Rischio geologico, sismico e protezione civile nella piana di Battipaglia

Esempi di opere di mitigazione del rischio liquefazione sismica
Rischio geologico, sismico e protezione civile nella
piana di Battipaglia

Durante un evento sismico il sottosuolo è soggetto a carichi ciclici che non permettono la
completa dissipazione delle sovrappressioni interstiziali, che accumulandosi implicano una
condizione di carico non drenata del terreno.
• Tensione litostatica totale costante
• Incremento delle pressioni interstiziali
• Conseguente diminuzione della resistenza e rigidezza del
deposito granulare.
Condizione di liquefazione caso limite: ru =
Δu
σ’v
= 1
Tensioni efficaci quasi nulle → perdita di resistenza del terreno
Potenziale collasso delle fondazioni e della sovrastruttura
Liquefazione

Liquefazione
Interazione cinematica palo – terreno genera significativi momenti flettenti indotti da forze inerziali sovrastrutturali.

Fluidificazione o Liquefazione di flusso : si verifica quando in un deposito che ha subìto
liquefazione lo sforzo di taglio statico applicato (eventuale) supera la resistenza residua del
terreno → Deformazioni permanenti elevate, frane, collasso di fondazioni e opere di sostegno
Mobilità ciclica : l’aumento delle sovrappressioni interstiziali non è in grado di annullare lo sforzo
efficace agente. Tuttavia si manifestano rilevanti deformazioni. Può verificarsi soprattutto, ma non solo,
quando livelli liquefacibili sono posti lungo pendii acclivi → Deformazioni permanenti limitate,
spostamenti laterali, cedimenti e frane
Liquefazione ciclica: l’aumento delle sovrappressioni interstiziali è tale da annullare lo sforzo
efficace agente. E’ un caso particolare di mobilità ciclica.
Liquefazione

Liquefazione
Danni in siti dove si sono verificati fenomeni di liquefazione – Zona del Ferrarese

Per ogni verticale è valutato l’indice del potenziale di liquefazione IL
• 0 < IL ≤ 5 rischio liquefazione basso
• 5 < IL ≤ 15 rischio liquefazione elevato
• IL > 15 rischio liquefazione estremamente elevato
Potenziali cause di collasso
• Cedimenti post – liquefazione
• Meccanismo di collasso per taglio – flessione
• Meccanismo di collasso per instabilità euleriana
• Fenomeni di Lateral Spread
Valutazione di fenomeni di liquefazione
• Prove in sito, SPT – CPT o prove geofisiche in foro tipo DH – CH – SCPT
• Determinazione fluttuazioni dei livelli di falda
• Modulo di taglio G, rapporto di smorzamento D, ampiezza deformazione di taglio γ.
Liquefazione

Liquefazione Italia
Zone geologicamente suscettibili a liquefazione all’interno delle quali vi siano stati
risentimenti del VI MCS
Zone geologicamente suscettibili a liquefazione all’interno delle quali vi siano stati
risentimenti del VII MCS o superiore
Liquefazione

Studio liquefazione – Ferrara Nord
A seguito della sequenza sismica padana 2012, che ha causato ingenti danni soprattutto alle attività produttive.
Gli studi di microzonazione sismica hanno evidenziato che le condizioni di liquefacibilità dei terreni (granulari sciolti e saturi nei primi 15 m da p.c.)
presenti in molte aree della Pianura Padana.
Per raggiungere l’obiettivo del miglioramento sismico in tali aree è quindi necessario intervenire anche in fondazione e/o realizzare interventi di
mitigazione del rischio di liquefazione.
Deciso di realizzare uno studio preliminare di valutazione del rischio di liquefazione alla scala di tutta l’area.
L’area della PMI di Ferrara sorge in una zona attraversata da canali abbandonati del Po
Lo studio è stato svolto da un gruppo di lavoro interdisciplinare coordinato da Confindustria Emilia-Romagna, Unindustria Ferrara e SGSS-RER:
• ing. Colombi Alessio, Colombi & Roversi Associati, Studio di Ingegneria
• ing. Curli Stefano, Studio associato Curli
• dott. geol. Ercolessi Giulio, Regione Emilia-Romagna-SGSS
• ing. Loffredo Gianluca, ArchLivIng srl
• dott. geol. Martelli Luca, Regione Emilia-Romagna-SGSS
• ing. Minghini Fabio, Università di Ferrara-Dipartimento di Ingegneria
• dott. geol. Romagnoli Massimo, Elletipi srl
• dott. geol. Stevanin Emanuele, Synthesis srl
• dott. geol. Veronese Thomas, Studio Servizi Tecnici, Settore Geologia e Ambiente
• ing. Zanetti Denis, MezzadrIngegneria srl
Liquefazione

