- Protezione Civile Regione Campania

Regione Campania. Scuola regionale di Protezione Civile.
Corso di addestramento per i tecnici del presidio territoriale
Monitoraggio e sistemi di
preannuncio per le frane
(early warning)
Prof. Ing. Gianfranco Urciuoli
Dipartimento di Ingegneria Civile, Edile e
Ambientale – Università degli Studi di
Napoli Federico II
Napoli. Palazzo Armieri
Caratteri cinematici delle frane.
Classificazione di Cruden e Varnes
Tipologia
Estremamente
rapido
5 m/s
Molto rapido
3 m/min
Crolli
Perdita vite umane
Velocità
Crolli di roccia
Ribaltamenti
Scorrimenti
Colamenti
Colate
Colatedidifango
fango
Ribaltamenti di
roccia
Scorr.traslativi
Colate di detrito
Rapido
1.8 m/h
13 m/mese
Lento
1.6 m/anno
Molto lento
Danni a beni immobili
Moderato
Colate di terra
Scorr.rotazionali
Soliflussi
16 mm/anno
Estremamente
lento
Le frane molto ed estremamente rapide
costituiscono una minaccia per la vita umana
Meccanismi e velocità
(m/s)
Propagazione
Estremamente
rapido
7
Tipo di frana
Morfologia
Valanghe di detrito e colate di fango,
Pendio molto acclive,
Fino ad colate di detrito e di materiali a grana medio-grossa
5 m/s
5
Molto rapido
alcuni km
ambiente montano,
reticolo di drenaggio
Fino a Colate di detrito e di materiali a grana medio-grossa,
inciso
qualche km crolli di roccia, scivolamenti in roccia,
6
-2
3 m/min
5*10
1.8 m/h
5*10-4
o alcuni hm colate di fango in terreni a grana medio-fina
Rapido
5
Colate rapide di argilla,
Moderato
4
13 m/mese
5*10-6
Alcuni hm ribaltamenti
3
1.6 m/anno
-8
5*10
Molto lento
2
1
16 mm/anno
-10
5*10
Pendio acclive o mediamente
acclive
Qualche hm Colate di argilla,
scivolamenti traslativi di neo-formazione in terreni
o alcuni dam consistenti
Lento
Colate di argilla, scivolamenti rotazionali di
Pendio mediamente acclive
neo-formazione, scivolamenti traslativi di neo-formazione
o poco acclive,
In argille
ambiente collinare
Scorrimenti rotazionali e traslativi su superfici di
Pendio poco acclive
Qualche dam
Qualche m taglio esistenti
Estremamente
Scorrimenti traslativi su superfici di taglio esistenti,
lento
soliflussi, espansioni laterali in argilla, movimenti
gravitativi profondi
grossa
Velocità
Situazioni varie
Terreno a granulometria fine
Descrizione
detrito di roccia o blocchi
Caratteri cinematici
Ammasso roccioso
Classe
Tabella 1. Frane e caratteri cinematici tipici (classifica di Cruden e Varnes, 1996, integrata)
Estremamente
rapido
5 m/s
Molto rapido
3 m/min
Perdita vite umane
Interazione con i beni antropici
Le frane molto rapide ed
estremamente rapide sono dotate di
ampia capacità di propagazione sul
versante (I).
Sono minacciati i manufatti fondati sul corpo di
frana, ma anche quelli nella zona pedemontana.
Rapido
Moderato
13 m/mese
Lento
1.6 m/anno
Molto lento
16 mm/anno
Estremamente
lento
Danni a beni immobili
1.8 m/h
In questo intervallo di velocità le frane hanno
caratteristiche intermedie fra i meccanismi I e II.
Le frane lente e molto lente sono
dotate di modesta capacità di
propagazione (II).
Sono minacciati i soli manufatti
fondati sul corpo di frana.
Danni indotti da frane di modesta velocità e mobilità
Effetto degli spostamenti orizzontali sui manufatti (1)
tempo
andamento reale
II
stabilizzazione
collasso
spostamenti pre-rottura
Sui pendii non acclivi, è agevole insediare varie
forme di urbanizzazione, anche in presenza di
fenomeni di instabilità. Capita infatti che vi siano:
- infrastrutture (strade, acquedotti, …) che, per la
loro continuità, devono necessariamente attraversare
corpi di frana;
- insediamenti abitativi costruiti in zone instabili, non
riconosciute come tali ( ad esempio per insufficienza
di studi e/o di indagini).
In tale contesto morfologico le frane più diffuse sono
quelle riattivate, cioè formatesi in passato (remoto o
recente), ma non ancora stabilizzate per effetto degli
spostamenti subiti. In genere si tratta di scorrimenti
rotazionali o traslativi e colamenti che coinvolgono
terreni a grana fine, soggetti a rimobilitazione con
tempi di ritorno dell’ordine degli anni o della decina
di anni.
Anche gli spostamenti precedenti il collasso o la
riattivazione possono determinare gravi danni ai
manufatti fondati sul corpo di frana.
I
fase pre-rottura
Le frane possono evolvere verso il
collasso, con spostamenti crescenti,
o verso la stabilizzazione naturale.
Effetto degli spostamenti orizzontali sui manufatti (2)
In caso di frane meteo-indotte la permeabilità
regola la velocità con cui le pressioni neutre
nel sottosuolo si adeguano alla condizione
idraulica al contorno.
La risposta è rapida nei terreni permeabili, in
cui risultano critiche le piogge intense di
breve durata.
Frane meteo-indotte nei terreni a grana fine
Effetto di piogge cumulate su mesi
I terreni a grana fine, a causa della loro
bassa
permeabilità
rispondono
lentamente e con ritardo agli eventi
meteorici (le pressioni neutre nel
sottosuolo aumentano lentamente nel
tempo) in quanto l’infiltrazione è
modesta anche in periodi di piogge
intense.
Le rimobilitazioni di frane in terreni a
grana fine avvengono essenzialmente a
seguito di piogge prolungate, piuttosto
che intense.
Risposta cinematica lenta
Possibili misure di salvaguardia
per la popolazione
Le velocità di spostamento sono
modeste, in quanto sono conseguenza di
un peggioramento delle condizioni di
stabilità che a sua volta è lento.
Spostamenti del piano fondale
Nei pendii instabili costituiti da terreni a grana
fine il danno è essenzialmente di tipo
patrimoniale e riguarda i manufatti; in genere
si manifestano segni premonitori (lesioni negli
edifici) che consentono di abbandonare l’area
in tempo utile per evitare perdite di vite umane.
Responsabili dei danni funzionali e strutturali
ai
manufatti
sono
gli
spostamenti
differenziali del piano di posa (verticali ed
orizzontali). Tali spostamenti si possono
suddividere in una parte dovuta a moto rigido
ed un’altra dovuta a deformazione della
struttura di fondazione.
Configurazione iniziale della fondazione
Risposta cinematica lenta
Persone
Immobili
Possibile evacuazione
Rotazione rigida
Danni funzionali
Danni strutturali
Rotazione rigida e deformazione
Spostamenti differenziali del piano fondale
struttura
A
fondazione
wAB
B
Nel caso in cui il piano di posa del
manufatto subisce solo spostamenti
rigidi non insorgono nella fondazione,
e di conseguenza nella struttura in
elevazione, caratteristiche passive della
sollecitazione.
A
wAB
wdif
B
Sono responsabili delle caratteristiche
passive della sollecitazione, e quindi dei
danni sia alla fondazione che alla
struttura in elevazione, gli spostamenti
di natura deformativa wdif.
