4. Come si valuta il rischio di liquefazione

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1 Occorre distinguere tra due situazioni limite: aree estese di cui è richiesta la zonazione per fini di pianificazione urbanistica e difesa del territorio In tal caso è opportuno utilizzare, oltre a criteri di tipo empirico, le informazioni geotecniche esistenti con indagini integrative con finalità di controllo aree di limitata estensione destinate ad ospitare una costruzione di rilevante importanza (un ospedale, un ponte, ecc.) In tal caso dovranno essere programmate indagini specifiche e finalizzate con prove dinamiche in sito e in laboratorio; potrebbe essere richiesto un intervento di miglioramento del terreno 63 La liquefazione può essere prevista ricorrendo a tre categorie di metodi: metodi empirici qualitativi o semiquantitativi metodi semplificati (semi-empirici) ingegneristici metodi di analisi dinamica avanzati indicati nelle NTC

2 Metodi empirici In genere considerano separatamente i fattori predisponenti (caratteristiche atte del deposito) e i fattori scatenanti (caratteristiche del terremoto). Valutano solo la suscettibilità alla liquefazione dei depositi, prescindendo dall azione sismica attesa La suscettibilità alla liquefazione viene valutata sulla base di osservazioni effettuate durante i terremoti passati e sulla base di informazioni geologiche g e geotecniche derivate da prove indici e di tipo corrente secondo i seguenti criteri: 1) criterio storico 2) criterio geologico 3) criterio di composizione 4) criterio di stato fisico 65 Criterio geologico, di composizione e di stato fisico Criterio geologico età e origine del deposito profondità della falda morfologia spessore degli strati sovrastanti non liquefacibili Criterio di composizione distribuzione granulometrica forma delle particelle diametro medio determinante percentuale di frazione argillosa plasticità della frazione argillosa Criterio di stato fisico densità relativa pressione di confinamento media altri parametri indicativi del comportamento contrattivo e dilatante 66 2

3 Criterio storico: la liquefazione tende a ripetersi nei siti dove si è già verificata 67 Criterio geologico Età del deposito Profondità della falda < 9 m 9 15 m > 15 m Olocene recente Elevata Bassa Molto bassa Alto Olocene Moderata Bassa Molto bassa Pleistocene recente Bassa Bassa Molto bassa Pleistocene antico e depositi anteriori Molto bassa Molto bassa Molto bassa 68 3

4 Criterio geologico Categoria Morfologia Liquefazione A B Letti di fiume, antichi e recenti, paludi, terreni di bonifica, zone interdunari Conoidi, argini naturali, dune, pianure di esondazione, spiagge Probabile Possibile C Terrazzi, colline, montagne Improbabile 69 Criterio di composizione 70 4

5 Metodo di Sher rif e Ishibashi (197 78) 71 3 Criterio di stato fisico La suscettibilità alla liquefazione è influenzata: dallo stato di addensamento q dalla tensione media efficace iniziale più in generale: dalla posizione del punto rappresentativo dello stato fisico rispetto alla linea di stato critico (comportamento contrattivo o dilatante) e alla linea di fluidificazione 1 e comportamento dilatante Stato stazionario x A B C D E x x p Tx ciclica 1-3 comportamento contrattivo Deformazione assiale A B C D E comportamento dilatante comportamento contrattivo SSL p 72 5

6 Metodi semplificati Determinano il fattore di sicurezza nei confronti della liquefazione: FSL = CRR/CSR dove CSR = sforzo di taglio indotto dal terremoto (normalizzato rispetto a 0 ) ad una data profondità CRR = resistenza al taglio ciclica del terreno (normalizzata rispetto a 0 ) alla stessa profondità CRR, CSR 1 FSL CRR CSR ZONA DI LIQUEFAZIONE z z 73 Metodi semplificati Fasi della procedura : fase 1: valutazione dello sforzo indotto dall azione sismica tramite correlazioni empiriche o analisi della RSL (rapporto di sforzo ciclico, CSR) fase 2: correzione/normalizzazione delle misure in sito (indici da cui dipende la resistenza) (resistenza corretta e normalizzata, R 1 ) fase 3: valutazione della resistenza alla liquefazione tramite correlazioni (abachi o formule) (o prove di laboratorio) (rapporto di resistenza ciclica, CRR = f(r 1 )) CSR(CRR) liquefazione non liquefazione alle profondità per cui risulta CSR > CRR il terreno è considerato liquefacibile R

