CAPITOLO 5: ANALISI STRUTTURALE
5.1 Analisi delle Discontinuità
L’analisi di stabilità di un pendio in roccia si basa sullo studio accurato dell’ammasso roccioso, inteso come un volume lapideo formato da uno o più litotipi, suddivisi in blocchi da superfici di discontinuità di vario genere.
Se le tensioni dovute al peso dell’ammasso o ai carichi applicati non superano la resistenza della roccia, le deformazioni sono trascurabili e le fratture non hanno modo di propagarsi all’interno del materiale intatto. L’ammasso in questo caso viene studiato come un complesso di blocchi rigidi; la stabilità di ogni sua parte è funzione solamente dell’orientazione, della geometria e della resistenza delle pareti delle discontinuità.
In questo capitolo verranno trattati i seguenti argomenti: il rilievo delle discontinuità e le loro proprietà fondamentali attraverso degli “stendimenti”, ovvero stazioni di rilevamento geomeccanico delle famiglie di discontinuità; l’individuazione di aree lungo la strada provinciale ritenute critiche dal punto di vista della stabilità; lo studio dei cinematismi relativi a queste zone tramite il test con il software Dips (paragrafo 5.2), basato sull’orientazione dei piani di fratturazione, sulla pendenza del versante e sul parametro angolo di attrito dell’ammasso roccioso in esame. Il test analizza la possibilità che i poli dei piani appartenenti ai sistemi di discontinuità individuati possano ricadere all’interno di determinati settori indicanti la possibilità del verificarsi di scivolamenti planari, cunei di scivolamento e ribaltamenti.
La Formazione presa in esame è quella del Calcare Selcifero della Val di Lima, che affiora abbondantemente lungo il tracciato stradale.
E’ stato possibile fare ulteriori osservazioni sulla struttura dell’ammasso roccioso anche nei tratti sotto strada, raggiungibili attraverso un sentiero che scende verso l’alveo del Serchio. Qui il calcare affiora tra un pilastro in cemento armato e l’altro che fanno da fondazione alla strada provinciale allargata in questo tratto.
I dati giaciturali ricavati in questi affioramenti purtroppo non sempre rappresentano la vera orientazione delle famiglie di discontinuità rilevate, in quanto le loro condizioni geomeccaniche sono state ‘modificate’ durante la costruzione del viadotto stradale (spesso il riempimento tra le pareti delle discontinuità è costituito da cemento e
l’ammasso roccioso si presenta molto più alterato rispetto a quello affiorante lungo strada).
Figura 5.1: Fotografie delle condizioni geomeccaniche dell’ammasso sotto strada.
Dopo aver eseguito un primo sommario rilevamento geologico-tecnico del Calcare Selcifero della Val di Lima lungo il tracciato stradale, è stato deciso di considerare, per quanto riguarda le misure giaciturali che si riferiscono all’affioramento al di sotto della sede stradale, solo quelle relative ai tratti interessati in minor misura dai lavori.
Sono state prese un numero totale di 632 misure giaciturali, riportate all’interno dell’allegato I. Tutte le misure sono state in seguito riunite in un unico diagramma polare e delle densità con il software Dips, in termini di dip direction/dip, come si può facilmente osservare dalle figure sottostanti; il reticolo utilizzato è quello di Wulff, equiangolare.
Figura 5.2: Proiezione stereografica di Wulff (emisfero inferiore) dei poli dei piani delle discontinuità rilevate.
Figura 5.3: Proiezione stereografica di Wulff (emisfero inferiore) che mostra le linee di isofrequenza degli stessi poli di Fg. 5.2.
Dall’osservazione delle due proiezioni stereografiche è possibile individuare la presenza di quattro evidenti raggruppamenti di poli, che evidentemente dimostrano la presenza di 4 sistemi di discontinuità, come dedotto anche durante il rilevamento geologico-tecnico; i piani medi di tali sistemi sono (in Dip Direction/Dip ed in ordine di abbondanza):
• 220/30 (S0) (direzione appenninica)
• 015/80 (S1) (direzione appenninica)
• 110/75 (S2) (direzione anti-appenninica)
• 315/71 (S3) (direzione anti-appenninica)
Considerando l’azimuth dei piani, si può osservare come queste discontinuità hanno due direzioni principali, corrispondenti alle direzioni “appenninica” e “anti-appenninica” già individuate nei principali sistemi di faglie. La prima giacitura corrisponde alla stratificazione (So) i cui piani sono molto abbondanti e ben visibili alla scala
dell’affioramento; la direzione è circa NW-SE e immerge contro il versante. Le misure prese in campagna non hanno mostrato variazioni significative lungo la S.P. di fondovalle.
