Liquefazione dei terreni in condizioni sismiche

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DIPARTIMENTO DI INGEGNERIA CIVILE e AMBIENTALE Sezione Geotecnica

Liquefazione dei terreni in condizioni sismiche

Prof. Ing. Claudia Madiai

INTRODUZIONE

prof. ing. Claudia Madiai

Corso di Ingegneria Geotecnica Sismica

Definizioni

 In senso stretto ‘liquefazione’ è lo stato fisico in cui può venire a trovarsi un terreno sabbioso saturo quando la sua resistenza al taglio si riduce drasticamente per effetto dell’incremento e dell’accumulo delle pressioni interstiziali

 In senso ampio con il termine ‘liquefazione’ si indicano differenti fenomeni fisici (liquefazione ciclica, mobilità ciclica, fluidificazione) molto diversi tra loro, osservati nei materiali granulari saturi durante l’applicazione di carichi dinamici e ciclici in condizioni non drenate

22

(2)

La liquefazione dei depositi e dei pendii durante i terremoti è una delle principali cause di danno ed è perciò uno dei fenomeni più studiati dal punto di vista geotecnico

INTRODUZIONE

punto di vista geotecnico

Lo studio è affrontato a diverse scale e con diversi approcci:

 Osservazione e analisi di ‘casi reali’ hanno evidenziato:

 manifestazioni diverse nei depositi e nei pendii

 siti più predisposti di altri

 verificarsi del fenomeno in relazione alla severità del terremoto

 Indagini in sito e di laboratoriohanno consentito di:

33

 Indagini in sito e di laboratoriohanno consentito di:

 caratterizzare i depositi interessati o meno da fenomeni di liquefazione

 riprodurre il fenomeno in laboratorio mediante prove cicliche

 Analisi teoriche e numerichehanno permesso:

 la modellazione teorica del fenomeno

 la simulazione numerica con verifica dei modelli

Le conoscenze acquisite mediante lo studio alle diverse scale e con i diversi approcci hanno evidenziato che:

è

INTRODUZIONE

 l’occorrenza di fenomeni di liquefazione è legata alla combinazione di fattori ‘predisponenti’ (natura dei terreni) e fattori ‘scatenanti’ (sisma);

in mancanza di uno di tali fattori i terreni non arrivano a liquefazione

 è possibile effettuare affidabili previsioni del rischio di liquefazione e proteggersi dagli effetti distruttivi legati a questo fenomeno con una opportuna scelta dei siti di costruzione e/o con interventi sui terreni e sulle opere di fondazione

e hanno consentito di approfondire i seguenti aspetti:

1. che cos’è la liquefazione e perché accade 2. quando e dove può verificarsi

3. evidenze ed effetti alla scala del manufatto e del territorio 4. come si può valutare il rischio di liquefazione

5. come è possibile mitigarne gli effetti

44

(3)

1. Che cos’è la liquefazione e perché accade

Per capire cos’è la liquefazione occorre esaminare lo stato di sforzo prima e durantelo scuotimento sismico

i l t di l di t

 in un elemento di volume di terreno

 all’interno del deposito

Un terreno granulare saturo è costituito da un insieme di grani a contatto tra loro e da acqua interstiziale

La resistenza è di tipo frizionale, dipende solo dalla tensione media di contatto (’) solo dalla tensione media di contatto ( ) e può essere espressa ad es. dalla relazione di Mohr-Coulomb:

= ’ tg’ = (-u) tg’

(: tensione totale; u: pressione interstiziale)

55

Durante lo scuotimento sismico (carico dinamico e ciclico) si realizzano

1. Che cos’è la liquefazione e perché accade

condizioni non drenate



l’acqua rimane intrappolata nei vuoti e la pressione interstiziale varia di u con conseguente variazione della resistenza al taglio:

= ’ tg’ = (-u-u) tg’

Se la deformazione di taglio indotta Se la deformazione di taglio  indotta dalla sollecitazione è maggiore di _v, la

u media è progressivamente crescente

 la resistenza al taglio può ridursi drasticamente fino ad annullarsi (per

u= ’_iniziale) e il terreno tende a comportarsi come un fluido viscoso

66

(4)

Prima dello scuotimento sismico un generico elemento di volume

1. Che cos’è la liquefazione e perché accade

un generico elemento di volume all’interno di un deposito è soggetto, rispettivamente sui piani orizzontale e verticale, agli sforzi normali efficaci '_ve ’_hnonché ad eventuali sforzi di taglio _D (driving stresses)

