Berardi - Meccanica delle rocce e degli ammassi rocciosi.pdf

7/26/2019 Berardi - Meccanica delle rocce e degli ammassi rocciosi.pdf

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Meccanica delle rocce eMeccanica delle rocce eMeccanica delle rocce eMeccanica delle rocce edegli ammassi rocciosidegli ammassi rocciosidegli ammassi rocciosidegli ammassi rocciosi

Riccardo BERARDIDipartimento di Ingegneria delle Costruzioni, dellAmbiente

e del Territorio - Universit di Genova([email protected])


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Meccanica delle rocce e degli ammassi rocciosi - R.Berardi 2

un uomo che costruendo una casa ha scavato molto profondo eha posto le fondamenta sulla roccia, venuta la piena il fiume

irruppe contro quella casa ma non riusc a smuoverla perch era

costruita bene

(Luca 6, 48-49)


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Frane in roccia


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Instabilit in scavi

profondi /superficiali


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LaLaLaLa rocciarocciarocciaroccia comecomecomecome materialematerialematerialemateriale dellingegneriadellingegneriadellingegneriadellingegneria

Come le terre ed il legno le rocce sono materiali naturali,estremamente pi antiche rispetto ad altri materiali; nei milionidi anni esse hanno sperimentato significative modificazioni

meccaniche, termiche e chimiche.Come conseguenza, la roccia si presenta come materiale

usualmente molto variabile, nella sua struttura e nelle suepropriet e, quindi, nella sua risposta.

Tale risposta sar influenzata, inoltre, dal tipo di applicazioneingegneristica: una struttura potr essere costruita CONroccia, SULLA roccia, NELLA roccia. Spesso la roccia vieneeliminata per la realizzazione di scavi e sbancamenti, conconseguente necessit di valutazione di condizioni di stabilit edi spostamenti.


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In ogni caso il materiale in esame naturale: quali ingegneriimpegnati nello studio del comportamento meccanico di tale

materiale, in relazione allopera ingegneristica, dovremmovalutare:

le propriet di questo materiale

lo stato tensionale esistente (che si va a disturbare)

le modifiche apportate

le conseguenze di tutto ci

La conoscenza degli aspetti geologici (litologia, struttura,stratificazioni, faglie, tettonica, regime idrogeologico, ecc..) diprimaria importanza e di grande aiuto per lattivit

ingegneristica.Nel seguito alcuni di questi aspetti verranno approfonditi

nellottica di delineare i principi fondamentali.


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Lopera ingegneristicasar inoltrefortemente influenzata dalla sua

posizione (SULLA-NELLA roccia):generalmente le fratture governano lastabilit delle strutture superficiali mentregli stati tensionali naturali governano ilcomportamento delle strutture profonde.

P.es:

Dighe > deformabilit e permeabilit sedimedi fondazione (dovute a natura ed assettofratture nella roccia.

Pendii, scavi e calotta gallerie superfic. >stabilit

Gallerie in rocce tenere e gallerie profonde >alterazione stato tensioni in sito


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LinfluenzaLinfluenzaLinfluenzaLinfluenza didididi fattorifattorifattorifattori geologicigeologicigeologicigeologici sullasullasullasulla

meccanicameccanicameccanicameccanica delledelledelledelle roccerocceroccerocce eeee deglideglideglidegli ammassiammassiammassiammassirocciosirocciosirocciosirocciosi

Nel contesto di problemi meccanici, si devono considerare il

materiale in esame e le forze ad esso applicate.

Vengono presi in esame 5 fattori geologici :

1. La matrice lapidea ( o roccia intatta)2. Le discontinuit

3. Le tensioni in sito esistenti

4. La circolazione idrica5. Il fattore tempo


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LaLaLaLa matricematricematricematrice lapidealapidealapidealapidea

Da un punto di vista ingegneristico si intende matrice lapidea(roccia intatta) la roccia che non contiene fratture significative.

Tuttavia, a scala microscopica, la matrice costituita da granie la microstruttura governata dai processi che ne hannoportato alla formazione . Eventi geologici successivi possonoaver alterato le caratteristiche meccaniche della roccia, coscome la sua suscettivit allalterazione ed alla infiltrazione di

acqua.Un efficace modo per visualizzare la risposta, ad azionemeccanica esterna, della matrice lapidea intatta,

analizzare una curva tensione -deformazione in prova dicompressione monoassiale.


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Modulo di deformabilit E

Resistenza a compressione c

Comportamento post-picco


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La forma della curva tensione deformazione dettata dalla microstruttura:

E; c; duttilit/fragilit ne sono la prova. Esempi:

basalto calcare chalk (calc. friabile) salgemma

resistenza, rigidezza duttilit


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DiscontinuitDiscontinuitDiscontinuitDiscontinuit eeee StrutturaStrutturaStrutturaStruttura

Se la roccia avesse un comportamento elastico, non si verificherebbero

problemi di stabilit, potendo sostenere qualunque livello tensionale.Sperimentalmente si osserva che la roccia raggiunge condizioni limiti eha caratteristiche post-picco.

La conseguenza di ci duplice:

attraverso processi naturali la roccia in sitopu essere stata soggetta afenomeni di rottura, con la formazione di faglie e giunti;

faglie e giunti possono costituire il punto debole della roccia.

Il risultato di questi fenomeni di fratturazione la formazione di unastruttura geometrica (spesso complessa) costituita da matrice lapidea efratture


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In analisi ingegneristiche basate sulla meccanica, usuale ecomodo riferirsi alla meccanica del continuo, anche quando le

evidenze dicono che il mezzo tutto meno che continuo (p.es.terreni).

Le formazioni geologiche quali faglie, giunti, piani di scistosit,

ecc. prendono quindi operativamente il nome diDISCONTINUITA

Tali discontinuit hanno

forme - dimensioni - orientazioni

resistenze - rigidezze

e quindi caratteristiche geometriche e meccaniche chegeneralmente governano il comportamento dinsieme.

La configurazione delle discontinuit pu essere definitaSTRUTTURA


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MatriceMatriceMatriceMatrice lapidealapidealapidealapidea ++++ strutturastrutturastrutturastruttura ((((discontinuitdiscontinuitdiscontinuitdiscontinuit))))

====

AMMASSO ROCCIOSOAMMASSO ROCCIOSOAMMASSO ROCCIOSOAMMASSO ROCCIOSO

In sintesi:

LA MATRICE LAPIDEALA MATRICE LAPIDEALA MATRICE LAPIDEALA MATRICE LAPIDEA


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Lidentificazione e la classificazione della roccia che costituisce la matrice lapidea

avviene sulla base delle osservazioni e dei risultati delle prove di laboratorio condotte

su campioni di roccia enucleati dallammasso roccioso.

Dal punto di vista della loro genesi le rocce sono suddivise in tre grandi

categorie: ignee, sedimentarie e metamorfiche.


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Dal punto di vista geologico la descrizione della roccia condotta sulla

base di considerazioni mineralogiche e petrografiche che coinvolgono

parametri quali la composizione chimica e mineralogica, il grado dialterazione, la struttura cristallina, la dimensione e la forma dei cristalli, la

microstruttura e la granulometria.

Dal punto di vista ingegneristico la descrizione pi significativa quellabasata sui valori che le seguenti propriet meccaniche della roccia

assumono: la resistenza a compressione monoassiale ed il modulo di

elasticit, la resistenza a trazione monoassiale, la resistenza nei confrontidelle tensioni tangenziali (angolo dattrito e coesione) e la velocit

ultrasonica.


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Nota: d1, d2, d3 indicano le superfici di

discontinuit strutturale.