Liquefazione
Inquadramento geomorfologico

Liquefazione
Procedura – Prima Fase
• Definita l’area di studio (area d’interesse + buffer di circa 200 m)
• Raccogliere tutti i documenti disponibili (MS e indagini)
• Definire accuratamente la posizione del ramo abbandonato del Po = mappare i terreni predisponenti la liquefazione
• Tra le indagini disponibili sono state selezionate quelle utili per la ricostruzione della stratigrafia dei primi 20 m
In sintesi, le prove geotecniche in sito utilizzate sono le
seguenti:
• 154 CPT
• 33 CPTU (di cui 9 con cono sismico)
• 69 sondaggi a carotaggio continuo
• 25 pozzi per acqua

Liquefazione
Tutte le prove sono state interpretate e classificate in maniera da evidenziare la presenza e la distribuzione di intervalli granulari.
Così sono state classificate ed ubicate in carta e, per comprendere meglio la distribuzione litostratigrafica, sono state realizzate sezioni geologiche,
tracciate in maniera da intercettare il maggior numero di prove, tenendo in considerazione anche la distribuzione degli edifici.

Liquefazione
La cartografia delle prove in base alla profondità degli orizzonti liquefacibili non è risultata particolarmente significativa; perciò per ogni prova è stato
stimato lo spessore dei terreni sabbiosi per intervalli di profondità: tra il tetto della falda e 5 m, tra 5 e 10 m, tra 10 e 15 m, tra 15 e 20 m.
Sono state così realizzate 3 mappe delle isopache degli orizzonti sabbiosi per gli intervalli di profondità 2÷5 m, 5÷10 m, 2÷13 m (da – 13 m solo
sabbie).

Liquefazione
Procedura – Seconda Fase
Per ogni prova CPT e CPTU, per le quali fossero disponibili in forma tabellare i valori di resistenza alla punta e resistenza laterale, è stato valutato
l’indice potenziale di liquefazione (IL) (Iwasaki et al., 1982) tramite le procedure semplificate correnti (v. linee guida AGI, 2005; DAL RER 112/2007;
ICMS,2008; NTC 2008).
Metodi utilizzati:
• Idriss & Boulanger (2008),
• Robertson (2009)
Parametri di input:
• profondità della falda a -2 m dal p.c.,
• Mw=6.14 (Mwmax della zona 912, da ZS9)
• PGA = aref x 1,49* = 0,200g
Poiché il solo valore dell’indice IL non fornisce indicazioni su profondità e spessore degli intervalli liquefacibili, di ogni prova è stato attentamente
considerata la distribuzione dei fattori di sicurezza alla liquefazione FSL lungo la verticale di prova che si ottiene con le stesse procedure
semplificate.

Liquefazione
Il confronto della distribuzione ed entità dei valori di IL, dei profili dei FS e della cartografia delle isopache degli intervalli sabbiosi
ha permesso di definire soglie minime di spessore degli intervalli sabbiosi
al di sotto delle quali il rischio di liquefazione è poco significativo (IL< 2, FS>1 negli strati a profondità > 10 m)
Tutte le elaborazioni hanno evidenziato che le sabbie a profondità maggiori di 13 m sono ben addensate e praticamente non liquefacibili.
Perciò sono state realizzate mappe delle zone con intervalli sabbiosi sottofalda di spessore > 1 m nei primi 5 m e di spessore > 2 m negli intervalli
5÷10 m e fino alla profondità di 13÷15 m.