(parte della resistenza disponibile in

v

D (parte della resistenza disponibile in direzione orizzontale e verticale è mobilitata per contrastare gli sforzi di taglio _D)

h

77

Durante il terremoto l’elemento di volume è soggetto a sforzi

i ti i di t li lt ti

1. Che cos’è la liquefazione e perché accade

aggiuntivi di taglio alternati _cyc Tali sforzi inducono nei terreni sciolti la tendenza ad una diminuzione di volume che, essendo impedita (condizioni non drenate), genera un incremento della pressione interstiziale

d d i d ll i id

’v

 D

’h

cyc

’v

cyc

D



’_h

degradazione della rigidezza deformazioni sempre più elevate Sforzi efficaci (e resistenza) si riducono e possono giungere ad annullarsi  il terreno si

comporta come un fluido viscoso

max

u

t

cyc



t

88

(5)

Effetti della perdita di resistenza del terreno per liquefazione

' ' n o , f f

) u (





 

   ^ ^' _sforzo^resistenza_efficace^al_iniziale^taglio^iniziale

n o , f



 Nell’ipotesi che valga il criterio 

di rottura di Mohr-Coulomb:

Ribaltamento di edifici

n

rottura di giacitura alla normale

Ribaltamento e spostamento laterale di opere di sostegno

Movimenti franosi

99

Fenomeni inclusi nel termine’ liquefazione’

_D= sforzo di taglio statico prima del terremoto

_r= resistenza al taglio non drenata residua

1. Che cos’è la liquefazione e perché accade

r g

’m= tensione efficace media



_r



_D

Fluidificazione



_r

_D

 

sforzo statico prima

sforzo statico prima del terremoto

Mobilità ciclica

’_m 0



_r

_D

 



_r



_D

sforzo statico prima del terremoto



_r

 0  



_r



_D0 Liquefazione

ciclica

’_m 0

10 10

(6)

Fenomeni e severità del danno

1. Che cos’è la liquefazione e perché accade

Liquefazione ciclica (cyclic liquefaction)

Assenza di sforzi di taglio necessari per l’equilibrio statico(p.c. orizzontale e assenza di carichi in superficie) Non produce danni

Mobilità ciclica (cyclic mobility)

Sforzi di taglio necessari per l’equilibrio statico inferiori alla resistenza al taglio dopo il terremoto Deformazioni permanenti limitate,

t ti l t li di ti tt ti

11 11

spostamenti laterali, cedimenti, smottamenti Fluidificazione (flow liquefaction)

Sforzi di taglio necessari per l’equilibrio statico superiori alla resistenza al taglio dopo il terremoto Deformazioni permanenti elevate,

collassi di fondazioni e opere di sostegno, frane

 La liquefazione ciclica è un caso particolare di mobilità ciclica

 E’ importante soprattutto perché i metodi di previsione della

l f f f

1. Che cos’è la liquefazione e perché accade

liquefazione fanno riferimento a questo caso

Superficie libera

cyc



’h

’_v

’h

’v

cyc

 

t

cyc

cyc

12 12

(7)

2. Quando e dove può verificarsi la liquefazione

La liquefazione è influenzata da:

CARATTERISTICHE

 comportamento contraente o dilatante, funzione dello stato di addensamento(D_r, e) e della pressione media efficace di confinamento (₀)

 distribuzione granulometrica (D₅₀, Uc, CF)

 storia tensionale(OCR)

 grado di saturazione(S_r)

 condizioni di drenaggio(impedito o semimpedito, ad es. dalla CARATTERISTICHE

DEL TERRENO

13 13 condizioni di drenaggio(impedito o semimpedito, ad es. dalla presenza di stati drenanti intercalati ai terreni liquefacibili)

 sforzi di taglio statici preesistenti e resistenza residua(_D,_r) CARATTERISTICHE

DELLA AZIONE

SISMICA  ampiezza dello sforzo di taglio ed inversione degli sforzi

La liquefazione generalmente avviene quando sono verificate simultaneamente le seguenti condizioni:

2. Quando e dove può verificarsi la liquefazione

Condizioni del terreno : (fattori predisponenti,

influiscono su ’_iniziale) Profondità dello strato < 15÷20 m dal p.c.