Lintersezione dei sistemi di giunti definisce una struttura dellammassoroccioso costituita da elementi eterogenei, per dimensioni e geometria,delimitati da superfici di discontinuit geologica pi o meno continue.

Lestensione delle superfici didiscontinuit geologica e la distanzamedia che le separa nellambito di unostesso sistema guidano

allidentificazione del volume rocciosounitario.

Questo si pu definire come il pipiccolo volume lapideo,macroscopicamente integro,geometricamente definito da superficidi discontinuit geologica.


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Si possono individuare, per lammasso roccioso, le due seguenti strutture limitedue seguenti strutture limite::

Se il volume roccioso unitario molto grande e i sistemi di giunti sono caratterizzatida modesta frequenza e continuit lammasso roccioso si pu assimilare ad un

sistemasistema monocorpomonocorpo le cui caratteristiche meccaniche sono simili a quelle della rocciache ne costituisce la matrice lapidea.

Se il volume roccioso unitario ha

dimensioni molto piccole ed i sistemi digiunti che interessano la matrice lapideasono caratterizzati da alta frequenza econtinuit lammasso roccioso assume

lidentit di un terreno granulareterreno granulare.

In generale un ammasso roccioso si

presenta come un sistemasistemamulticorpomulticorpo a diverso grado diseparazione che pu essere inseritoentro i due suddetti casi limite.


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Si pu rilevare lanalogia tra il ruolo dei giunti nellammasso roccioso e

dei vuoti nei terreni granulari.

Le discontinuit costituiscono sede di raccolta delle fasi liquida edaeriforme cosicch lammasso roccioso, come il terreno, da considerarsi

un mezzo discontinuo, anisotropo ed eterogeneo per la coesistenza delle

tre fasi fondamentali.

terreno ammasso roccioso


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Se la struttura di un ammasso roccioso si pu generalmente ritenere

intermedia tra quella di un sistema monocorpo e quella di un terreno

granulare allora anche le propriet meccaniche di un ammasso roccioso si

possono ritenere intermedie tra quelle della roccia che ne costituisce la

matrice lapidea e quelle riferibili alle discontinuit da cui essa

attraversata.

Anche le propriet meccaniche ed idrauliche di un ammasso roccioso,

come per i terreni, possono essere correlate ad opportuni parametri che

consentono la caratterizzazione del sistema multicorpo con cui esso si

identifica: questi parametri sono descrittivi e della matrice lapidea e dei

sistemi di giunti che la attraversano.


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Prima di entrare nel dettaglio sulle caratteristiche geometriche,morfologiche e meccaniche delle discontinuit, pu essere utile

analizzare i processi di formazione delle stesse ed alcunepossibili conseguenze.

Tre possibili modi:

Modo 1: frattura a

trazione.Discontinuitaperta= Giunto

Modo 2: frattura a

taglio. Discontinuitcon scorrimento =faglia o frattura ditaglio

Modo 3: frattura a

taglio. Discontinuitcon scorrimento =faglia o frattura ditaglio


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Avendo osservato che le discontinuit costituiscono il puntodebole dellammasso, sono chiari alcuni aspetti, che hanno diretteconseguenze da un punto di vista ingegneristico.

Influenze su resistenza, deformabilit, permeabilit, anisotropia:

in termini di resistenza, possibile differente comportamento tragiunti e zone di taglio;

assenza di trasmissione tensionale in giunti aperti;

flusso concentrato e governato da assetto geometrico;

possibile presenza di riempimento in giunti aperti;

evoluzione della resistenza a taglio in funzione di asperit delgiunto e stato tensionale agente.


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TensioniTensioniTensioniTensioni inininin sitositositosito

In ogni analisi meccanica necessario valutare le conseguenze di unavariazione tensionale sul materiale in esame.

Essendo la roccia (o meglio lammasso roccioso) un materiale naturale,lo stato di tensione pre-esistente, la sua genesi, la sua distribuzione,hanno una rilevanza notevole nelle analisi ingegneristiche.

Le variazioni tensionali possono essere di carico o scarico, con evoluzionie conseguenze pratiche differenti. P. es.

fondazioni - scavi - gallerie in pressione


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E estremamente importante avere conoscenza degli stati ditensione naturali ed indotti. In relazione a ci, ad esempio, cisono alcuni aspetti particolari non cos direttamente intuitivi:

a) per una galleria a grande profondit sia calotta che arcorovescio saranno sottoposti alle stesse tensioni iniziali

b) nella maggioranza dei casi osservati, le tensioni naturalimisurate indicano che una componente tensionale (orizzontale)risulta superiore allaltra (verticale)

La consapevolezza di tali aspetti (e di altri similari) possono

guidare scelte nella progettazione delle opere da realizzarsi(rinforzi, stabilizzazioni, ecc.)


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In termini molto sintetici, la componente tensionale verticale causata dal peso degli strati sovrastanti, quella orizzontale

principalmente dalle azioni tettoniche (di difficile valutazione), letensioni indotte dal tipo di opera, dalla geometria, dalle fasicostruttive, ecc.

Altri aspetti importanti sono la topografia e i fenomeni erosivi.


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TensioniTensioniTensioniTensioni litostatichelitostatichelitostatichelitostatiche


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TensioniTensioniTensioniTensioni litostatichelitostatichelitostatichelitostatiche


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Es. Importanza valutazione stato di tensione iniziale:

curve caratteristiche (scavo e sostegno di gallerie)


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Necessit di misure in sito (in

genere in fori esplorativi e in fori

di sondaggio). Tecniche:

Martinetto piatto

Fratturazione idraulica

Sovracarotaggio


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CircolazioneCircolazioneCircolazioneCircolazione IdricaIdricaIdricaIdrica eeee FluidoFluidoFluidoFluido InterstizialeInterstizialeInterstizialeInterstiziale

Nella meccanica delle terre, gli aspetti connessi alla presenza difluido interstiziale sono di fondamentale rilevanza. Condizionidrenate, condizioni non drenate e, soprattutto, la relazione tratensioni totali e pressioni interstiziali sono principi che regolano

ogni analisi teorica ed ingegneristica.Tutto ci strettamente legato alla porosit del mezzo, dovuta alle

modalit di trasporto e deposizione, cio di costituzione.

Gli ammassi rocciosi si sono formati in condizioni e modalit

differenti da quelle delle terre sciolte. Non si parla di porositma di stato fratturazione, pi o meno esteso; ci significa unaancora pi difficile valutazione della permeabilit del mezzo edei flussi allinterno di esso.

Molte rocce sono virtualmente impermeabili nel loro statointatto (permeabilit primaria), ma diventano permeabiliattraverso la rete di fratture pre-esistenti o formatesisuccessivamente (permeabilit secondaria).


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Lo studio dei flussi negli ammassi rocciosi quindi funzione dellediscontinuit, delle loro interconnessioni e dellambiente

idrogeologico.

E inoltre da sottolineare linfluenza degli interventi antropici: bastipensare allo scavo di una galleria: le pressioni interstiziali alcontorno diventano pari a quella atmosferica , rendendo quindi lo

scavo non impermeabilizzato una sorta di pozzo di emungimento.


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Avendo introdotto alcuni aspetti generali, possibileora considerare il problema meccanico, cio larisposta del materiale ad assegnati carichi.

Inizialmente si tratta lala matricematrice lapidealapidea, poi lelediscontinuitdiscontinuited infine lammassolammassorocciosoroccioso, anche inrelazione ai sistemi di classificazione proposti ai fini

ingegneristici.


