Stabilità dei pendii in condizioni sismichepeople.dicea.unifi.it/clau/14a Pendii AA-2012_13.pdfTale...

1

UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI FIRENZEDIPARTIMENTO DI INGEGNERIA CIVILE e AMBIENTALE Sezione Geotecnica

Stabilità dei pendii in condizioni sismichep

Prof. Ing. Claudia Madiai

La letteratura geotecnica è ricca di notizie di frane in pendii naturali e artificiali avvenute in tempi lontani e recenti in

MANIFESTAZIONI E OSSERVAZIONI Terremoti e frane

prof. ing. Claudia MadiaiCorso di Ingegneria Geotecnica Sismica

naturali e artificiali avvenute in tempi lontani e recenti in occasione di terremoti

Dall’osservazione dei fenomeni franosi sismo-indotti è stato rilevato che il rapporto causa-effetto è molto complesso: deboli terremoti possono scatenare frane imponenti terremoti forti possono non attivare movimenti di pendii in

condizioni di stabilità precarie Soprattutto le osservazioni più numerose ed attente effettuate

negli ultimi 30 anni hanno permesso di: evidenziare che il rapporto causa-effetto dipende dalla

combinazione di molti fattori identificare i principali fenomeni fisici e parametri chiave

22

2

Le manifestazioni osservate sono molto varie:



crolli distacchi parziali rotture generalizzate collassi istantanei movimenti ritardati, più o meno lenti

I materiali coinvolti sono i più diversi: I materiali coinvolti sono i più diversi: rocce lapidee, rocce tenere alterate terreni granulari, argille

33

Crollo di una parete rocciosa durante il terremoto di Lisbona 1755



durante il terremoto di Lisbona, 1755

Trodi - Calabria meridionale, 178344

3

Terranova - Calabria meridionale, 1783



Anchorage - Alaska, 196455



Loma Prieta – California, 198966

4


S. Francisco, 1906


77



Diga di Pacoima - California, 197188

5



Northridge - California, 1994

99



Kobe - Japan, 1995

1010

6

Northridge - California, 1994MANIFESTAZIONI E OSSERVAZIONI

Terremoti e frane


1111

MANIFESTAZIONI E OSSERVAZIONI

Terremoti e frane


Niigata - Japan, 2004

1212

7

Frana circolare sismoindotta



dopo gli eventi del 1783…

Frana circolare sismoindottaosservata in Calabria

... e oggi

1313


Il i t i è il t d

Calitri - Irpinia, 1980


Il movimento si è sviluppato ad una distanza epicentrale di circa 17km dopo 3-4 ore dall’evento principale(MW = 6.9, profondità ipocentrale D 20 km, d 50s) e si è arrestato nelle 24h successive

1414

8


Movimento esteso (L750 m prof 100m) e

Calitri - Irpinia, 1980


Movimento esteso (L750 m, prof.100m) e complesso (movimento principale profondo + movimenti secondari profondi e superficiali + diverse colate) in materiali argillitici, fortemente sovraconsolidati, fessurati e dilatanti

1515

MANIFESTAZIONI E OSSERVAZIONI Alaska, 1964: i maggiori danni all’ambiente fisico derivarono da diffusi fenomeni franosi, talora molto estesi di cui restano ancora tracce. La frana di Turnagain Heightsfu particolarmente spettacolare, con fronte di 2.5 km, formazione di graben e spostamenti orizzontali di blocchi di terreno fino a 600m


Il sottosuolo è costituito da terreni argillosi con morfologia quasi piana.Il collasso fu attribuito alla liquefazione di alcune lenti sabbia e alla caduta di resistenza di argille sensitive (quickclays) favorita dalla lunga durata del terremoto (4min!). Il cinematismo fuattribuito al moto asincrono dei blocchi di argilla e al meccanismo di rottura retrogressiva 1616

9

S. Fernando - California 1971: collasso per liquefazione di sabbie sature della sponda di monte della diga in seguito ad un sisma di magnitudo 6.6 e durata significativa di circa 10s



Il serbatoio, fortunatamente non era completamente invasato.Poteva essere il più grande disastro naturale nella storia degli USA, perché a valle della diga vivevano circa 80.000 persone

