DIPARTIMENTO DI INGEGNERIA CIVILE Corso di laurea in Ingegneria Civile per la Protezione dai Rischi Naturali Strutture Interpretazione di dati sperimentali per la costruzione di un modello geotecnico finalizzato all’analisi di stabililità di un versante in frana TUTOR UNIVERSITARIO: PROF. ING. A. LEMBO FAZIO TUTOR AZIENDALE: ING. A. MANGIOLA TIROCINANTE: ALESSANDRA ALIMONTI a.a. 2016/2017
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DIPARTIMENTO DI INGEGNERIA CIVILE
Corso di laurea in Ingegneria Civile per la Protezione dai Rischi Naturali
Strutture
Interpretazione di dati sperimentali per la costruzione di un
modello geotecnico finalizzato all’analisi di stabililità di un
Figura 6: Area A1 - scarpata con Flysch di Agnone affiorante. ......................................................................... 7
Figura 7: Stralcio carta della pericolosità da frana con individuazione area soggetta a crolli, PAI Abruzzo
(rappresentazione fuori scala). .......................................................................................................................... 7
Figura 8: varizione del peso di unità di volume con la profondità ..................................................................... 9
Figura 9: Carta di Plasticità di Casagrande con rappresentati i valori dei campioni determinati
Figura 26: variazione della coesione con la profondità ................................................................................... 24
Figura 27: particolare grafico della variazione del paramentro di coesione per la profondità compresa fra 3m
e 8m rispetto il p.c. .......................................................................................................................................... 24
Figura 28: variazione dell'angolo d'attrito con la profondità. ......................................................................... 25
Figura 29: analisi statistica sui risultati delle prove di taglio diretto............................................................... 27
Figura 30: analisi statistica sui risultati delle prove di taglio residuo. ............................................................. 28
Figura 31: analisi statistica sui risultati delle prove di compressione triassiale TxCD. .................................... 31
Figura 32: planimetria in cui sono ubicate le linee sismiche e i sondaggi in esame. ....................................... 32
Figura 33: Linea sismica LS1. ........................................................................................................................... 33
Figura 34: Linea sismica L1-3-5. ...................................................................................................................... 34
Figura 35: Linea sismica L2. ............................................................................................................................. 34
Figura 36: Linea sismica L4 .............................................................................................................................. 35
Figura 37: Linea sismica L6. ............................................................................................................................. 35
Figura 38: Linea sismica L7. ............................................................................................................................. 36
Figura 39: risultati della prova penetrometrica dinamica SPT. ....................................................................... 39
Relazione di fine tirocinio | ALESSANDRA ALIMONTI
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1. Premessa Il presente documento illustra le attività eseguite durante il tirocinio formativo svolto nel periodo
compreso tra Aprile e Luglio 2017 presso l’U.O. Geotecnica e Gallerie della Direzione di Progettazione e
Realizzazione Lavori di ANAS Spa, presso gli uffici di Via Pianciani 16, in Roma. Le ore impiegate sono non
inferiori a 150, equivalenti a 6 CFU, come previsto dal piano di studi.
Tale studio è anche propedeutico alla stesura della Tesi di Laurea del corso di studio magistrale “Ingegneria
Civile per la Protezione dai Rischi Naturali” – indirizzo Strutture.
Obiettivo del tirocinio è stato quello di eseguire l’interpretazione di dati sperimentali, messi a disposizione
dall’azienda ospitante, per la costruzione di un modello geotecnico finalizzato all’analisi di stabililità di un
versante in frana, ed eventualmente alla progettazione di opere di mitigazione del rischio.
In particolare, sono stati interpretati i dati sperimentali desunti dalle campagne geognostiche a disposizione e quindi sono stati presi in considerazione i profili stratigrafici e le seguenti prove:
A. Prove di laboratorio:
Analisi granulometrica dalla quale si è valutato il contenuto percentuale di ghiaia, sabbia, limo, argilla;
Limiti di Attemberg e quindi il limite liquido e plastico, l’indice di plasticità e di consistenza;
Prova edometrica mediante la quale sono state determinate le caratteristiche di compressibilità delle terre;
Prove di taglio diretto e residuo attraverso le quali è stato determinato il paramentro di coesione e l’angolo di resistenza a taglio;
Prove triassiali consolidate drenate dalle quali sono stati desunti l’angolo d’attrito e il parametro di coesione.