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Da un punto di vista meccanico necessario valutare

la resistenza ed i criteri che permettono di quantificarne lecaratteristiche (trazione - compressione -taglio) ed entit

la deformabilit (o il suo inverso, cio la rigidezza)


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Come noto, da un punto di vista sperimentale, le caratteristiche diresistenza ed, in parte, quelle di deformabilit, possono esserevalutate su campioni di roccia intatta mediante:

prove di compressione monoassiale

prove di taglio triassiale prove di trazione diretta

prove di trazione indiretta

prove di taglio diretto

prove di carico puntuale

prove di abrasione

ecc.

I risultati ottenibili possono essere affetti da fattori geometri,interpretativi, legati a modalit strumentali, ecc.

Nel seguito si richiameranno solo alcuni aspetti rilevanti.


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Utili considerazioni in

termini di resistenza edeformabilit, possono

dedursi dalla pi semplice

condizione di carico, ciola compressionecompressione

monoassialemonoassiale


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c= Co= resist. acompressionemonoassiale

Et, 50= modulotangente per= 0,5c


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Effetti di dimensione


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Effetti di forma


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Effetti di struttura


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Resistenza a compressione da

prova puntuale (point load

test)


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prove TRIASSIALI:

Permettono la valutazione dellecaratteristiche di resistenza con riferimentoa stati di tensione pi vicini alla realtingegneristica.

Sono necessarie celle ad elevata capacit

prove TRAZIONE:

possono essere di tipo diretto o indiritto(prova brasiliana). Nel primo casosussistono dei problemi esecutivi, nelsecondo, largamente diffuso), la resistenza atrazione pu essere sovrastimata anche finoal 50-100%

INSIEME permettono la ricostruzionedellintero inviluppo di resistenza della

roccia

Influenza pressione di confinamento e


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Influenza pressione di confinamento e

dimensione


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Provini portati a rottura in

compressione monossiale taglio triassiale1=61 MPa

3=0

1=150 MPa

3=12 MPa


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ClassificazioniClassificazioniClassificazioniClassificazioni delladelladelladella rocciarocciarocciaroccia

I parametri di resistenza (resistenza a compressione monoassiale) edi deformabilit (modulo di deformabilit), vengono utilizzatianche per definire sistemi di classificazione della roccia in

questione (ISRM, Deere & Miller)

Classe Descrizione c(MPa)

A Res.zamolto alta >200

B Res.zaalta 100-200

C Res.zamedia 50-100

D Res.za bassa 25-50

E Res.za. molto bassa >25


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Classe Descrizione Et,50////c

H Rapp.todi moduloalto

>500

M Rapp.todi modulomedio

200-500

E Rapp.todi modulobasso

>200


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CriteriCriteriCriteriCriteri didididi resistenzaresistenzaresistenzaresistenza

Il fenomeno della rottura di un elemento di roccia intatta complicato e non del tutto chiaro, sia considerando ogni singoloinizio di microfratturazione e successiva propagazione, sia

considerando la rottura dinsieme dovuta a molte microfrattureche, propagandosi, si influenzano vicendevolmente nellacosiddetta coalescenza.

Tale complicato fenomeno poco si presta alla formalizzazione di un

criterio univoco e semplice di cui, tuttavia, si necessita da unpunto di vista pratico ed operativo.

Unanalisi meccanica ha come risultato atteso la conoscenza delledeformazioni dovute a variazioni tensionali ed il limite

tensionale sostenibile dal materiale, cio il suo limite diresistenza, valutabile una volta noto e prefissato unun criteriocriteriodidiresistenzaresistenza..


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Poich, generalmente, la conoscenza del limite di resistenza derivada sperimentazione, i principali criteri sono espressi nella forma:

resistenza =f (1, 2, 3)

Nel seguito si richiameranno i pi usuali, delineandone le principalicaratteristiche.

La letteratura specialistica riporta numerosi diversi criteri (oltre ladozzina) per la roccia intatta; per come sono formulati nessuno diquesti fa espresso riferimento alla strutturae quindi al fatto che laroccia in realt un costituente dellammasso, a cui,

ingegneristicamente parlando, si deve fare riferimento. Sarnecessario quindi definire anche il contributo delle discontinuit,ovvero modificare i parametri espressi dai criteri sopra definiti.


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CriteriCriteriCriteriCriteri didididi resistenzaresistenzaresistenzaresistenza


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CriterioCriterioCriterioCriterio didididi GriffithGriffithGriffithGriffith

Il criterio esprime la resistenza a trazione monoassiale in terminidi energia di deformazione richiesta per propagaremicrofratture, ed esprime la resistenza a compressionemonoassiale in funzione della resistenza a trazione.

Il criterio di Griffith di particolare interesse ed utilit per studiarelinnesco e la propagazione di fratture in condizioni dicompressione, tuttavia non fornise unutile stima della

resistenza a compressione ai fini ingegneristici.Il criterio stato modificato da molti Autori per diverse finalit, in

particolare per tenere conto dellattrito che si pu svilupparesulle superfici delle fratture.

( ) ( ) = +

=

2

1 3 0 1 3

0 t

8T

T

CriterioCriterioCriterioCriterio didididi Mohr CoulombMohr CoulombMohr CoulombMohr Coulomb


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CriterioCriterioCriterioCriterio didididi Mohr-CoulombMohr-CoulombMohr-CoulombMohr-Coulomb

Il criterio esprime la relazione tra le tensioni tangenziali e quelle

normali a rottura.

Il criterio pi adatto per alte pressioni di confinamento quando,in effetti, la rottura si sviluppa su piani di rottura per taglio. In

corrispondenza di limitate tensioni di confinamento ed incondizioni monoassiali, si osservato laumento dimicrofratture e lo sviluppo di piani di rottura nella direzionesub-parallela a quella della tensione principale, con scarsa

applicabilit di tale criterio.Nonostante le difficolt associate allapplicabilit del criterio,

rimane un utile strumento per le applicazioni pratiche,soprattutto nel caso di discontinuit e di ammassi molto

fratturati.

( )

= +

= =+

1 cm 3

cm

k

1 sink 1sin ck 1 2 cos


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CriterioCriterioCriterioCriterio didididi HoekHoekHoekHoek-Brown-Brown-Brown-Brown

Il criterio di naturaempirica, essendoderivato dalla

regressione di punti dirottura sperimentali,diagrammati in un piano(1, 3).

= + + 21 3 i c 3 i cm s


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Nonostante i parametri mi e si derivino da una procedura diinterpolazione, ad essi possibile attribuire un significato fisico che

utile considerare:il parametro mi legato al grado di interlocking della matrice.

Dipende dal tipo di roccia e dalla tessitura; valori orientativi:

rocce sedimentarie : 420rocce metamorfiche : 435rocce ignee : 1535

il parametro si legato al grado di fratturazione della matrice: una

rappresentazione della coesione della roccia. Per rocciacompletamente integra si =1. Tende a 0 allaumentare del grado difratturazione

= + + 21 3 i c 3 i cm s


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Sostituendo 1=0 e 3=-t , si puottenere, per dato valore di mi,

una relazione tra la resistenza atrazione ed a compressionedella roccia intatta.

Il criterio ottenibile, per via

sperimentale, mediante provetriassiali, di compressionemonoassiale e di trazione.

E possibile legare il criterio di H-B

con quello di M-C, medianterelazioni tra i 4 parametrisperimentali (m,s) (c,).

= + +

2

1 3 i c 3 i cm s


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LELELELE DISCONTINUITDISCONTINUITDISCONTINUITDISCONTINUIT

Il termine discontinuit denota una generica separazionenel continuo roccioso avente resistenza a trazione nulla.