Nel caso di cedimenti fondazionali dovuti ai carichi del manufatto l’interazione fra la
distribuzione dei carichi ed i cedimenti, può condizionare (in maniera benefica) gli
stessi cedimenti. Gli spostamenti imposti dalle frane, ed in generale quelli di natura
areale, dovuti a cause indipendenti dal manufatto non sono condizionati dal
comportamento della struttura.
Danni indotti da frane di elevata velocità e mobilità
I danni ai manufatti ed alle persone nella zona
pedemontana possono derivare da:
• impatto distruttivo,
• invasione di spazi aperti
• allagamento di piani terra e locali interrati.
impatto
allagamento
invasione
strada
Politiche di gestione del territorio
Interventi
di stabilizzazione
Rischio
residuo
Rischio
Manutenzione del territorio
Rischio
livello di rischio
Pianificazione e limitazioni di uso del territorio
R
Gestione del rischio
Pianificazione di emergenza
Monitoraggio/Presidio /
Allerta
strumenti
La ricerca scientifica deve migliorare le misure di gestione del rischio, definendo
modelli di previsione dei possibili scenari di evento e di danno, perché le risorse
disponibili non consentono di abbattere il rischio a livelli di sicurezza sull’intero
territorio mediante interventi di stabilizzazione.
Prevedibilità delle frane
L’innesco delle frane è sempre preceduto da fenomeni precursori (spostamenti,
lesioni del piano campagna, lesioni dei manufatti); pertanto esse possono essere
considerate eventi naturali prevedibili.
Talvolta i precursori si apprezzano a vista e si
manifestano in un tempo sufficientemente lungo da poter
essere percepiti su tutto il territorio senza l’ausilio
strumentale.
Frane lente
Altre volte i precursori sono difficilmente
devono essere oggetto di monitoraggio
successiva elaborazione. Ciò è possibile
innesco delle frane temute sono noti
precisione.
apprezzabili e
strumentale e
se i punti di
a priori con
Crolli di roccia
Quando i precursori sono difficilmente apprezzabili ed il
punto di innesco non è noto, la previsione può essere
basata sull’evoluzione della causa innescante.
Colate di fango
Osservazioni a vista
Controllo spostamenti
Piogge
Per la sicurezza delle comunità
minacciate, la probabilità di
innesco delle frane molto ed
estremamente rapide deve poter
essere quantificata, in relazione ad
uno o più precursori.
Il Monitoraggio dei pendii
Il modello geotecnico del pendio presuppone la conoscenza non solo della stratigrafia
del terreno e dei parametri meccanici ed idraulici di ogni singolo strato, ma anche:
• del regime delle pressioni neutre nel sottosuolo (al fine di calcolare la resistenza
disponibile),
• del campo degli spostamenti superficiali e profondi (al fine di delimitare i corpi di
frana attiva, se presenti).
I corpi di frana sono individuati e
cartografati dal consulente geologo nella sua
relazione, sulla base dell’interpretazione di
foto aeree e osservazioni in sito, e devono
essere oggetto di indagine in fase di analisi e
progettazione.
Il monitoraggio deve essere eseguito avendo
predisposto un piano di monitoraggio in
cui vengono fissate:
 le grandezze da rilevare,
 gli apparecchi di misura ed il loro
posizionamento,
 la frequenza e la durata delle misure.
Le pressioni neutre devono essere
rilevate:
 all’interno del corpo di frana,
 nelle immediate vicinanze,
 nel substrato stabile.
Gli spostamenti devono essere rilevati:
 all’interno del corpo di frana,
 nelle immediate vicinanze,
 a cavallo di fratture di trazione,
 su manufatti fondati sul corpo di frana
o nelle adiacenze.
Grandezze oggetto di monitoraggio e strumenti di misura
Grandezza
Strumenti/Metodi
Spostamenti e
rotazioni
superficiali
Stazione totale, teodolite / Metodi di rilevamento topografico
Estensimetri
Clinometri
Pendoli
Aerei dotati di camera fotografica metrica / Fotogrammetria aerea
Immagini satellite LandSat / Interferometria SAR
Spostamenti e
rotazioni
profondi
Inclinometri
Estensimetri in foro
Strumenti a riflessione (cavi coassiali)
Pendoli in foro
Pressioni neutre
positive
Piezometri a tubo aperto, Casagrande, a corde vibranti, pneumatici
Pressioni neutre negative
Tensiometri, trasduttori a variazione termica
Contenuto di acqua nel
sottosuolo
Sonde TDR (time domain reflectometry)
Tensioni nel sottosuolo
Celle di carico
Fattori climatici
Pluviometri, termometri, barometri, strumenti di rilevazione dell’evaporazione,
dell’altezza dello strato di neve e della sua densità
Accelerazioni sismiche
Accelerometri
Requisiti degli strumenti e delle misure (1)
Campo di misura
Fondoscala (limite superiore del campo di misura dello strumento)
Errore assoluto
(intervallo centrato sulla media
delle misure entro il quale è
statisticamente prevedibile che
ricada la misura; l’ampiezza
dell’intervallo dipende dalla
dispersione delle misure)
Risoluzione
(minima variazione della grandezza
misurata che lo strumento è in grado
di apprezzare, ossia ultima cifra
significativa della misura)
Accuratezza (o esattezza)
(scostamento fra media delle misure e
valore vero della grandezza misurata)
Precisione (o convergenza)
Sensibilità
(limite inferiore del campo
di misura dello strumento)
(rapporto fra errore assoluto e misura:
dipende dalla dispersione delle misure)
Misura
Media delle misure
Valore vero della grandezza
(incognito)
Requisiti degli strumenti e delle misure (2)
Misure precise ed accurate
Misure imprecise ed accurate
Misure precise ed inaccurate
Misure imprecise ed inaccurate
Misura della pressione neutra nei terreni saturi. Piezometri
Le pressioni neutre nel sottosuolo, costituito da
terreno o roccia, possono essere misurate in
modo:
- diretto, con trasduttori elettrici,
- indiretto, rilevando la profondità del livello
d’acqua all’interno di un tubo o di un foro,
rispetto al piano campagna e quindi ricavando
il battente d’acqua sulla presa (altezza
piezometrica) e da esso la pressione dell’acqua
nella presa, assunta pari alla pressione neutra
nel terreno circostante.
In entrambi i casi le attrezzature, che possono
presentare schemi di funzionamento semplici o
piuttosto sofisticati, prendono il nome di
centralina
tubo
profondità
livello
acqua
cavo elettrico
altezza
piezometrica
trasduttore
piezometri.
Scelto opportunamente il tipo di piezometro, in relazione al terreno ed al problema in
esame, la misura della pressione neutra può ritenersi sufficientemente accurata per la
valutazione delle tensioni efficaci nel sottosuolo e quindi della resistenza dei terreni e
della stabilità del pendio.
Elementi principali dei tubi piezometrici ed installazione
opera deve essere preceduta da un accurato lavaggio del foro.
tampone
impermeabile
riempimento
tampone
impermeabile
filtro
tratto di misura
Il piezometro consiste in un tubo di pvc disposto all’interno di
un foro di perforazione, sfinestrato o comunque dotato di una
presa nel tratto destinato a consentire l’ingresso di acqua (tratto
di misura).
Lungo l’intero tratto di misura il tubo è in comunicazione
idraulica col terreno circostante attraverso un filtro di materiale
drenante (sabbia o ghiaia) in cui esso è collocato. Il tratto
drenante deve essere isolato superiormente da un tampone
impermeabile, in modo che la comunicazione idraulica fra
piezometro e falda avvenga unicamente lungo il tratto di misura.