Profondità della falda < 5 m Densità relativa D_r< 60 %)

Diametro medio 0.02 mm < D₅₀< 2 mm

Condizioni sismiche : (fattori scatenanti,

influiscono su u) Magnitudo > 5.5 PGA > 0.15 g durata > 15-20 sec

Frazione di fini (< 0.005 mm) < 15%

14 14

(8)

CASO M D_r (%)

a_max (g)

durata (s)

Periodo (s)

Lique- fazione

2. Quando e dove può verificarsi la liquefazione

Niigata

(1964) 7.5 53 0.16 40 0.80 Sì

Niigata

(1964) 7.5 64 0.16 40 0.80 Sì

Alaska

(1964) 9.2 50 0.15 180 1 Sì

Alaska

(1964) 9.2 99 0.12 180 1 No

(1964) Tokachioki

(1968) 7.8 80 0.21 45 1 No

Tokachioki

(1968) 7.8 55 0.18 45 1 Sì

S.Fernando

(1971) 6.6 30 0.40 15 0.40 Sì

15 15

Caso M ’₀

(kPa) N_SPT N’ Lique-

fazione Niigata 7.5

64 12 14 No

2. Quando e dove può verificarsi la liquefazione

(1964) 64 12 14 No

Niigata (1964)

7.5 64 6 6.9 Sì

Alaska (1964)

9.2 58 5 5.5 Sì

Alaska (1964)

9.2 76 5 5.5 Sì

Tokachioki Tokachioki

(1968) 7.8 41 14 18 No

Tokachioki

(1968) 7.8 41 6 7.8 Sì

Tokachioki

(1968) 7.8 26 4 5.8 Sì

’0 : tensione efficace media di confinamento

N’ : valore di NSPTcorretto e normalizzato 1616

(9)

osservazione di

‘casi reali’ di liquefazione

2. Quando e dove può verificarsi la liquefazione

CSR

liquefazione

0.2 0.3 q

e non liquefazione

CSR = sforzo di taglio indotto dall’azione sismica (normalizzato rispetto alla pressione litostatica efficace)

(N₁)₆₀

10 20

non liquefazione 0.1

30 (N₁)₆₀= numero di colpi

della STP (corretto e normalizzato)

17 17

2. Quando e dove può verificarsi la liquefazione

terreni suscettibili di liquefazione

18 18

(10)

La liquefazione si può verificare nei seguenti siti:

2. Quando e dove può verificarsi la liquefazione

q p g

 in prossimità di mari, fiumi, laghi, baie, oceani, spiagge, depositi fluviali, estuari, pianure

 aree portuali

 depositi sabbiosi olocenici e pleistocenici sciolti con falda molto superficiale (H < 5m)

prima durante

19 19

Le manifestazioni associate alla liquefazione sono numerose e molto varie:

3. Evidenze ed effetti in sito

 crateri, vulcanelli, fuoriuscite di acqua e sabbia

 grandi oscillazioni e rotture del terreno

 abbassamenti e sollevamenti del terreno

 movimenti orizzontali del terreno (lateral spreading)

 movimento di masse fluide / collasso in pendii naturali e artificiali

artificiali

 perdita di capacità portante delle fondazioni

 galleggiamento di opere sotterranee

 collasso di opere di sostegno e banchine portuali

20 20

(11)

Liquefazione ciclica - deposito sabbioso omogeneo

Getti d’acqua e sabbia (dissipazione delle pressioni

3. Evidenze ed effetti in sito

crateri

cedimenti interstiziali in eccesso)

prima durante dopo

particelle di sabbia sciolta a contatto tra loro

(> 0)

perdita dei contatti per accumulo di u

fino a che   0

dissipazione di u, recupero dei contatti, addensamento

delle particelle

21 21

Getti d’acqua e sabbia

Liquefazione ciclica - deposito sabbioso con copertura di terreno non liquefacibile

3. Evidenze ed effetti in sito

Getti d acqua e sabbia (dissipazione delle pressioni

interstiziali in eccesso)

Vulcanelli di sabbia

Terreno sabbioso Terreno non

liquefacibile

cedimenti

prima durante dopo

22 22

(12)

Schemi di manifestazioni di liquefazione ciclica

Cratere (vent) Sabbia NS

3. Evidenze ed effetti in sito

Strato NL

Avvallamenti

Cratere con acqua Sabbia NS

Sabbia NS

Cratere con riempiment o

Sabbia SL

manifestazioni associate a grandi oscillazioni

Rotture Sabbia SL

Strato NL Sabbia SL

Strato NL Graben

andBoil_110104.mo

Vulcanelli di sabbia (sand boils)

