Liquefazione dei terreni in condizioni sismichepeople.dicea.unifi.it/clau/13a Liquefazione AA-2012_13.pdf · 1. Che cos’è la liquefazione e perché accade ’m = tensione efficace

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UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI FIRENZEDIPARTIMENTO DI INGEGNERIA CIVILE e AMBIENTALE Sezione Geotecnica

Liquefazione dei terreni in condizioni sismiche

Prof. Ing. Claudia Madiai

INTRODUZIONE

prof. ing. Claudia MadiaiCorso 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 cicliciin 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 laboratorio hanno consentito di:

33

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

Analisi teoriche e numeriche hanno 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 accade2. quando e dove può verificarsi3. evidenze ed effetti alla scala del manufatto e del territorio 4. come si può valutare il rischio di liquefazione5. 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 sforzoprima e durante lo 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 costituitoda un insieme di grani a contatto tra loroe da acqua interstizialeLa resistenza è di tipo frizionale, dipendesolo dalla tensione media di contatto (’)solo dalla tensione media di contatto ( ) e può essere espressa ad es. dallarelazione di Mohr-Coulomb:= ’ tg’ = (-u) tg’

(: tensione totale; u: pressione interstiziale)

55

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



condizioni non drenate l’acqua rimane intrappolata nei vuoti e la pressione interstiziale varia di ucon conseguente variazione della resistenza al taglio: = ’ tg’ = (-u-u) tg’

Se la deformazione di taglio indottaSe 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 sismicoun generico elemento di volume



un generico elemento di volume all’interno di un deposito è soggetto, rispettivamente sui piani orizzontale e verticale, agli sforzi normali efficaci 'v e ’h nonché ad eventuali sforzi di taglio D(driving stresses)(parte della resistenza disponibile in

vD (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



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

maxu

t

cyc

t

88

5

Effetti della perdita di resistenza del terreno per liquefazione

'

'n

o,ff)u(

inizialeefficacesforzo

inizialetaglioalresistenza

'n

o,f

Nell’ipotesi che valga il criterio di rottura di Mohr-Coulomb:


Ribaltamento di edifici

nrotturadigiacituraallanormale

Ribaltamento e spostamento laterale di opere di sostegno

Movimenti franosi

99

Fenomeni inclusi nel termine’ liquefazione’D= sforzo di taglio statico prima del terremotor= resistenza al taglio non drenata residua



r g’m = tensione efficace media

rD

Fluidificazione

r

D

sforzo statico prima

sforzo statico prima del terremoto

Mobilità ciclica’m 0

rD

rD

sforzo statico prima del terremoto

r

D0

rD0

Liquefazione ciclica’m 0

1010

6

Fenomeni e severità del danno



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

1111

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



liquefazione fanno riferimento a questo caso

Superficie libera

cyc

’h

’v

’h

’v

cyc

t

cyc

cyc

1212

7


2. Quando e dove può verificarsi la liquefazione

La liquefazione è influenzata da:

CARATTERISTICHE comportamento contraente o dilatante, funzione dello stato di

addensamento (Dr , e) e della pressione media efficace di confinamento (0)

distribuzione granulometrica (D50, Uc, CF) storia tensionale (OCR) grado di saturazione (Sr) condizioni di drenaggio (impedito o semimpedito, ad es. dalla

CARATTERISTICHE DEL TERRENO

1313

condizioni di drenaggio (impedito o semimpedito, ad es. dallapresenza 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:



Condizioni del terreno :(fattori predisponenti, influiscono su ’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 mm

Condizioni sismiche : (fattori scatenanti, influiscono su u) Magnitudo > 5.5

PGA > 0.15 gdurata > 15-20 sec

Frazione di fini (< 0.005 mm) < 15%

1414

8

CASOM Dr

(%)amax

(g)durata

(s)Periodo

(s)Lique-fazione



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

1515

Caso M ’0(kPa) NSPT N’

Lique-fazione

Niigata 7.564 12 14 No



(1964)64 12 14 No

Niigata(1964)

7.564 6 6.9 Sì

Alaska(1964)

9.258 5 5.5 Sì

Alaska(1964)

9.276 5 5.5 Sì

TokachiokiTokachioki(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 confinamentoN’ : valore di NSPT corretto e normalizzato 1616

9

osservazione di ‘casi reali’ di liquefazione



CSR

liquefazione

0.2

0.3

qe non liquefazione

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

(N1) 6010 20

non liquefazione0.1

30

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

1717



terreni suscettibili di liquefazione

1818

10

La liquefazione si può verificare nei seguenti siti:



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

1919

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 artificialiartificiali

perdita di capacità portante delle fondazioni

galleggiamento di opere sotterranee

collasso di opere di sostegno e banchine portuali

2020

11

Liquefazione ciclica - deposito sabbioso omogeneoGetti d’acqua e sabbia

(dissipazione delle pressioni



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 particelle2121

Getti d’acqua e sabbia


Liquefazione ciclica - deposito sabbioso con copertura di terreno non liquefacibile


Getti d acqua e sabbia(dissipazione delle pressioni

interstiziali in eccesso)

Vulcanelli di sabbia

Terreno sabbioso

Terreno non liquefacibile

cedimenti

prima durante dopo

2222

12

Schemi di manifestazioni di liquefazione ciclicaCratere (vent)