In un contesto ingegneristico relativo agli ammassi rocciosi,le discontinuit (con le loro peculiari caratteristiche)possono costituire il fattore pi rilevante in quantogovernano la deformabilitdeformabilit, la resistenzaresistenza e lala

permeabilitpermeabilit..E necessario quindi valutarne :

le caratteristiche geometriche e morfologiche

la resistenza ed i criteri che permettono di quantificarnelentit

la deformabilit

NUMERO DI SISTEMI DI DISCONTINUITA


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NUMERO DI SISTEMI DI DISCONTINUITA

Un gruppo di discontinuit parallele costituisce un sistema e sistemi didiscontinuit si intersecano per formare un insieme


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Nella maggior parte dei casipratici, le dimensionidellopera maggiore dellaspazio compreso tra duediscontinuit limitrofe. Questoimplica che blocchi di roccia(definiti dai sistemi didiscontinuit) possanointeressare in maniera

differente lopera.In generale sono ipotizzabilele seguenti relazioni:

1stabilit No. di discontinuit

1stabilit

dimensioni opera

Le FAGLIE sono fratture o zone di frattura di grande estensione lungo cui siano


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Le FAGLIE sono fratture o zone di frattura, di grande estensione, lungo cui siano

chiaramente distinguibili segni di scorrimento, di entit variabile da pochi centimetri

sino a qualche chilometro.

La faglia di San Andreas inCalifornia.

Queste grandi discontinuit, conseguenti ad eventi di grande

importanza, vengono in generale prese in considerazione

separatamente: infatti esse si susseguono in un ammasso

roccioso a grandi distanze rispetto alle dimensioni

caratteristiche del volume significativo coinvolto dallarealizzazione dellintervento e quindi leventuale loro

interazione con lopera costituisce sempre un problema

singolare.

Faglia in Islanda

Una faglia la materializzazione della superficie lungo cui avviene la rottura dellaroccia A seconda del tipo di movimento relativo delle porzioni di roccia le faglie


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roccia. A seconda del tipo di movimento relativo delle porzioni di roccia, le faglieprendono differenti nomi.

Frattura

Faglia trascorrente(sinistra)

(strike slip)

Turchia: allineamento dipaletti dislocato dallafaglia con movimentodestro.La dislocazioneorizzontale di circa 2metri.

In questo caso, i due blocchi di roccia SCORRONO uno di fiancoall'altro. Il piano di faglia , in genere, verticale. Considerando ilsenso di movimento relativo della faglia, si parler di fagliatrascorrente destra quando da un lato della faglia si vedemuovere l'altro lato verso destra. Quando invece da un lato della

faglia si vede muovere l'altro lato verso sinistra, si parler difaglia trascorrente sinistra.

Faglia Inversa (o compressiva)(reverse thrust fault)

Faglia Normale (o diretta o tensionale)(normal fault dip slip)


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(reverse, thrust fault)(normal fault, dip slip)

In questo tipo di faglia, c' unoscivolamento del blocco roccioso aldisopra della parete di faglia (detto

tetto) rispetto all'altro. Questo tipo difaglia si trova in aree caratterizzateda ESTENSIONE (i due blocchi diroccia si allontanano l'uno rispettoall'altro).

In questo tipo di faglia, ilblocco roccioso al disopra dellaparete di faglia sale rispettoall'altro.Questa faglia tipica deiregimi di COMPRESSIONE (idue blocchi di roccia spingonol'uno verso l'altro).

d ll d


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L assetto geometrico delle discontinuit viene investigatomediante rilievo geomorfologico in affioramenti o pozzetti (2-D;

3-D), carote da fori di sondaggio (1-D), riprese televisive in foro(1-D), metodi geofisici (2-D; 3-D).

Si pu pervenire ad una classificazione significativa dal punto di

vista geomeccanico mediante la definizione, qualitatita equantitativa, di parametri che consentono di identificare ilreticolo di discontinuit.

Tali parametri sono :parametri GEOMETRICI

parametri MORFOLOGICI

parametri MECCANICI

RILIEVI IN AFFIORAMENTIRILIEVI IN AFFIORAMENTIRILIEVI IN AFFIORAMENTIRILIEVI IN AFFIORAMENTI


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Esistono due criteri fondamentali sui quali si pu basare il censimento delle discontinuit(ISRM, 1978):

1) Criterio soggettivo: secondo il quale vengono rilevate solo le discontinuit che sembranosvolgere un ruolo importante nei riguardi delle caratteristiche meccaniche dell'ammasso;

2) Criterio oggettivo: secondo il quale vengono campionate tutte le discontinuit cheintersecano una certa linea di riferimento (linea di scansione) o che ricadono all'interno di una

certa finestra (Figura).L'approccio soggettivo pi rapido ed economico; tuttavia presume una preliminareconoscenza dell'area in esame e l'individuazione a priori dei domini di discontinuit. Inoltreesso pu essere adottato solo da specialisti che possiedano un'esperienza tale da consentirel'individuazione delle discontinuit pi significative.


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GEOMETRIA DEIBLOCCHI:a - a blocchi;b - irregolare;

c - tabulare;d - colonnare

RIPRESE TELECAMERA IN FORORIPRESE TELECAMERA IN FORORIPRESE TELECAMERA IN FORORIPRESE TELECAMERA IN FORO


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ParametriParametriParametriParametri geometricigeometricigeometricigeometrici eeee morfologicimorfologicimorfologicimorfologici


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ParametriParametriParametriParametri geometricigeometricigeometricigeometrici eeee morfologicimorfologicimorfologicimorfologici

GEOMETRICI:

orientazione

spaziatura e frequenza

numero volumetrico

indice RQD

MORFOLOGICI:

persistenza

scabrezza

resistenza delle pareti

apertura

materiale di riempimento


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Orientazione (o giacitura): identifica la posizione di una

discontinuit nello spazio ed definita, rispetto ad un pianoorizzontale di riferimento, dall angolo di immersione(dip angle) edalla direzione dellimmersione(dip direction).

Spaziatura: distanza tra discontinuit adiacenti, misurata in

direzione perpendicolare ai piani delle discontinuit stesse.Frequenza: inverso del valore medio della spaziatura di un sistema

di giunti.

Es.:

spaz. molto stretta 20-60 mm

spaz. moderata 200-600 mm

spaz.molto larga 2000-6000 mm

Giacitura piano affioramento

L i it ( i t i ) d l i di di ti it d


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La giacitura (o orientazione) del piano di discontinuit deve essere espressa

mediante il valore dell'azimut della linea di massima pendenza (dipdip

directiondirection) e dell'inclinazione di questa rispetto all'orizzontale (dipdip).

b

Nord

= dip direction

b = dip

a =strike (a90)La misura dellorientazione di una discontinuit eseguita con la bussola. Questa deve essere livellata conuna livella a bolla daria prima di effettuare la misuracon il coperchio parallelo allimmersione In tal modo

linclinazione pu essere misurata direttamente.


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Nota: lorientazione dei giunti estremamente importante ad es. nei problemi di

stabilit dei pendii.


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L'assetto inclinato nella direzione del pendio di questa

superficie definito dai geologi a franapoggio, perdistinguerlo da quello a reggipoggio, nella quale la

superficie ha un'inclinazione opposta al declivio.

Il fatto che un versante sia caratterizzato da unadiscontinuit a franapoggio piuttosto che a reggipoggio,

decisivo per la sua stabilit, soprattutto se questo

costituito da rocce disposte a strati come lo sono gran partedi quelle di natura sedimentaria.

Nella frana di slittamento o scivolamento

il movimento delle masse di roccia

avviene lungo superfici di debolezzainclinate come il pendio. Questa

disposizione viene detta a franapoggio, se

invece le superfici sono inclinate nel

senso opposto la loro disposizione vienedetta a reggipoggio.

stab t de pe d .