Liquefazione
Questa cartografia fornisce una suddivisione dettagliata del territorio per la mitigazione del rischio di liquefazione in quanto definisce le zone in cui il
pericolo di liquefazione è ritenuto significativo nonché la profondità e lo spessore degli intervalli liquefacibili.

Liquefazione

Tipologie di interventi
Vibroflottazione
Densificazione del terreno per effetto delle vibrazioni indotte da una sonda vibrante a punta conica (vibroflot) e
compattazione mediante il riempimento del foro con materiale granulare che viene addensato dal vibratore contro
le pareti del foro

Vibrocompattazione - Colonne di ghiaia vibrocompattate
Le colonne in ghiaia vibrocompattate rappresentano la più efficace soluzione tecnologica per la mitigazione del rischio di liquefazione:
•formazione di elementi colonnari compattati di elevata rigidezza che riducono gli sforzi sismici sul terreno intercluso.
• effetto “drenante”- formazione di elementi drenanti di grande diametro cha assicurano l’abbattimento delle sovrapressioni neutre indotte dalle azioni
dinamiche del sisma.
• addensamento delle stratificazioni sabbiose, riduzione dell’indice dei vuoti grazie alla vibrazione indotta nel terreno dalle specifiche attrezzature
azionate da motori elettrici di elevata potenza.

Jet grounting
Vengono iniettate con una pressione massima di 40 bar, una o più miscele fluide che producono un complesso fenomeno di rimaneggiamento,
sostituzione e/o permeazione il cui risultato finale è la cementazione del terreno

Permeation grouting – Inezioni di permeazione con miscele leganti
Leggera cementazione o coesione tra i grani del terreno facendo penetrare nei pori interstiziali una miscela “legante” opportunamente
calibrata (es. soluzioni o sospensioni silicatiche). La cementazione provoca un aumento della resistenza a liquefazione, una riduzione della
permeabilità ed un incremento della rigidezza.

Case history 1 : Sede storica della Capitaneria di Porto di Cesenatico

Struttura realizzata tra il 1908 – 1914, parzialmente ricostruita dopo bombardamenti del 1944.
▪ Pianta rettangolare regolare
▪ Tipologia costruttiva muraria con spessore paramenti tra 45 – 55 cm con riseghe in elevazione
▪ Classe d’uso IV (edificio strategico), classe d’uso Cu = 2

• Solai latero cementizi e copertura spingente in legno
• Fondazione tipo superficiale
• Classe d’uso IV (edificio strategico), classe d’uso Cu = 2

Rafforzamento delle fondazioni realizzato nella metà degli anni 2000

Modello geologico stratigrafico per
30m
Profilo di Vs per 30m

Modello stratigrafico fino al bedrock sismico

Gruppo 7 accelerogrammi spettrocompatibili (RSL) ottenuti con Rexel; ricerca iniziata attraverso l'analisi della disaggregazione per la
definizione della coppia Magnitudo-distanza epicentrale. I parametri preliminari di ricerca sono stati poi modificati durante la ricerca, per
poter giungere all’estrazione di un gruppo di 7 accelerogrammi:
Con i 7 accelerogrammi che caratterizzano il
moto sismico per SLV, è possibile definire
uno spettro di risposta medio compatibile
con quello imposto dall'analisi.
Ora ci sono tutti gli elementi per poter
procedere ad una analisi di risposta
sismica locale monodimensionale;
analisi Equivalente Lineare.

