Problematiche geotecniche del già costruito: diagnosi e consolidamento

Claudia MEISINA

Dipartimento di Scienze della Terra e dell’Ambiente

Università degli Studi di Pavia – claudia.meisina@unipv.it

Cambiamenti climatici e stabilità degli edificiConsolidamento dei terreni, normativa tecnica e casi

di successoFirenze, 20 ottobre 2011

UN NUOVO PROBLEMA GEOLOGICO??D

EF

INIZ

ION

E D

EL

FE

NO

ME

NO

SICCITA’ GEOTECNICA (Nussbaum, 2007): periodo di lunghezza variabile, caratterizzato da un deficit pluviometrico più o meno marcato che si traduce in una diminuzione del contenuto in acqua nella zona attiva

2 m

4 m

2 m

Wmin Wm Wmax

Wmin Wm Wmax

In periodi normali

In periodi siccitosi

W = contenuto in acqua

Profondità di oscillazione stagionale del contenuto

d’acqua

DATA DI COMPARSA LESIONI EDIFICI IN OLTREPO PAVESE

DE

FIN

IZIO

NE

DE

L F

EN

OM

EN

O

-600

-300

0

300

600

mag

-79

mag

-81

mag

-83

mag

-85

mag

-87

mag

-89

mag

-91

mag

-93

mag

-95

mag

-97

mag

-99

mag

-01

mag

-03

Rai

nfal

l def

icit

(mm

)

cumulative rainfall deficit (mm)

average monthly rainfall deficit - standard deviation

average monthly rainfall deficit - 2 x standarddeviation

N = number of months with drought

I = drought intensity

N N N N

I

VOGHERA – Oltrepo Pavese

DEFICIT IDRICO

aree interessate dal fenomeno di ritiro-rigonfiamento

DIFFUSIONE DEL FENOMENO

PAESE DANNI

STATI UNITI 10 miliardi di $/anno (Chen, 1988)

FRANCIA 3 miliardi di € tra il 1989 e il 2000 (legge n°82-600 del 1982) (BRGM, 2002)

ITALIA (Oltrepo Pavese) Costo di ripristino edifici = 15-25% del valore dei fabbricati

DE

FIN

IZIO

NE

DE

L F

EN

OM

EN

O

DIFFUSIONE DEL FENOMENO

(Magaldi et al, 2004)

DE

FIN

IZIO

NE

DE

L F

EN

OM

EN

O

CAUSE DEL RITIRO-RIGONFIAMENTO DEI TERRENI ARGILLOSI

RIGONFIAMENTO RITIRO

AUMENTO DEL CONTENUTO IN ACQUA

DIMINUZIONE DEL CONTENUTO IN ACQUA

PRECIPITAZIONI

RISALITA DELLA FALDA

ROTTURE DI CANALIZZAZIONIIRRIGAZIONI

EVAPOTRASPIRAZIONE

ABBASSAMENTO DELLA FALDA

PROCESSI TECNOLOGICI CON EMISSIONE DI CALORE

cause naturali

cause artificiali

SCAVI

CA

US

E

FATTORI DEL RITIRO-RIGONFIAMENTO DEI TERRENI ARGILLOSI

FATTORI DI PREDISPOSIZIONE FATTORI SCATENANTI

FATTORI INTERNI(dipendono dal materiale)

FATTORI ESTERNI(regolano la presenza e le variazioni di w)

TERRA/ROCCIA

ACQUA

Litotipo

Plasticità

AZIONI ANTROPICHE

VEGETAZIONE

IDROGEOLOGIA

TOPOGRAFIA

FENOMENI METEOROLOGICI

ECCEZIONALI

AZIONI ANTROPICHEdrenaggio

pendenza dei versanti

Acque superficiali

Acque sotterranee

Composizione mineralogica

Chimismo dell’acqua interstiziale

Geometria

Fabric

Peso di volume secco

Permeabilità STATO DI SFORZO

Storia tensionale

Condizioni in situ

FA

TT

OR

I

FA

TT

OR

I

La natura del terreno

Litotipo

Geometria dell’orizzonte argilloso (profondità, spessore, continuità)

Tipo Origine

Ia Eluvio-colluviale

collina, pendenze < 10°

Alterazione del substrato (complesso

caotico, argille varicolori…)

Ib Eluvio-colluviale

collina, pendenze < 10° Alterazione di marne

IIa alluvionale terrazzo Alterazione alluvioni

IIb alluvionaleTerrazzo, pianura

alluvionaleAlterazione alluvioni

III eolica Terrazzi antichi Loess colluviato e alterato

Alcune tipologie di terreni soggetti a ritiro/rigonfiamento

FA

TT

OR

I

Il contesto idrogeologico

Presenza di una falda freatica a debole profondità

Presenza di falde sospese stagionali

Condizioni topografiche

Effetto della topografia sul drenaggio

C) Adeguata progettazione della struttura: il drenaggio è buono e non vi è ristagno d’acqua in prossimità della struttura

B) Progettazione della struttura non adeguata. Drenaggio mediocre o impedito, l’acqua ristagna in prossimità delle fondazioni.

