Stabilità dei Pendii
INDICE
Descrizione terre
Comportamento argille
Comportamento sabbie
Indagini terreno
Prove in sito
Verfica pendio, metodi
Problemi numerici
Definizione del fattore di sicurezza
Discontinuità nelle rocce
Analisi di stabilità cunei in roccia
Opere di stabilizzazione
Analisi sismica
Argille
Generalmente, le argille sono valutate a breve termine avendo le caratteristiche di forte impermeabilità. Quindi si effettuano prove drenate e non drenate, con risultati notevolmente differenti.
In funzione della storia del terreno, si distinguono argille normalconsolidate (NC), sovraconsolidate (OC) e molto sovraconsolidate (molto OC). La definizione è data dal parametro OCR, caratteristico per il rapporto del coefficiente di spinta a riposo.
La sovraconsolidazione è causata da: la natura fisica variata per compressione meccanica, i legami di cementazione nel caso delle argille sensitive, l'effetto aging per carico costante e l'essiccamento con la riduzione delle pressioni interstiziali.
L'argilla molto OC è caratterizzata da conseguenze di comportamento nel pendio. La rottura eterogenea è data dalla presenza di fratture alternate a zone di argille intatte. Questo comporta una rottura specifica in zone differenti, oltre alla rottura progressiva lungo la superficie di scorrimento nelle frane.
Le argille definite sensitivity sono campioni naturali con alta resistenza, contrariamente alle argille non-sensitivity con un carattere rimaneggiato e resistenza nettamente minore.
Una caratteristica principale delle argille è la presenza di silicati, che reagiscono chimicamente con i sali dell'acqua. I fenomeni di scambio ionico, dato dal potassio, e variazione di concentrazione, per sodio o elettrosmosi, favoriscono la riduzione della quantità di acqua e compattano il terreno, con cedimenti e proprietà meccaniche elevate.
Sabbie
Le sabbie hanno caratteristiche di elevata permeabilità, quindi vengono valutate a lungo termine date le basse pressioni interstiziali.
Le prove drenate e non drenate hanno risultati differenti, ma avrebbe poco senso descrivere una sabbia "non drenata" nelle condizioni naturali. Queste sono studiate nel caso di sforzi ciclici o sismi, in cui carichi ripetuti sulle sabbie non drenate portano gravi instabilità ed effetto di liquefazione. Lo stesso carico sulle sabbie drenate conferisce mobilità ciclica, con alte deformazioni ma senza collasso della struttura.
Indagini del terreno
Le indagini si distinguono in base al tipo di campione: se viene effettuata su un provino o campione è detta prova di laboratorio, se viene effettuata direttamente sul suolo interessato è detta in sito. La differenza è un grado di disturbo del campione, quindi risultati molto diversi in termini di storia tensionale e risposta alle sollecitazioni.
Prove in laboratorio
Richiedono tecniche di campionatura ben specifiche, in base al tipo di analisi da effettuare e alla classificazione del terreno stesso.
In genere si usano i sondaggi per perforazione a rotazione, creando molto disturbo e buoni per terreni argillosi. Si utilizza un campionatore a fondo del foro per un terreno di caratteristiche di minor disturbo; allo stesso modo un campionatore Shelby aperto, consente di prelevare argille più tenere senza disturbo. In terreni meno consistenti trovano uso i campionatori a pistoni, viceversa, in terreni più consistenti i campionatori sono detti doppio a rotazione.
Prove in sito
Sono più affidabili perchè il terreno non viene prelevato, ma sono difficilmente correlabili con le caratteristiche naturali principali, per questo vengono usati abachi di relazione con termini adimensionali e normalizzati.
Si distinguono per tipologia di strumento e carattere da analizzare: le più comuni sono le penetometriche, distinte in dinamiche (SPT) e statiche (CPT) per il calcolo della resistenza alla punta del penetometro. Inoltre, il piezocono è in grado di valutare anche le pressioni interstiziali. Per il calcolo degli sforzi di taglio trovano validità le prove scissometriche, con la prova non drenata a breve termine. Per la valutazione delle spinte orizzontali vengono effettuate prove pressiometriche e dilatometriche grazie all'espansione dello strumento in direzione orizzontale. Il martinetto su piastra verifica il carico limite sopportabile per una determinata deformazione verticale.