7 Metodi semplificati - Abachi di liquefazione Un abaco di liquefazione rappresenta il limite empirico di separazione tra osservazioni di casi reali di liquefazione e non liquefazione CSR (o CRR) liquefazione curva di resistenza a liquefazione (normalizzata) sforzo di taglio indotto dall azione sismica (normalizzato) non liquefazione parametro di resistenza misurato in sito (corretto e normalizzato) R 1 (N 60, q c,v S, ecc..) 75 Metodi semplificati - Fase 1: Valutazione di CSR L espressione più diffusa per CSR è la seguente (Seed & Idriss, 1971): eq a max v0 CSR 0.65 r ' g ' v0 v0 d a max = accelerazione max in superficie v0 = tensione litostatica totale v0 =tensionelitostatica efficace r d = fattore di profondità a(z) a max A z T = (posto A=1) equilibrio alla traslazione orizzontale: Forza di taglio alla base = Forza inerzia z z a(z) a(z)dz dz g 0 0 Terreno omogeneo, colonna rigida a(z) = costante = a max Colonna deformabile a(z) variabile coefficiente riduttivo r d (z) Azione irregolare sforzo equivalente uniforme eq max a max max, r z g amax max, d rd z g generalmente si assume: =

8 Metodi semplificati - Fase 1: Valutazione di CSR Espressioni per r d : Iwasaki et al. (1978) r d = z (z in m) Seed e Idriss (1971) r d = z per z 9.15m r d = z per 9.15<z 23m Idriss & Boulanger (2004) z exp sin sin r d z M 77 Metodi semplificati - Fase 2: Correzione delle misure in situ Gli abachi di liquefazione impiegati per la valutazione della resistenza (fase 3) si basano sui seguenti indicatori: numero di colpi SPT, resistenza alla punta CPT, velocità delle onde di taglio V S opportunamente normalizzati e corretti Il numero di colpi misurato N m nella prova SPT va preventivamente corretto con riferimento ad un energia teorica di caduta libera ER=60% Il valore corretto N 60 si ottiene mediante la relazione: ERm N60 = CE Nm Nm 60 con ER m = rapporto di energia specificato nell attrezzatura di prova Correzione generalizzata (NCEER, 1997): N60 = CE CB CR CS Nm per tenere conto di: energia rilasciata (C E = ) diametro foro (C B = ) lunghezza aste (C R = e oltre) tipo di fustella (C S = ) 78 8

9 Metodi semplificati - Fase 2: Correzione delle misure in situ Per ricavare R 1, le misure in situ (N 60, q c,v S ) vengono corrette per tener conto della pressione efficace, eventualmente normalizzata alla pressione atmosferica SPT CPT Geofisiche Parametro di origine N 60 q c V S Fattore di normalizzazione 17. CN n σv * pa Cq = 0.5 σ pa v 0 CN = σ v0 n n p a CV σ v 0 n Valore normalizzato ( N 1) 60 CN N q C ( q / p ) 60 c1n q c a VS1 CVV S * vo in kg/cm 2 79 Metodi semplificati - Fase 3: Valutazione della resistenza (da SPT) L aumento di resistenza alla liquefazione con l aumento di frazione fine FC (passante al setaccio 200 ASTM) può essere tradotto in un incremento di (N 1 ) 60 mediante una delle seguenti relazioni: N 1 60cs = FC 5N 1 60 N = N 1 60cs 1 60 exp FC 15.7 FC 2 abachi per M=7.5 (NCEER, 1997) N.B. Si deve usare: con valore corretto la curva FC 5 con valore non corretto la curva del relativo FC RAPPORTO DI RESISTENZA CICLICA ( N 1 ) CRR= exp cs ( N 1 ) 60cs ( N 1 ) 60cs ( N 1 ) 60cs