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No. volumetrico giunti (Jv): identifica indirettamente le dimensioni

dei blocchi formati dai diversi sistemi di discontinuit. Puocalcolarsi come la somma dei valori medi delle frequenza dellediscontinuit relative a ciascun sistema.

Es.:

blocchi molto grandi 1-3 (j/m3)

blocchi medi 3-10 (j/m3)

blocchi piccoli 10-30 (j/m3)


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Indice di recupero percentuale modificato RQD (Rock Quality

Designation): ha lo scopo di identificare la qualit delle caroteestratte da perforazioni di sondaggio. Come Jv non caratteristica intrinseca ma da correlarsi alla intera struttura(qualit) dellammasso roccioso.

qualit molto scadente RQD


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rqdrqdrqdrqd


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Il valore dellindice RQD pu essere espresso in funzione

del valore della frequenza dei giunti (i) che attraversano la

matrice lapidea a mezzo della relazione empirica proposta

da Priest e Hudson:


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Persistenza: estensione areale o dimensione di una d. osservata

entro un piano; approssimativamente quntificata misurando, susuperfici esposte, la lunghezza delle tracce delle d.

Di difficile valutazione.

Scabrezza: rugosit delle superfici affacciate di una d. E

determinata su piccola e su grande scala (v. dopo). Di solitoidentificata dal parametro JRC. Varia a seconda del processogenetico di formazione delle d.

Es.:

persist. bassa 1-3 m

persist. media 3-10 m

persist.molto alta > 20 m

E la rugosit delle superfici affacciate di un giunto.

Scabrezza


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g p g

La scabrezza di un giunto determinata da una componente su piccola

scala e da una componente su ampia scala, detta ondulazione e relativa alpiano medio del giunto.

SCABREZZA: rugosit (forma in piccola scala)delle superficie affacciate di una discontinuit ed

ondulazione (forma in grande scala) relativamenteal piano medio della discontinuit.

Londulazione pu essere caratterizzata con

langolo i.

Rugosit

Il Joint Roughness Coefficient (JRC) una stima della

pettine di Barton


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g ff ( )rugosit della superficie della discontinuit.

Tale parametro viene determinato confrontando il profilodi rugosit del giunto, ricavato appoggiando unprofilometro (pettine di Barton; Figura) sulla superficiedella discontinuit, con alcuni profili standard propostida Barton & Choubey (1977; Figura). Visto che lalunghezza dei profili standard pari a 10 cm, l'indice JRCfornisce indicazione sulle asperit a scala millimetrica.

Teoricamente, la direzione lungo la quale va determinatala rugosit deve essere quella coincidente con ladirezione di scivolamento del blocco (infatti la rugositdelle superfici delle pareti ha un peso importante neldefinire la resistenza nei confronti delle tensionitangenziali che pu essere mobilitata lungo la superficie

di un giunto). Se questa non nota a priori si puutilizzare come direzione di misura quella di immersionedel piano di discontinuit o quella parallela alla linea diintersezione tra il piano di discontinuit di interesse e un

altro piano di discontinuit adiacente.


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METODO DI RILIEVO DELLA SCABREZZA DI UNA DISCONTINUITA LUNGOUNA DIREZIONE DI POTENZIALE SCIVOLAMENTO


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Apertura

L'apertura la distanza ortogonale tra le pareti di una


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L apertura la distanza ortogonale tra le pareti di unadiscontinuit aperta, il cui spazio sia riempito da aria o acqua

(Figura).Lapertura pertanto distinta dallampiezza di una discontinuitriempita.

Pu essere misurata tramite uno spessimetro o, nel caso di

discontinuit ben aperte, con un metro.Nel caso in cui si abbia una certa variabilit dell'apertura, vaindicato il valore medio

Riempimento

Nel caso di discontinuit con una certa ampiezza, necessario indicare la presenza di


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p , p

riempimento. Di questo va indicato lo spessore ed il tipo.

L'importanza del riempimento deriva dal fatto che le caratteristiche meccaniche delladiscontinuit risultano fortemente influenzate dalla presenza di materiale tra le superfici del

giunto. Se lampiezza maggiore dellaltezza delle asperit delle pareti la resistenza al taglio

della discontinuit coincide con quella del materiale di riempimento; se l'ampiezza non supera

tale altezza la resistenza al taglio intermedia fra quella del riempimento e quella delle pareti.

Il riempimento controlla anche la permeabilit e la possibilit di filtrazione dell'acqua

all'interno dell'ammasso: a questo proposito importante indicarne il grado di umidit

seguendo i termini descrittivi proposti dall'ISRM (Figura).

ParametriParametriParametriParametri meccanicimeccanicimeccanicimeccanici:::: DeformabilitDeformabilitDeformabilitDeformabilit


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Le caratteristiche di deformabilit

dei giunti possono esseresinteticamente descritte dallarigidezza normale KN e daquella a taglio KS.

Data la non linearit, si potrannodefinire valori tangenti esecanti.

La rigidezza KN (dellordine dialcune centinaia di MPa/cm),

aumenta a causa del progressivoschiacciamento della d.

La rigidezza KS (dellordine dialcune decine di MPa/cm),sar funzione dello sforzonormale applicato, della

rugosit e del materiale diriempimento.

ParametriParametriParametriParametri meccanicimeccanicimeccanicimeccanici:::: ResistenzaResistenzaResistenzaResistenza


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Se si misura la resistenza alloscorrimento in corrispondenzadi due superfici di roccia liscie,si nota che le ordinarie leggi

dellattrito sono rispettate consufficiente approssimazione.

Langolo di attrito , tra superficiliscie, per la maggior parte delle

rocce , dellordine di 25-35,quindi notevolmente minoredellangolo di attrito internodelle rocce, con il quale non

deve essere confuso.

Se invece si sottopone a scorrimento la roccia in corrispondenza di unasuperficie naturale o artificiale, si osserva un comportamento

particolare.


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superficie artificiale

superficie naturale


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Tale comportamento

essenzialmente dovutoalle irregolarit dellasuperficie didiscontinuit su cui si

esegue la prova. Laresistenza a taglioaumenta fino ad unvalore di piccoper

scorrimenti limitati;successivamente,allaumentare deglispostamenti si raggiunge

un valore minore diresistenza , dettaresidua, minore diquella di picco


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Se si rilevano gli spostamentiverticali in funzione delloscorrimento, si osserva

dapprima un modestocedimento, successivamente ilmovimento si inverte e simanifesta una sensibile

espansione (dilatanza), che generalmente maggiore aldiminuire della sollecitazione

normale n.

Eseguendo diverse prove con vari


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g pvalori della sollecitazione

normale n, possibile riportaresia la resistenza di picco p , sia laresistenza residua r , in funzionedella sollecitazione agente sulpiano di frattura. Si ottengono cosdelle curve che possono essereconsiderate come curveintrinseche della discontinuitstessa.

Nel caso si abbia una intercettasullasse delle ordinate, essa pu

essere considerata come coesionevera; altrimenti si pu valutareuna sorta di coesione apparenteper mutuo incastro


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La rappresentazione pi semplice della resistenza a taglio di una

discontinuit potrebbe essere quindi quella di Mohr-Coulomb,considerando per la non-linearit della curva caratteristica.

Ci implica lutilizzo della relazione di Mohr-Coulomb in uncampo limitato di tensioni normali agenti, rappresentative delcaso in esame, con definizione dei valori di coesione apparenteed angolo di picco validi in tale campo tensionale.

Per una stessa superficie di scorrimento, quindi, i valori dicoesione e angolo di attrito possono essere alquanto differenti,con coesione che aumenta (ed angolo che diminuisce)

allaumentare del valore di n.In alternativa possibile (ed auspicabile) utilizzare relazioni bi-

lineariovvero non-lineari.