Vulcanelli di sabbia convessi

NL= non liquefacibile NS = non satura SL = satura liquefacibile

23 23

Fessure di sabbia Sabbia SL

Crateri e vulcanelli

Loma Prieta, California, 1989 - M=7.1

24 24

(13)

Crateri e vulcanelli

Emilia Romagna, 2012 - M=5.9

25 25

Testimonianza storica del terremoto di Rimini, 1875 - M=5.7 ,

26 26

(14)

Rotture del terreno/fuoriuscite di acqua e sabbia

Taiwan, 1999 - M=7.6

27 27

Taiwan, 1999 - M=7.6

28 28

(15)

Fuoriuscite di acqua e sabbia / formazione di laghi

Kokaeli, Turkey, 1999 - M=7.6

29 29

Fuoriuscite di acqua e sabbia

30

Niigata, Japan, 2004 - M=6.8 30

(16)

Fuoriuscite di acqua e sabbia

31 31

32 32

(17)

Schemi di manifestazioni di mobilità ciclica

3. Evidenze ed effetti in sito

grandi oscillazioni e rotture del terreno

abbassamenti e sollevamenti del terreno

33 33

Abbassamenti e sollevamenti del terreno

34 34

(18)

Abbassamenti e sollevamenti del terreno

35 35

Emilia Romagna, 2012- M=5.9

Abbassamenti del terreno

Niigata, Japan, 2004 - M=6.8

36 36

(19)

Abbassamenti del terreno

Kocaeli , Turkey, 1999 - M=7.6

37 37

Schemi di manifestazioni di mobilità ciclica

3. Evidenze ed effetti in sito

movimenti orizzontali del terreno (lateral spreading)

38 38

(20)

Lateral spreading

39 39

Movimento di grandi masse dovuto a lateral spreading

Tipico profilo dei terreni ad Adapazari, Turkey

40 40

(21)

Lateral spreading

41 41

Emilia Romagna, 2012- M=5.9

Schemi di manifestazioni di fluidificazione

3. Evidenze ed effetti in sito

42 movimento di masse fluide/collasso in pendii naturali e artificiali 42

(22)

Movimento di masse fluide e collasso di

pendii naturali

A h Al k 1964

Anchorage, Alaska, 1964 - M=9.2

43 43

Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali

S. Fernando, California, 1971- M=6.6

44 44

(23)

Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali

Meccanismo relativo al crollo della diga di S. Fernando

45 45

Schemi di manifestazioni di fluidificazione

3. Evidenze ed effetti in sito

perdita di capacità portante delle fondazioni

collasso di opere di sostegno e banchine

46 46

(24)

Perdita di capacità portante delle fondazioni

47 47

Perdita di capacità portante

delle fondazioni

48 48

(25)

Perdita di capacità portante

49 49

Galleggiamento di manufatti

Kobe, Japan, 1995 - M=6.9

S. Francisco, California, 1906 - M=7.9

50 50

(26)

51 51 Strutture fuori terra  sprofondamento

Manufatti interrati  galleggiamento

Spostamento orizzontale e collasso di una banchina portuale

Kobe, Japan, 1995 - M=6.9

52 52

(27)

Casi in cui si può escludere la liquefazione

In base al D.M. 14.01.2008 la liquefazione si può escludere qualora sia verificataalmeno unadelle seguenti condizioni:

4. Come si valuta il rischio di liquefazione

sia verificata almeno unadelle seguenti condizioni:

1. Eventi sismici di magnitudo inferiore a 5

2. Accelerazioni massime al piano campagna in condizioni free-field minori di 0,1 g

3. Profondità media stagionale della falda superiore ai 15 m dal piano campagna (per p.c. suborizzontale e strutture con fondazioni superficiali) 4. Sabbie pulite caratterizzate da (N₁)₆₀>30 oppure q_c1N>180, essendo

(N ) i tti t il l d l di l i d SPT d ll

(N₁)₆₀ e q_c1Nrispettivamente il valore del numero di colpi da SPT e della resistenza di punta da CPT, normalizzati e corretti

5. Distribuzione granulometrica esterna a determinate fasce critiche

Altri criteri di esclusione possono essere stabiliti sulla base del contenuto di fine FC (frazione passante al setaccio 200 ASTM - 0.0074 mm) e delle sue caratteristiche, ad es:

 FC > 20% con indice di plasticità I_P> 10%; oppure:

 FC>35% e resistenza (N₁)₆₀> 20 oppure FC> 5% e resistenza (N₁)₆₀> 25

53 53

Fasce critiche (coefficiente di uniformità Uc < 3.5)