I tamponi impermeabili possono essere realizzati con bentonite,
argilla o altro materiale idoneo e devono essere di altezza
sufficiente ad evitare l’infiltrazione di acque superficiali dal
piano campagna lungo la pareti del foro.
All’atto dell’installazione del piezometro è consigliabile
provvedere alla stabilizzazione delle pareti mediante una
tubazione di rivestimento provvisoria che verrà estratta man
mano che si inserisce nel foro (intorno al piezometro) materiale
drenante. Affinché il piezometro risulti efficiente, la sua posa in
Funzionamento e misure (1)
Una volta eseguita l’installazione, intorno al piezometro si innesca un
fenomeno idrodinamico con flusso di acqua verso il terreno o verso il
piezometro a secondo che il tubo sia stato o meno riempito con acqua
dall’installatore. Il fenomeno prosegue fino a quando il livello di acqua
nel tubo raggiunge l’equilibrio idraulico con la falda circostante
(annullamento del gradiente piezometrico). In effetti poiché le pressioni
neutre nel terreno variano in funzione delle condizioni idrauliche al
contorno il piezometro potrebbe trovarsi sempre o quasi sempre in fase
transitoria.
Ciò premesso la misura della pressione neutra non è immediata in
quanto è legata al moto dell’acqua che deve affluire alla cella
piezometrica, attraverso il filtro poroso.
Il tempo di risposta, cioè il tempo necessario perché il piezometro
raggiunga la condizione di equilibrio idraulico, dipende dalla
permeabilità del terreno e dal tipo di piezometro, precisamente:
• cresce al diminuire della permeabilità,
• diminuisce, se si riduce la quantità di acqua da immagazzinare
all’interno della cavità piezometrica.
Funzionamento e misure (2)
Le letture consistono nella misura della
profondità del livello dell’acqua nel
tubo rispetto al piano campagna; essa
viene eseguita con una sonda elettrica di
tipo acustico (freatimetro).
Il freatimetro è un’attrezzatura costituita
da un cavo che contiene un circuito
elettrico aperto, che si chiude all’atto
della sua immersione in acqua (per
effetto delle proprietà dielettriche
dell’acqua). Il suono emesso alla
chiusura del suddetto circuito segnala
all’operatore la presenza dell’acqua.
Tipi di tubi piezometrici
·
·
·
Piezometri a tubo aperto
Piezometri Casagrande
Piezometri idraulici a circuito chiuso
Piezometro a tubo aperto
Il piezometro a tubo aperto consiste in un tubo
di p.v.c., di diametro sufficiente per consentire il
passaggio della sonda acustica per la misura
della profondità del livello dell’acqua. Il tubo ha
diametro generalmente compreso tra 0.5” e 2”,
in funzione della permeabilità del terreno.
Quando la permeabilità è bassa si sceglie il
diametro minore fra quelli indicati.
chiusino
tappo di
bentonite
materiale di
riempimento
(qualsiasi)
L’intercapedine tra perforazione e tubo, nel
tratto sfinestrato, deve essere riempita con
sabbia.
Il filtro può essere disposto a tutta altezza, nel
caso si abbiano ragionevoli motivi per ritenere
che la falda si trovi in condizioni idrostatiche, o
essere localizzato nel punto di interesse se la
falda è in condizioni idrodinamiche.
Si utilizza per la misura della pressione neutra
in terreni uniformi permeabili (K > 10-5 cm/s).
tappo di
bentonite
riempimento
intercapedine
con sabbia
tratto
perforato
>1m
60 cm
12 m
30 cm
60 cm
a) presa a tutta altezza
b) presa localizzata
Piezometri di Casagrande
La presa è costituita da un cilindro
poroso (con punta chiusa che
impedisce l’ingresso di particelle
solide
durante
l’installazione),
collegato con dei tubi di p.v.c. al
piano campagna.
Si utilizzano due tubi per consentire
il lavaggio del cilindro poroso che,
durante il funzionamento, può essere
parzialmente occluso dalle particelle
fini trasportate dall’acqua.
Il
piezometro
Casagrande
è
utilizzato per la misura della
pressione neutra in terreni poco
permeabili (K > 10-8 cm/s).
Cella Casagrande
(cilindro poroso)
Tubi sfinestrati di
A
un piezometro a tubo aperto
B
Attacco tubi - cella
Bentonite in palline
C
Legenda:
A: elemento filtrante (cella di Casagrande) con pori di diametro di 20 micron,
B: punta conica di resina,
C: raccordo di resina, con due fori filettati da mezzo pollice per l’inserimento dei tubi
piezometrici.
Installazione del
piezometro Casagrande (1)
tubo di plastica rigido, di
diametro interno 11.5
cm e giunti sigillati
chiusino
tappo di
bentonite in
palline: 5 strati
di 8 cm
rivestimento metallico
fino a fondo foro
installazione della
cella e sollevamento
del rivestimento
materiale di
riempimento
(qualsiasi)
tappo di
bentonite in
palline: 5 strati
di 8 cm
sabbia a granulometria controllata
versata nel foro pieno di acqua
cella di Casagrande, diametro
35 cm
40 cm
strato di ghiaia
120 cm
60 cm
60 cm
Il foro viene di solito realizzato con sistema a rotazione e diametro di 165 mm. Per un
buon isolamento idraulico della cella è opportuno, oltre che realizzare il tappo di
bentonite, riempire l’intercapedine fra tubi e perforazione con una miscela di cemento e
bentonite (160 kg di cemento Portland tipo 30, 200 l di acqua, 5 kg di bentonite).
Installazione del piezometro Casagrande (2)
In alcuni casi può essere opportuno
installare più piezometri in un
unico foro per ridurre il numero
delle perforazioni.
I tratti filtranti devono essere
mutuamente isolati con tappi di
bentonite, in maniera tale che non
via sia comunicazione idraulica fra
le celle sovrapposte.
Disporre di almeno due celle
installate sulla stessa verticale è
fondamentale per poter ottenere
informazioni sulla circolazione
dell’acqua nel sottosuolo, quando
il regime è idrodinamico.
chiusino
tappo di
bentonite in
palline: 5 strati
di 8 cm
tappo di
bentonite in
palline: 5 strati
di 8 cm
sabbia a granulometria controllata
versata nel foro pieno di acqua
cella di Casagrande, diametro
35 cm
tubo di plastica rigido, di
diametro interno 11.5 cm
e giunti sigillati
materiale di
riempimento
(qualsiasi)
40 cm
strato di ghiaia
120 cm
60 cm
60 cm
Celle piezometriche
Sono stati sviluppati piezometri (detti celle
piezometriche) che misurano la pressione
direttamente all’interno del foro di sondaggio
tramite un trasduttore di pressione, grazie ai quali
è possibile rinunciare alla comunicazione
idraulica tra la cavità piezometrica e l’esterno. In
tale circostanza non essendovi la necessità che
l’acqua risalga all’interno del tubo piezometrico il
volume di acqua invasato è molto ridotto, a
vantaggio della prontezza. Esistono vari tipi di
celle piezometriche che si differenziano
essenzialmente a seconda del trasduttore
utilizzato: pneumatici, a corda vibrante, elettrici
(a strain gauges).
piezometro
piezometro elettrico
piezometro a corda vibrante
Piezometri a corda vibrante ed elettrici (1)
15-20 cm
traduttore
cavità
I piezometri a corda vibrante e quelli elettrici consistono
in un involucro stagno contenente un trasduttore,
collegato con un cavo alla centralina di acquisizione,
posizionata in superficie. Pertanto non è necessario che la
testa del piezometro sia direttamente accessibile.
