RICERCA ITALIANA     

Approcci metodologici innovativi per lo studio dell'instabilità dei versanti in aree ad elevata sismicità

Politecnico di Bari

Abstract

Il programma di ricerca sarà articolato in due fasi.
Nella prima fase si condurranno studi di inquadramento geologico, sismo-tettonici, geomorfologico e litotecnici, nel territorio della Toscana nord-occidentale all'interno del quale si dovranno individuare versanti potenzialmente instabili a seguito di eventi "strong motion" caratteristici della regione. In tale fase si utilizzerà la banca dati già acquisita su questa porzione del territorio toscano in seno al progetto VEL, promosso dalla regione toscana, di le UO I, II e IV sono consulenti. Un'altra parte delle informazioni tematiche, quali dati topografici, idrogeologici, etc, che si utilizzerà come base di partenza deriverà dalla banca dati dell'UO III. Dopo aver individuato i versanti da studiare ed aver individuato i possibili meccanismi di frana, si procederà ad utilizzare metodologie di indagine in sito ed in laboratorio, per descrivere le proprietà fisico-meccaniche in chiave dinamica dei litotipi costituenti i versanti; per ricostruire e validare i Modelli Digitali del Terreno (3D) e le sezioni geologico-tecniche (2D) di maggiore interesse ai fini di verifiche di stabilità dinamica. Nella seconda fase si procederà ad utilizzare gli studi sperimentali per analisi numeriche 2D e 3D di eventuali eventi franosi indotti dai terremoti caratteristici delle aree in studio. I metodi impiegati per le simulazioni numeriche riguarderanno approcci deterministici semplificati ed avanzati nonché approcci probabilistici, di logica fuzzy e/o mediante reti neurali. Quest'ultimi affiancheranno le metodologie deterministiche più consolidate con lo scopo di valutare le pericolosità da frana in ambienti geologici ad elevata sismicità. I risultati delle analisi numeriche verranno letti alla luce della diversa dimensionalità considerata, della messa in conto di locali eterogeneità e di interazioni complesse tra i comportamenti meccanici dei diversi litotipi. Infine, si approfondiranno gli studi tendenti a valutare l'influenza di ambienti geologici diversi con pari sismicità sulla pericolosità da frana dei versanti naturali. Infatti l'UO I coadiuvata dalle altre UO studierà la stabilità dinamica di alcuni casi più significativi di versanti in Daunia e Lucania. <<<

Coordinatore Scientifico del Programma di Ricerca

Claudio Ferdinando CHERUBINI Politecnico di BARI

Obiettivo del Programma di Ricerca

Gli obiettivi della ricerca sono:
1. Ricostruire i possibili meccanismi di instabilità indotti sui versanti naturali ,in particolare quelli della Toscana nord-occidentale, da terremoti di diversa magnitudo;
2. Comprendere le interazioni, ai fini della valutazione della stabilità dinamica dei versanti, tra le principali grandezze in gioco durante un evento sismico e cioè l'input sismico e la sua durata, le sovrappressioni interstiziali e gli spostamenti indotti,nonchè la pendenza del versante e la resistenza dei terreni e/o rocce coinvolti.
3. Prevedere l'evoluzione della stabilità di un versante nella fase post-sismica in termini cinematici e tensionali.
4. Comprendere l'influenza di diversi ambienti geologici sulla tipologia di cinematismo di frana innescato da eventi sismici caratteristici di diverse zone sismogenetiche.
5. Mettere a punto metodologie multidisciplinari integrate per la definizione di pericolosità da frana in aree ad elevata sismicità.
Inoltre l'attività specifica delle singole U.O. si pone il fine di conseguire dei sotto obiettivi riguardanti le singole competenze scientifiche ,descritti in dettaglio nei singoli programmi di ricerca e di seguito riportati.
UO I: 1) Messa a punto di metodologie probabilistiche, fuzzy e reti neurali per interpretare la complessa interazione dei fattori che inducono instabilità nei versanti soggetti ad eventi sismici, nell'ambito di analisi numeriche 2D; 2) Descrizione di condizioni tenso-deformative a collasso nei versanti naturali appartenenti agli ambienti geologici della Toscana nord-occidentale e della Daunia e Lucania.
UO II: 1) Ottimizzazione di tecniche geofisiche per la ricostruzione di modelli geologico-tecnici del sottosuolo; 2) Applicazione di modellazioni numeriche 3D allo studio di stabilità dinamica di versanti naturali che tengano conto della eterogeneità dei litotipi costituenti il pendio.
UO III: 1) Messa a punto di una metodologia mista che integri strumenti di modellazione a priori del sistema Oracle Designer e strumenti CASE tipo VISIO 2003 Professional per la ricostruzione del modello concettuale del terreno; 2) Creazione di un repository delle informazioni di input e di output del progetto sviluppato nel PRIN che sarà realizzato utilizzando una struttura integrata ARCGIS-ARCSDE-ORACLE.
UO IV: 1) Definizione dei possibili cinematismi franosi nei versanti naturali in studio appartenenti al territorio della Lunigiana e Garfagnana in funzione delle strutture e degli assetti geologico-strutturali presenti; 2) Definizione ,insieme alle UO II e III delle procedure di integrazione delle indagini condotte in sito al fine di valutare le caratteristiche geometriche e dinamiche dei litotipi costituenti i versanti. <<<