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Limpiego di una relazione bi-lineare ha una giustificazione teoricabasata sul meccanismo dello scorrimento di superfici irregolari.Tale meccanismo stato in parte chiarito mediante esperienze su

modello eseguite su superfici piane contenenti un certo numerodi denti di inclinazionei (Patton).

( )n btan i = +

Nella legge di Patton, langolo b(di base) si pu confonderecon langolo residuo, ovvero con quello tra superfici liscie.


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OSS.:

Si pu osservare che lo scorrimento comporta necessariamente ancheuno spostamento verso lalto del blocco superiore, concorde con ilfenomeno della dilatanza.

I fenomeni sopra descritti si verificano fino al raggiungimento di uncerto valore del carico normale; oltre tale valore, prima che possamanifestarsi lo scorrimento lungo la superficie inclinata del dente,lo sforzo tangenziale provoca la rottura alla base; in tali condizionila dilatanza risulta meno accentuata. Il valore del carico normaledeve essere valutato caso per caso.

Particolare rilevanza assume ovviamente il valore dellinclinazionei.

In una superficie naturale di frattura le irregolarit hanno caratteristichediverse con angoli variabili dalluna allaltra e quindi la pendenza della


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diverse con angoli variabili dall una all altra e quindi la pendenza dellacurva di picco non presenta discontinuit. Si potrebbe pensare che la

resistenza sia controllata dalle asperit aventi inclinazione maggiore; inrealt queste ultime hanno spesso maggiore fragilit legata alledimensioni ed alle forti concentrazioni di tensione anche perspostamenti relativamente piccoli. Esse pertanto cedonoprematuramente e trasferiscono il carico alle asperit pi larghe e

spianate, caratterizzate da minori valori di i.

Oss.: In base aosservazioni sunumerose discontinuitnaturali in scarpate

rocciose, valori tipici dii sono intorno a 10-20.


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Unanalisi pi approfondita porta ad assumere che la resistenza possa

essere espressa da una relazione del tipo:

in cui ieff rappresenta il contributo delle asperit, variabile indipendenza delle condizioni della discontinuit e dello sforzonormale applicato.

ieff:aumenta allaumentare della scabrezza

aumenta allaumentare della resistenza del materiale

costituente le asperit

diminuisce allaumentare dello sforzo normale, che contribuiscealla rottura delle asperit

( )n b efftan i = +

In base a tali considerazioni e a prove sperimentali Barton & Choubeyl t l i


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propongono la seguente relazione :

in cui JRC descrive le caratteristiche di scabrezza e JCS laresistenza intrinseca delle asperit.

Esso pu essere espresso dalla resistenza a compressione

monoassiale.Nel caso le pareti della discontinuit non siano alterate JCS c

eff

n

n b

n

JCSi JRC log 40

JCStan JRC log

=

= +

In caso contrario , si suggeriscedi ricorrere a metodi indiretti,


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utilizzando, ad es. , risultati

sperimentali ottenuti conprove con martello di Schmidt.

P.es.:

Sch. H. = 48

=26 kN/m3

JCS=13550 MPa


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Il confronto con i profili tipici pu ben rappresentare la


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p p p ppscabrezza in piccola scala (provini di laboratorio); tuttavia in

sito (grande scala) la lunghezza della superficie di interessepu essere dellordine dei metri o pi, e il valore di JRCdeovrebbe essere stimato per la superficie in vera grandezza.

In tal caso pu essere diaiuto il grafico proposto da


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aiuto il grafico proposto daBarton, di seguito riportato.


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Lorigine della discontinuit hanotevole importanza sulle sue


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notevole importanza sulle suecaratteristiche di resistenza; da attendersi infatti che lefratture originate dasollecitazioni di trazione

presentino irregolaritmaggiori. Nelle superficicausate da sollecitazioni ditaglio o per pregressi sensibili

spostamenti (cause geologiche efrane), le asperit sonopraticamente distrutte conresistenza prossima alla

residua.Grande influenza ha inoltrelanisotropia, legata alladirezione della sollecitazione.

Il modello fin qui adottato meno facilmente applicabile in presenzadi discontinuit convenzionalmente denominate giunti deboli, la


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cui eventuale presenza assume spesso importanza preponderante

sulla stabilit di strutture in roccia.

I giunti deboli possono essere distinti in due gruppi principali:

discontinuit con riempimento :

materiale sciolto apportato dallesterno (sabbia, argilla)

materiale derivato da alterazione delle pareti

materiale dovuto alla scistosit della roccia di base

interstrati argillitici tra banchi

di rocce pi resistenti (es. calcari)


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LAmmassoLAmmassoLAmmassoLAmmasso RocciosoRocciosoRocciosoRoccioso


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La struttura di un ammasso roccioso generalmente assimilabilead un sistema multicorpo a diverso grado di separazione.

Le caratteristiche meccaniche sono condizionate

da quelle della matrice lapidea

da quelle delle discontinuit (prevalentemente)

Infatti:

1) le caratteristiche morfologiche dellinsieme definiscono il limite

inferioredelle propriet meccaniche;2) le caratteristiche geometriche (spaziatura e grado di definizione

dei volumi rocciosi) definiscono la posizionedei valori di talipropriet rispetto al limite superiore (roccia intatta) ed inferiore(discontinuit)

As es.: sistemi di discontinuit caratterizzati da elevata frequenza,comportano bassi alori di coesione per lammasso a causa


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comportano bassi valori di coesione per l ammasso, a causa

dellelevato grado di separazione tra volumi unitari.

Viceversa, sistemi caratterizzati da spaziatura larga (bassafrequenza), portano a situazioni in cui i volumi di roccia sonoconnessi da legami (ponti di roccia) responsabili di coesioneanche elevati.

Tali considerazioni sono pi omeno implicitamente contenute


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meno implicitamente contenutenei cosiddetti sistemi diclassificazione degli ammassirocciosi, che possono portaread una valutazione quantitativadei parametri meccanici degliammassi stessi (vedi puntisuccessivi).

Alternativamente, un metodo

speditivo (ed in certi casicautelativo, specialmente neiproblemi di scavi profondi) perla valutazione della coesione

dellammasso, la relazione diManev e Avramova-Tacheva,ottenuta da back-analysis dimovimenti franosi.

( )0.48 i 2amm

lab

c0.114 e 0.02

c = +

Anche la deformabilit dellammasso roccioso si deve ritenereintermedia tra quella dei soli giunti e quella della roccia intatta ed


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intermedia tra quella dei soli giunti e quella della roccia intatta edaumenta al diminuire della frequenza delle discontinuit.

Supposta fissate frequenza e caratteristiche della matrice lapidea,diventano fondamentali i caratteri morfologici: apertura, stato dialterazione, presenza e tipo di riempimento.

Oss: il modulo dilab. pu essereinfluenzato da

disturbo subito dalprovino

Anche le propriet idrauliche dellammassosono determinate in modofondamentale dalle caratteristiche dei sistemi di discontinuit: la sua


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fondamentale dalle caratteristiche dei sistemi di discontinuit: la suaconducibilit idraulica, fissate le caratteristiche morfologiche,

proporzionale alla frequenza i ed allaperturae.Nel caso semplice illustrato in Figura (set di discontinuit parallele,

liscie, non interconnesse) la conducibilit idraulica si pu stimare

dalla:3

w1 ek12 b

=

(:visc.cinem.acqua 10-6m2/s)

A parit di frequenza, il fenomeno dominato da apertura, riempimentoe rugosit della superficie delle pareti; la conducibilit idraulica ,


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e rugosit della superficie delle pareti; la conducibilit idraulica ,infatti, direttamente proporzionale alla apertura ed inversamente allarugosit, che rende tortuoso il percorso dellacqua.