1717

Frana di Nikawa

MANIFESTAZIONI E OSSERVAZIONI movimenti franosi identificati mediante foto interpretazione


Il cinematismo ricostruito indica lo scorrimento lungo una superficie prossima al pelo libero della falda (combinazione più sfavorevole tra

Frana di Nikawa

fattori predisponenti e scatenanti)

affioramento d’acqua

(m)

G.W.T.: ground water table(m)

1818

10

MANIFESTAZIONI E OSSERVAZIONI Terremoto del Salvador, 2001

Frana di Las Colinas (Santa Tecla)


Colata rapida di ceneri vulcaniche (tephra), probabilmente per un meccanismo di liquefazione favorito dalla presenza di strati poco permeabili di paleosuolo e da fenomeni di amplificazione delle accelerazioni (>0.6g!) dovuti ad effetti topografici e all'elevato rapporto di impedenza tra substrato e coltre superficiale

1919

OGGETTO DELLE ANALISI

Obiettivo dell’analisi Geometria Stratigrafia Proprietà geotecnicheCondizioni idrauliche

Pendio Valutazione effetti del sisma sul pendio (frana attiva, quiescente o Complesse, spesso solo parzialmente note


Pendio artificiale

Progetto o verifica sismica del manufatto in terra (diga, argine, rilevato)

Generalmente semplici e note e/o scelte dal progettista

naturale di primo distacco) e su eventuali manufatti

Complesse, spesso solo parzialmente note

Fronte di scavo

Verifica o scelta della geometria per assicurare stabilità adeguata in condizioni sismiche

Semplice e nota e/o scelta dal

Complesse, spesso solo parzialmente note

Problemi applicativi diversi a causa di:- natura e origine dei terreni- storia tensionale e deformativa- condizioni idrauliche

pendio naturale rilevato

in condizioni sismiche progettista

fronte di scavo

2020

11

Statica Varnes (1978) Sismica

Keefer & Wilson (1989)

CLASSIFICAZIONE CINEMATICA DELLE FRANE


Cat. II

Crolli Ribaltamenti

Cat. I

Espansioni lateraliColate

Scorrimenti traslazionali Scorrimenti rotazionali

Cat. III

2121

CLASSIFICAZIONE CINEMATICA (Keefer e Wilson, 1989)

I. crolli e ribaltamenti (con disgregazione della massa in frana):- in pendii acclivi movimento


- in pendii acclivi, movimento veloce, spesso superficiale

II. scorrimenti (senza disgregazione della massa in frana):-sia in roccia che in terreni sciolti;

-anche colate lente (in pendii da moderatamentependii da moderatamente acclivi ad acclivi)

III. espansioni laterali e colate rapide (‘fluidificazione’ del terreno)- movimenti rapidi in pendii da poco a moderatamente acclivi

2222

12

Dalle osservazioni sui movimenti franosi sismo-indotti si è visto che: magnitudo e raggio dell’area interessata da frane sono correlati le correlazioni sono diverse per i diversi tipi di movimenti i movimenti franosi più frequenti sono i crolli di roccia

TERREMOTI E FRANE


i movimenti franosi più frequenti sono i crolli di roccia

Analisi statistica di Keefer & Wilson su 40 terremoti storici + terremoti statunitensi dal1958 al 1977 (M = 5.2 – 8.7)

Frane rare anche in zona epicentrale se:

M < 4 per la I categoria

M < 4.5 per la II categoria

M < 5 per la III categoria

2323

È stato osservato inoltre che : i cinematismi e le fenomenologie sono in generale diversi rispetto ai

movimenti in condizioni statiche

TERREMOTI E FRANE


movimenti in condizioni statiche in molti casi i movimenti sono ritardati rispetto all’evento sismico il comportamento di un pendio durante l’evento sismico e per un

periodo successivo all’evento stesso è strettamente legato alla natura del terreno e alle condizioni esistenti prima del terremoto

le analisi di stabilità di un pendio in zona sismica devono sempre essere effettuate con riferimento alle tre condizioni:

PERTANTO

essere effettuate con riferimento alle tre condizioni:

a) PRIMA del terremoto: condizioni staticheb) DURANTE il terremoto: condizioni dinamichec) DOPO il terremoto: condizioni statiche, con resistenza al taglio

eventualmente modificata per effetto residuo del carico ciclico

2424

13

CARATTERISTICHE DEL PENDIO: caratteristiche morfologiche geologiche e strutturali