FA

TT

OR

I

Noe et al., 1997

Condizioni topograficheProblematiche connesse ad un edificio costruito a mezza costa

Terreno di fondazione non uniforme

Diverse tipologie di fondazione

FA

TT

OR

I

vegetazione

Zona attivaProfilo di umidità durante la stagione umida in assenza di alberi Profilo di umidità

durante la stagione secca in assenza di alberi

Profilo di umidità durante la stagione secca in presenza di alberi.

Il contenuto di acqua si è ridotto notevolmente e per una profondità maggiore

Influenza di un albero sul contenuto di acqua del suolo:

Le differenze dei contenuti d’acqua del terreno relativi al periodo umido e a quello secco sono maggiori

La zona attiva ha uno spessore maggiore (anche > 4m)

Si crea una zona permanentemente secca

Boden & Driscoll, 1987

FA

TT

OR

I

Comportamento degli alberi in condizioni di siccità Zapater et al., 2008

betulla salice

quercia carpino

pruno

faggio Distribuzione delle radici < 3 mm di alberi con altezza 9 m

vegetazioneF

AT

TO

RI

Azioni antropiche

Rotture di tubazioni

Irrigazioni

FA

TT

OR

I

cambiamenti di regime idrogeologico e termico dopo la costruzione (perdite da tubi, irrigazioni, ecc...): la variazione del contenuto di acqua è limitata ad una zona ristretta della fondazione

LESIONI AD EDIFICI

COMPORTAMENTO A BREVE TERMINE

COMPORTAMENTO A LUNGO TERMINE

EF

FE

TT

I

Nel breve termine, se la costruzione é stata edificata durante la stagione secca, alle prime piogge la periferia sarà soggetta a rigonfiamento, mentre il centro, protetto dalle infiltrazioni dirette e rapide, resterà stabile.L’acqua, in assenza di una falda idrica ben individuabile, ha la tendenza a lungo termine a migrare dalla periferia verso il centro del fabbricato dopo ogni stagione piovosa: si avrà un tenore in acqua massimo al centro della struttura con rigonfiamento massimo e continuo, mentre la periferia, che risente maggiormente delle variazioni climatiche, sarà soggetta ad un'alternanza di cedimenti e rigonfiamenti

Nelson, 1992

Costruzione su argilla durante la stagione umida

Costruzione su argilla durante la stagione secca

EF

FE

TT

I

COMPORTAMENTO IN PRESENZA

DI VEGETAZIONE

EF

FE

TT

I

parametri che influiscono sull’entità e sull’evoluzione dei danni strutturali:

1. quantità e distribuzione delle precipitazione durante ed immediatamente dopo la costruzione;2. l’età della costruzione (il rigonfiamento non è un processo istantaneo);3. tecniche di costruzione: controllo dell’acqua negli scavi, proprietà geotecniche dell’eventuale terreno di riporto, tempo di costruzione (tempo durante il quale il terreno che supporta la fondazione è esposto ad umidificazione o ad essiccamento);4. flessibilità della struttura.

SOIL FOUNDATION: Type IIaclays and silt interbedded with clay and sand

HYDROGEOLOGY: perched water table: 4,5-6,5 m groundwater level: 20 mACTIVE ZONE: >2 m VEGETATION: locust tree, sycamore, 12 m in height of about 5 m from the house

FOUNDATION TYPOLOGY: shallow strip foundation with partial cellar BUILT on 1960DAMAGED in 1987-1988; progressive damage; crack width: >25 mm

REMEDIAL WORKS: typology: complete pile underpinning in 1996effectiveness: yes

SOIL FOUNDATION: Type IIa clay and silt

HYDROGEOLOGY: groundwater level > 20 mACTIVE ZONE : > 1,5 m

FOUNDATION TYPOLOGY: shallow with partial cellarBUILT on 19th century, with successive changesDAMAGED in summer 1997, crack width: 1/2 - 6/8 mmREMEDIAL WORKS: typology: partial pile underpinning in 1998effectiveness: no