Una proposta, basata su sperimentazione (Lousi & Maini), per valutare

la velocit media dellacqua, noto il gradiente di potenziale j, laseguente:

( )

( )

2

w1.5

1 ev j12 h1 8.8 2e

hper 0.066e

= +

>


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Oss.1 : Nella realt il fenomeno ben pi complesso, a causa

di interconnessioni (reticoli di discontinuit), geometriedifferenti, permeabilit materiale di riempimento einfluenza tensioni agenti.

Oss.2 : Un problema ulteriore legato alla definizione dellepressioni interstiziali, al fine della valutazione di tensioniefficaci

pressionipressionipressionipressioni interstizialiinterstizialiinterstizialiinterstiziali eeee tensionitensionitensionitensioni efficaciefficaciefficaciefficaci


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Nella meccanica delle terre la definizione e luso delle tensioni

efficaci, sono aspetti di ben not utilit e rilevanza pratica.Nel seguito sono illustrati i tensori delle pressioni totali, interstiziali

(neutre) ed efficaci, nellipotesi semplificativa di mezzocompletamente saturo.

=

xx xy xz xx xy xz

yx yy yz yx yy yz

zx zy zz zx zy zz

u o o '

o u o '

o o u '

Nella meccanica delle rocce e degli ammassi rocciosi ilproblema pi complesso, dovendo considerare la porositdel mezzo in termini di porosit primaria (ovvero riferibilealla permeabilit primaria, associabile alla matrice lapidea)e di porosit secondaria (ovvero riferibile alle discontinuit)

1) Pressioneinterstiziale agente sumicrostruttura


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microstrutturapermeabilitprimariapressioniefficaci agentisullelemento

2) Pressione interstizialeagente su discontinuitpermeabilit secondaria

quale componente del tensoredegli sforzi ??

pressioni efficaci agenti suquale elemento ??

Influenza su comportamentomeccanico discontinuit manon su matrice lapidea.

Difficolt nel definire unalegge globale che regoli irapporti tra tensioni totaleed efficaci per mat.lap. e

disc.

Resistenza di Ammassi RocciosiResistenza di Ammassi RocciosiResistenza di Ammassi RocciosiResistenza di Ammassi Rocciosi


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E possibile sviluppare un semplice schema per visualizzare comela presenza di una o pi discontinuit possa influenzare laresistenzadi un ammasso roccioso.

Le ipotesi di partenza sono:

Presenza di una unica discontinuit (piano di debolezza)allinterno di un campione di roccia;

Analisi delle condizioni limiti di resistenza a mezzo del criteriodi Mohr-Coulomb;

Rottura, quindi, associata a fenomeni di scorrimento per taglio.


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anisotropia intermini diresistenza

La resistenza del campione dipende dallorientazione della d., per valori diw compresi tra w (angolo attrito discontinuit) e 90 (valori per cui


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w p w ( g ) ( plorientazione non influenza la resistenza).

Al variare di w linfluenza della d. diventa pi marcata ed possibileosservare che la minima resistenza si ottiene per w= (45+w/2).

Utilizzando il criterio di Mohr-Coulomb, avendo definito i valori di e n, sulpiano della discontinuit, si pu ottenere:

( ) ( )

( )

+ =

w 3 w1 3

w w w

2 c tan

1 cot tan sin 2

In base a quanto osservato, si pu estendere al caso di moltedi ti it i t i t t O i d t d d


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discontinuit variamente orientate. Ogni d. tender ad

indebolire la roccia come schematizzato in figura, secondodiverse direzioni contemporaneamente, con risultato tale da fartendere, al crescere del numero di discontinuit, ad uncomportamento isotropo in termini di resistenza, come in un

mezzo granulare

Alternativamente, si pu considerare direttamente la rappresentazione deicerchi di Mohr, considerando che la rottura possa avvenire, come casi


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estremi ed a parit di tensione di confinamento, lungo il piano della

discontinuit o lungo superfici di neoformazione nella massa di roccia. Intali casi potranno definirsi parametri di resistenza riferiti alladiscontinuit o alla matrice lapidea.

Il verificarsi di tali condizioni dipende dalla orientazione relativa di tensioni

principali e discontinuit, ed ha una grande rilevanza pratica (es. scavi inammassi fratturati).


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Deformabilit di Ammassi RocciosiDeformabilit di Ammassi RocciosiDeformabilit di Ammassi RocciosiDeformabilit di Ammassi Rocciosi


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E possibile sviluppare un semplice schema per visualizzare comela presenza di una o pi discontinuit possa influenzare ladeformabilitdi un ammasso roccioso.

Le ipotesi di partenza sono:

Presenza di un set di N discontinuit parallele allinterno di uncampione di roccia;

Analisi delle condizioni di deformazione sotto lazione di unaforza normale;

Comportamento lineare in termini di rigidezza

Spessore delle discontinuit


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= +

=

= =

d R D

1

sL

N Ls

spostam. totale: = + = + d

D D

L N L LE E E E

+

1

L


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= = +

dd

D

1

L E E

= + dD

L

E E

= = =

+ mass d

d

D

1E E

1

E E


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Data la difficolt nel definire i moduli di roccia e soprattutto di

discontinuit, considerando lo schema semplificativo adottato elinfluenza che altri fattori morfologici hanno sulla rigidezzadellinsieme, chiaro che da un punto di vista pratico sinecessita di un approccio pi generale per definire il modulo

dellaammasso.Come nel caso della resistenza, si potr far ricorso alle

classificazioni geomeccaniche dellammasso roccioso.

Anisotropia e EterogeneitAnisotropia e EterogeneitAnisotropia e EterogeneitAnisotropia e Eterogeneit

I semplici schemi analizzati per resistenza, deformabilit e permeabilit,


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permettono di comprendere che un ammasso roccioso, consideratonellinsieme, sar sempre caratterizzato da comportamento:

anisotropo differenti propriet nelle diverse direzioni

eterogeneo differenti propriet in diverse posizioni


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Ad es. anisotropiain termini diresistenza


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Ad es. eterogeneit intermini di deformabilit.

A.R. costituito da alternanze di

arenarie (A) e marne (M), leprime pi rigide delleseconde.

Il comportamento potrebbe

essere analizzato in terminidi mezzo trasversalmenteisotropo definendo modulimedi pesati in funzionefrequenza diversi litotipi (E1modulo in direz. parallelastrati; E3in direz. normale).


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Ad es. eterogeneit in terminidi deformabilit.

A.R. costituito da roccia di modulo

E e discontinuit di modulo ED.Anche in questo caso ilcomportamento potrebbe essereanalizzato in termini di mezzo

trasversalmente isotropodefinendo il modulodellammasso in funzione di E edi (frequenza discontinuit)

Quanto illustrato analogo aquanto visto precedentemente.


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Oss.: E a tutti ben noto come spesso si adotti, nella pratica, il mezzo

Continuo, Omogeneo, Elastico-Lineare, Isotropo (COELI)

Nella realt si ha invece un mezzo

Discontinuo, Anisotropo, Eterogeneo, Non-Lineare,Plastico (DAENP)

Le analisi con COELI sono pi semplici, rapide, a volte sufficientementerappresentative, a volte completamente errate.

Le analisi con DAENP necessitano sforzi preliminari di indagine e

conoscenza, valutazioni pi onerose, ma sono spesso pi accurate edaffidabili.

Non possibile a priori stabilire quale strada sia migliore, dipendendo daltipo di problema ingegneristico.