Analisi della liquefazione
(Resistenza ciclica deposito) CRR < CSR (sforzo di taglio ciclico indotto dal sisma) → presenza di rischio di liquefazione
Presenza di diversi strati con IL > 1
CRR – valutata su risultati di
prove in sito
CSR – stimata sulla
conoscenza dell’accelerazione
massima attesa alla profondità
di interesse
Circolare n.617/2009 del CSLP – C 7.11.3.4 → Stabilità nei confronti della liquefazione

Interventi
1° Ipotesi
Dreni: dissipazione delle sovrappressioni interstiziali,
grazie alla permeabilità del terreno
Nel caso in oggetto, tale soluzione risulta inefficace,
perché l’area resa permeabile risulta molto poco
estesa
2° Ipotesi
Pali: lo stato di progetto prevede la realizzazione di 22 pali
di fondazione, lunghezza di 23 metri e un diametro di
60cm.
Lo sforzo normale sul palo
aumenta fino alla quota di 8,5
metri a causa dell’attrito
negativo palo-terreno
assegnato allo strato
liquefacibile.

Costo intervento
Costo di mercato del lavoro di mitigazione di circa 355000 Euro

Case history 2 : Complesso della Gambale Tegole – Mitigazione della liquefazione – (Mirabello,FE)
Complesso composto da 4 unità strutturali di varia tecnologia costruttiva, muratura 60’/70’, prefabbricati 2000:
• (S1) Palazzina uffici - Struttura portante in muratura di mattoni di laterizio e malta cemento
• (S2) Guidetti Grande – Struttura prefabbricata in c.a./c.a.p.
• (S3) Opificio – Struttura in muratura di mattoni di laterizio e malta cemento
• (S4) Mozzo – Martini – Struttura prefabbricata in c.a./c.a.p.

Modello geologico stratigrafico 30m

Modello geologico stratigrafico fino al bedrock sismico

Profilo Vs da Down Hole Il modello sismico VS ottenuto dall’interpretazione della curva dei
tempi di arrivo delle onde S alle diverse
profondità individua la presenza
di sei sismo-strati
La zonizzazione sismica ZS9 pone come magnitudo
attesa massima nella zona sismogenetica 912 il
valore di M

Analisi liquefazione sabbie
La funzione di amplificazione di un sito fornisce una chiara ed efficace rappresentazione dell’effetto “filtrante” di un deposito di terreno sulle onde
sismiche. Essa mette in evidenza in quale campo di frequenze la presenza del terreno può indurre effetti significativi di amplificazione del moto
sismico incidente o, viceversa, se tali effetti possano addirittura tradursi in un’attenuazione delle ampiezze in superficie.
Profilo della P.G.A. ricavato dalla analisi di
Risposta Sismica Locale, zoomato in 20m
di terreno, tra -7,5m ed il p.c., le
accelerazioni massime attese sono di
0,183g < 0,220g ottenuto dai parametri
sismici per suolo di categoria semplificata
C

Analisi liquefazione sabbie
Distribuzione granulometrica, da distinguere i materiali
in funzione del coefficiente di uniformità Uc<3,5 o Uc>3,5.
Per la verifica della resistenza alla liquefazione delle sabbie si
utilizzano i parametri di accelerazione ag, che
si utilizzano nella microzonizzazione sismica ovvero quelle
legati agli eventi con tempo di ritorno 475 anni.
Dati di input che caratterizzano le energie sismiche adottate:

Analisi liquefazione
Elaborando tutte le prove CPTU, con una Magnitudo di 6,14 ed una PGA di 0,22g,
falda a -1,80m dal p.c. si ricavano indici del potenziale di liquefazione compresi tra
3,6 e 10,3.

