Stabilità geotecnica del sito di costruzione...

Stabilità geotecnica del sito di costruzione. Suscettibilità alla liquefazione.

Carlo G. LAI, PhD

con importanti contributi di:

Laura Scandella, PhD

La Spezia, 1 Ottobre 2011

2

sommario

• Stabilità geotecnica del sito di costruzione

• Il fenomeno della liquefazione - generalità sul fenomeno - casi storici di liquefazione - rilevanza fenomeno in Italia - valutazione suscettibilità - misure di mitigazione

3

stabilità geotecnica del sito di costruzione

Requisiti sito costruzione e terreno fondazione

“….dovrà essere accertato che il sito di costruzione e i terreni di fondazione...

siano esenti da pericoli di instabilità dei pendii, liquefazione, eccessivo

addensamento in caso di terremoto, nonché rottura di faglia in superficie…..”

• aperture di faglie e fratture in superficie

• instabilità versanti

• instabilità del suolo

Effetti indotti dai terremoti

- liquefazione

- eccessivo addensamento terreni grana-grossa

- rammollimento in depositi a grana-fine

- espansione laterale

- colamenti di terreno

- fontane di sabbia

OPCM n. 3274 del

20/03/2003 e successive

modifiche e integrazioni

4

stabilità geotecnica del sito di costruzione

(da Lanzo e Silvestri, 1999)

5

Il fenomeno della

liquefazione

6

Meccanismo di generazione del fenomeno di liquefazione:

Incremento di pressioni interstiziali durante l’eccitazione sismica in condizioni non-drenate con annullamento o forte riduzione della resistenza al taglio

generalità sul fenomeno

Definizione della liquefazione (NTC08)

“

“

7

terremoto

di

progetto t

a

fondazioni

dirette

fondazioni

su pali

u0

livello

di falda

materiali

sabbiosi

sc iolti,

saturi

substrato

stabile

RESISTENZE DELLE SABBIE

IN ASSENZA DI TERREMOTO


IN PRESENZA DI TERREMOTO

REQUISITI PROGETTUALI:

In aggiunta alle verifiche tradizionali delle fondazioni in campo statico

e sismico, occorrerà controllare che:

u indotte dal terremoto trascurabili, ovvero coeffic ienti di sicurezza

nei confronti della liquefazione 1.25

~

>

Fig. 1.4 - Viadotto su terreni granulari sciolti, saturi, in presenza di terremoto

terremoto

di

progetto t

a

fondazioni

dirette

fondazioni

su pali

u0

livello

di falda

materiali

sabbiosi

sc iolti,

saturi

substrato

stabile


IN ASSENZA DI TERREMOTO


IN PRESENZA DI TERREMOTO

REQUISITI PROGETTUALI:

In aggiunta alle verifiche tradizionali delle fondazioni in campo statico

e sismico, occorrerà controllare che:

u indotte dal terremoto trascurabili, ovvero coeffic ienti di sicurezza

nei confronti della liquefazione 1.25

~

>

Fig. 1.4 - Viadotto su terreni granulari sciolti, saturi, in presenza di terremoto

Resistenza al taglio delle sabbie

in assenza di terremoto

Resistenza al taglio delle sabbie

in presenza di terremoto

Meccanismo della liquefazione


8


DILATANZA: variazione di volume corrispondente alla applicazione di uno sforzo deviatorico (taglio puro)

modello semplificato

terreno granulare

Entità fenomeno dipende da porosità iniziale e tensioni di confinamento

9


Stato critico e stazionario di deformazione: DILATANZA

Curva dello stato critico nello spazio t-e-s’ (da Kramer, 1996)

