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La liquefazione dei terreni

PRATICANDO LE SCIENZE DELLA TERRA26 gennaio 2018 - Aula 1

Dipartimento di Scienze della TerraSapienza Università di Roma

Federica MaistoDipartimento di Scienze della Terra

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La liquefazione dei terreniPraticando Scienze della Terra




Come funziona la

liquefazione dei terreni?


DEFINIZIONI

In senso stretto ‘liquefazione’ è lo stato fisico in cui può venire atrovarsi un terreno sabbioso saturo quando la sua resistenza al tagliosi riduce drasticamente per effetto dell’incremento e dell’ accumulodelle pressioni interstiziali

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


La liquefazione dei terreni è una delle principali cause di danno ed è perciò uno dei fenomeni

più studiati dal punto di vista geotecnico.


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

1- 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

2- Indagini in sito e di laboratorio hanno consentito di: caratterizzare i depositi interessati o meno da fenomeni di liquefazione riprodurre il fenomeno in laboratorio mediante prove cicliche

3- Analisi teoriche e numeriche hanno permesso: la modellazione teorica del fenomeno la simulazione numerica con verifica dei modelli


E’ possibile effettuare affidabili previsioni del rischio diliquefazione e proteggersi dagli effetti distruttivi legati a questofenomeno con una opportuna scelta dei siti di costruzione e/o coninterventi sui terreni e sulle opere di fondazione !

FENOMENI di LIQUEFAZIONE

FATTORI ‘PREDISPONENTI’

(natura dei terreni)

FATTORI ‘SCATENANTI’

(sisma)


1. Che cos’è la liquefazione e perché si verifica?Per capire cos’è la liquefazione, esaminiamo lo stato di sforzo prima e durante loscuotimento sismico in un elemento di volume di terreno all’interno del deposito

Un terreno granulare saturo è costituitoda un insieme di grani a contatto tra loroe da acqua interstiziale

La resistenza è di tipo frizionale, dipendesolo dalla tensione media di contatto (σ’) epuò essere espressa dalla relazione:

τ=σ’tgφ’ = (σ –u)tgφ’

σ: tensione totaleu: pressione interstizialeφ’: angolo di resistenza al taglio


1. Che cos’è la liquefazione e perché accade?Durante lo scuotimento sismico (carico dinamico e ciclico) si realizzano condizioni nondrenate:

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

τ=σ’tgφ’ = (σ –u- Δu)tgφ’

Se la deformazione di taglio (ϒ)aumenta, la Δu media èprogressivamente crescente.

La resistenza al taglio può ridursidrasticamente fino ad annullarsi (perΔu=σ’INIZIALE) e il terreno tende acomportarsi come un fluido viscoso.


1. Che cos’è la liquefazione e perché accade?Prima dello scuotimento sismico, un generico elemento di volume all’interno di undeposito è soggetto, rispettivamente sul piano orizzontale e verticale, agli sforzi normaliefficaci σ’v e σ’h nonché ad eventuali sforzi di taglio τD (driving stresses)


1. Che cos’è la liquefazione e perché accade?

Durante lo scuotimento sismico, l’elemento di volume è soggetto a sforzi aggiuntivi ditaglio alternati τCYC

Tali sforzi inducono nei terreni sciolti latendenza ad una diminuzione di volume che,essendo impedita (condizioni non drenate),genera un incremento della pressioneinterstiziale

-> degradazione della rigidezza-> deformazioni sempre più elevate

Sforzi efficaci (e resistenza) si riducono epossono giungere ad annullarsi

-> il terreno si comporta come un fluidoviscoso


1. Che cos’è la liquefazione e perché accade?

EFFETTI DELLA PERDITA DI RESISTENZA DEL TERRENO PER LIQUEFAZIONE


1. Che cos’è la liquefazione e perché accade?ALTRI FENOMENI INCLUSI NEL TERMINE «LIQUEFAZIONE»

LIQUEFAZIONE CICLICA (CYCLIC LIQUEFACTION)Assenza di sforzi di taglio necessari per l’equilibrio statico

Non produce danni

MOBILITA’ CICLICA (CYCLIC MOBILITY)Sforzi di taglio necessari per l’equilibrio statico inferiori

alla resistenza al taglio dopo il terremotoDeformazioni permanenti limitate,

spostamenti laterali, cedimenti, smottamenti

FLUIDIFICAZIONE (FLOW LIQUEFACTION)Sforzi di taglio necessari per l’equilibrio statico superiori

alla resistenza al taglio dopo il terremotoDeformazioni permanenti elevate,

collassi di fondazioni e opere di sostegno, frane


2. Quando e dove può verificarsi la liquefazione?

La liquefazione è influenzata da:

