che il valore di coesione del materiale superficiale che concorda con la reale situazione del pendio è di 8 kpa. 29