Le successive due giaciture presentano un’inclinazione molto simile, ma i loro piani formano un angolo di circa 100-120°; l’ultima discontinuità (S3) ha anch’essa un’inclinazione molto alta, e non sempre è visibile all’interno delle tre stazioni, per cui i dati relativi sono poco abbondanti (infatti è visibile solo all’interno della stazione C).
5.2 Metodologie informatiche utilizzate:
Rocscience Dips versione 5.1
Dips è un programma incluso nel pacchetto Rocscience in grado di elaborare in maniera interattiva una quantità notevole di dati di giaciture geologiche, utilizzando semplici funzioni. Il programma si apre immediatamente con una tabella (Grid View) formata da due colonne pronte per l’inserimento dei dati di giaciture. Possono inoltre essere aggiunte altre colonne che portano informazioni utili per esempio sulla spaziatura, sulla rugosità della superficie, sulla tipologia di frattura o sulla famiglia di discontinuità a cui appartiengono. E’ possibile inoltre modificare il formato della rappresentazione dei dati sui plot con il comando Setup→Convention che permette di visualizzare l’orientazione (visibile sulla barra in basso a destra) come poli reali o come piani corrispondenti ad un dato polo indicato dal cursore.
Inseriti i dati, con dei semplici pulsanti visualizzati nella barra in alto o Toolbar possono essere creati i vari diagrammi:
1) Pole Plot: visualizza tutti i poli dei dati inseriti; ogni polo corrisponde ad una riga nella Grid View. Possono essere rappresentati anche in base ad altre informazioni inserite nelle colonne extra facendo un click con il tasto destro del mouse sul plot e selezionando Symbolic Pole Plot.
Figura 5.4: Esempio di Symbolic Pole Plot.
2) Scatter Plot: il singolo polo rappresenta un insieme di poli con orientazione simile. In legenda viene indicato il simbolo. Consente di visualizzare in modo migliore la distribuzione numerica dei dati.
3) Contour Plot: mostra le concentrazioni dei dati con curve di densità.
Figura 5.6: Esempio di Contour Plot.
4) Rosette Plot: visualizza i dati come su un istogramma radiale nel quale lo spessore e la lunghezza delle barre rappresentano la quantità dei dati.
Figura 5.7: Esempio di Rosette Plot.
Mediante altri comandi possono essere aggiunti nuovi piani agli stereonet. Possono essere disegnate manualmente delle finestre che permettono di raggruppare i poli; una volta disegnata la finestra con il comando Sets→Add Set Windows, il programma restituisce immediatamente il polo medio di tutti i poli raccolti all’interno della finestra, ed il piano medio corrispondente al polo medio. Tutti i piani e le finestre che l’utente ha
aggiunto possono essere visualizzati in un plot specifico, chiamato Major plane Plot. Le Set Windows possono essere visualizzate o nascoste a seconda della necessità.
4) Major Plane Plot: si attiva il pulsante relativo nella barra degli strumenti solo se sono stati aggiunti dei piani. In legenda viene visualizzata la lista dei piani. In alternativa possono essere visualizzati anche le finestre o Set Windows.
Figura 5.8: Esempio di Major Pole Plot. In legenda: Trend/Plunge rappresenta il formato dell’orientazione globale; 1:elenco dei piani; 1 m: piano medio della Set windows.
Utilizzando tale programma sono state quindi effettuate le analisi di stabilità sulle tre zone più critiche individuate lungo la Strada Provinciale di fondovalle. Sono state seguite le indicazioni di Goodman (1980), utilizzando gli strumenti presenti nel programma per quanto concerne il ribaltamento, lo scivolamento planare e lo scivolamento di cunei rocciosi. Tutti i passi dei vari procedimenti vengono spiegati in dettaglio qui di seguito.
Ribaltamento. La seguente analisi si basa su alcune considerazioni di Goodman (1980). L’analisi per il ribaltamento si basa su:
- L’uso di Variability Cones per indicare la Deviazione Standard dei poli di ogni
sistema di discontinuità; Restituiscono una stima statistica del rischio da ribaltamento per i giunti in questione.
- Un piano denominato Slip Limit; - Considerazioni cinematiche.