Il trasduttore di pressione è alloggiato in una capsula metallica sigillata (carcassa) divisa
in due parti da un diaframma sensibile alla pressione dell’acqua, con cui è a contatto; da
un lato del diaframma c’è una piccola cavità in cui penetra acqua attraverso una piastra
porosa, dall’altro lato c’è il sensore.
camera idraulica diaframma
filtro
sensore
ceramico
acciaio sinterizzato
materiale plastico
carcassa
scheda elettronica
Piezometri a corda vibrante ed elettrici (2)
15-20 cm
traduttore
Il diaframma si deforma; l’inflessione è
proporzionale alla pressione dell’acqua, per cui
una volta misurata la freccia si ottiene, tramite
opportuna taratura, il valore della pressione.
cavità
Nei piezometri a corda vibrante l’inflessione del
diaframma provoca una variazione della tensione di
una corda d’acciaio, tesa tra il diaframma stesso e la
carcassa dello strumento; misurando la frequenza di
oscillazione della corda si risale, tramite una
apposita taratura, alla pressione dell’acqua.
Nel piezometro elettrico viene utilizzata una griglia
di fili elettrici la cui resistenza elettrica varia in
funzione della deformazione meccanica alla quale
sono sottoposti.
Quando la pressione varia, con essa varia la
resistenza del parallelo. La variazione di resistenza
viene trasformata in un segnale elettrico
agevolmente misurabile.
pressione dell’acqua
diaframma
corda vibrante
ponte di Wheastone
Prontezza
Monitoraggio delle grandezze idrauliche nei terreni
parzialmente saturi
Nel caso di pendii costituiti da terreni parzialmente saturi le
grandezze da tenere sotto osservazione sono: la suzione, il
contenuto di acqua nel sottosuolo, le piogge, la temperatura, ed
eventualmente altri fattori climatici, quali la velocità del vento e la
radiazione solare.
Le prime due grandezze sono necessarie a descrivere le condizioni
all’interno del dominio di terreno investigato, le altre sono
funzionali alla valutazione delle condizioni al contorno superiore
(interazione fra acqua del sottosuolo ed atmosfera).
A piano campagna si instaura un complesso fenomeno di
interazione fra l’umidità del sottosuolo e l’atmosfera, regolata
dall’infiltrazione nei giorni di pioggia e dall’evapotraspirazione nei
giorni asciutti ed in particolare soleggiati. Per la definizione
quantitativa di questi fenomeni e quindi dei flussi di acqua e vapore
che attraversano il piano campagna, in un senso o nell’altro, è
necessario registrare le grandezze climatiche di cui si è detto, che si
misurano con una stazione meteorologica.
Nei terreni a granulometria da limo-argillosa a sabbiosa è possibile
eseguire misure di suzione di matrice con tensiometri e di contenuto
di acqua con sonde TDR.
evaporazione
infiltrazione
suzione,
contenuto
di acqua
Tensiometri
I tensiometri commerciali sono strumenti in grado di
misurare la suzione (ma non pressioni neutre
positive) e sono costituiti da un tubo di plastica
riempito di acqua alla cui estremità inferiore è
collocata una piastra ceramica, attraverso la quale il
tubo cede acqua al terreno circostante, fino al
raggiungimento della condizione di equilibrio (in
questa condizione la suzione nella piastra ceramica è
uguale a quella nel terreno circostante). La suzione
viene misurata attraverso un vacuometro posto
all’estremità superiore del tubo. I tensiometri,
poiché cedono acqua al terreno, tendono a
desaturarsi nel giro di alcuni giorni o al più di
qualche settimana, per cui devono essere
accuratamente manutenuti. Ciò rappresenta un
problema abbastanza rilevante perché, soprattutto
quando si allestisce un sito strumentato con misura
automatica dei dati, si tende a non inviare
frequentemente personale sul sito.
Sonda TDR
Da qualche anno sono ormai diffuse le
sonde TDR per la misura del contenuto
d’acqua nel sottosuolo, che consistono
in un gruppo di aghi metallici (di solito
3) sostenute da un supporto. Gli aghi
sono attraversati da un impulso
elettrico che parte da uno di essi,
attraversa il terreno e ritorna attraverso
gli altri, misurando la costante
dielettrica del terreno, che dipende dal
contenuto di acqua; ovviamente è
necessario disporre di una relazione di
taratura ad hoc fra contenuto di acqua
del terreno e costante dielettrica.
Spesso si fa riferimento ad una curva
di taratura standard, ma ciò
ovviamente può condurre ad errori di
misura non del tutto trascurabili.
Frequenza e durata delle misure
Le pressioni neutre nei pendii seguono un andamento stagionale ed attingono i
massimi livelli durante o al termine dei periodi più piovosi, ovvero alla fine
dell’inverno o all’inizio della primavera. Per questo motivo sarebbe opportuno
rilevare almeno due inverni successivi; spesso le esigenze della progettazione
impongono campagne di monitoraggio più brevi.
E’ inutile eseguire misure molto frequenti con intervalli più brevi del tempo di
risposta, per cui la frequenza delle misure dipende dal terreno e dal tipo di
piezometro. In terreni a grana fine è consigliabile eseguire misure settimanali o
quindicinali nel periodo che va dall’autunno all’inizio della primavera e quindicinali
o mensili nel resto dell’anno.
0,0
-2,0
-4,0
PIV sup. [3.1m]
PIV inf. [12.0m]
-6,0
-8,0
-10,0
-12,0
-14,0
1/6
28/11
1991
26/5
1992
22/11
21/5
17/11
1993
16/5
12/11
1994
11/5
7/11
1995
5/5
1996
1/11
30/4
27/10
1997
25/4
1998
Stabilità dei Pendii
Relazione piogge - frane
L’infiltrazione di acqua piovana nel sottosuolo provoca:
• un aumento delle pressioni neutre in terreni saturi, con diminuzione delle tensioni
effettive;
• un aumento del grado di saturazione nei terreni parzialmente saturi, con diminuzione
della coesione apparente.
In entrambi i casi l’effetto è una diminuzione della resistenza del terreno.
Nei terreni di permeabilità modesta sono più gravose le piogge durature; nei terreni di
permeabilità media – elevata sono più gravose le piogge intense anche se di breve
durata.
Ovviamente sono possibili combinazioni intermedie che possono comunque determinare
situazioni molto gravose per la resistenza del terreno e quindi per la stabilità dei pendii.
I maggiori disastri sono conseguenza di piogge:
• di breve durata (alcune ore), ma intense;
• di media durata (alcuni giorni) che culminano in un evento più intenso.
Stabilità dei Pendii
Effetto delle piogge in coltri di terreno superficiali
L’effetto dell’infiltrazione di acqua
piovana
si
risente
piuttosto
rapidamente, attraverso i meccanismi
prima descritti, negli strati più
superficiali del terreno.
Johnson & Sitar, 1990
0
ore
190
La figura accanto mostra come, in
risposta ad un evento piovoso, l’altezza
piezometrica cresce di più e più
rapidamente nei punti più prossimi al
p.c.
Perché l’effetto della pioggia si risenta
alla profondità di qualche metro è
necessario un intervallo di tempo di
qualche giorno. Pertanto è anche
necessario eseguire elaborazioni in
termini di pioggia cumulata sull’arco
dei giorni e delle settimane.
Stabilità dei Pendii
Piogge cumulate
Campbell, 1975
Piogge cumulate registrate ad alcuni pluviografi nel Sud della California, in un’area
soggetta a debris flows (indicati col cerchio pieno). Sembra esistere una soglia
pluviometrica in termini di piogge cumulate di 260 mm di pioggia, oltre la quale la
probabilità di debris flows è elevata.