10 Risposta sismica locale e Liquefazione dei depositi - Bologna 17 giugno 2010 Metodi semplificati - Fase 3: Uso degli abachi (prove CPT) Per FC >5% si incrementa qc1n tramite un fattore K c abaco per sabbie pulite-m=7.5 (Robertson & Wride, 1997) frazione fine FC indice di comportamento I C indice di comportamento I C fattore correttivo K c RAPPORTO DI RESISTENZA CICLICA q c1n qc1n qc1n qc1n CRR= exp Metodi semplificati - Fase 3: Valutazione della resistenza (da Vs) abachi per M=7.5 (Andrus & Stokoe, 1997) Vs e CRR dipendono entrambe da: indice dei vuoti, pressione di confinamento, storia tensionale, età geologica; tuttavia fanno riferimento a livelli deformativi molto diversi Consigliabile per: terreni con frazione ghiaiosa (prove penetrometriche non eseguibili) terreni con particelle fragili (le prove penetrometriche possono sottostimare la resistenza) terreni debolmente cementati (il potenziale di liquefazione può essere sottostimato; la cementazione è più influente sulla rigidezza che sulla resistenza) 82 10

11 Metodi semplificati - Fase 3: Valutazione della resistenza Tutte le procedure basate sulle prove in sito si riferiscono a grafici ricavati per terremoti di magnitudo M=7.5 Per portare uno stesso terreno a liquefazione: se M < 7.5 occorre un accelerazione di picco maggiore rispetto a quella per M=7.5; viceversa se M > 7.5 è sufficiente un accelerazione di picco minore In pratica si applica a CRR 7.5 un fattore di scala C M (o MSF)* in modo che risulti: CRR > CRR 7.5 per M < 7.5 * in alternativa si può dividere per MSF il fattore CSR CRR < CRR 7.5 per M > 7.5 Valori di C M sono stati proposti da diversi autori, ad es: oppure Magnitudo M W C M Seed & Idriss (1982) NCEER (1997) C C M M M 6.9 exp 4 M C M Metodi semplificati - Fase 3: Valutazione della resistenza (da prove di laboratorio) CRR da prove di taglio semplice ciclico CRR sito =0.9 (/ v ) h v ess Ratio, (CSR, CRR) Cyclic Stre 0,3 0,25 0,2 0, ,1 0,05 e = p' = 40 kpa e = p' = 75 kpa Number of cycles for liquefaction, N L CRR da prove triassiali cicliche CRR sito=0.9 C r ( d / 2 3 3) C r =fattore di correzione - per K 0 = 0.4 C r = per K 0 = 1 C r = 1 3 d 1 NOTA: il coefficiente 0.9 è introdotto per tener conto dell effetto dovuto alla multidirezionalità dello scuotimento in sito 84 11

12 Resistenza a liquefazione da prove di laboratorio Si possono dare due definizioni alternative per l innesco della liquefazione: (a) in termini i tensionali: Rapporto di sovrapressione interstiziale u ru 1 o (b) in termini deformativi Deformazione limitei lim (p.es. 5%) NB: la relazione ( o )-N c dipende da vari fattori : grado di saturazione S r,tecnica di preparazione dei campioni, procedura di riconsolidazione,ecc.. 85 Metodi semplificati Presenza di sovraccarichi e piano di campagna inclinato In presenza di sovraccarichi e piano di campagna inclinato la verifica di liquefazione va affrontata con studi specifici mediante l impiego di metodi avanzati In prima approssimazione è possibile ancora ricorrere all uso di metodi semplificati, stimando CRR mediante la relazione: CRR = CRR =1,=0 K K (Boulanger 2003; Boulanger e Idriss, 2004) dove: CRR =1,=0 = valore di CRR per stato tensionale geostatico e p.c. orizzontale K = fattore che tiene conto dell entità delle tensioni efficaci K = fattore che tiene conto della pendenza del p.c