B1. EDIFICI SU TERRAZZO ALLUVIONALE

SOIL FOUNDATION: Type IIbsilt-clay and gravel

HYDROGEOLOGY: perched water table groundwater > 19 m

ACTIVE ZONE: > 1,8 m

FOUNDATION TYPOLOGY: shallow with basementBUILT on 1977DAMAGED in summer 1990

REMEDIAL WORKS: Typology: partial pile underpinning in 1993Effectiveness: no

B4. EDIFICI SU CONOIDE ALLUVIONALE

Tipologia dei dissesti

I dissesti interessano

•Edifici senza cantina•Con seminterrato poco approfondito o parziale•Il lato valle (strutture su pendio)

•Falda profonda (>15 m)•Zona attiva > 1,5 m

EF

FE

TT

I

•Scollamento del terreno alla base della fondazione

Evoluzione del dissesto

EF

FE

TT

I

LESIONI AD OPERE ACCESSORIEE

FF

ET

TI

CARATTERISTICHE DEI TERRENI E DEI SUOLI SOGGETTI A RITIRO/RIGONFIAMENTO

molto duri quando asciutti

soffici ed adesivi quando bagnati

fessure di ritiro

processi intensi di weathering

struttura a gilgai

slickensides

IDE

NT

IFIC

AZ

ION

E D

EL

FE

NO

ME

NO

Limite liquido (Wl) (ASTM D-4308)Limite plastico (Wp) (ASTM D-4318)Limite di ritiro (Ws) (ASTM D-427)

Contenuto in argilla (ASTM D-422)

Valore al blu di metilene (AFNOR, NF P 94-068)

Analisi diffrattometriche

PROVE IN LABORATORIO

Prove di classificazione

Analisi qualitativa

IDE

NT

IFIC

AZ

ION

E D

EL

FE

NO

ME

NO

VB (“VALORE AL BLU”)

Quantità minerali argillosi

Tipo di minerali argillosi

0

10

20

30

40

1 10 100 1000 10000

ρ (kPa)

∆h

/hi

(%)

SP

S

SP

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

1 10 100 1000 10000 100000

log t (min)

∆h

/hi

(%)

S

PARAMETRI DEL RITIRO/RIGONFIAMENTO

PRESSIONE DI RIGONFIAMENTO SP (kPa)Pressione che un terreno esercita quando il contenuto di acqua iniziale viene fatto variare fino a raggiungere la saturazione impedendo ogni variazione di volume. Non è un parametro intrinseco del terreno.

RIGONFIAMENTO LIBERO DV/V (%)Variazione di volume che un terreno sviluppa quando viene saturato e lasciato libero di rigonfiare.

QU

AN

TIF

ICA

ZIO

NE

D

EL

FE

NO

ME

NO

correlazioni per la determinazione di S e SP a partire da alcune proprietà indici attraverso la ricerca di correlazioni statistiche (VB-S, IP-S). • prendono in considerazione soltanto un numero limitato di variabili, invece il fenomeno di ritiro-rigonfiamento é la conseguenza di numerosi fattori che sono spesso interdipendenti•dipendono dalle condizioni geologiche e climatiche delle aree in cui sono state messe a punto, risultando quindi difficilmente generalizzabili.

metodologie di analisi più adatte alla modellizzazione del problema: le reti neurali artificiali.

QU

AN

TIF

ICA

ZIO

NE

D

EL

FE

NO

ME

NO

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

0,35

0,1 1 10 100 1000 10000 100000

logt (min)

∆h\h

i

1 r (Ia)

1 nat (Ia)

Z1 r (IIa)

Z1 nat (IIa)

C.G.1 nat (IIa)

C.G.2 nat (IIa)

Terreni rimaneggiatiSmax

Terreni naturaliS in situ

S e SP dipendono da•procedura utilizzata in laboratorio •condizioni iniziali del campione su cui viene eseguita la prova.

Determinazione zona attiva

0

200

400

600

800

1000

1200

0 1 2 3 4 5 6 7

qc (MPa)

dep

th (

cm)

qc (13 June 2001)

qc (28 September 2001)

In laboratorio: Metodo della carta da filtro

In situ: CPT eseguite in periodi

differenti

O,8-1,5 m >1,5 m>2 m con vegetazione

Zon

a at

tiva

Zon

a at

tiva

ME

TO

DI

DI

ST

UD

IO –

la

zon

a at

tiva

In situ:Monitoraggio

Sonde capacitiveEstensimetriPluviometro

ME

TO

DI

DI

ST

UD

IO –

la

zon

a at

tiva

Rigonfiamento breve ma rapido (v = 0.8 mm/h, DH = 5 cm)

Ritiro su lunghi periodi con velocità basse (v < 0.12 mm/h)