FATTORI CHE INFLUENZANO LA STABILITÀ DIUN PENDIO DURANTE UN TERREMOTO


caratteristiche morfologiche, geologiche e strutturali proprietà fisiche e parametri meccanici dei terreni, in condizioni

statiche, dinamiche e cicliche regime delle pressioni interstiziali

CONDIZIONI CONTINGENTI: entità e posizione di eventuali carichi esterni uso del suolo difi h ll f l i di i i t i / t l modifiche alla morfologia di origine antropica e/o naturale condizioni climatiche

CARATTERISTICHE DEL TERREMOTO: forma, ampiezza, durata e contenuto in frequenza del moto

sismico

2525

STUDI, INDAGINI E DATI NECESSARI ALLA VERIFICA DI STABILITÀ DI UN PENDIO IN CONDIZIONI SISMICHE


acquisizione e analisi di dati esistenti

rilievi topografici, indagini geologiche

prove geotecniche in sito e di laboratorio

monitoraggio delle pressioni interstiziali

individuazione e controllo di eventuali movimenti preesistenti

definizione delle condizioni ambientali e di carico

identificazione dell’azione sismica di progetto

2626

14

tI

Sommitàa(t)

effetti litostratigrafici

MODIFICAZIONI DEL MOTO SISMICO DALLA BASE ALLA SOMMITÀ DI UN PENDIO


Base

II

IV

t

t

t

t

III

amaxSommità

effetti topograficiSommità

ANDAMENTO DELLE ACCELERAZIONI ALL’INTERNO DEL PENDIO+

agBasezone di concentrazione di

energia

direzione (sub)verticale delle onde in arrivo alla base

Base

verticalizzazione del cammino di propagazione (legge di Snell)

2727

EFFETTI DEL MOTO SISMICO SUI PENDII

Essendo azioni di tipo dinamico e ciclico, le sollecitazioni sismiche producono rispetto al caso statico:


1. Incremento delle forze destabilizzantiTale effetto è legato alla natura dinamica dell’azione sismica per cui all’interno del pendio nascono forze inerziali variabili nel tempo e nello spazio a causa di: eterogeneità del terreno effetti di amplificazione litostratigrafica effetti di amplificazione topografica

2. Riduzione delle azioni resistenti Tale effetto è legato alla natura ciclica dell’azione sismica che induce nel terreno: fenomeni di fatica con degradazione dei parametri di resistenza accumulo delle pressioni interstiziali

2828

15

t

a (t)

EFFETTI DEL MOTO SISMICO SUI PENDII


W = m·gF(t)

Incremento delle forze destabilizzanti

F(t) = m·a(t) = W·a(t)/g = W·K(t)K(t) = coefficiente sismico

Riduzione delle azioni resistenti

u accumulo di u f degradazione dei parametri di resistenza

Fh(t) = W·Kh(t) Fv(t) = W·Kv(t)

Kh(t) , Kv(t) = coefficienti sismici orizzontale e verticale

g = accelerazione di gravità

t t

f,dyn c nn u u tan f,stf,dyn cu,dyn

complessivamente si avrà una riduzione delle condizioni di stabilità:momentanea deformazioni e spostamenti durante il sismapermanente accumulo di deformazioni e spostamenti, movimento franosi 2929

Prima del terremoto

v

STATI DI SFORZO NEL PENDIO Prima, durante e al termine del terremoto


vcyc(t)

o o

0D

cyc

Durante il terremoto

vcyc

(t) 00

Al termine del terremoto

0

v(R)

deformazione di taglio post-ciclica

3030

16

CASI POSSIBILI

a - terreni addensatia

MECCANISMI DI INSTABILITÀ IN CONDIZIONI POST-SISMICHE


Terreni tipo a) e tipo b): il movimento si arresta al

termine del terremoto

Terreni tipo c) : se R R(1) < (D)

il movimento si arresta al

Dr

P

r

P

a terreni addensatib, c - terreni sciolti

b

c t

(2)( )