13 Metodi semplificati Presenza di piano di campagna inclinato e sovraccarichi K a b R exp con: c 2 a exp( ) 632exp( ) 2 b exp ln c R D R 100 p' Q ln Pa = st / v D r = densità relativa Q = parametro dipendente dalla composizione mineralogica (Q=10 per quarzo e feldspati, Q=8 per calcare, Q=7 per antracite e Q=5.5 per gesso) K v 1 C ln con: pa 1 C N C q c 1N (per SPT) (per CPT) st = tensione tangenziale statica agente sul piano di interesse v = tensione efficace verticale P = tensione efficace media p a = pressione atmosferica ( 100 kpa) 87 Metodi semplificati Rischio di liquefazione in corrispondenza di una verticale Una volta valutato il fattore di sicurezza FSL nei confronti della liquefazione a varie profondità lungo una verticale è opportuno introdurre un indice sintetico per quantificare il rischio di liquefazione in corrispondenza dell intera verticale A tale scopo viene di norma utilizzato un: Indice del potenziale di liquefazione PL (Iwasaki, 1978) : P L z crit 0 Indice del potenziale di liquefazione F( z) w( z) dz dove : F(z)=0 per FSL >1 ; F(z)= 1- FSL per FSL <1 w(z) =10-10(z/z crit ) ; z crit = profondità oltre la quale possono escludersi fenomeni di liquefazione (15-20m) e livello di rischio associato Valore di P L Rischio di liquefazione P L = 0 molto basso 0 < P L 5 basso 5 < P L 15 alto 15 < P L molto alto 88 13

14 Metodi avanzati Si basano su analisi 1-D o2-d dellarisposta Sismica Locale Determinano l andamento degli sforzi e delle deformazioni di taglio indotti dall azione sismica di progetto all interno del deposito I più evoluti tengono conto all interno del deposito di: - Accumulo delle pressioni interstiziali durante il terremoto - Dissipazione delle pressioni interstiziali durante e dopo l evento sismico Richiedono pertanto: l impiego di codici di calcolo numerico più o meno complessi l esecuzione di specifiche prove dinamiche in sito e prove cicliche di laboratorio per la definizione del modello geotecnico 89 Metodi avanzati Le analisi possono essere effettuate: in tensioni totali, con codici di calcolo tipo SHAKE, STRATA (modellazione lineare equivalente) oppure con codici tipo NERA (modellazione non lineare) Si tratta in pratica di metodi semplificati (seppure più complessi) in cui FSL è valutato determinando CSR con un analisi della RSL e CRR mediante prove cicliche di laboratorio in tensioni efficaci, con codici di calcolo tipo DESRA (modellazione non lineare) In tal caso vengono determinati nel tempo sforzi e deformazioni indotti dal terremoto, viene simulato l accumulo di u e il conseguente decadimento della resistenza, ovvero vengono valutati contemporaneamente il carico sismico (CSR) e la resistenza (CRR). La sicurezza nei confronti della liquefazione può essere valutata anche in termini di u / 0 max max u 0 lim lim z z t da analisi in T.T./T.E. solo da analisi in T.E

15 Metodi avanzati - Esempio di analisi in tensioni efficaci 91 Metodi avanzati 2D Le analisi sono generalmente condotte: - in tensioni efficaci - con metodi agli elementi finiti o alle differenze finite - utilizzando legami costitutivi elasto-plastici È necessario caratterizzare con elevata affidabilità: - azione sismica di riferimento - geometria del sottosuolo - comportamento dei terreni attraverso prove in sito e laboratorio Superficie piezometrica Simulazione FEM della liquefazione della Diga di San Fernando durante il terremoto del 1971 Nella pratica l impiego dei metodi avanzati in tensioni efficaci per le analisi di liquefazione è di norma limitata al caso di opere importanti (es. dighe in terra) Esempi di analisi con metodi avanzati 1D e 2D sono riportati nel sito:

16 Metodi per la stima del rischio di liquefazione Criteri qualitativi o semiquantitativi Metodi semplificati F=CRR/CSR Metodi avanzati storico SPT NSPT geologico CPT qc in tensioni totali di composizione DH, CH Vs in tensioni efficaci di stato fisico Prove di laboratorio CRR =f (N c ) 93 Il rischio di liquefazione può essere ridotto, sia nel caso di nuove costruzioni (per le quali se possibile è opportuno evitare la realizzazione su depositi liquefacibili, scegliendo altri siti), sia nel caso di opere esistenti, mediante due strategie: 1) Progettare o adeguare le strutture di fondazione (e in elevazione) in modo da minimizzare i danni conseguenti il fenomeno della liquefazione 2) Migliorare le caratteristiche i del sottosuolo incrementandone la resistenza, la densità, le caratteristiche di drenaggio, in modo da prevenire il fenomeno della liquefazione In pratica si adotta spesso una combinazione delle due 94 16