Prima di tutto occorre disegnare manualmente le Set Windows in modo da racchiudere al meglio possibile tutti i dati di una famiglia di discontinuità all’interno di
questi poligoni, poi procedere con l’aggiunta del piano che rappresenta l’orientazione del versante (vedi fig. 5.11).
Bisogna aggiungere poi un secondo piano, denominato Slip Limit, che ha una Dip Direction uguale a quella del versante e una Dip pari a Dip del pendio-angolo di attrito.
Figura 5.9: Esempio di visualizzazione delle set Windows e dei variabilità Cones.
Come ultima cosa, occorre aggiungere un cono che abbia i seguenti parametri: Trend= Dip Direction del versante+90°; Plunge=0 e Angolo =60°, cioè ±30° rispetto alla giacitura del versante. La zona che si viene a delineare sullo stereonet compresa tra i limiti del cono e il piano che rappresenta lo Slip Limit è la zona del ribaltamento. I poli ricadenti all’interno di questa regione sono soggetti a tale tipologia di movimento gravitativo. Ciò è in accordo con le teorie di Markland (1972), infatti per avere un ribaltamento, la dip direction della discontinuità deve essere circa parallela al pendio, entro ± 20° e con inclinazione inferiore a quella del pendio (immerge nel pendio).
Scivolamento Planare. L’analisi per il verificarsi di uno scivolamento planare si basa su:
- L’uso dei Variability Cones;
- Un cono denominato Friction Cone;
- Un Daylight Envelope corrispondente all’inviluppo dei poli che soddisfano le condizioni di scivolamento;
- Considerazioni cinematiche.
Il Friction Cone viene aggiunto a partire dal centro dello stereonet inserendo i seguenti dati: Trend=0; Plunge =90 e Angolo=Angolo di attrito dell’ammasso roccioso. Ogni polo che cada all’esterno di questa zona rappresenta un piano che potrebbe scivolare, in cui l’angolo d’attrito disponibile è inferiore all’inclinazione del piano del pendio.
La regione a mezzaluna formata dall’intersezione del Daylight Envelope e l’area esterna al cono racchiude l’area con un possibile scivolamento planare.
Figura 5.11: Esempio di analisi per uno Scivolamento planare.
Scivolamento di Cunei. Si verifica quando joint multipli formano un cuneo che può scivolare lungo la linea di intersezione tra i due piani. L’analisi per il verificarsi di uno scivolamento di cuneo roccioso si basa su:
- La visualizzazione in Major Planes;
- Un cono denominato Plane Friction Cone; - Considerazioni cinematiche.
I dati da inserire sono i seguenti: Trend=0; Plunge=90 (l’angolo del Plane Friction Cone è misurato a partire dal perimetro o equatore dello stereonet); Angolo=90-angolo di attrito. Uno scivolamento di cuneo roccioso può verificarsi se il punto di intersezione tra due o più discontinuità cade all’interno della zona formata dal Friction Cone e dal Pit Slope. Nell’esempio sottostante nessun punto cade all’interno dell’area indicata dalla freccia.
Figura 5.12: Esempio di analisi per uno Scivolamento di cunei rocciosi (Dips tutorial).
5.3 Analisi di stabilità al Ribaltamento, Scivolamento Planare e di
Cunei Rocciosi all’interno delle stazioni A e B
Lo scopo di tale studio, come già anticipato, è quello di porre l’attenzione in particolare sulla sicurezza delle infrastrutture esposte a pericolo da frana; in questo paragrafo ci occuperemo quindi di presentare i risultati delle analisi cinematiche effettuati all’interno delle stazioni A e B, in zone critiche lungo la Strada Provinciale di fondovalle dove affiora interamente la formazione Calcare Selcifero della Val di Lima. In queste zone, le quali erano state già coinvolte in movimenti franosi nei primi anni ’80, durante i lavori di allargamento della strada, l’ammasso roccioso si presenta intensamente fratturato, con discontinuità mediamente levigate (prive quindi di una forte componente di attrito che contrasti il movimento), spaziatura fitta in modo da delimitare blocchi di medie dimensioni e discontinuità aperte con riempimento incoerente.
Figura 5.13: Particolare di una zona critica lungo la Strada Provinciale. Nel cerchio rosso è visibile un cuneo di scivolamento.
Per l’analisi di stabilità è necessario disporre dell’orientazione della parete del versante in esame e dell’angolo di attrito dell’ammasso roccioso.