Interventi
Dreni: metodo di seguito osservato si basa sugli studi condotti da Seed e
Booker (1976) sfruttando la maggiore permeabilità dei dreni rispetto al terreno
circostante, al fine di dissipare le pressioni interstiziali accumulate nel corso della
scossa sismica
Valutazione: condizione di equilibrio tra la sovrapressione interstiziale indotta dal
sisma e la parte di essa dissipata dai dreni, legge di Darcy:
Coefficiente di permeabilità orizzontale :
Coefficiente di compressibilità volumetrica :
Numero di cicli equivalenti Neq=6 e la durata del terremoto td = 14 s

Parametri del terreno per eventuali dreni nelle sabbie
Dalla curva granulometrica delle sabbie provenienti dai campioni è
possibile il coefficiente di permeabilità, con formula di Hazen:
k=3,6 x 10 m/sec
Coefficiente di compressibilità volumetrica del terreno
Numero di cicli di carico che portano a liquefazione
Per terremoto di M = 6,14 si ottiene N1=5,84.

Interventi
Rapporto di pressione ru :
• ru = -0,02 PL + 0,60 per PL < 5
• ru = -0,01 PL + 0,55 per 5 < PL
< 15
• ru = -0,40 per PL > 15
Raggio d'influenza del dreno deve essere minore di
1,90 m

Interventi
Dreni sub-orizzontali

Interventi
Pali Mega

Interventi
Pali Mega collegati in testa con il plinto

Pali FDP
Interventi

Micropali trivellati
Interventi

Costo intervento – dreni sub-orizzontali
Prezzi di mercato circa 400’000 euro, ovvero un intervento di 100 Euro/mq

Costo intervento – micropali
Incidenza del 22% sul costo complessivo delle opere.
Costo specifico mitigazione liquefazione 66euro/mq

Case history 3 : ANRIV s.r.l. – Deposito e distribuzione prodotti chimici – Ferrara
Struttura realizzata tra 1980 – 1981:
• Tipologia costruttiva – calcestruzzo cementizio prefabbricato
• Fondazione composta da plinti isolati
• Classe d’uso III, relativo coeff. d’uso Cu = 1,5

Campagna indagini per una sufficiente modellazione del terreno.
• 2 - sondaggi a carotaggio continuo per stratigrafia 20m e prove permeabilità
• 2 – sondaggi a carotaggio continuo, stratigrafia e prospezioni geofisiche Cross Hole 16m
• 1 – sondaggio a carotaggio continuo per investigare sugli effetti delle iniezioni di consolidamento campo prova
• 1 – prova penetrometrica CPTU 16m
• 3 – prova penetrometrica SCPTU 16m, campo prova post-trattamento
• 3 – prospezioni Cross Hole per caratteristiche geofisiche e dinamiche dei terreni, pre e post-trattamento

Analisi delle sezioni geologiche

Il calcolo del potenziale di liquefazione è stato quindi rieseguito utilizzando sempre
il metodo di Iwasaki, ricavando il fattore di sicurezza alla liquefazione dal rapporto
CRR/CSR. Mantenendo il MSF inalterato (1.429 per sismi di magnitudo 6.14,
secondo Boulanger e Idriss 2007), il CRR è sempre stato calcolato con l’algoritmo
di Robertson e Wride (1998), e CSR con la relazione di Seed e Idriss (1980). a =
0.188 g
SCPTU 1 = 2.007 (Moderato);
SCPTU 2 = 6.889 (Elevato);
CPTU 3 = 8.130 (Elevato);
CPTU 4 = 3.556 (Moderato);
CPTU 5 = 3.867 (Moderato);
CPTU 6 = 5.100 (Elevato).
Valori di IPL<5:
- SCPTU 1 = 2,007 (Moderato);
- CPTU 4 = 3,556 (Moderato);
Valori di IPL>5:
- SCPTU 2 = 6,889 (Elevato);
- CPTU 3 = 8,130 (Elevato);
- CPTU 6 = 5,100 (Elevato).

Fenomeno della liquefazione è trascurabile per l’Unità 3b (argille e limi) e
non trascurabile per l’Unità 3a.
Valori di IPL<5:
- SCPTU 1 = 2,007 (Moderato);
Valori di IPL>5:
- SCPTU 2 = 6,889 (Elevato);
- CPTU 3 = 8,130 (Elevato);
- CPTU 6 = 5,100 (Elevato).