Grazie alla caratteristica di trasmissione delle onde sismiche, vengono proposte le prove dinamiche, in grado di riconoscere il tipo di terreno in profondità grazie alla risposta registrata dai ricevitori per un'onda trasmessa dalla sorgente. La valutazione dell'acqua e della falda nel sottosuolo è fatta attraverso le prove di permeabilità e piezometriche, grazie all'uso di pozzi e piezometri o celle di pressione. La scelta della strumentazione è ponderata in base ai parametri di permeabilità e consistenza del terreno stesso.
Metodi di verifica della stabilità
Nel corso della storia si sono susseguite le metodologie di calcolo del Fattore di Sicurezza, in base alle tecniche di definizione del pendio e di calcolo a disposizione.
Le tre tecniche principali sono:
- le caratteristiche,
- l'analisi limite,
- l'equilibrio limite.
Le caratteristiche sono linee derivanti dal problema iperbolico del sistema in cui si pongono le equazioni di equilibrio nelle due direzioni principali ed il criterio di rottura. Per definizione, si ha la crisi del terreno omogeneicamente in tutta la linea caratteristica, formando un reticolo di linee ortogonali e parallele alla superficie di scorrimento.
L'analisi limite va a valutare le dimensioni di un pendio per cui si ha stabilità. Si basa sulla Teoria del Limite Superiore, in cui il lavoro riconosce un massimo per cui non si ha rottura, e sulla Teoria del Limite Inferiore, calcolando le forze per cui sono possibili deformazioni stabili.
L'analisi è distinta a breve e lungo termine, essendo definita la legge di flusso associata, quindi con una deformazione ortogonale alla retta di collasso critico.
L'equilibrio limite è incentrato sulla ricerca del Fattore di Sicurezza come rapporto delle forze (o momenti) limite e forze (o momenti) applicate. I diversi approcci definiscono la geometria e la struttura del pendio, essendo per ipotesi la superficie di scorrimento omogenea.
Quindi l'equilibrio delle forze nasce dall'approccio della divisione in strisce verticali, mentre i metodi rigorosi dividono spazialmente il terreno in parti infinitesime.
Stabilità delle rocce
Distintamente dalle terre, le rocce sono valutate in base al numero di discontinuità presenti. Quindi vengono presentate le proprietà per cui si attua la classificazione, grazie alla quale si è in grado di ponderare un intervento di messa in sicurezza.
L'orientazione descrive la posizione nello spazio della discontinuità rispetto al nord (strike o dip direction) e rispetto all'orizzontale (dip). La spaziatura è la distanza tra le discontinuità lungo la linea di stendimento, in cui si valuta una correzione dell'angolo della linea ortogonale a queste. La persistenza è la lunghezza della discontinuità, che può andare da qualche centimetro a decine di metri. La scabrezza è la rugosità del piano, microscopica su piccola scala e ondulazioni sulla grande scala; valutata col pettine di Barton in JRC. La resistenza di parete è misurata con lo sclerometro, definendo valori di JCS e calcolando un grado di alterazione della roccia. L'apertura è lo spazio che intercorre tra i piani nella discontinuità; questa può essere caratterizzata da materiale di riempimento naturale o artificiale che determina una variazione della reazione agli sforzi da parte del giunto. La dimensione dei blocchi è valutata spazialmente attraverso la densità di discontinuità presenti in un metro cubo di roccia e dal campionamento del carotaggio, definendo i parametri Jv e RQD.
La descrizione spaziale delle discontinuità è fattibile grazie all'uso dei Reticoli Stereografici, che ne raffigurano gli angoli caratteristici. Così facendo si possono confrontare diverse discontinuità e l'intersezione tra queste, causa di instabilità per determinate condizioni geometriche oltre che fisiche.
La rappresentazione dei reticoli avviene attraverso delle proiezioni in cui si conservano le aree (di Schmidt) oppure gli angoli (di Wulf). Gli elementi principali per ogni discontinuità sono i poli ed il grande cerchio, graficati in funzione dell'orientazione.
La valutazione del giunto avviene attraverso le prove di carico e l'effetto di dilatanza tra la messa in carica e la deformazione. Per la verifica dei parametri di resistenza vengono usate relazioni empiriche con l'ipotesi di carattere elastico, misurando solo la deformazione plastica.
La classificazione è data dal calcolo del RMR originariamente usato per la costruzione di gallerie. Questo è la somma di sei parametri che descrivono tutte le proprietà caratterizzanti le rocce. Nella valutazione del pendio si utilizza la SMR, in cui cinque dei parametri calcolati sono corretti dall'aggiunta di quattro fattori per l'orientazione della discontinuità. Così si ottengono valori adimensionali calibrati su prove effettuate, in normativa vengono dati i rispettivi interventi possibili per evitare costi troppo onerosi o opere insufficienti.