Stabilità dei Pendii
Soglie pluviometriche
Una notevole quantità di studi svolti in varie parti del mondo hanno mostrato che le
frane superficiali su pendii piuttosto acclivi, in terreni sciolti di permeabilità media
elevata, si innescano durante i momenti più intensi di un evento di pioggia. Possono
essere determinati valori critici, in termini di intensità e durata della pioggia, detti soglie
pluviometriche, oltre i quali la probabilità di frana diventa elevata.
Tali soglie possono essere determinate sito per sito sulla base della serie storica delle
registrazioni di pioggia.
Caine (1980) suggerì una relazione generale, valida per periodi di tempo fra 10 minuti e
10 giorni, fra l’intensità di pioggia (I, mm/ora) e la durata (D, ore) critici per l’innesco di
questo tipo di frane:
I = 14.8 ·D-0.4
La specializzazione della precedente relazione ai siti specifici avviene attraverso la
definizione della media annuale delle precipitazioni (MAP), valore rispetto al quale si
normalizzano gli eventi di pioggia del sito, ottenendo le piogge normalizzate (NSR).
Cannon & Ellen, 1985
Piogge cumulate dall’inizio
dell’evento
Intensità di pioggia
in mm/h
Caine, 1980
30
25
20
Pericolo di frana
15
MAP elevato
10
5
MAP basso
0
0
5
10
15
120
Pericolo di frana
100
80
60
40
20
0
0
5
10
Durata della pioggia in ore
15
0
10
20
30
40
Cannon & Ellen costruirono due soglie,
per la regione della baia di S. Francisco
(in California), valide rispettivamente
per siti con MAP elevati, quindi meno
sensibili agli eventi pluviometrici, e per
siti con MAP bassi, più sensibili.
La relazione di Caine appare più
prossima alla soglia inferiore di Cannon
e Ellen.
Correlazioni su periodi antecedenti l’evento
Vengono considerati contestualmente l’intensità di pioggia e la durata su un periodo di
tempo antecedente l’evento atteso. Ciò in quanto la distribuzione di piogge pregressa
può oggettivamente essere un fattore predisponente per l’innesco di frane. Per esempio
nei terreni parzialmente saturi la coesione apparente è una funzione del grado di
saturazione: quindi l’evento meteorico intenso può intervenire su una condizione del
terreno più o meno prossima alla saturazione in dipendenza delle piogge precedenti.
La maggior parte delle relazioni disponibili in letteratura considera però brevi periodi di
tempo precedenti l’evento atteso.
Lumb (1975) propose di considerare l’intensità di pioggia nelle ultime 24 ore e le
piogge cumulate sugli ultimi 15 giorni e basò su queste grandezze alcune correlazioni
empiriche che usò per la zonazione del rischio di frana.
Wieczoreck & Sarmiento (1988) ritrovarono che in California al raggiungimento di una
pioggia cumulata di 280 mm poteva istituirsi una correlazione empirica fra intensità e
durata critiche per lo sviluppo di debris flows.
Brand et al. (1984) trovarono che ad Hong Kong dopo una pioggia di 200 mm in 24 h
una pioggia di 70 mm/h poteva provocare condizioni critiche per la stabilità dei pendii.
I
Early warning: un esempio di applicazione
alla Campania
Early warning: un esempio di applicazione
alla Campania
Early warning: un esempio di applicazione
alla Campania
Early warning: un esempio di applicazione
alla Campania
Early warning: un esempio di applicazione
alla Campania
Early warning: un esempio di applicazione
alla Campania
Early warning: un esempio di applicazione
alla Campania
Early warning: un esempio di applicazione
alla Campania
Early warning: un esempio di applicazione
alla Campania
Early warning: un esempio di applicazione
alla Campania
Stabilità dei Pendii
Eventi meteorici, causa di frane e dissesti
Il paese più esposto ad eventi meteorici estremi è probabilmente il Giappone, ove
ogni anno si registrano numerosi eventi di frane ed alluvioni con vittime.
Seguono i paesi dell’America Centrale esposti a tremendi tornado (1997/98 El Niño)
e gli stati Uniti d’America, ove sono frequenti le inondazioni (aprile 2003, maggio
2003, settembre 2003: uragano Isabel).
Il quadro è preoccupante anche in Italia ed in particolare in Campania, dove negli
ultimi anni si sono succedute gravi catastrofi, note alla pubblica opinione per gli
ingenti danni che hanno provocato:
 nel gennaio ‘97 frane di colata rapida provocarono vittime a Pozzano ed a Nocera
Inferiore sull’autostrada Napoli – Salerno e danni al patrimonio in molte decine di
comuni; nel Comune di Napoli fu dichiarato lo stato di calamità;
 nel novembre 1997 si verificò l’alluvione del Baianese e del Vallo di Lauro;
 nel maggio 1998 centinaia di frane di colata rapida sconvolsero Sarno, Quindici,
Bracigliano, Siano e S. Felice a Cancello, provocando 160 morti;
 nel dicembre 1999 Cervinara e San Martino Valle Caudina furono colpite da
alluvione e frane, con alcuni morti,
 nel settembre 2001 si verificò un’alluvione nel comune di Napoli con frane sui
rilievi collinari e sgrottamenti di cavità.
La misura degli spostamenti delle frane
La misura degli spostamenti è particolarmente significativa nei casi di frane attive, ma
può fornire informazioni molto utili anche per frane di neo-formazione in condizioni
precedenti la rottura, se si sviluppano spostamenti di natura deformativa apprezzabili a
livello strumentale.
La misura degli spostamenti consente di limitare superficie e volume del corpo di frana.
Le tecniche e la frequenza delle misure dipendono dal problema in esame e dalla loro
finalità.
Gli spostamenti superficiali di una frana vengono misurati in un certo numero di punti,
interni ad essa, e sono ottenuti confrontando le coordinate, rispetto ad un assegnato
riferimento, rilevate in due o più campagne di misure successive.
Per il rilievo degli spostamenti superficiali possono essere utilizzati:
• stazioni totali,
data x_x_x
• teodoliti,
data x_y_x
• livelli (per soli spostamenti verticali),
• GPS,
• sistemi laser,
• interferometria radar.
I punti all’interno della frana devono essere materializzati con picchetti.
Misura degli spostamenti di un pendio
con tecniche di topografia convenzionale (1)
La misura degli spostamenti di un pendio
costituisce un problema di topografia piuttosto
complesso, almeno nei casi in cui gli spostamenti
sono tanto piccoli da poter essere confusi con gli
errori di misura.
Questa condizione purtroppo è frequente
soprattutto in alcune fasi della vita della frana.
Per eseguire misure di spostamento accurate è
necessario:
 utilizzare uno strumento idoneo allo scopo,
 progettare e realizzare opportunamente una rete
di picchetti interni alla frana e di punti esterni
(capisaldi) non soggetti a spostamenti; le misure
topografiche vengono eseguite stazionando sui
capisaldi o su altri punti relazionabili ai capisaldi,
 individuare i punti di stazione (da cui eseguire le
misure) in modo che da essi siano direttamente
visibili i picchetti interni,
picchetti
Misura degli spostamenti di un pendio
con tecniche di topografia convenzionale (2)
 costruire un riferimento locale, costituito da
uno dei punti di stazione e da elementi posti
in lontananza (chiese, campanili, torri) ben
visibili dai punti di stazione e facilmente
individuabili
sulla
cartografia
aerofotogrammetrica (*),
 materializzare opportunamente il punto di
stazione dello strumento ed i picchetti in
modo che non vi siano errori di
posizionamento dello strumento di misura e
del prisma nelle varie campagne di misura
successive.