1

2

D = sforzo di taglio statico (driving stresses)P = resistenza al taglio di piccor = resistenza al taglio residuaR = deformazione di taglio post-ciclica

il movimento si arresta al termine del terremoto se R = R(2) > (D)

il movimento continua dopo il terremoto

R(2)R(1)(D)

3131

EFFETTI DEL MOTO SISMICO SUI PENDII:PARAMETRI CHIAVE


Incremento delle azioni destabilizzanti


Azione sismica di progetto

Resistenza al taglio in condizioni dinamiche e

cicliche

3232

17

In relazione al tipo di analisi possono essere necessari:

uno o più parametri rappresentativi dell’evento sismico, ad es.:

AZIONE SISMICA DI PROGETTO


• accelerazione massima, amax• velocità massima, vmax

• intensità di Arias,

• durata, TD

• potenziale sismico distruttivo,

dt)t(ag2

I0t

0

2A

2A

DIP p

con 0 = intensità degli incroci con l’asse dei tempi

l’intera storia sismica (accelerogramma)

2o

D

In generale, nella definizione dell’azione sismica di progetto si dovrà tenere conto anche degli effetti stratigrafici e topografici

(con metodi semplificati o analisi specifiche della RSL)3333

Secondo il D.M. 14.01.2008:

AZIONE SISMICA DI PROGETTO(in termini di accelerazione)


ci si deve riferire alle accelerazioni ag su terreno duro di riferimento (Pericolosità Sismica di base) riportate nella Mappa di Pericolosità (allegato B) e definite per 9 periodi di ritorno (da 30 a 2475 anni) in corrispondenza dei nodi di un reticolo che copre tutto il territorio nazionale (http://www.cslp.it)

l’accelerazione di progetto, in assenza di specifiche analisi della l accelerazione di progetto, in assenza di specifiche analisi della risposta sismica locale, può essere assunta pari a:

S·ag= Ss · ST ·agcon Ss = fattore di amplificazione stratigrafica

(basato su categorie di sottosuolo, ag e Fo)ST = fattore di amplificazione topografica

(basato sulle categorie topografiche)

v. cap. 12 (RSL)

3434

18

RESISTENZA AL TAGLIO IN CONDIZIONI DINAMICHE E CICLICHE

La resistenza al taglio di un terreno in condizioni cicliche, f , può essere espressa mediante la relazione:



espressa mediante la relazione:

Poiché ’ è poco influenzato dalla ciclicità dei carichi:

'tanu'c n'f con ’n = tensione efficace normale alla giacitura di scorrimento prima dell’applicazione del carico ciclico; u sovrappressione interstiziale generata dal carico; c’ e ’ parametri di resistenza ‘degradati’

se c’=0 (terreni a grana grossa, terreni a grana fine normalconsolidati)la riduzione della resistenza è legata quasi esclusivamente a u

se c’ 0 la riduzione della resistenza dipende dall’aumento u delle pressioni interstiziali e dalla degradazione di c’ (per fenomeni di fatica)

3535

“Nei terreni saturi si assumono generalmente condizioni di drenaggio impedito. In

SECONDO IL D.M. 14.01.2008:

RESISTENZA AL TAGLIO IN CONDIZIONI DINAMICHE E CICLICHERiduzione delle azioni resistenti


Nei terreni saturi si assumono generalmente condizioni di drenaggio impedito. In tal caso, nelle analisi in termini di pressioni efficaci, la resistenza è esprimibile mediante la relazione:

“Nei terreni a grana fine, le analisi possono essere condotte in termini di tensioni totali esprimendo la resistenza al taglio mediante la resistenza non drenata valutata in condizioni di sollecitazione ciclica:

c,uf c dove cu,c include gli effetti di degradazione

'tanu'c n'f

“Nelle analisi di stabilità in condizioni post-sismiche si deve tener conto della riduzione della resistenza al taglio indotta dal decadimento delle caratteristiche di resistenza per degradazione dei terreni ed eventuale accumulo delle pressioni interstiziali che può verificarsi nei terreni saturi”

u e cu,c POSSONO ESSERE STIMATI IN PRIMA APPROSSIMAZIONE MEDIANTE OPPORTUNE FORMULE EMPIRICHE

3636

19

Es: Seed e Booker (1977)

a21

’0 =pressione efficace media iniziale

RESISTENZA AL TAGLIO IN CONDIZIONI DINAMICHE E CICLICHERiduzione delle azioni resistenti - Stima u in terreni granulari


a

L

NN N

Nsenuu21

1'0

* 2 83,0r96.0 Da

'0

hv

1) analisi di risposta sismica locale2) formule approssimate, ad es:

con max ricavabile da

N L=n. di cicli che portano il terreno a liquefazione(da letteratura o prove di laboratorio)