10


risposta drenata risposta non-drenata

campione addensato

campione sciolto

aumento volume

(dilatanza)

pressione acqua negativa

(comportamento stabile)

diminuzione volume

(contrattanza) pressione acqua positiva

(comportamento instabile)


tensione di

confinamento costante


11




debole confinamento

forte confinamento

aumento volume

(dilatanza)

pressione acqua negativa

(comportamento stabile)

diminuzione volume

(contrattanza) pressione acqua positiva

(comportamento instabile)


porosità

iniziale costante

12

Casi storici di liquefazione

Rilevanza fenomeno in Italia

13

casi storici di liquefazione

San Francisco, California, 18 Aprile 1906 (M = 8.3)

(http://nisee.berkeley.edu/eqiis.html)

14



Niigata, Giappone, terremoto del 16 Giugno 1964 (M = 7.5)

15



Perdita capacità portante (liquefazione)

Izmit, Turchia, 17 Agosto 1999 (M = 7.4)

16



Perdita capacità portante (liquefazione)

Izmit, Turchia, 17 Agosto 1999 (M = 7.4)

17


Espansione laterale:

(http://www.ce.washington.edu/~liquefaction/html/main.html)

rilevato stradale

Effetti indotti

18


Fontane di sabbia (http://www.ce.washington.edu/~liquefaction/html/main.html)

Effetti indotti

Espansione laterale:

19

il fenomeno liquefazione in Italia

(da Galli, 2000)

(da Galli, 2000)

20


(da Galli, 2000 Tectonophysics 324, pp. 169-187)

Catalogo dei fenomeni di liquefazione storica avvenuti tra il 1117 e il 1990

21


Terremoto calabro del 1783 – vulcani di sabbia lungo gli argini del fiume Mesima da Sarconi, 1784)

(da Galli, 2000)

22


(da Galli, 2000)

Terremoto calabro del 1783 – crateri formati dal cedimento di depositi sabbiosi da Sarconi, 1784)

23


Analisi paleosismiche per stima della magnitudo di terremoti storici

Evidenza di paleoliquefazione nella piana del Fucino; terremoto di Avezzano

(Italia Centrale) del 1915. Da Galadini e Galli, 1999

(da Galli, 2000)(da Galli, 2000)(da Galli, 2000)

)R(log0.30.1M eS

24

Valutazione della

suscettibilità alla

liquefazione

25

suscettibilità alla liquefazione

Esclusione della verifica a liquefazione (OPCM 3274)

• Si richiedono quando la falda freatica è superficiale ed il terreno comprende

strati estesi o lenti spesse di sabbie sciolte sotto falda

• La verifica può essere omessa se:

- il terreno sabbioso saturo è a profondità > 15 m

- S·ag < 0.15 · g e il terreno soddisfa almeno una delle condizioni seguenti:

- contenuto in argilla > 20% con indice di plasticità > 10

- contenuto di limo > 35% con N1(60)* > 20

- frazione fine trascurabile e N1(60)* > 25 *(N1(60): NSPT normalizzato)

• Si accettano metodi di verifica propri dell’ingegneria geotecnica, con un

fattore si sicurezza minimo rispetto alla liquefazione pari a 1.25

• Per terreni risultati suscettibili, con conseguenze su capacità portante e

stabilità di fondazioni, occorre procedere con interventi di consolidamento e/o

trasferendo il carico a strati più profondi

26


Esclusione della verifica a liquefazione (NTC08)

27



UC<3,5 UC>3,5

28



29


Misura sperimentale Metodi empirici SPT, CPT

(Prevost, 2004)

Metodi teorici avanzati

Valutazione del potenziale di liquefazione

Inoltre esistono metodi che si basano su:

• Criteri storico-statistici;

• Criteri geologici e di composizione granulometrica.