B. Prove in situ:
Prospezioni sismiche a rifrazione che hanno permesso di ricostruire la distribuzione nel sottosuolo della velocità delle onde sismiche. Successivamente, mediante correlazioni che legano le velocità delle onde con le grandezze a piccole deformazioni (modulo di taglio G, modulo elastico E, etc.), sono stati individuati gli strati di terreno aventi rigidezza significativa;
Prove Penetrometriche dinamiche (SPT) che hanno permesso di completare la caratterizzazione geotecnica del terreno in esame.
La presente relazione si articola come di seguito riportato:
- un paragrafo di INQUADRAMENTO DEL PROBLEMA, dove è descritta sommariamente la natura
della problematica geotecnica;
- un paragrafo di CARATTERIZZAZIONE GEOTECNICA DEI TERRENI, in cui sono descritte le attività di
elaborazione ed interpretazione dei dati sperimentali, completate dai risultati a cui si è pervenuti.
Tali risultati sono alla base della prosecuzione dello studio che prevede presumibilmente analisi di
stabilità all’equilibrio limite ed agli elementi finiti.
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2. Inquadramento del problema L’ area oggetto del presente studio, riportata in Figura 1, è ubicata nella parte sub orientale dell’Abruzzo,
lungo la valle del fiume Sangro.
Figura 1: Foto satellitare della zona d'interesse
L’area occupa, nel suo complesso, una superficie pari a circa 10 ha.
Dal punto di vista geomorfologico l’area è caratterizzata da un’elevata propensione al dissesto,
testimoniata dalla presenza di un diffuso insieme di processi e forme gravitative di diversa entità che
rappresentano l’effetto di un naturale processo evolutivo dei versanti medesimi in presenza di materiali
flyshoidi di caratteristiche meccaniche fortemente condizionate dalla presenza di acqua e, in forma di
ammasso, significativamente sensibili alle azioni ambientali (piogge, erosione del fiume Sangro, ecc.).
L‘attuale grado di attività dei dissesti è stato definito attraverso osservazioni di campagna e dati di
monitoraggio. Dalle osservazioni effettuate è emerso che, in questo tratto, il tracciato è estremamente
vulnerabile nei confronti di fenomeni di instabilità causati dalla presenza di coltri di terreno in frana.
Nei primi mesi del 2016 nell’area in esame si è verificato un movimento di versante che ha interessato i
terreni allentati della coltre detritica superficiale. Il fenomeno di instabilità si è manifestato in
concomitanza con le piogge invernali ed è stato verosimilmente attivato dai lavori di movimento terra
realizzati al piede del pendio, in concomitanza con i lavori di ripristino della sede della ferrovia Sangritana.
L’insieme dei vari corpi ha una forma articolata con larghezza di circa 500 m e lunghezza variabile da 100 m
a circa 300 m. In Figura 2 l’area oggetto di studio:
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Figura 2: Area 1 – Vista dei dissesti da valle.
L’area in dissesto, nel suo complesso, è limitata a monte da una serie di scarpate di frana, alcune delle quali
con evidente tendenza retrogressiva, come si mostra in Figura 3, a valle dal Fiume Sangro, a SO e a NE da
due impluvi.
Figura 3: Area A1 – vista da molte di scarpate con tendenza retrogressiva. Si notano anche alberi ruotati
La zona è prevalentemente boscata e minormente coltivata.
Si osserva un gruppo di frane con meccanismo prevalentemente complesso in cui, si notano, allo stato
attuale, evidenti segni di attività quali nicchie di frana, fratture di trazione, rigonfiamenti e svuotamenti.
Due corpi “minori” hanno interessato, attraverso fenomeni di scorrimento/colata, in modo evidente, la
zona di sedime della Ferrovia ubicata all’estremo di valle dell’area in frana, invadendo la sede viaria, come
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mostra la Figura 4. Tali episodi ed i relativi interventi di messa in sicurezza provvisoria hanno portato a
parziale svuotamento del versante con creazione di scarpate plurimetriche ed aree ad elevata pendenza.