Sabbia NS



Strato NL

Avvallamenti

Cratere con acqua

Sabbia NS

Sabbia NS

Cratere con riempimento

Sabbia SL

manifestazioni associate a grandi oscillazioni

Rotture

Sabbia SL

Strato NL

Sabbia SL

Strato NL

GrabenandBoil_110104.mo

Vulcanelli di sabbia (sand boils)

Strato NL

Sabbia SL

Strato NL

Sabbia SLVulcanelli di sabbia convessi

NL= non liquefacibileNS = non satura SL = satura liquefacibile

2323

Fessure di sabbia

Sabbia SL

Strato NL

Sabbia SL

Crateri e vulcanelli


Loma Prieta, California, 1989 - M=7.1

2424

13

Crateri e vulcanelli


Emilia Romagna, 2012 - M=5.9

2525


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

2626

14

Rotture del terreno/fuoriuscite di acqua e sabbia


Taiwan, 1999 - M=7.6

2727



Taiwan, 1999 - M=7.6

2828


15

Fuoriuscite di acqua e sabbia / formazione di laghi


Kokaeli, Turkey, 1999 - M=7.6

2929


Fuoriuscite di acqua e sabbia

3030Niigata, Japan, 2004 - M=6.8

16

Fuoriuscite di acqua e sabbia


3131





3232

17


Schemi di manifestazioni di mobilità ciclica3. Evidenze ed effetti in sito

grandi oscillazioni e rotture del terreno

abbassamenti e sollevamenti del terreno3333

Abbassamenti e sollevamenti del terreno



3434

18

Abbassamenti e sollevamenti del terreno


3535

Emilia Romagna, 2012- M=5.9

Abbassamenti del terreno


Niigata, Japan, 2004 - M=6.8

3636

19

Abbassamenti del terreno


Kocaeli , Turkey, 1999 - M=7.63737


Schemi di manifestazioni di mobilità ciclica3. Evidenze ed effetti in sito

movimenti orizzontali del terreno (lateral spreading)

3838

20

Lateral spreading



Movimento di grandi masse dovuto a lateral spreading


Kocaeli , Turkey, 1999 - M=7.6Tipico profilo dei terreniad Adapazari, Turkey

4040

21

Lateral spreading


4141

Emilia Romagna, 2012- M=5.9


Schemi di manifestazioni di fluidificazione3. Evidenze ed effetti in sito

4242movimento di masse fluide/collasso in pendii naturali e artificiali

22

Movimento di masse fluide e collasso di

pendii naturali


A h Al k 1964Anchorage, Alaska, 1964 -M=9.2

4343

Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali


S. Fernando, California, 1971- M=6.6

4444

23

Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali


Meccanismo relativo al crollo della diga di S. Fernando

4545


Schemi di manifestazioni di fluidificazione3. Evidenze ed effetti in sito

perdita di capacità portante delle fondazioni

collasso di opere di sostegno e banchine

4646

24

Perdita di capacità portante delle fondazioni



Perdita di capacità portante delle fondazioni


Kocaeli , Turkey, 1999 - M=7.6

4848

25

Perdita di capacità portante


4949

Galleggiamento di manufatti


Kobe, Japan, 1995 - M=6.9

S. Francisco, California, 1906 - M=7.9

5050

26


5151

Strutture fuori terra sprofondamento

Manufatti interrati galleggiamento

Spostamento orizzontale e collasso di una banchina portuale


Kobe, Japan, 1995 - M=6.9

5252

27

Casi in cui si può escludere la liquefazione

In base al D.M. 14.01.2008 la liquefazione si può escludere qualora sia verificata almeno una delle seguenti condizioni:


4. Come si valuta il rischio di liquefazione

sia verificata almeno una delle 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 qc1N >180, essendo (N ) i tti t il l d l di l i d SPT d ll(N1)60 e qc1N rispettivamente 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 IP > 10%; oppure: FC >35% e resistenza (N1)60 > 20 oppure FC > 5% e resistenza (N1)60 > 25

5353

Fasce critiche (coefficiente di uniformità Uc < 3.5)




40

50

60

70

80

90

100

san

te, 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)

pas

s

Possibilità di liquefazione(curve D.M. 14.01.2008)

Uc < 3.5

5454

28

Fasce critiche (coefficiente di uniformità Uc > 3.5)




40

50

60

70

80

90

100

san

te, 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)

pas

s

Uc > 3.5

Possibilità di liquefazione(curve D.M. 14.01.2008)

5555

Come si può determinare la magnitudo attesaper le verifiche 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

5656

29


METODO DELLE ZONE SISMOGENETICHE Zonazione ZS91. Se il sito in esame appartiene a una delle 36 zone

sismogenetiche (v. ZS9) si assume come M il


g ( )valore Mwmax della zona di appartenenza

2. Se il sito non ricade in alcuna zona sismogeneticasi determinano le minime distanze del sito dalle zone circostanti (Ri) e si calcola Ms(i) = 1+3log(Ri). Se Ms(i) < Mwmax(i) si assume per la verifica il valore Mwmax(i) più alto fra quelli che soddisfano la relazione precedenteSe Ms(i) > Mwmax(i) si determina M con il metodo di disaggregazione gg g

5757


METODO DI DISAGGREGAZIONE


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

5858

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 kmR917(A) 130 kmMs(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 kmMs(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

5959

DETERMINAZIONE DELLA MAGNITUDO ATTESA AL SITO B

CON IL



CON IL METODO DI

DISAGGREGAZIONE

6060

31

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



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



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=1.21.6).

Per la categoria di sottosuolo D si haamax =0.1g (SS,max=1.8) 6262

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