(*) Il riferimento relativo
allacciato alla cartografia IGM,
agli operatori le coordinate di
noti disposti sul territorio in siti
zone circostanti.
può essere
che fornisce
alcuni punti
visibili dalle
base per il centramento forzato
pilastrino di c.c.a.
Gli strumenti topografici (1)
Tradizionalmente le misure di spostamento si
eseguivano usando come strumento di misura
il teodolite; l’operatore eseguiva le misure da
un punto fisso mentre un canneggiatore si
spostava sui picchetti posizionando su
ciascuno di essi una stadia graduata. La misura
era ottica.
Attualmente lo strumento più utilizzato è la
stazione totale, costituita da un distanziometro
ed un teodolite, contenuti all’interno di un
unico strumento. La misura della distanza è
elettronica, quella degli angoli è ottica. Il
canneggiatore posiziona su ciascun picchetto
un prisma che intercetta e riflette il segnale del
distanziometro.
L’errore della misura consta di una parte
fissa ( 25 mm) e di una parte proporzionale
alla distanza di misura D [25 ppm x D (mm)].
prisma
Gli strumenti topografici (2)
Qualora non si riescano a trovare punti
fissi nell’intorno della frana, al più a 3 km
da essa, è opportuno ricorrere a misure
GPS.
Il GPS può misurare spostamenti con
velocità dell’ordine del cm/anno anche in
zone ove non è agevole ritrovare punti
fissi per allacciare le misure topografiche
convenzionali. Infatti è possibile riferire le
misure a punti posti a decine di km dalla
frana.
Il sistema è costituito da due antenne che
si posizionano a terra, una sul punto di cui
si vuole conoscere lo spostamento, l’altra
sul riferimento fisso. Tali antenne devono
intercettare 4 o più satelliti.
L’errore dovuto allo strumento sarebbe
minore del cm, ma di solito gli errori di
posizionamento
dello
strumento
accrescono l’errore della misura.
Tecniche topografiche
L’errore di misura cresce con la distanza dalla quale si eseguono le misure topografiche e
può essere contenuto nell’ambito del cm se non si eccedono i 500 m.
Per la precisione e l’accuratezza della misura è rilevante la buona realizzazione materiale
della rete topografica.
Usualmente, individuati i punti fissi, si costruisce su
ciascuno di essi, o almeno su uno di essi, un pilastrino di
c.c.a., ben fondato, con un centratore metallico annegato
nella base superiore che permette il posizionamento dello
strumento. I picchetti possono essere materializzati con
tubi di calcestruzzo, dotati in testa di centratore metallico
per l’asta del prisma, ancorati per almeno 5070 cm nel
terreno.
All’esterno della frana, in zona stabile, vengono posti in
opera i capisaldi, che fungono da riferimento fisso. La
tecnica rappresentata in figura è quella della
triangolazione. La triangolazione consente di ottenere
misure caratterizzate da elevatissime precisioni (fino a 0.6
mm). E’ utile altresì rilevare la posizione degli elementi
morfologici della frana: scarpe, fratture di trazione, zone di
depressione, limiti di frana.
picchetti
limite di frana
capisaldi
La compensazione degli errori Rappresentazione degli spostamenti
La compensazione degli errori è
funzione delle tecniche di rilievo
[1) triangolazione, 2) triangolaterazione,
3)
trilaterazione];
grazie alla compensazione è
possibile ottenere errori minori del
cm.
Per ciascun intervallo di misura si rappresenta
un vettore che esprime l’intensità, la
direzione ed il verso dello spostamento.
A ciascun picchetto è associata una serie di
vettori che indica gli spostamenti subiti dal
picchetto stesso nei vari intervalli di tempo.
Azimut (°)
Punto A
data
Spostamenti
Azimut (°)
Punto B
data
Azimut
Spostamenti
Spostamenti cumulati (piedi)
Azimut
Spostamenti cumulati (piedi)
La direzione degli spostamenti
Quando gli spostamenti misurati sono
dell’ordine del cm, per controllare che essi
non siano frutto di errori di misura è
opportuno eseguire controlli sull’azimut
(che è l’orientazione planimetrica dello
spostamento rispetto ad un punto cardinale,
di solito il Nord).
La variabilità dell’azimut nelle campagne di
misura successive è un segno di scarsa
precisione delle misure. Nelle figure
accanto sono riportati due casi: nel primo
l’azimut si mantiene costante, nel secondo è
molto variabile. L’entità degli spostamenti
conferma che nel secondo caso si tratta
probabilmente di errori di misura.
L’azimut dovrebbe indicare una direzione di
spostamento pressoché coincidente con la
linea di massima pendenza intorno al
picchetto battuto.
Altre misure di spostamenti in superficie
Estensimetri
(precisione fino a 0.01 mm per valori del fondo scala di 50100 mm)
Si tratta di trasduttori che si applicano su manufatti fondati sul corpo di frana per
misurare localmente lo spostamento relativo fra due punti.
Gli estensimetri si posizionano di frequente a cavallo di lesioni e fratture per tenere
sotto controllo la distanza fra i due lembi della discontinuità.
In aria
Sommergibile
Accuratezza ed affidabilità delle misure (1)
Tipologia
distanza (m)
accuratezza (mm)
affidabilità
Livellazioni ottiche variabile
2÷5 mm/km (vert.)
eccellente
(la misura è semplice e veloce, richiede la scelta di opportuni punti di riferimento
esterni alla frana)
Livellazioni ottiche
di precisione
variabile
variabile
2÷5 mm/km (vert.)
0.2÷1 mm/km (vert.)
eccellente
eccellente
Distanziometro
da 20 a 3000 m
1.5 mm+1.5÷5 p.p.m.
buona
(la misura è precisa e rapida anche sulle lunghe distanze, l’accuratezza può però
essere influenzata dalle condizioni atmosferiche)
Stazione totale
da 1.5 m a 3000 m
eccellente
Triangolazione
max 1000 m
5÷ 10 mm
Trilaterazione
5÷ 10 mm
(la misura è precisa e rapida; il lavoro computazionale è ridotto rispetto alle tecniche
ottiche; l’accuratezza può però essere influenzata dalle condizioni atmosferiche)
Accuratezza ed affidabilità delle misure (2)
Tipologia
distanza (m)
accuratezza (mm)
affidabilità
GPS
fino a 40 km
1 mm + 1÷2 p.p.m.
eccellente
(Global Positioning System; è necessario disporre di almeno 2 ricevitori che
intercettano 4 o più satelliti; ciascuna antenna deve rimanere in posizione da 45 a 60
minuti)
Estensimetri
dai cm alle decine di m
0.3 mm
Fotogrammetria
Terrestre
Aerea
alcune centinaia di m
variabile
20 mm da 100 m
100 mm
eccellente
Spostamenti profondi
La misura degli spostamenti profondi è uno degli aspetti
fondamentali del monitoraggio delle frane attive in quanto
consente di localizzare la posizione della superficie di
scorrimento e delle zone maggiormente soggette a deformazioni
di taglio.
Le sonde utili per la misura degli spostamenti profondi si
possono classificare in mobili, usate manualmente per le misure
in foro, e fisse, collocate in maniera stabile all’interno del foro.
Le sonde mobili, in quanto recuperabili, sono sofisticate e
costose e consentono misure di elevata precisione eseguite a
passo ridotto lungo una verticale. Tali sonde però non riescono
ad attraversare il foro di alloggiamento quando questo è
fortemente deformato e quindi non possono essere utilizzate
quando gli spostamenti sono rilevanti.
