Post on 05-Jul-2015
Problematiche geotecniche del già costruito: diagnosi e consolidamento
Claudia MEISINA
Dipartimento di Scienze della Terra e dell’Ambiente
Università degli Studi di Pavia – claudia.meisina@unipv.it
Cambiamenti climatici e stabilità degli edificiConsolidamento dei terreni, normativa tecnica e casi
di successoFirenze, 20 ottobre 2011
UN NUOVO PROBLEMA GEOLOGICO??D
EF
INIZ
ION
E D
EL
FE
NO
ME
NO
SICCITA’ GEOTECNICA (Nussbaum, 2007): periodo di lunghezza variabile, caratterizzato da un deficit pluviometrico più o meno marcato che si traduce in una diminuzione del contenuto in acqua nella zona attiva
2 m
4 m
2 m
Wmin Wm Wmax
Wmin Wm Wmax
In periodi normali
In periodi siccitosi
W = contenuto in acqua
Profondità di oscillazione stagionale del contenuto
d’acqua
DATA DI COMPARSA LESIONI EDIFICI IN OLTREPO PAVESE
DE
FIN
IZIO
NE
DE
L F
EN
OM
EN
O
-600
-300
0
300
600
mag
-79
mag
-81
mag
-83
mag
-85
mag
-87
mag
-89
mag
-91
mag
-93
mag
-95
mag
-97
mag
-99
mag
-01
mag
-03
Rai
nfal
l def
icit
(mm
)
cumulative rainfall deficit (mm)
average monthly rainfall deficit - standard deviation
average monthly rainfall deficit - 2 x standarddeviation
N = number of months with drought
I = drought intensity
N N N N
I
VOGHERA – Oltrepo Pavese
DEFICIT IDRICO
aree interessate dal fenomeno di ritiro-rigonfiamento
DIFFUSIONE DEL FENOMENO
PAESE DANNI
STATI UNITI 10 miliardi di $/anno (Chen, 1988)
FRANCIA 3 miliardi di € tra il 1989 e il 2000 (legge n°82-600 del 1982) (BRGM, 2002)
ITALIA (Oltrepo Pavese) Costo di ripristino edifici = 15-25% del valore dei fabbricati
DE
FIN
IZIO
NE
DE
L F
EN
OM
EN
O
DIFFUSIONE DEL FENOMENO
(Magaldi et al, 2004)
DE
FIN
IZIO
NE
DE
L F
EN
OM
EN
O
CAUSE DEL RITIRO-RIGONFIAMENTO DEI TERRENI ARGILLOSI
RIGONFIAMENTO RITIRO
AUMENTO DEL CONTENUTO IN ACQUA
DIMINUZIONE DEL CONTENUTO IN ACQUA
PRECIPITAZIONI
RISALITA DELLA FALDA
ROTTURE DI CANALIZZAZIONIIRRIGAZIONI
EVAPOTRASPIRAZIONE
ABBASSAMENTO DELLA FALDA
PROCESSI TECNOLOGICI CON EMISSIONE DI CALORE
cause naturali
cause artificiali
SCAVI
CA
US
E
FATTORI DEL RITIRO-RIGONFIAMENTO DEI TERRENI ARGILLOSI
FATTORI DI PREDISPOSIZIONE FATTORI SCATENANTI
FATTORI INTERNI(dipendono dal materiale)
FATTORI ESTERNI(regolano la presenza e le variazioni di w)
TERRA/ROCCIA
ACQUA
Litotipo
Plasticità
AZIONI ANTROPICHE
VEGETAZIONE
IDROGEOLOGIA
TOPOGRAFIA
FENOMENI METEOROLOGICI
ECCEZIONALI
AZIONI ANTROPICHEdrenaggio
pendenza dei versanti
Acque superficiali
Acque sotterranee
Composizione mineralogica
Chimismo dell’acqua interstiziale
Geometria
Fabric
Peso di volume secco
Permeabilità STATO DI SFORZO
Storia tensionale
Condizioni in situ
FA
TT
OR
I
FA
TT
OR
I
La natura del terreno
Litotipo
Geometria dell’orizzonte argilloso (profondità, spessore, continuità)
Tipo Origine
Ia Eluvio-colluviale
collina, pendenze < 10°
Alterazione del substrato (complesso
caotico, argille varicolori…)
Ib Eluvio-colluviale
collina, pendenze < 10° Alterazione di marne
IIa alluvionale terrazzo Alterazione alluvioni
IIb alluvionaleTerrazzo, pianura
alluvionaleAlterazione alluvioni
III eolica Terrazzi antichi Loess colluviato e alterato
Alcune tipologie di terreni soggetti a ritiro/rigonfiamento
FA
TT
OR
I
Il contesto idrogeologico
Presenza di una falda freatica a debole profondità
Presenza di falde sospese stagionali
Condizioni topografiche
Effetto della topografia sul drenaggio
C) Adeguata progettazione della struttura: il drenaggio è buono e non vi è ristagno d’acqua in prossimità della struttura
B) Progettazione della struttura non adeguata. Drenaggio mediocre o impedito, l’acqua ristagna in prossimità delle fondazioni.