Durata

24 mesi

Base di partenza scientifica nazionale o internazionale

Le conoscenze scientifiche sul comportamento dei pendii sotto scuotimenti sismici hanno avuto negli ultimi anni notevole sviluppo. Le conoscenze maturate sugli effetti dei terremoti con epicentro nella Catena Appenninica hanno consentito di raccogliere una mole notevole di dati riguardanti la risposta dei versanti alle sollecitazioni sismiche. Per una corretta interpretazione delle cause che generano instabilità sismica dei versanti naturali è opportuno inquadrare tali fenomeni nella famiglia degli effetti co-sismici che variano a seconda che il sito sia considerato in near field o in far field. Nel primo caso, infatti, i meccanismi di sorgente hanno un ruolo importante nella valutazione dell'instabilità indotta, mentre nel secondo caso si devono considerare gli effetti dovuti all'amplificazione sismica locale. Infatti l'occorrenza di sollecitazioni dinamiche in presenza di morfologie caratteristiche dei versanti naturali costituiti da terreni, induce alcuni caratteristici comportamenti quali l"effetto cresta", cioè di focalizzazione delle onde sismiche di volume in corrispondenza della zona sommitale del pendio e gli "incrementi di accelerazione" che seguono l'aumento della quota del terreno. Gli effetti dinamici possono indurre incrementi di pressioni interstiziali che possono ridurre drasticamente la resistenza della massa potenzialmente instabile; si pensi non solo ai fenomeni di liquefazione ma anche alla degradazione ciclica. Tuttavia tali fenomeni sono di non facile previsione alla scala del volume significativo del materiale coinvolto nell'instabilizzazione del versante. Inoltre nella valutazione della stabilità sismica dei versanti si presentano difficoltà nella definizione dei valori dei parametri di resistenza. Nel caso di terreni a bassa permeabilità, quali quelli argillosi, la coesione non drenata rappresenta un "parametro" di resistenza accettabile sebbene le velocità di applicazione delle sollecitazioni nel corso degli eventi sismici sono molto più elevate rispetto alle velocità che usualmente si utilizzano nelle prove sperimentali per la misura del parametro. Problemi diversi sono propri dei pendii in sabbia che presentano suscettibilità a movimenti franosi in condizioni sismiche anche in presenza di pendenze molto basse, con comportamenti prossimi a quelli di una liquefazione vera e propria.
Diversi, invece, sono i fenomeni che inducono instabilità dinamica in presenza di pendii in roccia. In generale, i processi di instabilità in roccia sono innescati da fenomeni deformativi più o meno complessi all'interno delle masse rocciose la cui evoluzione dipende strettamente dalle nuove configurazioni di equilibrio cui tende il mezzo geologico fratturato. In questi processi diventa fondamentale comprendere lo stato deformativo lungo le discontinuità strutturali, che possono distinguersi in primarie o singenetiche (stratificazioni, scistosità, contatti stratigrafici, etc.) e secondarie o postgenetiche (faglie, fratture di tensione o di taglio, etc.).
Per le ragioni suddette è necessario partire, nello studio della stabilità dinamica dei versanti naturali, dalle condizioni in sito dei versanti stessi al fine di ricostruire le condizioni morfologiche, fisico-meccaniche che possono indurre instabilità dinamica del versante. Per far ciò è necessario utilizzare molteplici strumenti di indagine:
1) Indagini geologiche o indagini dirette
Esse consistono nei rilievi di campagna e nelle indagini geognostiche classiche (sondaggi meccanici) ed hanno lo scopo di definire aspetti litologici (natura petrografia e mineralogica dei materiali), stratigrafici (posizione reciproca delle unità litostratigrafiche o litotecniche), geomorfologiche (forme, processi, fenomeni e ciclo evolutivo del modellamento della superficie terrestre), strutturali (assetti, rotture e traslazioni reciproche delle formazioni presenti in sito dovute alle diverse forze tettoniche applicate), idrogeologiche (presenza e modalità di circolazione dell'acqua nel sottosuolo).
2) Indagini geofisiche o indagini indirette
Esse sono le indagini di sismica a rifrazione, in onde P ed SH, per depositi più superficiali e le indagini di sismica a riflessione in P ed SH per investigazioni più in profondità. Queste negli anni hanno raggiunto livelli di affidabilità e risoluzione molto elevati ed oggi rappresentano un valido strumento per la ricostruzione delle geometrie delle coperture e del bedrock. Inoltre tali metodologie sperimentali consentono di riconoscere la presenza di eventuali discontinuità, di effettuare una caratterizzazione fisico-meccanica in chiave dinamica dei litotipi anche in presenza di geometrie particolari e di grosse eterogeneità negli ammassi sia rocciosi che di terreno.