17 Interventi strutturali Gli interventi sono diversi per il caso di opere nuove o esistenti Nel caso di nuove opere si può studiare la possibilità di: Intervenire sulle strutture in elevazione per conferire loro la capacità di assorbire i cedimenti differenziali e assoluti Adottare fondazioni continue o a piastra con piano di posa a profondità opportuna Adottare fondazioni profonde attestate su strati non liquefacibili facendo lavorare i pali solo di punta Nel caso di opere esistenti si possono studiare soluzioni di sottofondazione con: Opere di irrobustimento delle fondazioni Realizzazione di pali e micropali 95 Interventi strutturali - Fondazioni superficiali I vari elementi devono essere collegati affinché il sistema fondale si muova in modo uniforme per contenere gli sforzi di taglio trasmessi alla struttura sovrastante Può essere usata una fondazione a piastra molto rigida scegliendo opportunamente la profondità del piano di posa in modo da trasferire i carichi alle zone meno liquefacibili Le condutture (idrauliche, del gas, ecc.) devono essere collegate alla struttura con elementi flessibili e duttili per assorbire i cedimenti della struttura Zona di possibile liquefazione 96 17

18 Interventi strutturali - Fondazioni su pali La liquefazione del terreno può indurre elevati carichi laterali sui pali di fondazione, che devono sopportare sforzi orizzontali e momenti flettenti aggiuntivi indotti dai movimenti laterali del terreno liquefatto con una contemporanea riduzione della capacità portante I pali devono essere collegati in modo duttile alla piastra di collegamento in modo che sia consentita la rotazione della struttura senza il distacco dalla connessione. Se la piastra di collegamento non è in grado di contrastare il ribaltamento della struttura in elevazione si ha un incremento dei carichi verticali sui pali che rimangono collegati con possibilità di collasso di alcuni di essi 97 Interventi strutturali diaframmi di contenimento nuovi pali 98 18

19 Interventi di miglioramento dei terreni 1. Miglioramento meccanico strati superficiali strati profondi 2. Miglioramento precarico idraulico drenaggi elettro-osmosi 3. Modifica delle caratteristiche fisiche e chimiche miscelatura di additivi jet grouting iniezioni stabilizzazione termica rulli, piastre vibranti, ecc.. vibroflottazione heavy tamping esplosivi 4. Interventi di rinforzo terra armata terra rinforzata tiranti e ancoraggi 99 Interventi di miglioramento dei terreni - Esplosioni Principio: densificazione del terreno per effetto delle vibrazioni indotte dalla detonazione di cariche esplosive in profondità: il rilascio immediato e violento di energia genera delle onde sismiche che producono la liquefazione del terreno a cui consegue una configurazione più addensata e quindi più stabile dell aggregato granulare 0.00 Tubo PVC Tubo in PVC (4.5 kg) 8.00 m Riempimento con sabbia esplosivo Filo detonatore (5.5 kg)

20 Interventi di miglioramento dei terreni - Esplosioni Profondità del trattamento:? Terreni: terreni incoerenti sciolti saturi sotto falda Attrezzatura di cantiere: macchina perforatrice, tubazioni, detonatori Materiale necessario: dinamite, tritolo, ammonite Costi: bassi Tempi: molto rapidi Svantaggi: non applicabile negli strati superficiali, pericoloso, non utilizzabile in aree edificate 101 Interventi di miglioramento dei terreni - Vibroflottazione Principio: densificazione del terreno per effetto delle vibrazioni indotte da una sonda vibrante a punta conica (vibroflot) e compattazione mediante il riempimento del foro con materiale granulare che viene addensato dal vibratore contro le pareti del foro

21 Interventi di miglioramento dei terreni - Vibroflottazione 103 Interventi di miglioramento dei terreni - Heavy tamping Principio: applicazione ripetuta di impatti alla superficie del deposito ottenuti mediante la percussione di una massa pesante lasciata cadere da diversi metri di altezza. Nei terreni non saturi il meccanismo di densificazione è simile a quello della prova Proctor; nei terreni granulari saturi provoca liquefazione Altezza di caduta H=7-40m Massa W= t Profondità del trattamento D= ( ) (WH) 0.5 (m) La massa è costituita da un blocco di calcestruzzo oppure da una serie di piastre d acciaio imbullonate tra loro oppure da un contenitore di acciaio riempito di calcestruzzo o di sabbia