I trasduttori fissi (elettrolivelle) non sono di norma recuperabili,
sono meno precisi della sonda mobile ed anche se piuttosto
economici non possono essere utilizzati in grande quantità lungo
la verticale di misura, per cui forniscono profili inclinometrici
discontinui. Presentano però due importanti vantaggi: i)
continuano a funzionare anche in presenza di spostamenti
rilevanti, ii) le misure possono essere facilmente automatizzate.
Gli strumenti per la misura degli spostamenti profondi
Gli strumenti attualmente disponibili per la misura degli spostamenti profondi sono:
1. la sonda inclinometrica (mobile),
2. gli inclinometri fissi (elettrolivelle),
3.gli estensimetri (fissi, collocati in foro).
La sonda inclinometrica e gli inclinometri fissi misurano l’inclinazione del foro in cui
sono inseriti (che deve necessariamente essere verticale o sub-verticale). Essi
forniscono spostamenti orizzontali o sub-orizzontali, ovvero ortogonali all’asse del
foro di misura. Esistono strumenti analoghi (chain-deflectometer) che possono essere
indifferentemente utilizzati in fori orizzontali o verticali, ma sono meno precisi.
Gli estensimetri misurano spostamenti nella direzione dell’asse del foro di misura.
La sonda Trivec misura spostamenti in direzione sia ortogonale sia parallela all’asse
del foro di misura (necessariamente verticale).
La ricerca sta anche sviluppando tecniche basate sull’uso di fibre ottiche per la
misura degli spostamenti profondi.
Attrezzatura per misure inclinometriche
cavo falsa sonda
centralina
cavo
sonda
falsa sonda
I tubi inclinometrici
La sonda viene calata all’interno di un foro attrezzato con una canna inclinometrica,
ovvero un tubo di alluminio o pvc in cui sono ricavate due coppie di guide verticali che
consentono alla sonda, dotata di apposite ruote che si innestano nelle guide, di essere
agevolmente movimentata lungo il tubo.
La sonda si dispone secondo l’asse del foro e misura l’inclinazione  e l’azimut  del
tubo inclinometrico. Tale misura deve essere eseguita a varie profondità nel corpo di
frana ed al di sotto di esso, in modo da poter risalire al profilo degli spostamenti
inclinometrici. Usualmente le misure vengono eseguite con passo pari a 1.0 o 0.5 m.
La canna inclinometrica è cementata alle pareti del foro.
cementazione
del foro
alluminio
guide
guide
pvc
Sonda inclinometrica
La sonda inclinometrica è costituita da un tubo di acciaio all’interno del quale
alloggiano due servo-accelerometri montati ortogonalmente l’uno all’altro. I servoaccelerometri contengono ciascuno un pendolo che si dispone lungo la verticale,
consentendo la misura dell’inclinazione della sonda (rispetto alla verticale) nel piano di
oscillazione di ciascun pendolo.
Si ottengono così due angoli, misurati in due piani ortogonali (x e y) con la precisione
di ± 0.05 mm/m, che consentono di definire lo spostamento spaziale della sonda
attraverso:
 l’inclinazione nel piano del massimo spostamento (),
 l’azimut (), ovvero l’angolo fra il vettore del massimo spostamento ed un punto
cardinale.
N
y
N
x
x
y


Tecniche di misura
La sonda misura l’inclinazione del tubo inclinometrico rispetto alla verticale, ma il tubo
potrebbe essere non del tutto verticale per difetto di installazione, pertanto la rotazione
va riferita alla prima misura detta “lettura di zero”. Per ottenere la rotazione impressa
alla tubazione dallo spostamento del corpo di frana ad ogni misura va sottratta la lettura
di zero.
Ciò premesso, considerata l’elevata precisione dello strumento, è importante che la
sonda venga posizionata ogni volta nella maniera più prossima possibile a quella che fu
utilizzata durante la lettura di zero. A tal fine durante le operazioni di misura si usa
collocare alla testa della canna inclinometrica uno spezzone di tubo di diametro
leggermente maggiore di quello installato in sito in modo che si incastri in una posizione
fissa. Tale spezzone regge la puleggia che regola la discesa della sonda inclinometrica.
La sonda va calata sempre all’interno della stessa guida e tenuta per circa 15 a fondo
foro in modo che la sua temperatura si equalizzi con quella del foro; quindi si eseguono
le letture man mano che la sonda viene estratta. Prima di ogni lettura bisogna attendere
che si esauriscano le oscillazioni della sonda, dovute al sollevamento della stessa.
Le misure si ripetono dopo aver ruotato la sonda di 180° ed averla reinserita nella stessa
guida.
Elaborazione delle misure
La centralina fornisce i due angoli di rotazione x e y del tubo alle varie profondità a cui
è stata eseguita la misura. Moltiplicando i seni di tali angoli per il passo con cui è stata
eseguita la misura si ottengono gli spostamenti parziali dei vari tratti del tubo; questi si
sommano a partire dalla base del tubo inclinometrico, ottenendo gli spostamenti sx ed sy
rispettivamente nei due piani x ed y.
puleggia
cavo
spostamento totale
spostamento
sonda
foro
giunto
tubo
cementazione
distanza fra
le misure
tubo
ruote
profilo
iniziale
Ad ogni profondità i
due spostamenti sx ed
sy vengono composti
vettorialmente,
ottenendo il modulo
dello spostamento ed il
suo azimut.
Esempio di profili inclinometrici
Un esempio di profilo inclinometrico che
mette bene in evidenza la superficie di
scorrimento.
Si osservi l’evoluzione degli spostamenti nel
tempo, nell’arco di sette anni di misure.
Possibili errori
Quando la canna inclinometrica
viene posta in opera all’interno del
foro bisogna porre particolare
attenzione alla cementazione della
stessa alle pareti del foro.
Infatti il tubo deve essere
assolutamente solidale al terreno
circostante in modo da seguirne
fedelmente gli spostamenti: in tal
modo la misura restituisce gli
spostamenti del corpo di frana.
Contrariamente, se il complesso
tubo – cementazione è molto più
rigido del terreno asportato, il
profilo degli spostamenti misurati
può
essere
significativamente
diverso da quello del terreno
circostante.
Estensimetri in foro
Gli estensimetri collocati in foro consentono il rilievo
degli spostamenti lungo l’asse del foro, all’interno del
corpo di frana.
sensore
centratori
Un tipo tradizionale di estensimetro da foro è quello a
filo o a barra: gli spostamenti misurati meccanicamente
sulla base di misura dell’estensimetro vengono riportati
in superficie attraverso un filo o una barra; in superficie
viene eseguita la misura di spostamento attraverso un
trasduttore.
Attualmente vengono utilizzati frequentemente gli
estensimetri a corda vibrante, ovvero dei sensori
applicati al tubo di rivestimento del foro tramite collanti,
rivetti o saldature che misurano l’estensione del tratto di
tubo e trasmettono in superficie un segnale di frequenza
che viene registrato da una centralina.
Acquisizione automatica delle misure
Le pressioni neutre e gli spostamenti profondi possono essere misurati
automaticamente, registrati ed eventualmente trasmessi ad un centro di acquisizione
dati.
trasduttori
I sensori (strain gauges o a corda vibrante) sono
collegati ad uno scanner a più canali che consente alla
centralina di inviare e ricevere segnali da ciascuno di
essi.
