CAPITOLO 5: ANALISI STRUTTURALE 5.1 Analisi delle discontinuità

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 5.2.1), 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.

Rispetto ai precedenti studi sul versante di Costa delle Calde (D’Amato Avanzi et alii, 2003; Canuti P, 2003), è 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

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 queste 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, con i relativi piani medi.

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 abbiano 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).

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. I dati di partenza possono essere inseriti manualmente o meglio possono venire importati direttamente da un qualsiasi altro foglio di lavoro (es. Windows Excel). Possono inoltre essere aggiunte altre colonne (Extra Columns) che portano informazioni utili per esempio sulla spaziatura, sulla rugosità della superficie, sulla tipologia di frattura o sulla famiglia di discontinuità a cui appartiengono. Il formato dell’orientazione è di default in Dip/Dip Direction, ma può essere modificato da Setup→Job Control→Global Orientation Format scegliendo tra Strike/Dip Right, Strike/Dip Left e Trend/Plunge. 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 diagramma e selezionando l’opzione ‘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.

Figura 5.6: Esempio di Scatter Plot.

3) Contour Plot: mostra le concentrazioni dei dati con curve di densità.

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 5.8: Esempio di Rosette Plot.

Mediante altri comandi possono essere aggiunti nuovi piani agli stereonet con il comando Select→Add Plane. 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.

5) 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 ‘Set Windows’.

Figura 5.9: Esempio di Major Pole Plot; 1,2 e 3 sono i piani medi di tre sistemi di discontinuità, con i rispettivi poli medi, mentre in rosso è rappresentata una ‘Set windows’ ed il relativo piano medio. In

legenda: Trend/Plunge dei tre sistemi; 1 m: piano medio della ‘Set windows’.

Con il software Dips è possibile avere un sommario (Info Viewer) dei dati di origine e di tutte le operazioni eseguite. Si visualizza con il pulsante cerchiato di rosso nella figura sottostante presente nella barra degli strumenti e può essere copiato o stampato.

Figura 5.10: Visualizzazione su Dips della tabella delle informazioni e degli istogrammi.

Possono inoltre essere creati degli Istogrammi per visualizzare meglio le proprietà dei dati (figura 5.10), ad esempio le fratture possono essere suddivise in base alla rugosità

della superficie. Gli istogrammi possono essere creati dal pulsante evidenziato nella Barra degli strumenti, oppure da File→Create a Chart.

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) e di Marckland (1972), utilizzando gli strumenti presenti nel software 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:

- L’uso di Variability Cones per indicare l’estensione delle famiglie di joints; - Un piano denominato Slip Limit basato sull’angolo di attrito e sull’orientazione

del versante;

- Considerazioni cinematiche.

Prima di tutto occorre disegnare all’interno dello stereonet mostrante i poli, quelle aree (Set Windows) che riescano a racchiudere al meglio tutti i poli di una determinata famiglia di discontinuità, per poi procedere con l’aggiunta del piano che rappresenta l’orientazione del versante (‘pit limit’ nella figura 5.11).

Attraverso la finestra di dialogo degli ‘Edit Sets’ possono essere visualizzati i coni di variabilità (Variability Cones), cioè due aree concentriche intorno ad una distribuzione di poli, i quali rappresentano le Standard Deviation di tale distribuzione. Restituiscono quindi una stima statistica del rischio da ribaltamento per i giunti in questione.

È necessario aggiungere poi un secondo piano, denominato ‘Slip Limit’, avente una Dip Direction uguale a quella del versante e una Dip pari a: Dip Slope – Angolo di attrito.

Variability Cones Set Window

Figura 5.11: Esempio di visualizzazione delle ‘Set Windows’ e dei ‘Variability Cones’ (Dips Tutorial).

Per ultima cosa, è necessario aggiungere un cono da Tools→Add Cones 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).

Figura 5.12: Esempio di analisi per il Ribaltamento (Dips tutorial).

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 del piano del versante per testare la combinazione tra la possibilità cinematica o di attrito per uno scivolamento;

- Considerazioni cinematiche.