(Dr = densità relativa)

maxeqhv 65.0

NL

0

N = numero di cicli equivalente al sisma (da letteratura, es. Biondi et al., 2003):

aD

a

ITvaNIvaN

log2613.1log2278.0log8657.0log5467.29231.1loglog1911.1log9194.0log3460.23679.2log

0max

0max

dvmax

max rga

con rd = 1- 0.015 z (z in m)

3737

Es: Matsui et al. (1980)


Riduzione delle azioni resistenti - Stima u in terreni coesivi


v

max,clog'pu

0

p’0=pressione efficace media iniziale 0.45 (coefficiente sperimentale)v=deformazione di soglia volumetrica (da prove di laboratorio cicliche o correlazioni di letteratura, ad es. in funzione di IP)c, max= deformazione di taglio max indotta dal sisma

con c,max ricavabile da

1) analisi di risposta sismica locale

2) formule approssimate, ad es:

dvmax

max rga

Gcmax

max,

) pp ,

dove

NB: corrispondente al livello deformativo c, max raggiunto(si possono utilizzare curve G()/G0 di letteratura: è

necessario conoscere almeno il valore di G0)

con rd = 1- 0.015 z (z in m)

3838

20

Nei terreni coesivi la resistenza non drenata (analisi in t.t.) in condizioni cicliche è esprimibile mediante la relazione:


Riduzione delle azioni resistenti - Degradazione di cu


st,uc,uf cc

tN

t

dove:

cu,st = coesione non drenata in condizioni statiche

N = numero di cicli equivalente al sisma

t = parametro di degradazione (funzione di IP e OCR) che può essere stimato da grafici o correlazioni, ad es:

v può essere ricavato da prove di laboratorio o da correlazioni in funzione di IP; s ed r da tabelle, p. es.

c ( %)

p g ,

OCR = 1 OCR = 2 OCR = 4 IP = 15 IP = 30 IP = 50 IP = 50 IP = 50

s 0.195 0.095 0.075 0.054 0.042 r 0.600 0.600 0.495 0.480 0.423

oppure t = s(c – v) r dove

G65.0

Gmaxeq

c

3939

si assume G di tentativo (G0 al 1° passo)


Stima della deformazione di taglio indotta


G

rg

a

G

dvmax

eq

valutasi curva sperimentale o di letteratura

(G0 deve essere noto), ad es:

per =1: eq max

Di norma =0.65

si aggiorna Ge si ricalcola

no si

STOP

G e compatibili ?

Deformazione di taglio (%)

=0.65

4040

21

Per terreni a comportamento fragile occorre distinguere tra condizioni di:

- picco (c' ≥ 0, ' = 'p)post picco (c' 0 ' = ' )

RESISTENZA AL TAGLIO IN CONDIZIONI DINAMICHE E CICLICHEScelta dei parametri di resistenza


- post-picco (c 0, = pp)- residue (c' 0, ' = 'r)

picco

post-picco

residuo

In genere si assume:- frane di primo distacco rottura progressiva Resistenza post-picco + u- frane attive o quiescenti superficie pre-esistente Resistenza residua e u=0 4141

RESISTENZA AL TAGLIO IN CONDIZIONI DINAMICHE E CICLICHECriteri di scelta dei parametri di resistenza

ARGILLEE

LIMI ARGILLOSI

In letteratura esistono criteri per stabilire se tener conto della degradazione della resistenza per


Contenuto d’acquaW < 0.9 Wl

DistribuzionegranulometricaD15 < 0.005 mm

Una perdita di resistenzadurante un terremoto

è improbabile(terreni coesivi non saturi a

SI

NO

SI

NO

terreni coesivi (es. Silver, 1987):

Limite liquidoWl > 35%

Occorre accertare con prove dinamiche

la perdita di resistenza

(comportamento duttile)

NO

NO

SI

4242

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