La centralina è un computer su cui viene installato il
software per l’esecuzione e la registrazione delle
misure.
scanner
L’acquisizione automatica può essere utilizzata per
realizzare sistemi di allarme; in questo caso devono
essere fissati valori di soglia delle grandezze misurate
in corrispondenza delle quali far scattare i
centralina
provvedimenti di emergenza.
Stabilità dei Pendii - Prof. ing. Gianfranco Urciuoli
Spostamenti precedenti il collasso
Il collasso viene inteso come un fenomeno
catastrofico. In termini meccanici esso corrisponde
ad una fase in cui il corpo di frana, essendo
soggetto a forze motrici maggiori di quelle
resistenti, si mobilita lungo una superficie,
continua ed emergente sul pendio, assumendo
rapidamente valori rilevanti di velocità ed
accelerazione che conferiscono un forte potenziale
distruttivo alla massa in moto.
collasso
fase precedente il collasso
In generale già nella fase precedente il collasso il
corpo di frana è soggetto a spostamenti di natura
deformativa ed eventualmente a scorrimenti lungo
la superficie di rottura, anche se formata solo
parzialmente e non ancora emergente sul pendio o
non ancora completamente riattivata.
zona stabile
zona attiva
Stabilità dei Pendii - Prof. ing. Gianfranco Urciuoli
La previsione del collasso
Esistono sostanzialmente due strategie di previsione dell’istante di collasso, basate
rispettivamente sul controllo:
- degli spostamenti, se essi sono apprezzabili con rilievi topografici ed
inclinometrici già prima del collasso e se il corpo di frana è riconoscibile sulla base
di evidenze morfologiche,
- del fattore innescante, quando si ritiene che, per il tipo di frana ed i terreni
coinvolti, l’evento avvenga senza significativi segni premonitori tali da consentire
l’evacuazione in tempo utile delle zone frequentate.
La gestione della sicurezza del pendio viene esercitata mediante un piano di controlli e
il fattore controllato (gli spostamenti superficiali e/o profondi o la pioggia,…..)
vengono assunti come indicatori delle condizioni di sicurezza del pendio.
Stabilità dei Pendii - Prof. ing. Gianfranco Urciuoli
Metodi di previsione del collasso basati sulla
misura degli spostamenti
tempo
Esistono
in
letteratura
procedure
di
estrapolazione dei cinematismi osservati, utili
per previsioni sul breve periodo, cioè in un
intervallo di tempo in cui le condizioni al
contorno ed i fattori che regolano il movimento
si mantengono pressoché invariati.
Nella realtà non è detto che ciò accada; le
condizioni al contorno possono variare nel
tempo e con esse il comportamento cinematico
del pendio.
I modelli empirici di previsione (Saito, 1965;
Voight, 1988) prevedono la velocità di
spostamento futura estrapolando (secondo varie
funzioni) i dati pregressi.
andamento reale
II
I
Stabilità dei Pendii - Prof. ing. Gianfranco Urciuoli
Metodi di previsione del collasso basati sulla
misura degli spostamenti
tempo
I dati sperimentali, interpretati secondo
una curva del tipo I, forniscono il tempo
di collasso “tc”.
andamento reale
II
tc
Saito
1/v
I
curva del tipo I
tc
tempo
Stabilità dei Pendii - Prof. ing. Gianfranco Urciuoli
Metodi di previsione del collasso basati sulla
misura degli spostamenti
Con l’uso dei metodi empirici (del tipo Saito) non si tiene conto della possibile
variazione di fattori esterni, quali le condizioni idrauliche al contorno, l’evoluzione
della geometria del corpo di frana, etc. che possono modificarne l’evoluzione
cinematica.
Pertanto i suddetti metodi di estrapolazione non sono idonei a prevedere la possibile
stabilizzazione naturale della frana secondo una curva del tipo II.
La fase del tipo II può precedere la fase del tipo I, cioè costituire un momento di vita
di una frana.
Una frana con comportamento cinematico del tipo I viene definita “accelerata”
del tipo II
“ stazionaria”.
Stabilità dei Pendii - Prof. ing. Gianfranco Urciuoli
Metodi di previsione del collasso basati sulla
misura degli spostamenti
E’ essenziale individuare quando nella vita di una frana accelerata (I) si è raggiunta
una condizione di “non ritorno”, ovvero una condizione in cui il raggiungimento del
collasso è ormai assai probabile.
Dall’esame di alcuni casi sperimentali è risultato che la soglia può essere fissata in
corrispondenza di un valore dell’accelerazione di 1 mm/giorno², ovvero 1.410-14g,
con g accelerazione di gravità, misurata su base temporale > 7 giorni.
I pendii che evolvono verso la rottura possono comunque attraversare fasi di vita
stazionarie (II) in cui è impossibile prevedere se e quando il movimento diventerà
accelerato (I). Solo al superamento della soglia di accelerazione di 1 mm/g²
l’evoluzione verso il collasso può ritenersi statisticamente molto probabile (nel senso
che è avvenuta nella stragrande maggioranza dei casi osservati).
Il collasso è tanto più prossimo quanto maggiore è l’accelerazione.
Stabilità dei Pendii - Prof. ing. Gianfranco Urciuoli
Correlazione empirica fra accelerazione corrente e
tempo al collasso
Sites
1.E+00
1g
Agoyama
Ooigawa
1.E-01
Accelerazione, mm/g2
2 ore
5g
Kagemori
10 ore
1.E-02
Tuveras
2.2g
27 g
Hogarth
Iida
1.E-03
Chuquicamata
Abbotsford
1.E-04
Val Pola
S. Barbara
1.E-05
1.E-06
100
Saint Jean
Vajont
10
1
Tempo a rottura, giorni
0.1
Stabilità dei Pendii - Prof. ing. Gianfranco Urciuoli
Analisi elastoplastica di un pendio indefinito
X
a
Displacements:
SX
SY
x
Hw
’xx = C’yy
y
H
yy
Y
xx

xy
Spostamento orizzontale a p.c., Sx (cm)
Water flow
a)
6
4
Co = 0.8
2
Co = 1.1; Co = 1.37
0
1.2
1.1
Coefficiente di sicurezza, FS
1
1
0.5
0
b)
2
Co =1.37
0
6
8
FS= 1.01
Co = 0.8
Co =1.1
4
Y/H
1
0.5
0
0
FS = 1.08
c)
2
4
6
8
Co = 0.8
FS=1.01
(cm)
Spostamenti calcolati lungo lo spessore del
corpo di frana
Y/H
(cm)
Stabilità dei Pendii - Prof. ing. Gianfranco Urciuoli
Stabilità dei Pendii - Prof. ing. Gianfranco Urciuoli
70
H=6 m
0
60
50
Sx =
aH2
5
R2 =1
40
H (m)
Spostamenti orizzontali, Sx (cm)
Spostamenti del p.c. in funzione dello spessore
della frana
30
20
9m
12 m
18 m
10
15
10
a)
b)
0
20
0
5
10
Spessore frana , H (m)
15
20
0
0.05
0.1
0.15
Deformazione di taglio , xy
Stabilità dei Pendii - Prof. ing. Gianfranco Urciuoli
Comportamento cinematico prima del
collasso
0.12
a)
0.12
t = 1.2giorni
b)
t = 3 giorni
0.01
0.01
1.04
Rottura locale
0.08
0.005
a = 10-3 m/d2
FS
1.02
0
0
1.04
1
1.2
1.02
1
accelerazione, a
0.04
spostamenti, sx
0.04
spostamenti, sx
Rottura locale
accelerazione, a
1.25
0.08
0.005
a = 10-3 m/d2
1.15
1.1
FS
1.05
0
1
0
1.25
1.2
1.15
1.1
FS
1.05
1