Figura 4: Area A1 - Riattivazioni parziali recenti nell’area della Ferrovia Sangritana, con interventi di riprofilatura
provvisoria
Inoltre, vi è anche un’area a franosità diffusa prevalentemente superficiale interessante i depositi eluvio
colluviali; si dovrebbe trattare, presumibilmente, di meccanismi cinematici che coinvolgono i primi metri di
terreno.
Il gruppo di frane complesse è caratterizzato da versanti con pendenza rilevante con valori medi variabili
dal 35 al 60%; la zona con franosità diffusa prevalentemente superficiale ha pendenza tra il 15 ed il 20%.
Granulometricamente i terreni coinvolti appaiono prevalentemente limosi-argillosi: di questo aspetto verrà
dato maggiore risalto nel paragrafo successivo.
A monte della zona di accumulo dei corpi franosi, subito a valle della strada provinciale è osservabile una
scarpata, con Flysch di Agnone affiorante.
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Figura 5: Area A1 - scarpata con Flysch di Agnone affiorante.
La scarpata appare estremamente alterata.
In Figura 6 si riporta uno stralcio carta della pericolosità da frana, ricavavata dal PAI (Piano di Assetto
Idrogeologico), con individuazione area soggetta a crolli:
Figura 6: Stralcio carta della pericolosità da frana con individuazione area soggetta a crolli, PAI Abruzzo
(rappresentazione fuori scala).
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3. Caratterizzazione geotecnica dei terreni L’area interessata dal tracciato è caratterizzata dalla presenza di un substrato di terreni flyschoidi
consistenti, a tetto dei quali sono presenti depositi di coltre eluvio-colluviali lungo le falde dei versanti, o
depositi alluvionali e/o di conoide nelle zone di fondo valle.
Nella ricerca di una rappresentazione sintetica, della natura e delle caratteristiche del sottosuolo si è
proceduto alla realizzazione di una caratterizzazione geotecnica del sito in esame.
Il procedimento eseguito per arrivare a questa caratterizzazione ha incluso l’elaborazione dei dati derivanti
dalle indagini eseguite in situ e dalle prove di laboratorio.
3.1 Prove di laboratorio Si è fatto riferimento ai sondaggi che insistono nell’area di studio che sono il risultato di indagini svolte
nelle Campagne di indagine del 2000, del 2015 e del 2016.
3.1.1 Caratteristiche fisiche, proprieta’ indice e grandezze di stato In Tabella 1 sono riportate caratteristiche fisiche, proprietà indice e grandezze di stato dei campioni.
Tabella 1: caratteristiche fisiche, proprietà indice e grandezze di stato dei campioni.
La variazione del peso specifico ϒsat con la profondità è riportata in Figura 7, dove si osserva che ϒsat varia fra
In Figura 14 si riporta l’andamento della percentuale di Limo e Argilla con la profondità in cui si nota che per il campione S4_16 SC1, si ha una percentuale di limi e argille bassa rispetto a quella registrata negli altri campioni a profondità simili.
Figura 14: andamento della percentuale di limo e argilla con la profondità.
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3.1.3 Prove edometriche Per determinare le caratteristiche di compressibilità delle terre si analizzano i risultati delle prove
edometriche effettuate sui vari campioni. Le condizioni al contorno per queste prove sono caratterizzate da
uno stato di simmetria radiale e dall’assenza di componenti radiali della deformazione che è quindi
monodimensionale.
Nel caso in esame le prove eseguite sono riportate in Figura 15:
Figura 15: prove edometriche eseguite sui campioni prelevati nell’area di studio
Le singole curve edometriche risultano confrontabili. Si procede nella valutazione della tensione di
consolidazione σ’p mediante il metodo grafico di Casagrande, la cui affidabilità dipende dal disturbo subito
dal campione durante le fasi di prelievo in situ e di preparazione del provino in laboratorio.
In Figura 16 è riportata la determinazione grafica della σ’p per la curva edometrica del campione S4bis_15.