30


• Calcolo resistenza del terreno alla liquefazione (capacità)

- stato di addensamento iniziale, dimensione grani - tensioni di confinamento (profondità) - percentuale di fine

Metodi empirici basati sull’uso delle prove SPT e CPT

• Calcolo sforzi di taglio indotti da azione sismica (domanda)

- severità dello scuotimento (amax) - magnitudo del terremoto - profondità


31




PASSI PRINCIPALI DELL’ANALISI:

1) Stima dello sforzo di taglio ciclico normalizzato (CSR)

Tale calcolo si esegue utilizzando la procedura originale di Seed & Idriss (1971):

KKr

g

a65.0CSR d'

0v

0vmax

'

0v

av

32




2) Stima dello sforzo di taglio ciclico normalizzato (CSR)

Correzione del CSR per tener conto della magnitudo del terremoto:

3) Uso parametro NSPT oppure resistenza alla punta qc come indici normalizzati di resistenza:

33




4) Valutazione del rapporto normalizzato di resistenza ciclica CRR;

5) Calcolo del fattore di sicurezza FS = CRR/CSR;

6) Ripetizione del calcolo a diverse profondità.

34




KKr

g

a65.0CSR d'

0v

0vmax

'

0v

avdomanda

601Scs601

5.7

4

cs601

3

cs601

2

cs601cs601

3

cs601

2

cs601cs601

5.7

)N(K)N(

MSFCRRCRR

)N(h)N(f)N(d)N(b1

)N(g)N(e)N(caCRR

capacità

Prova SPT

(da Youd, T.L. & Idriss, I.M., 1997)

35


CPT

qc fs

Ic < 2,6 Ic > 2,6

Ic < 2,6 Ic > 2,6

F < 1% usare altri criteri

se 50 < (qc1N)cs < 160 CRR 7,5 = 93 (qc1N)cs /1000 3 + 0,08

se (qc1N)cs < 50 CRR 7,5 = 0,833 (qc1N)cs /1000 + 0,05

se 1,64 < Ic < 2,36 ed F< 0,5% Kc = 1,0

se Ic > 2,60 e: F > 1% probabilmente non liquefacibile

(qc1N)cs = qc1N * Kc

Ic = (3,47 - log qc1N)2 + (1,22 + log F)

2 0,5

se Ic 1,64 Kc = 1,0

se Ic > 1,64 Kc = - 0,403 Ic4 + 5,581 Ic

3 - 21,63 Ic

2 + 33,75 Ic -17,88

Ic = (3,47 - logQ)2 + (1,22 + log F)

2 0,5

qc1N = (qc/Pa)*(Pa/'vo)0,5

Ic = (3,47 - logqc1N)2 + (1,22 + log F)

2 0,5

qc1N = (qc/Pa)*(Pa/'vo)0,75

qc1N = Q

VALUTAZIONE DI CRR DA PROVE CPT

pressione in situ: vo; ' vo

Q = (qc - vo)/'vo F = fs/(qc - vo)

(da Youd, T.L. & Idriss, I.M., 1997)

Prova CPT

36


SPT

CPT


(da SGI, 2000)

37


(da SGI, 2000)

0

5

10

15

20

25

30

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

DR [%]D

ep

th [

m]

CPTU C101S

CPTU C104

CPTU C106S

CPTU C110A

CPTU C116S

CPTU C130S

CPTU C125S

CPTU C120S

NATURAL SITE

CONDITIONS

0.0

5.0

10.0

15.0

20.0

25.0

30.0

35.0

0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40

CSR7.5

De

pth

[m

]

Liquefaction

No Liquefaction

PGA = 0.33g

W.T. (-3.35 m)

Threshold Liquefaction

Line (Youd & Idriss, 1997)

C101S

0.0

5.0

10.0

15.0

20.0

25.0

30.0

35.0

0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40

CSR7.5

De

pth

[m

]

Liquefaction

No Liquefaction

PGA = 0.33g

W.T. (-3.35 m)

Threshold Liquefaction

Line (Youd & Idriss, 1997)

C101S

Condizioni naturali deposito sabbioso a Taiwan

38


0.0

2.5

5.0

7.5

10.0

12.5

15.0

17.5

20.0

0 50 100 150 200 250 300 350

Gmax [MPa]

Dep

th [

m]

Soil

Column

Equivalent

0.0

2.5

5.0

7.5

10.0

12.5

15.0

17.5

20.0

0 100 200 300 400

VS [m/s]

