Capitolo 4 Banca dati

CAPITOLO 4

Banca dati

4.1-Programma VEL

La caratterizzazione del suolo è stata effettuata nell’ambito di un programma sovvenzionato dalla Regione Toscana e mirato alla valutazione degli effetti locali di sito e alla riduzione del rischio sismico.

Il programma regionale di Valutazione degli Effetti Locali (VEL) si colloca nell'ambito della L.R. 30.07.1997 N. 56 “interventi sperimentali per la riduzione del rischio sismico”. La fase sperimentale del progetto ha interessato i principali centri urbani della Lunigiana e Garfagnana e Media Valle del Serchio. In queste zone è stata messa a punto la metodologia operativa che è stata poi adottata anche in altre zone classificate sismiche della Toscana quali il Mugello, la Valtiberina, il Casentino e l’Amiata.

L'obiettivo del programma è di caratterizzare all'interno di ambiti territoriali a scala subcomunale (frazioni e centri), le aree a comportamento omogeneo sotto il profilo della risposta sismica locale in corrispondenza di un terremoto atteso, e definire i possibili effetti sui principali centri urbani (con particolare attenzione agli edifici strategici e rilevanti), sulle reti di servizio, sulle infrastrutture di comunicazione e sugli insediamenti produttivi. I fenomeni di amplificazione delle onde sismiche sono stati analizzati alla scala 1:2.000 e quantificati attraverso analisi di modellazione numerica di sezioni geologiche significative sotto il profilo della valutazione degli effetti locali. Le aree pericolose per fenomeni di instabilità indotta sono state individuate a grande scala e saranno oggetto di approfondimenti in una fase successiva, alla scala 1:2.000.

Le attività svolte, hanno previsto, indagini su 83 territori comunali, per un totale di 207 centri urbani, in cui sono stati realizzati rilievi geologici e geomorfologici a scala 1:2.000 su un totale di circa 37.300 ettari di territorio. In queste aree sono state eseguite circa n. 800 linee sismiche a rifrazione in onde P ed SH (circa 91 km di terreno indagato), n. 320 sondaggi geognostici e prove geofisiche in foro (down-hole in onde P ed SH) per un totale di oltre 10 km di perforazioni.

I dati geologici, geotecnici e geofisici ad oggi acquisiti, hanno permesso di:

• verificare e approfondire le conoscenze geologiche del sottosuolo (con

cartografie, sezioni geologiche, profili stratigrafici, sezioni sismostratigrafiche);

• caratterizzare per i siti investigati le unità geologiche in termini di velocità delle

onde sismiche di taglio (Vsh) e il coefficiente di Poisson dinamico;

• determinare per le unità geologiche campionabili i parametri geotecnici dinamici

(curva di decadimento del modulo di taglio, l'incremento dello smorzamento a crescere della deformazione).

Tali parametri hanno permesso la caratterizzazione sismica dei terreni secondo quanto previsto dal D.M. 14/09/2006 (Le Norme Tecniche sulle Costruzioni).

Nella figura seguente è riportata, a titolo di esempio, la planimetria del sondaggio S4 eseguito in loc. Torrite a Castelnuovo di Garfagnana, e la posizione delle linee sismiche a rifrazione in onde P ed SH:

Figura 4.2. Sondaggi eseguiti a Castelnuovo Garfagnana loc. Torrite. Planimetria di dettaglio Scala 1:2000

Tipi di indagini Data esecuzione

Stratigrafia sondaggio 20/03/2003

S4

Prova down-hole 22/04/2003

ST1

ST2

ST3

4.2. Caratterizzazione geotecnica dei siti in Garfagnana e Lunigiana

Occorre precisare che in un numero significativo di siti nei comuni della Lunigiana e della Garfagnana sono state eseguite, oltre alle Down Hole dinamiche, anche prove penetrometriche (prove in sito nelle quali si misura la resistenza alla penetrazione di un utensile standardizzato), prove di colonna risonante (RCT), prove di taglio torsionale ciclico (CLTST) e prove triassiali cicliche(CLTX).

La prova Down-Hole permette di determinare la velocità di propagazione delle onde di volume, di compressione (onde P), e di taglio (onde S), calcolando il tempo ad esse necessario per spostarsi tra due o più punti di cui è nota la distanza.