1. Caratteristiche del terreno comportamento contraente o dilatante, funzione dello stato di addensamento (Dr, e) e

della pressione media efficace di confinamento (σ’0) Distribuzione granulometrica (D50, Uc, CF) Storia tensionale (OCR) Grado di saturazione (Sr) Condizioni di drenaggio (impedito o semi-impedito, ad es. dalla presenza di stati drenanti

intercalati ai terreni liquefacibili) sforzi di taglio statici preesistenti e resistenza residua (τ D , τ r)

2. Caratteristiche dell’azione sismica Ampiezza dello sforzo di taglio ed inversione degli sforzi


2. Quando e dove può verificarsi la liquefazione

La liquefazione avviene quando sono verificate simultaneamente le condizioni seguenti:

1. Caratteristiche del terreno (fattori predisponenti, Influiscono su σ’INIZIALE)

Profondità dello strato < 15÷20 m dal p.c.Profondità della falda < 5 mDensità relativa Dr < 60 %

Diametro medio 0.02 mm < D50<2 mmFrazione di fini (Φ< 0.005 mm) < 15%

2. Caratteristiche dell’azione sismica (fattori scatenanti, influiscono su Δu)

Magnitudo > 5.5durata > 15-20 sec



CSR= sforzo di taglio indottodall’azione sismica (normalizzatorispetto alla pressione litostaticaefficace)

(N1)60= numero di colpi della STP(corretto e normalizzato)





La liquefazione generalmente si può verificare nei seguenti siti:

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<5 m)


3. Evidenze ed effetti in sito

Le conseguenze e le manifestazioni della liquefazione possono essere molto varie

Crateri, vulcanelli, fuoriuscite di acqua e sabbia Grandi oscillazioni e rotture del terreno Abbassamenti e sollevamenti del terreno Movimenti orizzontali del terreno (lateral spreading) Collasso in pendii naturali e artificiali Perdita di capacità portante delle fondazioni Collasso di sostegno di opere di sostegno e banchine portuali


3. Evidenze ed effetti in sitoCRATERI

particelle di sabbia sciolta a contatto tra loro (σ’>0)

perdita dei contatti per accumulo di Δu fino a che

σ’=0

dissipazione di Δu, recupero dei contatti, addensamento delle

particelle


3. Evidenze ed effetti in sitoVULCANELLI


3. Evidenze ed effetti in sitoROTTURE DI TERRENO/FUORIUSCITE DI ACQUA E SABBIA

Taiwan, 1999 – M=7.6


3. Evidenze ed effetti in sitoCOLLASSO DELLA RETE FERROVIARIA

Taiwan, 1999 – M=7.6Terremoto di Kobe, Giappone, 1995 – M=7.2


3. Evidenze ed effetti in sitoCOLLASSO DELLA BANCHINA

Taiwan, 1999 – M=7.6Taichung Port, Taiwan, 1999 – M=7.6


3. Evidenze ed effetti in sitoABBASSAMENTI DEL TERRENO

Kocaeli, Turkey, 1999 – M= 7.6


3. Evidenze ed effetti in sitoLATERAL SPREADING

Kocaeli, Turkey, 1999 – M= 7.6


EsperimentoCosa serve? • Vaschetta di plastica (ca 20x30 cm)

• Cucchiaio• Sabbia • Martello di gomma• Mattoncino• Pallina da ping-pong• Acqua• Becher graduato


EsperimentoProcedimento

1. Versare la sabbia nella vaschetta, nel nostro bacino, e aggiungere l’acqua, avendocura di compattare la sabbia ed evitando la formazione di «pozzanghere visibili».

2. Con il cucchiaio scavare un foro nella sabbia e posizionare la pallina da ping-pong alsuo interno.

3. Ricoprire la pallina da ping-pong, appiattendo e levigando la sabbia affinchè lapallina non si veda.

4. Prendere il mattoncino e posizionarlo sulla sabbia, premendo leggermente per farloaderire meglio sul sedimento. Notare che questo non affonda.

5. Stendere una piccola quantità di sabbia sulla superficie per dare l’idea di un terrenoasciutto.

6. Prendere il martello e dare dei colpi, gentilmente e ripetutamente, sul un lato dellavaschetta.


Esperimento

Cosa succede alla sabbia? Cosa succede al mattoncino?

Cosa succede alla pallina da ping-pong?


EsperimentoCosa sta succedendo?

Terreno stabile Terreno liquefatto

Terricciosuperficiale


Gli edifici sono in posizione stabile

Gli edifici affondano e crollano a causa della diminuzione

della resistenzaAumentano gli spazi tra i granuli e quindi

il terreno si comporta come un fluido

I granuli si sostengono a vicenda. Gli spazi sono riempiti

da acqua interstiziale


EsperimentoCosa sta succedendo?

Terreno stabile Terreno liquefatto



Gli edifici sono in posizione stabile

Gli edifici affondano e crollano a causa della diminuzione

della resistenzaAumentano gli spazi tra i granuli e quindi

il terreno si comporta come un fluido

I granuli si sostengono a vicenda. Gli spazi sono riempiti

da acqua interstiziale

Grazie per l’attenzione!

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