Dep

th [

m]

Natural Soil

Threshold Profile toPrevent Liquefaction

Composite(Soil+Columns) Profileafter Treatment

Mitigazione attraverso l’uso di colonne di ghiaia

(da SGI, 2000)

39


LPI: Liquefaction Potential Index

LPI Severità liquefazione

0 scarsa o irrilevante

0 - 5 modesta

5 - 15 moderata

> 15 elevata

40


Mappa di microzonazione del potenziale di liquefazione a Memphis (TN)

(da Rix e Romero, 2004)

Terremoto di scenario

41

Il porto di Ancona è stato selezionato come rappresentativo dei porti italiani a moderata sismicità

PGA attesa = 0.25 g per TPR 475 anni

PE5_2005-2007 “Progettazione sismica di strutture portuali marittime”

Ancona è il “primo” porto del mare Adriatico in termini economici:

• 1.500.000 passeggeri

• 150.000 camion in transito

Il porto è costituito da 30 banchine, 25 delle quali costruite negli anni 1965-1975

suscettibilità liquefazione: caso di Ancona

42


ANCONA

CONERO

OFFSHORE

SENIGALLIA

From DISS, 2007 Analisi numeriche 3D sia in bassa che alta frequenza utilizzando due metodi ad hoc:

+

SCENARI SU ROCCIA

• (0-1.3 Hz) metodo semianalitico (Hisada & Bielak, 2003) • (0.7-30 Hz) metodo deterministico-stocastico DSM (Pacor et al., 2005)

Risultati numerici Risultati empirici

lin-equiv.

Accelerazione di picco PGA

Analisi lineari-equivalenti con il codice EERA (Equivalent-linear Earthquake site Response Analysis), utilizzando come eccitazione di ingresso l’accelerazione su roccia valutata con le analisi 3D

EFFETTI DI SITO

ITGG030SENIGALLIA

ITGG029CONERO OFFSHORE

ITGG030SENIGALLIA

ITGG029CONERO OFFSHORE

43


Cyclic Stress Ratio

Cyclic Resistance Ratio =

FATTORE DI SICUREZZA FS (Seed & Idriss, 1971)

resistenza alla liquefazione

tensione tangenziale ciclica indotta dal sisma

Funzione di v

Resistenza alla punta normalizzata

fattore di scala che trasforma la sollecitazione indotta dal sisma di generica magnitudo M a quella indotta da un sisma di magnitudo M = 7.5, assunta di riferimento

coefficiente riduttivo dell’accelerazione sismica con la profondità a causa della compressibilità del terreno

PROBABILITA’ DI LIQUEFAZIONE PL

CPT1/2006, molo n. 28

M = 5.9

amax = 0.21 g

-2

0

2

4

6

8

10

12

14

16

0 50 100 150 200

qc [kg/cm2]

Pro

fon

dità

l.m

.m.

[m]

PL

-2

0

2

4

6

8

10

12

14

16

0 10 20 30 40 50 60

Fs

-2

0

2

4

6

8

10

12

14

16

0 1 2 3 4 5 6

-2

0

2

4

6

8

10

12

14

16

0 50 100 150 200

qc [kg/cm2]

Pro

fon

dità

l.m

.m. [

m]

PL

-2

0

2

4

6

8

10

12

14

16

0 10 20 30 40 50 60

Fs

-2

0

2

4

6

8

10

12

14

16

0 1 2 3 4 5 6

-2

0

2

4

6

8

10

12

14

16

0 50 100 150 200

qc [kg/cm2]

Pro

fon

dità

l.m

.m.