FA
TT
OR
I
Noe et al., 1997
Condizioni topograficheProblematiche connesse ad un edificio costruito a mezza costa
Terreno di fondazione non uniforme
Diverse tipologie di fondazione
FA
TT
OR
I
vegetazione
Zona attivaProfilo di umidità durante la stagione umida in assenza di alberi Profilo di umidità
durante la stagione secca in assenza di alberi
Profilo di umidità durante la stagione secca in presenza di alberi.
Il contenuto di acqua si è ridotto notevolmente e per una profondità maggiore
Influenza di un albero sul contenuto di acqua del suolo:
Le differenze dei contenuti d’acqua del terreno relativi al periodo umido e a quello secco sono maggiori
La zona attiva ha uno spessore maggiore (anche > 4m)
Si crea una zona permanentemente secca
Boden & Driscoll, 1987
FA
TT
OR
I
Comportamento degli alberi in condizioni di siccità Zapater et al., 2008
betulla salice
quercia carpino
pruno
faggio Distribuzione delle radici < 3 mm di alberi con altezza 9 m
vegetazioneF
AT
TO
RI
Azioni antropiche
Rotture di tubazioni
Irrigazioni
FA
TT
OR
I
cambiamenti di regime idrogeologico e termico dopo la costruzione (perdite da tubi, irrigazioni, ecc...): la variazione del contenuto di acqua è limitata ad una zona ristretta della fondazione
LESIONI AD EDIFICI
COMPORTAMENTO A BREVE TERMINE
COMPORTAMENTO A LUNGO TERMINE
EF
FE
TT
I
Nel breve termine, se la costruzione é stata edificata durante la stagione secca, alle prime piogge la periferia sarà soggetta a rigonfiamento, mentre il centro, protetto dalle infiltrazioni dirette e rapide, resterà stabile.L’acqua, in assenza di una falda idrica ben individuabile, ha la tendenza a lungo termine a migrare dalla periferia verso il centro del fabbricato dopo ogni stagione piovosa: si avrà un tenore in acqua massimo al centro della struttura con rigonfiamento massimo e continuo, mentre la periferia, che risente maggiormente delle variazioni climatiche, sarà soggetta ad un'alternanza di cedimenti e rigonfiamenti
Nelson, 1992
Costruzione su argilla durante la stagione umida
Costruzione su argilla durante la stagione secca
EF
FE
TT
I
COMPORTAMENTO IN PRESENZA
DI VEGETAZIONE
EF
FE
TT
I
parametri che influiscono sull’entità e sull’evoluzione dei danni strutturali:
1. quantità e distribuzione delle precipitazione durante ed immediatamente dopo la costruzione;2. l’età della costruzione (il rigonfiamento non è un processo istantaneo);3. tecniche di costruzione: controllo dell’acqua negli scavi, proprietà geotecniche dell’eventuale terreno di riporto, tempo di costruzione (tempo durante il quale il terreno che supporta la fondazione è esposto ad umidificazione o ad essiccamento);4. flessibilità della struttura.