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Figura 16: determinazione grafica della σ’p per la curva edometrica del campione S4bis_15.
A questo punto si confronta il valore di σ’p con la tensione verticale effettiva σ’v attuale, in modo da
determinare il valore dell’OCR ossia il grado di sovraconsolidazione:
𝑂𝐶𝑅 =𝜎′𝑝
𝜎′𝑣
In Tabella 3 è riportato il valore del grado di sovraconsolidazione dei singoli campioni:
Tabella 3: grado di sovraconsolidazione OCR dei singoli campioni.
Nel caso in esame varia fra 1 e 1.4, quindi si evidenzia un terreno leggermente sovraconsolidato.
Tabella 4: classi di consolidazione del terreno al variare dell'OCR (Bruschi 2010).
Profondità
(m)σp' (kPa) σv' (kPa) OCR
S3_16 SC1 3.30 50.21 27.02 1.44
S7_16 SC1 4.25 44.85 67.30 1.00
S1_16 SC1 4.30 102.21 73.04 1.40
S6_16 SC1 4.30 65.73 71.38 1.00
S4_16 SC1 5.30 85.49 79.59 1.07
S4bis_15 CI2 7.95 94.90 142.38 1.00
OCR
1
1≤ OCR ≤ 4
4 < OCR ≤ 10
10 < OCR ≤ 25
OCR ≥ 25
TERRENO
Estremamente Sovraconsolidato
Moderatamente Sovraconsolidato
Leggermente Sovraconsolidato
Normal consolidato
Molto Sovraconsolidato
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3.1.4 Prova di taglio diretto e residuo Nelle prove di taglio diretto la rottura viene raggiunta nel provino provocando il taglio secondo un piano
prestabilito e lo stato tensionale è di tipo edometrico:
𝜎′ℎ0 = 𝐾0 ∗ 𝜎′𝑣0
dove
- K0 è il coefficiente di spinta a risposo;
- σ’h0 è la tensione orizzontale efficacie;
- σ’v0 è la tensione verticale efficacie.
La prova, come da prassi è eseguita su tre provini, a diverse pressioni di confinamento. I valori della
tensione tangenziale in condizioni di picco, ed i valori della tensione di confinamento, rappresentano i punti
sperimentali per il tracciamento dell’inviluppo di rottura sul piano . Noto l’inviluppo, si determina per
interpolazione la sua equazione e di conseguenza i valori di c’ e ’.
A titolo di esempio, si riporta la valutazione dei suddetti parametri per il campione S3_16_SC1:
Tabella 5: valutazione dei parametri di: coesione C e angolo d'attrito φ.
Figura 17: inviluppo di rottura e relativa equazione per la prova DS sul campione campione S3_16_SC1.
Quando la prova di taglio è prolungata fino a raggiungere valori molto elevati di deformazione, si osserva
una diminuizione della resistenza fino al raggiungimento di un valore indicato come resistenza residua. Nel
caso di materiali a grana grossa, questa si manifesta senza ulteriori variazioni di volume rispetto alla fase
post picco, e pertanto si indica come resistenza a volume costante, con un corrispondente angolo d’attrito
φcv.
Nei terreni a grana fine, invece, la resistenza residua è indipendente dalla storia tensionale, mentre è legata
ad una rottura progressiva dei legami di adesione fra le particelle ed al riorientamento di queste verso la
disposizione parallela alla forza di taglio.
In Tabella 6 sono ripotati i risultati delle prove di taglio (diretto e residuo) eseguite:
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Tabella 6: esito delle prove di taglio diretto e residuo sui campioni prelevati nell’area oggetto di studio.
In Figura 18 è riportato l’andamento del parametro di coesione con la profondità in cui si evince che esso
varia fra 13 kPa e 20.15 kPa, ad eccezione dei campioni S4bis_15 CI1 e CI2 i quali presentano un valore del
parametro di coesione maggiore rispettivamente 45.3 kPa e 34.57 kPa i quali saranno, in seguito, oggetto di
approfondimento:
Figura 18: andamento del parametro di coesione C nelle prove di taglio diretto con la profondità.