Per l’orientazione del versante sono stati eseguiti 5 stendimenti di due metri ciascuno con una rotella metrica, per ognuna delle tre zone instabili lungo il tracciato stradale, per un totale di 15 misure.
Stazione Dip Direction Dip Media 038 76 036 70 040 70 044 72 A 042 73 72/040 042 70 040 76 040 72 042 74 B 042 82 75/041 042 74 042 72 042 70 042 72 C 042 60 70/042
Tabella 5.1: Dati per l’orientazione del versante.
I dati raccolti non si discostano molto l’uno dall’altro, per tale motivo è stata presa una giacitura del versante media totale di 041/73.
Per l’angolo di attrito è stato adottato un valore diverso per ognuna delle tre stazioni in cui è stato suddiviso l’affioramento, parametro che è stato ottenuto dalla Classificazione di Bieniawski (1989) analizzando ogni sistema di discontinuità presente in ogni stazione (vedi Cap. 6). La tabella sottostante richiama parte delle tabelle realizzate per tale Classificazione.
Famiglia φ φ medio S0 33,5 S1 34,8 Stazione A S2 36,3 34,8 S0 30,2 S1 32,6 Stazione B S2 35,5 32,7 S0 29,7 S1 27,9 S2 34,2 Stazione C S3 33,5 31,32
Tabella 5.2: Angolo d’attrito (°) per ogni sistema di discontinuità.
Per il nostro scopo è stato scelto di adottare il più basso angolo di attrito di ogni stazione di misura, a favore della sicurezza: 33° per la stazione A; 30° per la stazione B e 28° per la stazione C.
Nel presente lavoro di tesi vengono analizzate le stazioni A e B (nel Capitolo 7 verranno analizzati in dettaglio i cinematismi risultanti da tale analisi); per l’analisi della stazione C si rimanda invece alla tesi di laurea della candidata Locci Cinzia.
5.3.1 Stazione A
Per ognuna delle tre stazioni individuate sono state seguite le procedure descritte nel precedente paragrafo, analizzando i tre tipi di movimenti.
Figura 5.14: Panoramica della Stazione A; sulla sinistra è visibile un’area con blocchi di grandi dimensioni separati da fratture aperte.
Figura 5.15: Stereonet dei dati giaciturali raccolti all’interno della stazione A (in rosso la stratificazione So, in blu S1 e in verde S2).
a) b)
Per la stazione A sono state raccolte circa 180 misure, ed è stato considerato un angolo di attrito pari a 33°. Si può notare dagli stereonet di fig. 5.16 che per la stazione A non sussistono di fatto ribaltamenti, mentre per lo Scivolamento Planare sono stati individuati 8 poli appartenenti alla famiglia S1, con una orientazione media del piano
corrispondente di 018/68.
Si può notare invece la possibilità che si verifichi uno Scivolamento di Cuneo, al limite dell’area considerata (intersezione famiglia S1-S2) (fig. 5.17).
Figura 5.17: Verifica del cuneo di scivolamento per la stazione A.
5.3.2 Stazione B
Figura 5.19: Stereonet (Symbolic Pole Plot) dei dati giaciturali raccolti all’interno della stazione B (in rosso la stratificazione So, in blu S1 e in verde S2).
Figura 5.21: Verifica dello scivolamento di cuneo per la stazione B.
Per la stazione B sono state raccolte circa 150 misure. Come si può notare dagli stereonet di fig. 5.20 e 5.21, per la stazione B non si hanno poli che ricadono nell’area a rischio per il Ribaltamento. Per lo Scivolamento Planare sono stati individuati pochi poli appartenenti alla famiglia S1, che induce a pensare di escludere il fatto che questa
tipologia di movimento si possa realmente verificare.
Si può notare invece la possibilità che si verifichi uno Scivolamento di Cuneo, al limite dell’area considerata (intersezione famiglia S1-S2), anche se il punto di intersezione è
molto vicino all’andamento del versante, come nel caso della stazione precedente.
In conclusione quindi l’analisi tramite Dips ha messo in evidenza la possibilità del verificarsi di un cuneo di scivolamento in entrambe le stazioni; è stato perciò interessante effettuare un’ulteriore verifica con il programma di simulazione dei cinematismi, basato sul metodo di analisi all’equilibrio limite, per i cunei rocciosi: Rocscience Swedge v. 5.0 (Capitolo 7).
All’interno della stazione C è presente invece uno scivolamento planare della famiglia di discontinuità S1 ed un ulteriore scivolamento di cuneo, che interessa anche il sistema