22 Interventi di miglioramento dei terreni - Heavy tamping 105 Interventi di miglioramento dei terreni - Heavy tamping

23 Interventi di miglioramento dei terreni - Jet grouting Principio: Vengono iniettate ad alta velocità una o più miscele fluide che producono un complesso fenomeno di rimaneggiamento, i sostituzione i e/o permeazione il cui risultato finale è la cementazione del terreno L esecuzione comprende due fasi: I. Perforazione II. Trattamento una batteria di aste cave viene inserita per rotazione o rotopercussione fino alla profondità di trattamento desiderato si procede all estrazione delle aste e all iniezione dei fluidi da uno o più ugelli in prossimità della testa di perforazione 107 Interventi di miglioramento dei terreni - Jet grouting

24 Interventi di miglioramento dei terreni - Jet grouting I procedimenti esecutivi possono essere classificati in tre categorie: I. MONOFLUIDO II. BIFLUIDO III. TRIFLUIDO 109 Interventi di miglioramento dei terreni - Jet grouting I. SISTEMA MONOFLUIDO: il trattamento avviene con l iniezione di un unico fluido (boiacca di cemento) con elevata energia cinetica che assolve alle funzioni di rimaneggiamento del terreno, di permeazione dello stesso e di cementazione del volume trattato

25 Interventi di miglioramento dei terreni - Jet grouting II. SISTEMA BIFLUIDO: da ciascun ugello viene iniettato un velo di aria compressa checirconda completamente il getto di boiacca limitandone la dispersione e la dissipazione di energia Viene migliorata l efficienza idrodinamica del getto di boiacca Con la tecnica bifluido è possibile formare colonne anche in terreni non adatti al trattamento monofluido L aria esercita anche un effetto benefico sulla risalita dello spurgo verso il piano campagna 111 Interventi di miglioramento dei terreni - Jet grouting III. SISTEMA TRIFLUIDO: vengono separate le azioni di: disgregazione L azione disgregante viene prodotta da getti coassiali di acqua con elevata energia cinetica e aria, attraverso un doppio ugello Nell impatto con il terreno l acqua provoca il rimaneggiamento e la parziale asportazione del terreno attraverso lo spurgo cementazione la boiacca iniettata a minore velocità tramite un ugello posto al di sotto dei precedenti si miscela con il terreno rimaneggiato e riempie le eventuali cavità ià prodotte dai getti di acqua ed aria

26 Interventi di miglioramento dei terreni - Jet grouting E una tecnica di consolidamento piuttosto diffusa, adattabile a svariati impieghi, in quanto consente di operare in spazi ridotti o in luoghi impervi, sia a cielo aperto che in sotterraneo 113 Interventi di miglioramento dei terreni - Metodi statici 1. Applicazione di precarichi e sovraccarichi 2. Installazione di dreni assestimetri piezometri

27 Interventi di miglioramento dei terreni - Installazione di dreni Principio: accelerare la consolidazione sfruttando la permeabilità nella direzione orizzontale 115 Conclusioni La liquefazione dei terreni in condizioni sismiche è un fenomeno molto studiato e attualmente ben conosciuto Con il termine liquefazione si indicano differenti fenomeni fisici (liquefazione ciclica, mobilità ciclica, fluidificazione) diversi tra loro che danno luogo a diverse manifestazioni Il rischio di liquefazione può essere previsto utilizzando diversi metodi (empirici, semplificati, avanzati) e quindi eliminato o mitigato Tuttavia anche se non si perviene alla liquefazione, nei terreni suscettibili di liquefazione devono essere considerati gli effetti di riconsolidazione del terreno Il pericolo di liquefazione in Italia è in genere circoscritto L attuale normativa italiana (DM ) prescrive che il sito di costruzione sia esente dal pericolo di fenomeni di liquefazione e stabilisce alcuni criteri di esclusione a priori