Interventi
Blocco 3(a) e Blocco 3(b)
Pali: prevede relativamente allo strato liquefacibile trattato
l’inserimento dell’angolo di attrito
PALO-TERRENO negativo, nonché l’abbattimento della
costante di winkler orizzontale
Blocco 2
Dreni: accelera la consolidazione sfruttando anche la
permeabilità in direzione orizzontale

Blocco 3(a)
e
Blocco 3(b)
Interventi

Blocco 2
Interventi

Costi
Micropalo senza camicia, con inclinazione fino a 20°, per ancoraggi o altro,
eseguito mediante l'utilizzazione di attrezzature adeguate al terreno da
attraversare, compreso il successivo getto a pressione, nei fori così ricavati,
in presenza di armatura metallica (da pagarsi a parte), dimalta cementizia
additivata, sino al volume effettivo di getto non inferiore a tre volte quello
teorico del foro. Compresoogni onere e magistero con esclusione
dell'armatura metallica: in terreni incoerenti o sciolti (resistenza alla
compressione <6 N/mmq): per diametro esterno pari a 161 - 190 mm
M I S U R A Z I O N I:
Micropali di fondazione Ø220
Plinti tipo 2b 10,00 4,00 15,000 600,00
Plinti tipo 2a 9,00 4,00 21,000 756,00
Plinti tipo 1b 20,00 4,00 15,000 1200,00
Plinti tipo 1a 19,00 4,00 21,000 1596,00
Plinti tipo 1c 1,00 3,00 18,000 54,00
Plinti tipo 2c 1,00 3,00 21,000 63,00
SOMMANO m 4269,00 € 80,20 € 342 373,80
Opere di mitigazione del rischio di liquefazione mediante installazione di
dreni sub-orizzontali eseguiti a mezzo di perforzioni direzionate guidate
(HDD)
M I S U R A Z I O N I:
Interventi di mitigazione del rischio di liquefazione
Trasporto e allestimento attrezzature per perforazioni HDD 1,00 9500,000 9500,00
Esecuzione dreni Ø125, Lmax=95m; raggio curvatura > 100m (inclusa
fornitura tubo)
2964,00 170,000 503880,00
SOMMANO ml 513380,00 € 1,00 € 513 380,00
Incidenza del 23,8% sul costo complessivo delle opere.

Case history 4 : Villa Mastelli – Chiesuol del Fosso (FE)

Struttura ad uso residenziale:
• Proprietà soggetta a vicolo di tutela da parte della Soprintendenza Belle arti e paesaggio
• Tipologia costruttiva – muratura
• Struttura risalente al XV secolo
• Classe d’uso II

Modello geologico
Isopache delle sabbie superficiali
Gli spessori arrivano ad un massimo di
5 m e più in corrispondenza della zona
artigianale di via Bologna, del Primaro
e del Vecchio Reno di fatto unici
litosomi sabbiosi potenzialmente
acquiferi ospitanti la falda freatica.

Territorio in oggetto, appartenente alla Provincia
di Ferrara che ricade all’interno della zona 912 –
Dorsale Ferrarese.
Profilo di velocità delle onde S, stimato nel sito in
esame tramite la prova SCPTU
Il valore della accelerazione di riferimento assegnato al Comune
è di 0.132g
Modello geologico

Fattore di liquefazione FL = (CRR/CSR) *MFS
MFS: è un fattore di scala in funzione della magnitudo dei terremoti attesi IL = 5,3

Intervento – Compaction grounting
Le iniezioni di malta in pressione (fino a 3.5MPa) inducono uno spostamento radiale del terreno circostante
addensandolo, in asse rimangono una serie di bulbi di miscela (elementi colonnari) ad elevata rigidezza.

Intervento – Compaction grounting

Interventi
Campo prove – Vedi Pallara et all. - 2016

Intervento

Costo

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