La prova Down-Hole dovrebbe essere effettuata nei casi in cui le profondità delle coperture da esplorare siano superiori a qualche metro; inoltre è necessario spingere la prova sino al bedrock attraversandolo per uno spessore significativo. Ipotesi di base della prova è che il terreno si possa considerare orizzontalmente stratificato ed elastico, omogeneo ed isotropo all’interno di ogni strato.

La prova consiste nel produrre, sulla superficie del terreno, una sollecitazione orizzontale mediante una sorgente meccanica, e nello studiare il treno d’onde P ed S che si propagano all’interno del terreno alle varie profondità, in direzione verticale, con vibrazioni polarizzate nelle direzione di propagazione (P) e dirette perpendicolarmente a questa (SH).

Le prove penetrometriche svolte su tali siti, invece, si dividono in:

- prove penetrometriche statiche C.P.T. (Cone Penetration Test). Le prove penetrometriche statiche C.P.T., sono condotte a velocità di avanzamento costante in cui viene misurata la resistenza alla punta qcesercitata sull’utensile.

- prove penetrometriche dinamiche: S.P.T. (Standard Penetration Test), DP (Dynamic Probing), L.P.T. (Large Penetration Test).

Nelle prove penetrometriche dinamiche S.P.T. l’utensile è infisso a percussione e il dato da rilevare è il numero di colpi NSPT richiesto per un avanzamento prefissato. Le prove dinamiche si suddividono in prove SPT a punta aperta e a punta chiusa, prove tipo DP e prove LPT. Le prove SPT a punta aperta differiscono solo nel campionatore dalle prove SPT a punta chiusa e sono condotte in fori di sondaggio, mentre le prove tipo DP hanno il campionatore a punta chiusa e si eseguono dal piano di campagna. A differenza della prova SPT la prova penetrometrica dinamica DP può essere eseguita direttamente da piano campagna ed in modo continuo senza l’esecuzione di un foro. La resistenza del

terreno viene valutata dal numero di colpi necessari alla penetrazione della punta per una data lunghezza. Le prove LPT sono prove SPT a punta aperta di grandi dimensioni utilizzate per lo più in terreni ghiaiosi grossolani.

Densità relativa (o indice dei vuoti), tensioni geostatiche e caratteristiche meccaniche influenzano la resistenza penetrometrica, ma anche la velocità di propagazione delle onde di taglio Vso modulo di taglio a piccole deformazioni Go. (Go = •Vs).

Tuttavia, non esiste una correlazione unica tra Vse NSPT .

La correlazione empirica che è stata ritenuta più adeguata (Mensi, Lo Presti; 2006) è quella di Otha e Goto (1978); questa prevede coefficienti diversi in ragione della granulometria dei terreni:

G A

s N z F F

V = 69 ⋅ 600,17 ⋅ 0,2 ⋅ ⋅ (4.1)

dove

Vs = velocità delle onde di taglio in m/s

N60= numero di colpi/ 30 normalizzato rispetto ad un rapporto ER=60%

z = profondità in m

FA- FG= fattori di correzione che considerano l’età del deposito e la composizione del

suolo.

È stato dimostrato (Mensi, Lo Presti, 2006) che le correlazioni tra le velocità delle onde di taglio e resistenza penetrometrica non sempre seguono una relazione generalizzabile ad ogni tipo di suolo (equazioni del tipo di Otha e Goto, 1979 o di Schnaid, 1997) pertanto sono utilizzabili solo correlazioni stabilite appositamente per il sito esaminato.

La conoscenza delle caratteristiche meccaniche in campo dinamico (modulo di taglio

G0, curva di decadimento del modulo di taglio G, andamento del rapporto di smorzamento

D in funzione del livello deformativo •) è stata raggiunta da prove in sito e prove di

laboratorio:

Il modulo di taglio G0 è ricavabile attraverso prove di laboratorio su campioni di

elevata qualità imponendo piccole deformazioni (••10-4) oppure, ma preferibilmente, da

misure di VSin sito (come nei casi studiati) attraverso la relazione:

2

0 Vs

Inoltre, è necessario definire un profilo stratigrafico semplificato che individui gli spessori dei terreni attraversati sino al raggiungimento del substrato roccioso.