Opere di stabilizzazione
In base al tipo di terreno, alla geometria del pendio e alle possibilità economiche vengono scelti i metodi di intervento per la stabilizzazione, o la prevenzione in caso di difesa di siti specifici. Quindi si ha una classificazione delle opere in funzione alla posizione rispetto al terreno, se interne o esterne, e in funzione al lavoro che svolgono in caso di distacco, se attive o passive.
Per i versanti rocciosi vengono utilizzati gli ancoraggi, che possono essere effettuati da tiranti, bulloni e chiodi, sia permanenti che temporanei. Questi sono genericamente attivi e migliorano le proprietà meccaniche del pendio, grazie alla resistenza a trazione oltre che di taglio e momento per i chiodi. Sono usati anche con reti in superficie per evitare il distacco e la caduta dei massi.
Per terreni sciolti ci sono diversi metodi di intervento, come il controllo superficiale tramite opere Nature-based e rivegetazione. Queste sfruttano la grande forza delle radici delle piante in grado di stabilizzare lo strato più superficiale e drenare l'acqua in eccesso. La riprofilatura avviene a monte o a valle del pendio in crollo, andando ad aumentare il rapporto tra le tensioni limite ed applicato, utilizzando berne o chiavi di taglio.
Tra le generali opere di sostegno vi sono i muri a gravità, con alto impatto visivo ma molto efficaci. In alternativa, ci sono i muri a mensola e le paratie rette da un tirante ancorato nel suolo. Insieme a queste vengono posti dei pali che aiutano la stabilità dal sottosuolo, oppure vengono utilizzati serie di micropali che riducono l'effetto arco per iterazione tra strutture. I muri composti da singoli elementi sono detti circolari, come i gabbioni, i cribbs walls e il soil nailing, in grado di assorbire in maniera più elastica le deformazioni. L'ultima serie di tecniche di sostegno è il miglioramento delle proprietà meccaniche del terreno tramite il rinforzo del pendio: le terre armate vengono dotate da barre d'acciaio, mentre le terre rinforzate sono composte da strati di geotessuto in plastica o sintetico.
Il drenaggio è un passaggio chiave grazie al quale si riducono le spinte e le pressioni interstiziali. In base alla dimensione e alla vicinanza del pendio con manufatti, variano le tecniche di drenaggio come dreni suborizzontali, trincee o gallerie drenanti, pozzi e barriere impermeabili.
Il miglioramento del terreno avviene anche tramite iniezioni (del tipo jet grouting) di calce oppure sostanze chimiche in grado di attivare le variazioni di concentrazioni in argilla attiva. In alternativa, metodi più costosi sono l'elettrosmosi, in cui avvengono scambi ionici con le soluzioni saline, e trattamenti termici di congelamento ed essiccamento.
Analisi sismica
La sismicità del pendio viene valutata tramite una forza orizzontale applicata al centro di massa del corpo in frana. Questa dipende dal peso del terreno, con un coefficiente sismico.
Il metodo psuedostatico si basa sulla conoscenza del coefficiente sismico ed il fattore di sicurezza. Quindi sono note le caratteristiche del pendio ma sono assunte le accelerazioni sismiche in maniera semplificata. Si applicano i classici metodi di verifica, con la definizione del coefficiente sismico tramite i parametri di stratigrafia e topografia.
Il metodo dinamico degli spostamenti è basato sulla ricerca dell'accelerazione dell'azione sismica nello spettro ondulatorio. Il relativo spostamento è la doppia integrazione della funzione di accelerazione sismica, confrontata con lo spostamento ammissibile dato dalla normativa. Il calcolo analitico avviene tramite la seconda legge della dinamica in una massa sul piano orizzontale, ma si corregge con i parametri geometrici del pendio, quali gli angoli di pendenza e caratteristici di resistenza del terreno. Quindi richiede una perfetta conoscenza dell'azione sismica, rispetto ad una approssimata geometria del pendio.
Il metodo dinamico sforzi-deformazioni è del tipo ad elementi finiti (FEM) con la modellazione dello spazio 3D e in passi temporali. Questo permette la migliore definizione del terreno, considerando la miscela di acqua e terra e le spinte dello stato tensionale sismico. Siccome richiede una conoscenza approfondita del pendio, viene utilizzato solo in opere artificiali e di costi elevati.