Plat et al., 2008

ME

TO

DI

DI

ST

UD

IO –

la

zon

a at

tiva

INTERFEROMETRIA DIFFERENZIALE SAR DA SATELLITE

Le misure di spostamento verticale della superficie topografica costituiscono un’informazione che le tecniche di telerilevamento possono offrire per mappare e monitorare le variazioni di volume dei terreni argillosi

L’interferometria differenziale SAR da satellite permette di misurare spostamenti della superficie topografica su vaste aree con precisione millimetrica

SqueeSAR™ (Ferretti et al, 2011) é uno strumento per l’elaborazione dei dati acquisiti da sensori radar di tipo SAR montati a bordo di satelliti. I Permanent Scatterers, PS e i distributed scatterers DS costituiscono una sorta di rete geodetica naturale e consentono misure accurate delle deformazioni superficiali

RE

MO

TE

SE

NS

ING

_ I

DE

NT

IFIC

AZ

ION

E E

MO

NIT

OR

AG

GIO

Ref. Point Ref. Point VEL = 0 VEL = 0

PS 1 Vel= -2 mm/annoPS 1 Vel= -2 mm/anno

PS 2 Vel= 0,5 mm/annoPS 2 Vel= 0,5 mm/anno

PS 3 Vel= -4 mm/annoPS 3 Vel= -4 mm/anno

traditional permanent scatterers (PS)

distributed scatterers (DS) are homogeneous areas spread over a group of pixels in a SAR image such as rangeland, pasture, shrubs and bare earth.

average LOS (Line of Sight) displacement rate with a precision of about 1 mm/yr

displacement time seriesmore appropriate to detect and monitor soil

volume changesRE

MO

TE

SE

NS

ING

_ I

DE

NT

IFIC

AZ

ION

E E

MO

NIT

OR

AG

GIO

ERS1 et 2450 PS/Km2

V = 2-5 mm/yr∆1992−2000 = -10/-22 mm

ERS 1/2: May 1992 - December 2000

RADARSAT: April 2003 - June 2010

… un esempio in Oltrepo Pavese

Argille limose, limi argillosi con spessori da 20 a 4 m

Falda semi-confinata profonda (20 m)

Oscillazioni della sup. piezometrica nei periodi siccitosi : 2.5-3 m.

RE

MO

TE

SE

NS

ING

_ I

DE

NT

IFIC

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ION

E E

MO

NIT

OR

AG

GIO

DROUGHT PERIODSUBSIDENCE

SLOW DEFORMATION RATES STRONG RAINFALL

UPLIFT

RE

MO

TE

SE

NS

ING

_ I

DE

NT

IFIC

AZ

ION

E E

MO

NIT

OR

AG

GIO

Aggravamento delle lesioni

STRATEGIE DI PREVENZIONE – METODI NON STRUTTURALI - pianificazione del territorio

gli studi riguardanti la determinazione della pericolosità al ritiro-rigonfiamento sono ancora limitati (Hart, 1974; Chassagneux et alii, 1995; Noe & Dodson, 1995; Oteo et alii, 1995; Chabrillat et alii, 2001) .

non esiste un metodo standard per la determinazione dell’intensità del fenomeno (pressione e potenziale di rigonfiamento)

la relazione tra fattori ed effetti (edifici lesionati) non è sempre definibile in modo univoco

ST

RA

TE

GIE

DI

PR

EV

EN

ZIO

NE

STRATEGIE DI PREVENZIONE – METODI NON STRUTTURALI - pianificazione del territorio

FACTOR

C+S < 30%C<30%

C>=30%C<30%

C>=30%

C<S C<30%C+S >= 70% C>=30%

C>S

clay or silt no dominantclay or silt dominant

continuous

<50 cm50-100 cm

100-200 cm>200 cm

SP< 2.5 g/100g low or nul

2.5-4.5 g/100g medium4.5-9 g/100g high

>9 g/100g very high

low or nulmedium

highvery high

d > 10 m4m < d <=10 m2m < d <=4 m

d < 2 m

lowmedium

good

absentlowhigh

variable, perched water table

GR

AIN

SIZ

E

(C =

cla

y; S

= s

ilt)

30% <= C+S <70%C<S

C>S

INDEX

THICKNESS

HORIZONTAL GEOMETRY

interbedded

VALUE OF BLUE VB (Meisina, 2000)

CALCIUM CARBONATE

CONTENT

min

era

log

ica

l and

ge

ote

chni

cal

char

acte

rist

ics

DRAINAGE CONDITIONS

DEPTH TO THE WATER TABLE

ACTIVITY MODIFIED CHART (Williams and

Donaldson, 1980)

1 2

ST

RA

TE

GIE

DI

PR

EV

EN

ZIO

NE

…come costruire

ST

RA

TE

GIE

DI

PR

EV

EN

ZIO

NE