Una volta definito il profilo stratigrafico è necessario associare a questo un profilo di velocità ed assegnare ai vari strati le caratteristiche di rigidezza e smorzamento come di seguito specificato.

Dalle prove di laboratorio (triassiali cicliche, TXC, prove di colonna risonante, CR, prove di taglio torsionale ciclico, TTC,) eseguite su alcuni campioni prelevati nell’area comprendente alcuni comuni della Lunigiana e della Garfagnana, sono state desunte:

- curve di rigidezza, che rappresentano il modulo di taglio G/G0 in funzione della

deformazione;

- curve di smorzamento, che rappresentano il decadimento dello smorzamento D in funzione di •;

Per concludere, possiamo riassumere quanto illustrato dicendo che per ogni sito, i dati a disposizione sono i seguenti:

• Profili stratigrafici da fori di sondaggio, con misure SPT;

• Profili di velocità di onde di taglio (VS) da prove Down – Hole (DH) eseguite nei

fori ;

• Profili di velocità di onde di taglio (VS) da prove di sismica a rifrazione eseguite

generando onde di taglio di compressione e polarizzate orizzontalmente (SH);

• Prove di colonna risonante (RCT), prove di taglio torsionale ciclico (CLTST),

prove triassiali cicliche(CLTX) eseguite su campioni indisturbati (non eseguibili su ogni foro di sondaggio e per tutti i tipi di suolo);

• Prove penetrometriche dinamiche (DP), eseguite usando un cono di diametro 51

mm con un angolo di 60° al vertice (il peso e l’altezza di caduta del maglio sono gli stessi che per gli SPT, considerando il n. colpi ogni 20 cm di penetrazione). Questo tipo di prova è stato eseguito in pochi siti.

Le geologie competenti ad ogni campione sono state analizzate ed alcune sono state raggruppate, in modo da creare 6 formazioni principali cui fare riferimento nelle analisi di risposta sismica (Lo Presti, Mensi; 2006):

a) Dt-Rp: depositi detritici (Dt), accumuli di frammenti litoidi eterometrici,

frequentemente monogenetici, con matrice sabbiosa limosa in quantità variabile; depositi di colmata e terreni di riporto (Rp)

b) All-Ct: depositi alluvionali recenti e attuali (All), alluvioni recenti costituite da ghiaie eterometriche, sabbie e limi, di composizione generalmente poligenica; depositi alluvionali terrazzate recenti (Ct), ghiaie eterometriche, sabbie e limi, di composizione generalmente poligenica, in più ordini di terrazzi.

c) Cg-Arg: ghiaie e conglomerati (Cg) poligeniche in matrice sabbiosa, localmente

cementati, con livelli di argille, sabbie e limi; argille e sabbie grigie, argille sabbiose e sabbie argillose (Arg), con sporadici livelli di ghiaia in matrice argillosa sabbiosa; le argille contengono frequenti resti vegetali e livelli di lignite.

d) Ct/Mg-At: depositi alluvionali terrazzati recenti (Ct/Mg), ghiaie generalmente

monogeniche costituite da ciottoli di arenaria. Macigno in matrice sabbiosa, localmente prevalente, di colore rosso ocra, a volte disposte in più ordini di terrazzi.

e) Ac: Argilliti grigio scure alternate a calcari a grana fine, a calcareniti organogene

e a calcari marnosi a base calcarenitica, a vari livelli.

f) Mg: Macigno, torbiditi arenacee costituite da arenarie quarzoso-feldspatiche,

alternate ad argilliti e siltiti.

Le stesse litologie sono raccolte nella tabella seguente, nella quale vengono anche mostrati i valori indicativi per quanto riguarda lo spessore e la velocità delle onde di taglio:

Tabella 4.1: Formazioni geologiche riscontrate nei siti presi in esame.