Casi in cui si può escludere la liquefazione

4. Come si valuta il rischio di liquefazione

40 50 60 70 80 90 100

sante, p (%)

Limo Sabbia Ghiaia

Elevata possibilità di liquefazione

0 10 20 30 40

0.001 0.01 0.1 1 10 100

diametro, d (mm)

pass

Possibilità di liquefazione (curve D.M. 14.01.2008)

Uc < 3.5

54 54

(28)

Fasce critiche (coefficiente di uniformità Uc > 3.5) Casi in cui si può escludere la liquefazione

4. Come si valuta il rischio di liquefazione

40 50 60 70 80 90 100

sante, p (%)

Limo Sabbia Ghiaia

Elevata possibilità di liquefazione

0 10 20 30 40

0.001 0.01 0.1 1 10 100

diametro, d (mm)

pass

Uc > 3.5 Possibilità di liquefazione

(curve D.M. 14.01.2008)

55 55

Come si può determinare la magnitudo attesa per le verifiche di liquefazione

4. Come si valuta il rischio di liquefazione

Si può fare riferimento al seguente testo guida per la MZS:

Gruppo di lavoro MS, 2008. Indirizzi e criteri per la microzonazione sismica. Conferenza delle Regioni e delle Province autonome - Dipartimento della Protezione Civile Reperibile al sito:

http://www.protezionecivile.it/

all'interno della sezione "Rischio sismico“

Le indicazioni sono contenute nel § 2.8.2:

Valutazione della magnitudo

56 56

(29)

METODO DELLE ZONE SISMOGENETICHE Zonazione ZS9 1. Se il sito in esame appartiene a una delle 36 zone

sismogenetiche (v. ZS9) si assume come M il g ( ) valore M_wmaxdella zona di appartenenza 2. Se il sito non ricade in alcuna zona sismogenetica

si determinano le minime distanze del sito dalle zone circostanti (R_i) e si calcola M_s(i)= 1+3log(R_i).

Se M_s(i)< M_wmax(i) si assume per la verifica il valore M_wmax(i)più alto fra quelli che soddisfano la relazione precedente

Se M_s(i)> M_wmax(i)si determina M con il metodo di disaggregazione gg g

57 57

METODO DI DISAGGREGAZIONE

Figura 2.8-3 - Valori medi di M per comune, ottenuti a seguito della disaggregazione della pericolosità con periodi di ritorno di 475 anni (elaborazione su dati da Spallarossa e Barani, 2007).

58 58

(30)

905

R (A) 45 k

METODO DELLE ZONE SISMOGENETICHE

ESEMPIO - Si può escludere la verifica a liquefazione?

R₉₁₇(A) R₉₁₂(A)

R₉₀₅(B)

R₉₁₂(B) B A

R₉₁₂(A)  45 km R₉₁₇(A)  130 km

Ms(912)= 5.96 < 6.14=Mwmax(912)

Ms(917)= 7.34 > 6.14=Mwmax(917)

R₉₁₂(B)  155 km (quindi M=6.14  non si può escludere la verifica nel sito A in base al punto 1 del § 7.11.3.4.2)

R₉₀₅(B)  170 km

Ms(912)= 7.57 > 6.14=Mwmax(912)

Ms(905,906)= 7.69 > 6.60=Mwmax(905)

Per determinare M attesa al sito B si ricorre al METODO DI DISAGGREGAZIONE

59 59

DETERMINAZIONE DELLA MAGNITUDO

ATTESA AL SITO B CON IL

ESEMPIO - Si può escludere la verifica a liquefazione?

CON IL METODO DI DISAGGREGAZIONE

60 60

(31)

DETERMINAZIONE DELLA MAGNITUDO ATTESA AL SITO B CON IL METODO DI DISAGGREGAZIONE

ESEMPIO - Si può escludere la verifica a liquefazione?

M=5.61 (non si può escludere la verifica nel sito B in base al punto 1 del § 7.11.3.4.2 ) 6161

DETERMINAZIONE DELLA ACCELERAZIONE

MASSIMA ATTESA AL

ESEMPIO - Si può escludere la verifica a liquefazione?

MASSIMA ATTESA AL SITO B

ag= 0.057g

 in base al punto 2 del § 7.11.3.4.2 si può escludere la verifica a liquefazione per le categorie di sottosuolo B, C, E (SS,max=1.21.6).

Per la categoria di sottosuolo D si ha

a =0.1g (S =1.8) 6262