[m]

PL

-2

0

2

4

6

8

10

12

14

16

0 10 20 30 40 50 60

Fs

-2

0

2

4

6

8

10

12

14

16

0 1 2 3 4 5 6

FS PL qc [kg/cm2]

Pro

fondit

à l.

m.m

[m

]

(Metodo di Juang et al., 2003) IL CASO DI ANCONA

Probabilità NULLA alla liquefazione

44

approccio deterministico: fattore di sicurezza FS e indice potenziale liquefazione LPI

Implementazione procedura valutazione potenziale liquefazione da dati di prove SPT:

Valutazione puntuale per diverse profondità: fattore di sicurezza FS e probabilità di liquefazione PL

approccio probabilistico: probabilità di liquefazione PL e indice di severità di liquefazione LSI

Stima globale: indice del potenziale liquefazione LPI e indice di severità di liquefazione LSI.

Porto di Salerno

Valutazione del danno sismico

suscettibilità liquefazione: caso di Salerno

45


cedimenti verticali CV

spostamenti laterali SL

Implementazione procedura valutazione cedimenti indotti nel terreno da liquefazione per dati di prove SPT:

Porto di Kobe (1995)

Porto di Salerno


46


Stima del danno

Mappe di danno sismico

Il probabile danno atteso alle

strutture del porto risulta nullo

per TR 101 e 475 anni, mentre

è stimato un danno lieve per

TR=950 anni per le gru

semoventi, le cisterne di

carburante non interrate e le

cabine elettriche, applicando la

Metodologia C, ossia la più

cautelativa (Seed, 2010).


47


100

101

102

103

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1GRU NON ANCORATE

t (giorni)

Pro

ba

bili

tà d

i fu

nzio

na

lità

IL PORTO DI SALERNO

Stima dei tempi di ripristino

HAZUS (NIBS, 2004)

Lieve

Moderato

Esteso

Completo

Salerno

Funzionalità

(%)

Funzionalità

dopo 2 gg (%)

GRU 88 91


48


IL PORTO DI SALERNO

Bozzoni F., Scandella L., Lai C.G., Corigliano M. (2011). “Stima del danno sismico di porti marittimi attraverso la tecnologia GIS: il caso del porto di Salerno”. Accettato da Progettazione Sismica.

49

Interventi di

consolidamento e

di mitigazione

50

interventi di mitigazione

Interventi di consolidamento del terreno

(da NTC-2008)

51


compattazione dinamica vibro-flottazione colonne di ghiaia


52


compattazione dinamica terreni a grana grossa

(da Vibro Group Ltd, 2005)


53


Vibroflottazione terreni a grana grossa



54


Colonne di ghiaia terreni a grana fine



55


Vibroreplacement


56



Jet-grouting

57

• Juang C.H., Yuan H., Lee D.H., Lin P.S. [2003] “Simplified Cone Penetration Test-based method for Evaluating Liquefaction Resistance of Soils,” Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Eng. ASCE Vol. 129, No. 1, 66-80.

• Kramer, S.L. (1996). “Geotechnical Earthquake Engineering.”, Prentice-Hall, New Jersey, pp.653.

• NCEER (1997). Proceeding of the NCEER Workshop on Evaluation of Liquefaction Resistance of Soils, Edited by T. L. Youd and I. M. Idriss, Technical Report NCEER-97-0022, December 31, 1997.

• Seed HB, Idriss IM [1971] “Simplified procedure for evaluating soil liquefaction potential”. Journal of Soil Mech. and Found. Eng. ASCE 97(9), 1249-1273.

• Seed, H.B., Tokimatsu, K., Harder, L.F., and Chung, R.M. (1985). “Influence of SPT Procedures in Soil Liquefaction Resistance Evaluations.”, Journal of Geotechnical Engineering, Vol. 111, No. 12, pp. 1425-1445.

• Stark T. D. and S. M. Olson (1995). Liquefaction Resistance Using CPT and Field Case Histories. Journal of Geotechnical Engineering, Vol. 121, No. 12, pp. 856-869.

• Youd L., Stokoe K.H., Robertson P. K., Finn, W. D. L., and Byrne P. M. (1996). Recent Developments in Seismic Liquefaction Assessment. A Symposium Sponsored by CONETEC, Vancouver, BC.

bibliografia

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