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Figura 19: andamento dell’angolo di resistenza a taglio con la profondità.
In Figura 20 a e in Figura 20 b sono rappresentati rispettivamente l’andamento del parametro di coesione e dell’angolo di resistenza a taglio risultati dalla prova di taglio residuo:
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Figura 14a: variazione del parametro di coesione C nelle prove di taglio residuo con la profondità. Il campione
S4bis_15 CI1 non appare in quanto è stato escluso dato che presenta un parametro di coesione pari a 32.9 kN/mq molto distante dal valor medio degli altri.
Figura 20b: andamento dell’angolo di attrito con la profondità.
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3.1.5 Prove triassiali Le prove triassiali permettono di determinare la resistenza a taglio controllando la pressione neutra e la
variazione di volume del provini. Nel caso di studio sono state eseguite prove di compressione triassiale
consolidate drenate, TxCD, nelle quali: dopo una fase di consolidazione a pressione uniforme, σ3, su tutto il
provino, segue una fase di taglio, nel nostro caso mediante l’applicazione di una tensione verticale (σ1 - σ3);
in entrambe le fasi, la velocità di applicazione del carico, è tale per cui non si formano sovrappressioni.
Le prove triassiali sono state eseguite sui campioni prelevati a profondità superiori al valore di 7,00 m,
mentre sui campioni a profondità minori sono state eseguite prove di taglio diretto e residuo.
L’esito delle prove, in termini di coesione ed angolo di attrito è riportato nella Tabella 7 ed è diagrammato in
Figura 21 e Figura 22.
Tabella 7: esito delle prove TXCD.
In Figura 21 , dove è riportata la variazione della Coesione con la profondità si osserva che a profondità
inferiori a 12 m ed comprese tra i 30 e 35 m la coesione è compresa tra 1,8 e 5 MPa, mentre nella fascia
intermedia tra i 20 ed i 28.5 m si hanno valori superiori. A tali profondità dal piano campagna si registra
quindi una fascia di terreno maggiormente coeso.
In Figura 22 , dove è riportata l’andamento dell’angolo di attrito con la profondità si osserva che a
profondità comprese fra 7m e i 12 m esso varia leggermente fra circa 27° e 30.5°, mentre nella fascia
intermedia tra i 20 ed i 28.5 m si hanno valori compresi fra circa 27° e 45°.
CAMPIONEPROFONDITA'
(m)
PROFONDITA'
MEDIA (m)C (MPa) φ (°)
S1_16_in T6CR1 7.00-7.70 7.35 1.65 26.89
S1_16_in MC2 11.40-12.00 11.7 2.37 30.23
S3_16_in SC2 12.00-12.50 12.25 2.2 30.46
S1_16_in T6CR2 19.50-20.00 19.75 1.4 27.11
S2_16_pz T6CR1 20.10-20.70 20.4 7.1 42.43
S6_16_in T6CR1 22.50-23.00 22.75 10.1 44.39
S3_16_in SC3 24.00-24.50 24.25 5.63 31.2
S4_16_in MC3 24.50-25.00 24.75 4.1 27.43
S6_16_in T6CR2 24.50-25.00 24.75 3 24.23
S6_16_in T6CR3 28.00-28.50 28.25 11.5 44.86
S7_16_pz MC3 30.00-30.50 30.25 2.05 23.97
S6_16_in T6CR4 30.20-30.60 30.4 4.25 27.36
S1_16_in MC3 34.50-35.00 34.75 1.7 24.51
PROVA
COMPRESSIONE
TRIASSIALE
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Figura 21: variazione del parametro di coesione C con la profondità.
Figura 22: andamento dell'angolo d'attrito con la profondità.
In forma tabellare e grafica si riportano sintetizzati tutti i parametri valutati per i singoli campioni al fine di
avere un quadro generale per la caratterizzazione geotecnica del terreno in esame:
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Figura 23: Tabella riassuntiva dei risultati delle prove in laboratorio, in particolare caratteristiche fisiche, proprietà indice, grandezze di stato, analisi granulometrica, limiti di Attemberg, prova edometrica