Poi vi sono le tecniche di superficie SASW-FK e le tecniche in foro (Down-hole e Cross-hole) per la parametrizzazione in termini di velocità delle onde di taglio VS. Per quanto riguarda la sismica in foro, oltre alle metodologie classiche suddette vi è il metodo VSP che consente di analizzare non solo le onde dirette e rifratte ma anche le onde riflesse e di tubo. L'utilizzo, quindi, delle onde di taglio polarizzate orizzontalmente (SH) ha consentito, soprattutto in contesti caratterizzati dalla presenza di mezzi porosi insaturi o parzialmente saturi (coperture, coltri di alterazione, variazioni laterali di litologie, etc.) di migliorare i risultati ottenibili poiché tali onde non subiscono trasmutazioni, sono scarsamente influenzate dal livello piezometrico e presentano una maggiore risoluzione ed un'attenuazione minore rispetto alle onde longitudinali.
3) Telerilevamento e Fotogrammetria digitale
Queste metodologie consentono di migliorare la conoscenza della distribuzione spaziale dei fattori correlati con l'instabilità dei pendii. È infatti il caso della fatturazione, che controlla la stabilità in modo diretto negli ammassi rocciosi ed in modo almeno indiretto nelle terre. La disponibilità di immagini satellitari ad alta risoluzione spaziale quali QuickBird e la possibilità di una loro registrazione accurata alla topografia tramite misure GPS, consente di estrarre da queste immagini informazioni sulla fatturazione tramite interpretazione visuale in ambiente digitale georeferenziato (GIS). D'altra parte, attraverso la Fotogrammetria Digitale, ai risultati dell'interpretazione 2D delle immagini satellitari possono essere accoppiati quelli dell'interpretazione stereoscopica di fotografie aeree a varie scale. La Fotogrammetria digitale consente di ottenere informazioni registrate della topografia più accurate e quindi risolve il problema dell'accuratezza geometrica tipica della fotogeologia consentendo l'elaborazione di un Modello Digitale Terrestre più fedele per studi a scale locali.
Dal punto di vista numerico, una serie di metodi sono stati sviluppati ed utilizzati per calcolare i Fattori di Sicurezza alla stabilità sismica dei versanti, gli spostamenti permanenti indotti dagli scuotimenti sismici e gli stati tensionali prodotti sia durante il sisma che nella fase post-sismica. Questi metodi vanno dagli approcci pseudo-statici , ai modelli cinematici alla Newmark e Newmark modificato , ai metodi agli elementi finiti dinamici. Essi si differenziano per grado di complessità del modello meccanico di comportamento e numero di informazioni necessarie; quindi possono essere impiegati alternativamente in funzione dell'approfondimento delle indagini condotte sul versante e della dimensionalità considerata. In relazione, poi, alla dimensionalità del versante da simulare molto diverse fra loro sono le analisi bidimensionali e tridimensionali. Infatti le prime sono molto più diffuse e consolidate e per esse sono disponibili una serie di metodi semplificati. Le analisi 3D, solo grazie alle odierne potenze di calcolo, si stanno a tutt' oggi diffondendo. I metodi numerici implementati sono quelli che si ritrovano in letteratura per le analisi bidimensionali. Tra i più efficaci nelle analisi di stabilità dinamica dei versanti si ricordano gli elementi finiti, le differenze finite e gli elementi distinti. Tuttavia le simulazioni numeriche tridimensionali devono affrontare problemi di meshatura, di taratura dei parametri meccanici e di semplificazione della morfologia del versante di gran lunga più pesanti delle analisi numeriche bidimensionali sebbene esse consentano di valutare gli effetti di anisotropia spaziale dei parametri meccanici e degli stati tenso-deformativi che spesso posso condizionare fortemente la stabilità del versante.
Da ultimo, la estrema variabilità della resistenza dei materiali costituenti i versanti e delle azioni dinamiche che, con diverse intensità e periodicità, investono un sito, mostra la necessità di condurre studi di stabilità non solo con i metodi numerici deterministici ma anche attraverso gli strumenti della statistica quali i campi stocastici.Quest'ultimi approcci rappresentano le variabili del problema fisico in oggetto come variabili regionalizzate con legami spaziali dei valori assunti descritti da grandezze quali la scala di fluttuazione, il coefficiente di autocorrelazione, la funzione di riduzione della varianza. La teoria dei campi stocastici è oggi uno strumento maturo per l'applicazione nei problemi reali della variabilità delle grandezze che descrivono le proprietà dei materiali naturali, come ulteriore parametro caratterizzante i materiali in gioco nella definizione della stabilità dinamica dei versanti. Inoltre, negli ultimi anni sono stati condotti tentativi di approcci con reti neurali allo studio dell'evoluzione dell'equilibrio dei versanti. Tale tecnica prevede l'apprendimento delle leggi di comportamento del pendio in base all'esperienza del sistema, cioè in base ad una serie di casi reali dai quali con appropriati algoritmi il sistema ricava una legge di previsione. <<<