Formazioni geologiche Spessore (m) Vs(m/s)

Depositi detritici Olocenici

(DT) < 15 100 – 350 Depositi alluvionali Olocenici (ALL – CT) < 20 250 – 500 Alluvioni terrazzate Pleistoceniche (CT/MG – AT) < 15 300 – 600 Depositi fluvio-lacustri Plio-Pleistocenici (ARG – CG) < 72 500 – 800 Macigno Oligocenico (MG) - 600 – 1500 Argille – Calcari Paleocenici-Eocenici(AC) - 700 – 1400

Nei grafici seguenti è possibile osservare le curve di caratterizzazione dinamica frutto dello studio di inviluppo (Lo Presti et al., 2006) eseguito sui dati delle prove appena citate. Per ogni litologia vengono quindi riportati gli inviluppi massimi e minimi riferiti alla curva di decadimento del modulo di taglio e alla curva di variazione del rapporto di smorzamento in funzione del livello deformativo. Per le interpolazioni numeriche vedasi Allegato.

Detriti, terreni di riporto - Dt-Rp:

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 0,0001 0,001 0,01 0,1 1 γ [%] G/Go inviluppo minimo inviluppo massimo

Figura 4.1: Rigidezza normalizzata in funzione della deformazione per depositi detritici Olocenici. 0 5 10 15 20 25 0,0001 0,001 0,01 0,1 1 γ [%] D [%] inviluppo minimo inviluppo massimo

Figura 4.2: Rapporto di smorzamento in funzione della deformazione per depositi detritici Olocenici.

Depositi alluvionali e terrazzati – All-Ct: 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 0,0001 0,001 0,01 0,1 1 γ [%] G/G 0 minimum envelope maximum envelope conventional sampling Serie4

sabbia ghiaiosa e limosa (campionamento convenzionale) campioni di ghiaia

indisturbati, con tecnica di congelamento

Figura 4.3: Rigidezza normalizzata in funzione della deformazione per depositi alluvionali Olocenici. 0 5 10 15 20 25 0,0001 0,001 0,01 0,1 1 γ [%] D [%] inviluppo minimo inviluppo massimo conventional sampling

undisturbed gravel samples by in situ freezing

sabbia ghiaiosa e limosa (campionamento convenzionale)

campioni indisturbati di ghiaia con tecnica di congelamento

Figura 4.4: Rapporto di smorzamento in funzione della deformazione per depositi alluvionali Olocenici.

Arenarie e sabbie – Ct/Mg-At: 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 0,0001 0,001 0,01 0,1 1 10 γ [%] G/G 0 inviluppo massimo inviluppo minimo

Figura 4.5: Rigidezza normalizzata in funzione della deformazione per alluvioni terrazzate Pleistoceniche. 0 5 10 15 20 25 30 0,0001 0,001 0,01 0,1 1 γ [%] D [%] inviluppo minimo inviluppo massimo

Figura 4.6: Rapporto di smorzamento in funzione della deformazione per alluvioni terrazzate Pleistoceniche.

Ghiaie e argille – Arg-Cg: 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 0,0001 0,001 0,01 0,1 1 10 γ [%] G/G o inviluppo minimo inviluppo massimo

Figura 4.7: Rigidezza normalizzata in funzione della deformazione per formazioni fluvio-lacustri risalenti al Plio-Pleistocene.

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 0,00001 0,0001 0,001 0,01 0,1 1 10 γ [%] D [%] inviluppo minimo inviluppo massimo

Macigno intatto – Mg 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 0,0001 0,001 0,01 0,1 1 γ [%] G/G o inviluppo minimo massimo inviluppo

Figura 4.9: Rigidezza normalizzata in funzione della deformazione per macigno Oligocenico. 0 1 2 3 4 5 6 7 0,00001 0,0001 0,001 0,01 0,1 1 γ [%] D [%] inviluppo minimo inviluppo massimo

Figura 4.10: Rapporto di smorzamento in funzione della deformazione per macigno Oligocenico.

Argilliti, calcari - Ac 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 0,00001 0,0001 0,001 0,01 0,1 1 10 γ [%] G/G o inviluppo minimo inviluppo massimo

Figura 4.11: Rigidezza normalizzata in funzione della deformazione per argilliti e calcari Paleocenici-Eocenici. 0 5 10 15 20 25 0,00001 0,0001 0,001 0,01 0,1 γ [%] D [%] inviluppo minimo inviluppo massimo

Figura 4.12: Rapporto di smorzamento in funzione della deformazione per argilliti e calcari Paleocenici-Eocenici.