A partire dalla finestra di dialogo degli ‘Edit Planes’, può essere visualizzata all’interno dello stereonet una regione a volte circolare, a volte ovale, denominata ‘Daylight Envelope’. A questo punto è necessario aggiungere un cono di attrito (Friction Cone) a partire dal centro dello stereonet sempre con il comando Add Cone, con le seguenti caratteristiche: Trend = 0; Plunge = 90 e Angolo = Angolo di attrito del materiale. I piani di quei poli ricadenti all’interno della regione a mezzaluna formata dall’intersezione tra la zona ovale (Daylight Envelope) e l’area esterna al cono di attrito, possono essere soggetti a scivolamenti planari. Infatti, una discontinuità, per scivolare, deve avere una dip direction simile a quella del versante (± 20°) e una dip inferiore a quella del pendio (affiora lungo il pendio) ma superiore all’angolo di attrito.

Figura 5.13: Esempio di analisi per uno Scivolamento planare (Dips tutorial).

Scivolamento di Cunei. Si verifica quando joints 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 dei piani principali (Major Planes); - Un cono denominato Friction Cone;

- Considerazioni cinematiche.

E’ necessario rendere visibile solamente i piani medi principali e il versante; per ottenere ciò, nella finestra di dialogo Edit Sets, deve essere attivata l’opzione Visibilità per i piani (Major Plane Plot). A questo punto deve essere aggiunto un cono (usando sempre la funzione Tools→Add Cone e cliccando in un punto qualsiasi all’interno dello stereonet) con le seguenti caratteristiche: 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 cono di attrito e dal piano del versante (pit slope). In questo modo, l’orientazione della linea di intersezione è prossima a quella del versante (± 20°), con inclinazione inferiore alla dip del pendio, ma superiore all’angolo di attrito. Nell’esempio sottostante nessun punto cade all’interno dell’area indicata dalla freccia.

Figura 5.14: Esempio di analisi per uno Scivolamento di cunei rocciosi (Dips tutorial).

5.3 Analisi delle discontinuità al Ribaltamento, Scivolamento

Planare e di Cunei Rocciosi all’interno della stazione C

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 verranno presentati i risultati delle analisi cinematiche effettuati all’interno della stazione C, una delle tre stazioni critiche lungo la Strada Provinciale di fondovalle dove affiora interamente il Calcare selcifero della Val di Lima. In queste zone, l’ammasso roccioso si presenta intensamente fratturato, con discontinuità mediamente rugose (prive quindi di una forte componente di attrito che contrasti il movimento), spaziatura ridotta in modo da delimitare blocchi di medie dimensioni e discontinuità aperte con riempimento compatto a grana fine.

Figura 5.15: Particolare di una zona critica lungo la Strada Provinciale, con evidenziato lo scivolamento planare interessante il sistema S1.

Per l’analisi di stabilità è necessario disporre, come precedentemente detto, dell’orientazione della parete del versante in esame e dell’angolo di attrito.

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. I dati raccolti non si discostano molto l’uno dall’altro, per tale motivo è stata presa una giacitura del versante media di 041/73.

Per l’angolo di attrito dell’ammasso roccioso, è stato fatto riferimento ai risultati della classificazione geomeccanica di Bieniawski (1989); tale classificazione permette di ottenere una stima dei valori di

φ

I cinematismi risultanti da tale analisi, verranno analizzati in dettaglio nel Capitolo 7; per l’analisi delle stazioni A e B si rimanda, invece, alla tesi di laurea della collega Valentina Gambicorti.

Figura 5.16: Foto della stazione C, con cerchiati cunei di piccole e medie dimensioni.

All’interno della stazione C sono state prese 165 misure, e si osserva nello stereonet una maggiore abbondanza di dati della quarta famiglia di discontinuità (visibile solo in questa stazione), come era stato riscontrato anche nelle osservazioni di campagna.

Siamo in presenza quindi in questa zona di 4 sistemi di discontinuità. Per tutte le verifiche cinematiche effettuate, è stato aggiunto il piano rappresentante il pendio, di giacitura: 041/73. I poli dei piani di tali sistemi sono stati delimitati dalle apposite aree (Set Windows), i cui piani medi risultano avere le seguenti giaciture:

• S0 = 231/40

• S1 = 029/50

• S2 = 109/68

• S3 = 318/79

A questo punto si può procedere con le considerazioni cinematiche.

Figura 5.18: Verifica al ribaltamento.