Sicuramente un aiuto per caratterizzare il comportamento dinsieme dellevarie componenti lammasso roccioso, almeno da un punto di vistaapplicativo ed qualitativo, si ottiene dalle classificazionigeomeccaniche dellammasso roccioso.

Sistemi di Classificazione degli AmmassiSistemi di Classificazione degli AmmassiSistemi di Classificazione degli AmmassiSistemi di Classificazione degli Ammassi

rocciosirocciosirocciosirocciosi


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Costituiscono il principale approccio empirico al progetto di opereche interessano la meccanica delle rocce.

Il loro ruolo ben definito da quanto osservato da Bieniawski:

They are not intended to replace analytical consideration, field observations orengineering judgement; they were simply to be design aids, forming only a

part of the rock engineers bag of tools

Un valido SCAR deve: Essere semplice e comprensibile ed universalmente adottabile;

Essere basato su parametri misurabili con strumenti semplici edeconomici, cos da permettere scelte mirate in una fase iniziale

di un progetto, anche per la pianificazione successiva diindagini pi approfondite;

Includere parametri identificativi del comportamento di unammasso roccioso.

Si richiamano i principali sistemi:


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Si richiamano i principali sistemi:

RQD Rock Quality Designation (Deere, 1966; Coon & Merritt, 1970)

RMR Rock Mass Rating (Bieniawski, 1973-1993)

Q Rock Tunnelling Quality Index (Barton et al, 1974)

GSI Geological Strength Index (Hoek, 1995)

Tali sistemi forniscono, in generale, una valutazione quantitativa dellaqualit dell A.R., e permettono di valutarne parametri di resistenza,di deformabilit ed indicazioni empiriche su particolari tecniche diintervento

RQDRQDRQDRQD


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QQQQ

deformabilit a.r. da rqddeformabilit a.r. da rqddeformabilit a.r. da rqddeformabilit a.r. da rqd


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Per quanto gi osservato precedentemente lutilizzo di RQD come unicoparametro caratterizzante lA.R. risulta limitativo, in quanto parametrounicamente geometrico, puntuale e non riferibile alla matrice lapidea.

RMRRMRRMRRMR

Punto di partenza per lapplicazione di tale sistema e la


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Punto di partenza per l applicazione di tale sistema e la

suddivisione dellA.R. (di sua natura discontinuo edeterogeneo) in zone caratterizzate dallo stesso litotipo e dainsiemi di discontinuit definibili tramite da parametrigeometrici e morfologici. Tali zone possono essere considerateuniformi e rappresentative almeno alla scala dellopera darealizzarsi

La classificazione, alllinterno della zona di uniformit, avviene


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La classificazione, alll interno della zona di uniformit, avviene

assegnando voti parziali ai 5 (6) parametri fondamentali edinfine un voto totale indicante la qualit dellammasso:

R1= 1 15 f(resistenza compressione monoassiale c/ Is50)R2= 3 20 f(recupero percentuale modificato RQD)

R3= 5 20 f(spaziatura discontinuit)

R4= 0 30 f(condizioni delle discontinuit)R5= 0 15 f(presenza acqua in discontinuit)

R60 f(orientazione delle discontinuit)


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RMRB= R1+ R2 +R3+ R4+R5

RMRT= R1+ R2 +R3+ R4+R5 +R6

Oss.: su il tot. di 100 (RMRB)

parametri matrice lapidea max 15%

parametri discontinuit max 85% (40% geom. - 45% morfol.)


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143/187



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Il parametro R6


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p 6

Es.: gallerie

Dipende dadirezione diavanzamento,angolo di

immersione eddirezione diimmersione


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Il parametro R6

Es.: pendii efronti di scavo


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Dipende dameccanismo di

istabilit,

eventuale tipo di

scavo, angolo diimmersione ed

direzione di

immersione

Sistema SMR (Romana, 1985)Sistema SMR (Romana, 1985)Sistema SMR (Romana, 1985)Sistema SMR (Romana, 1985)


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RMRSLOPE = RMRB+ (F1x F2x F3) + F4

Oss Lapplicazione del metodo RMR con valutazione di


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Oss. L applicazione del metodo RMRT, con valutazione di

parametri di resistenza potrebbe essere seguita solo nel caso (a);nel caso (b) il metodo SMR da indicazioni sul possibilemeccanismo di collasso, ma per analisi di stabilit meglio

ricorrere ad analisi al discontinuo

Metodo empirico per gallerie


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QQQQ


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Jn f (numero set discontinuit)

Jr f (rugosit discontinuit)

Ja f (alterazione discontinuit)

Jw f (pressione o flusso acqua in discontinuit)

SRF f (presenza zone di taglio, di concentrazione tensioni, dizone con rocce rigonfianti)

r w

n a

RQD J JQ

J J SRF=

RQD J J


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fattore geometrico, indica dimensione blocchi

fattore di resistenza, indica resistenza al taglio diinterfaccia

fattore ambientale, indica pressioni interstiziali,pressioni in sito, caratteristiche particolari roccia.

( )r wn a

RQD J JQ 0.001 1000J J SRF= =

n

r

a

w

RQD

J

JJ

JSRF


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Metodo empirico per gallerie


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GSIGSIGSIGSI


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la resistenza di un A.R. fratturato dipende dalle propriet dei

blocchi di roccia e dalla possibilit che essi possano muoversisotto determinati condizioni tensionali.

Il Geological Strength Index fornisce un sistema per valutare la

riduzione di resistenza di un ammasso in differenti condizionigeologiche,

Tale valutazione di tipo empirico, ma sono state formulate ancherelazioni per mettere in relazione lindice GSI con i parametri

meccanici di resistenza e deformabilit (Hoek-Brown, moduloEd)


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commenti su S.C.A.R.commenti su S.C.A.R.commenti su S.C.A.R.commenti su S.C.A.R.


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It is important that the RMR system is used for the purpose for which itwas developed and not as the answer to all design problems(Bieniawski)

RMR e Q sono molto simili ma con alcune differenze:

RMR usa direttamente cmentre Q considera la resistenza in relazioneallo stato di sforzo in sito

entrambi usano parametri geometrici e morfologici, con differentidescizioni degli stessi

nel metodo Q non prevista una diretta correlazione con lorientazione

la maggior differenza che in RMR non previsto uno stressparameter

E sempre consigliabile fare descrizione accurata dellA.R.indipendentemente dal sistema, e poi adattarla al sistema prescelto

E sempre bene considerare un intervallo di valori per gli indici di qualit

Relazioni tra i S.C.A.R.Relazioni tra i S.C.A.R.Relazioni tra i S.C.A.R.Relazioni tra i S.C.A.R.


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ib b

b

RMR 100 RMR 100m m exp s exp

X Y

a 0.5

X 14 28

Y 6 9

= =

=

=

=

al diminuire disturbo roccia


BGSI RMR 5= GSI 9 ln Q 44= +


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= =

=

>

ib b

b

GSI 100 GSI 100m m exp s exp

28 9a 0.5

per GSI 25

5con R 15 e per GSI 25= >wcon J 1 e SRF 1= =

ib b

b

GSI 100m m exp s 0

28

GSIa 0.65 200

per GSI 25

= =

=

Stille (1982):

M h Mi A l (1991) [ ]

RMR 30

50dE GP 10

[ ] =


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Mehrotra,Mitra,Agrawal (1991)

Iasarevic,Kovacevic (1996)

[ ] = 50dE GPa 10

[ ] ( )+ = 4.407 0.081 RMRdE GPa e

Berardi & Bellingeri (1998) [ ] ( )b RMRdE GPa a exp =

70N=71 casi reali


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0

10

20

30

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