SOIL FOUNDATION: Type IIaclays and silt interbedded with clay and sand
HYDROGEOLOGY: perched water table: 4,5-6,5 m groundwater level: 20 mACTIVE ZONE: >2 m VEGETATION: locust tree, sycamore, 12 m in height of about 5 m from the house
FOUNDATION TYPOLOGY: shallow strip foundation with partial cellar BUILT on 1960DAMAGED in 1987-1988; progressive damage; crack width: >25 mm
REMEDIAL WORKS: typology: complete pile underpinning in 1996effectiveness: yes
SOIL FOUNDATION: Type IIa clay and silt
HYDROGEOLOGY: groundwater level > 20 mACTIVE ZONE : > 1,5 m
FOUNDATION TYPOLOGY: shallow with partial cellarBUILT on 19th century, with successive changesDAMAGED in summer 1997, crack width: 1/2 - 6/8 mmREMEDIAL WORKS: typology: partial pile underpinning in 1998effectiveness: no
B1. EDIFICI SU TERRAZZO ALLUVIONALE
SOIL FOUNDATION: Type IIbsilt-clay and gravel
HYDROGEOLOGY: perched water table groundwater > 19 m
ACTIVE ZONE: > 1,8 m
FOUNDATION TYPOLOGY: shallow with basementBUILT on 1977DAMAGED in summer 1990
REMEDIAL WORKS: Typology: partial pile underpinning in 1993Effectiveness: no
B4. EDIFICI SU CONOIDE ALLUVIONALE
Tipologia dei dissesti
I dissesti interessano
•Edifici senza cantina•Con seminterrato poco approfondito o parziale•Il lato valle (strutture su pendio)
•Falda profonda (>15 m)•Zona attiva > 1,5 m
EF
FE
TT
I
•Scollamento del terreno alla base della fondazione
Evoluzione del dissesto
EF
FE
TT
I
LESIONI AD OPERE ACCESSORIEE
FF
ET
TI
CARATTERISTICHE DEI TERRENI E DEI SUOLI SOGGETTI A RITIRO/RIGONFIAMENTO
molto duri quando asciutti
soffici ed adesivi quando bagnati
fessure di ritiro
processi intensi di weathering
struttura a gilgai
slickensides
IDE
NT
IFIC
AZ
ION
E D
EL
FE
NO
ME
NO
Limite liquido (Wl) (ASTM D-4308)Limite plastico (Wp) (ASTM D-4318)Limite di ritiro (Ws) (ASTM D-427)
Contenuto in argilla (ASTM D-422)
Valore al blu di metilene (AFNOR, NF P 94-068)
Analisi diffrattometriche
PROVE IN LABORATORIO
Prove di classificazione
Analisi qualitativa
IDE
NT
IFIC
AZ
ION
E D
EL
FE
NO
ME
NO
VB (“VALORE AL BLU”)
Quantità minerali argillosi
Tipo di minerali argillosi
0
10
20
30
40
1 10 100 1000 10000
ρ (kPa)
∆h
/hi
(%)
SP
S
SP
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
1 10 100 1000 10000 100000
log t (min)
∆h
/hi
(%)
S
PARAMETRI DEL RITIRO/RIGONFIAMENTO
PRESSIONE DI RIGONFIAMENTO SP (kPa)Pressione che un terreno esercita quando il contenuto di acqua iniziale viene fatto variare fino a raggiungere la saturazione impedendo ogni variazione di volume. Non è un parametro intrinseco del terreno.
RIGONFIAMENTO LIBERO DV/V (%)Variazione di volume che un terreno sviluppa quando viene saturato e lasciato libero di rigonfiare.
QU
AN
TIF
ICA
ZIO
NE
D
EL
FE
NO
ME
NO
correlazioni per la determinazione di S e SP a partire da alcune proprietà indici attraverso la ricerca di correlazioni statistiche (VB-S, IP-S). • prendono in considerazione soltanto un numero limitato di variabili, invece il fenomeno di ritiro-rigonfiamento é la conseguenza di numerosi fattori che sono spesso interdipendenti•dipendono dalle condizioni geologiche e climatiche delle aree in cui sono state messe a punto, risultando quindi difficilmente generalizzabili.
metodologie di analisi più adatte alla modellizzazione del problema: le reti neurali artificiali.
QU
AN
TIF
ICA
ZIO
NE
D
EL
FE
NO
ME
NO
0
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
0,3
0,35
0,1 1 10 100 1000 10000 100000
logt (min)
∆h\h
i
1 r (Ia)
1 nat (Ia)
Z1 r (IIa)
Z1 nat (IIa)
C.G.1 nat (IIa)
C.G.2 nat (IIa)
Terreni rimaneggiatiSmax
Terreni naturaliS in situ
S e SP dipendono da•procedura utilizzata in laboratorio •condizioni iniziali del campione su cui viene eseguita la prova.