Per il ribaltamento, è stato aggiunto il piano del limite di versante (slip limit) di giacitura 041/45 (stessa dip direction del versante e dip = 73°-28°) e un cono di attrito con trend uguale a 131 (41°+90°), plunge = 0 e angle = 60. Per questa stazione, sono risultati ricadere all’interno dell’area a rischio di ribaltamento alcuni poli appartenenti alla stratificazione dell’ammasso So; secondo le indicazioni di Goodman (1980), quindi, tale tipologia di movimento non è da escludere, anche se le osservazioni derivanti dal

rilevamento di campagna, dalle conoscenze geomorfologiche del versante di Costa delle Calde (D’Amato A. G. et alii, 2003) e dalle osservazioni cinematiche condotte tramite le semplici osservazioni del Test di Markland (1972) tendono a non confermare tale ipotesi.

Figura 5.19: Verifica allo scivolamento planare.

Per quanto riguarda lo scivolamento planare, dopo aver tolto sia il piano ‘slope limit’ che il cono di attrito, è stato settata l’opzione ‘daylight envelope’ all’interno delle proprietà del piano rappresentante il pendio, dando così origine ad un’area ovale; successivamente, è stato creato un nuovo cono con le seguenti caratteristiche: trend pari a zero, plunge di 90 e angolo di 28° (angolo di attrito utilizzato nell’analisi). Nell’area indicata dalla freccia all’interno della figura 5.19 ricadono tutti i poli appartenenti al sistema di discontinuità S1.

C B

A

Figura 5.20: Verifica allo scivolamento di cuneo.

Per l’analisi dei cunei di scivolamento, è necessario visualizzare solo i piani. Il cono di attrito precedente viene sostituito con un altro dalle seguenti caratteristiche: trend = 0, plunge = 90, angle = 62 (90°-28°). Si può osservare come l’introduzione di un terza discontinuità abbia creato all’interno della rappresentazione stereografica tre cunei ricadenti all’interno dell’area gialla (cuneo A: dato dall’intersezione tra S1 e S2; cuneo B:

S2-S3; cuneo C: S1-S3), molto vicini tra loro.

Questo rende la probabilità che si originino dissesti per lo scivolamento di cunei rocciosi molto elevata in questa zona del tratto stradale preso in esame con tali studi di cinematica.

Se si effettua una sezione molto schematica perpendicolare al versante, è possibile osservare la stratificazione, il sistema di discontinuità S1 e la linea lungo la quale scivola

il cuneo dato dall’intersezione tra i sistemi di discontinuità S1-S2-S3 (per comodità può

essere considerato un cuneo medio centrale tra i tre cunei visualizzati nella figura 5.20 e quindi una linea di scivolamento media), come mostrato nella figura 5.21. La linea di intersezione verde e il piano S1 arancione sono liberi di scivolare, avendo un’inclinazione

inferiore a quella del pendio (73°) ma superiore all’angolo di attrito (28°) e una dip direction prossima a quella del versante stesso. La linea di intersezione è visibile in quanto giace sul piano della sezione.

Sezione

Figura 5.21: Sezione schematica trasversale al pendio.

Le relazioni, quindi, tra le spaziature delle discontinuità e la loro giacitura, in relazione all’orientamento del versante, consolidano la presenza di tali cinematismi.

In conclusione, l’analisi tramite Dips all’interno della stazione C, ha messo in evidenza la possibilità del verificarsi di uno scivolamento planare del sistema di discontinuità S1 e

di scivolamenti di cunei dati dall’intersezione tra i sistemi S1-S2-S3 (da considerare

comunque un cuneo medio nella parte centrale compresa tra le tre linee di intersezione); è stato interessante, quindi, effettuare una ulteriore verifica e approfondimento di questi due tipi di cinematismi con i programmi di simulazione Rocplane versione 2.0 e Swedge v. 5.0 (Capitolo 7). Infine, i risultati dell’analisi cinematica riguardante il ribaltamento, sembrerebbero ipotizzare il fatto che la stratificazione S0 possa essere incline a tale

indicazioni del Test di Markland, un piano per ribaltare deve avere una dip direction simile a quella del versante, e una dip superiore a quella del versante stesso) e le osservazioni di campagna, portano a non confermare tale supposizione.

All’interno delle stazioni A e B è stato invece riscontrato un cuneo di scivolamento in entrambe dato dall’intersezione S1-S2 (vedi tesi di laurea della collega Valentina