Determinazione zona attiva
0
200
400
600
800
1000
1200
0 1 2 3 4 5 6 7
qc (MPa)
dep
th (
cm)
qc (13 June 2001)
qc (28 September 2001)
In laboratorio: Metodo della carta da filtro
In situ: CPT eseguite in periodi
differenti
O,8-1,5 m >1,5 m>2 m con vegetazione
Zon
a at
tiva
Zon
a at
tiva
ME
TO
DI
DI
ST
UD
IO –
la
zon
a at
tiva
In situ:Monitoraggio
Sonde capacitiveEstensimetriPluviometro
ME
TO
DI
DI
ST
UD
IO –
la
zon
a at
tiva
Rigonfiamento breve ma rapido (v = 0.8 mm/h, DH = 5 cm)
Ritiro su lunghi periodi con velocità basse (v < 0.12 mm/h)
Plat et al., 2008
ME
TO
DI
DI
ST
UD
IO –
la
zon
a at
tiva
INTERFEROMETRIA DIFFERENZIALE SAR DA SATELLITE
Le misure di spostamento verticale della superficie topografica costituiscono un’informazione che le tecniche di telerilevamento possono offrire per mappare e monitorare le variazioni di volume dei terreni argillosi
L’interferometria differenziale SAR da satellite permette di misurare spostamenti della superficie topografica su vaste aree con precisione millimetrica
SqueeSAR™ (Ferretti et al, 2011) é uno strumento per l’elaborazione dei dati acquisiti da sensori radar di tipo SAR montati a bordo di satelliti. I Permanent Scatterers, PS e i distributed scatterers DS costituiscono una sorta di rete geodetica naturale e consentono misure accurate delle deformazioni superficiali
RE
MO
TE
SE
NS
ING
_ I
DE
NT
IFIC
AZ
ION
E E
MO
NIT
OR
AG
GIO
Ref. Point Ref. Point VEL = 0 VEL = 0
PS 1 Vel= -2 mm/annoPS 1 Vel= -2 mm/anno
PS 2 Vel= 0,5 mm/annoPS 2 Vel= 0,5 mm/anno
PS 3 Vel= -4 mm/annoPS 3 Vel= -4 mm/anno
traditional permanent scatterers (PS)
distributed scatterers (DS) are homogeneous areas spread over a group of pixels in a SAR image such as rangeland, pasture, shrubs and bare earth.
average LOS (Line of Sight) displacement rate with a precision of about 1 mm/yr
displacement time seriesmore appropriate to detect and monitor soil
volume changesRE
MO
TE
SE
NS
ING
_ I
DE
NT
IFIC
AZ
ION
E E
MO
NIT
OR
AG
GIO
ERS1 et 2450 PS/Km2
V = 2-5 mm/yr∆1992−2000 = -10/-22 mm
ERS 1/2: May 1992 - December 2000
RADARSAT: April 2003 - June 2010
… un esempio in Oltrepo Pavese
Argille limose, limi argillosi con spessori da 20 a 4 m
Falda semi-confinata profonda (20 m)
Oscillazioni della sup. piezometrica nei periodi siccitosi : 2.5-3 m.
RE
MO
TE
SE
NS
ING
_ I
DE
NT
IFIC
AZ
ION
E E
MO
NIT
OR
AG
GIO
DROUGHT PERIODSUBSIDENCE
SLOW DEFORMATION RATES STRONG RAINFALL
UPLIFT
RE
MO
TE
SE
NS
ING
_ I
DE
NT
IFIC
AZ
ION
E E
MO
NIT
OR
AG
GIO
Aggravamento delle lesioni
STRATEGIE DI PREVENZIONE – METODI NON STRUTTURALI - pianificazione del territorio
gli studi riguardanti la determinazione della pericolosità al ritiro-rigonfiamento sono ancora limitati (Hart, 1974; Chassagneux et alii, 1995; Noe & Dodson, 1995; Oteo et alii, 1995; Chabrillat et alii, 2001) .
non esiste un metodo standard per la determinazione dell’intensità del fenomeno (pressione e potenziale di rigonfiamento)
la relazione tra fattori ed effetti (edifici lesionati) non è sempre definibile in modo univoco
ST
RA
TE
GIE
DI
PR
EV
EN
ZIO
NE
STRATEGIE DI PREVENZIONE – METODI NON STRUTTURALI - pianificazione del territorio
FACTOR
C+S < 30%C<30%
C>=30%C<30%
C>=30%
C<S C<30%C+S >= 70% C>=30%
C>S
clay or silt no dominantclay or silt dominant
continuous
<50 cm50-100 cm
100-200 cm>200 cm
SP< 2.5 g/100g low or nul
2.5-4.5 g/100g medium4.5-9 g/100g high
>9 g/100g very high
low or nulmedium
highvery high
d > 10 m4m < d <=10 m2m < d <=4 m
d < 2 m
lowmedium
good
absentlowhigh
variable, perched water table
GR
AIN
SIZ
E
(C =
cla
y; S
= s
ilt)
30% <= C+S <70%C<S
C>S
INDEX
THICKNESS
HORIZONTAL GEOMETRY
interbedded
VALUE OF BLUE VB (Meisina, 2000)
CALCIUM CARBONATE
CONTENT
min
era
log
ica
l and
ge
ote
chni
cal
char
acte
rist
ics
DRAINAGE CONDITIONS
DEPTH TO THE WATER TABLE
ACTIVITY MODIFIED CHART (Williams and
Donaldson, 1980)
1 2
ST
RA
TE
GIE
DI
PR
EV
EN
ZIO
NE
…come costruire
ST
RA
TE
GIE
DI
PR
EV
EN
ZIO
NE