SISMICITA' E DINAMICA DEI TERRENI - LIQUEFAZIONE DEL TERRENO

Ingegneria Sismica

· LIQUEFAZIONE DEL TERRENO

· FENOMENO DELLA LIQUEFAZIONE

· MANIFESTAZIONI DELLA LIQUEFAZIONE

FENOMENO DELLA LIQUEFAZIONE

Principio degli sforzi efficaci

Per comprendere il fenomeno della liquefazione è necessario prima considerare il Principio degli Sforzi Efficaci. Questo afferma che in un terreno saturo, i cui spazi interstiziali sono riempiti completamente d'acqua, agisce nello scheletro solido una tensione efficace s' data da:

(1)

dove s è la tensione totale agente ortogonalmente a qualsiasi piano passante per un generico punto, e p è la pressione dell'acqua nel medesimo punto. Esprimendo il Criterio di Resistenza di Mohr-Coulomb in termini di tensioni efficaci, la resistenza al taglio che può essere mobilitata su un piano normale n soggetto a una tensione normale totale s_n, è data da:

(2)

essendo f l'angolo di resistenza al taglio del materiale e c la coesione.

Cause del fenomeno

Per liquefazione si intende un processo di accumulazione della pressione del fluido interstiziale che causa in un terreno non coesivo (sabbia, ghiaia, limo non plastico) saturo diminuzione della resistenza e/o rigidezza a taglio a seguito dello scuotimento sismico, potendo dar luogo a deformazioni permanenti significative. La liquefazione consiste quindi in una diminuzione della resistenza del terreno, a seguito del raggiungimento della condizione di fluidità. La perdita totale della resistenza viene raggiunta quando la pressione dell'acqua che riempie gli interstizi arriva a uguagliare la pressione di confinamento, rendendo nulle le tensioni efficaci trasmesse attraverso le particelle solide. Una volta che il terremoto ha innescato il processo di liquefazione, la massa del suolo resta in movimento fino a che non raggiunge una nuova condizione di stabilità.

Dalla relazione (2) si vede che la liquefazione si attua quando il valore limite della tensione tangenziale t_n tende a zero. E' necessario precisare che la (2) è una relazione del tutto generale, indipendentemente dalla presenza o meno dell'azione sismica. Come si osserva facilmente il pericolo di liquefazione aumenta al diminuire della coesione c, dell'angolo di attrito f, della tensione totale s_n, e all'aumentare della pressione interstiziale p. Tale pericolo riguarda pertanto i depositi superficiali di terreni incoerenti o debolmente coerenti, in presenza di falde acquifere.

Le azioni cicliche di un sisma hanno l'effetto di incrementare notevolmente il potenziale di liquefazione del terreno, provocandone la compattazione: ciò riduce il volume dei vuoti aumentando di conseguenza la pressione dell'acqua interstiziale. Questo implica una perdita di resistenza dovuta a meccanismi di generazione di sovrapressione interstiziale nel terreno in condizioni non drenate, vale a dire di deformazione a taglio a volume costante. Ciò è essenzialmente dovuto alla rapidità dei processi di sollecitazione agenti, troppo brevi perché possa avere inizio la dissipazione delle pressioni accumulatesi nel fluido.

Dai casi verificatisi in passato si è capito che questo fenomeno è profondamente influenzato dal numero dei cicli N del terremoto, dalla densità relativa D e dalla granulometria del terreno. Un terreno incoerente, a parità di altri fattori, è maggiormente esposto al pericolo della liquefazione quanto minore è la sua densità relativa. Il potenziale di liquefazione aumenta poi, ovviamente, al crescere di N.

MANIFESTAZIONI DELLA LIQUEFAZIONE

La manifestazione della liquefazione può dare origine ad effetti di varia natura:

- affondamento di edifici nel terreno (Figura 1(a))

- scorrimento di pendii (Figura 1(b))

- collasso di terrapieni, rilevati stradali e opere di terra in genere (Figura 1(c))

- collasso di palificate per perdita di connessione laterale (Figura 1(d))

- zampillio di copiosi getti d'acqua e di sabbia con formazione dei caratteristici coni (Figura 1(e))

- collasso di opere di sostegno per sovraspinta del terreno a monte (Figura 1(f))

Figura 1

Liquefazione con trasporto di materiale

Questo fenomeno è dovuto al collasso per instabilità accompagnato da trasporto laterale di materiale. Esso può verificarsi solo quando agiscono nella massa del terreno tensioni tangenziali statiche (ad esempio sotto una fondazione), e nel contempo tali tensioni risultano maggiori della resistenza a taglio residua del materiale liquefatto. In tali condizioni la massa del terreno fluisce fino a quando non avrà raggiunto nuove condizioni di stabilità, che dipendono anche dalla configurazione geometrica iniziale della massa stessa. Come detto, l'azione di un sisma può provocare un incremento di pressione interstiziale, necessario per raggiungere la condizione di instabilità che innesca la liquefazione con trasporto di materiale. Attraverso un'analisi geotecnica delle condizioni iniziali del terreno (indice dei vuoti, tensioni di confinamento, tensioni tangenziali agenti), ed il loro accertamento per via sperimentale, è possibile valutare la possibilità che si verifichino fenomeni di liquefazione con trasporto di materiale. E' importante sottolineare che in questi fenomeni il collasso e il trasporto del materiale possono occorrere quasi istantaneamente.

Liquefazione con mobilità ciclica

A differenza del caso precedente, le deformazioni del terreno associate a fenomeni di mobilità ciclica si sviluppano più gradualmente, secondo un processo incrementale governato dalle tensioni tangenziali cicliche prodotte dal terremoto. E' quindi importante valutare, in particolare sotto l'azione del terremoto di progetto, se gli eventuali materiali non coesivi saturi presenti nel terreno di fondazione di un sito di progetto sono suscettibili di mobilità ciclica o no.

A partire dagli anni '60 furono eseguite sperimentazioni sul comportamento di provini di sabbie sature sottoposti a carico ciclico.

Per simulare lo stato tensionale in sito in assenza di tensioni tangenziali statiche (condizioni di terreno piano) e consolidazione isotropa, le prove di laboratorio sottoponevano i provini a regimi triassiali.

In una tipica prova ciclica si osservano i seguenti risultati:

· Fino ad un certo numero di cicli le deformazioni prodotte da ciascun ciclo si mantengono limitate (inferiori all'1%), mentre la pressione interstiziale aumenta secondo un processo caratteristico di accumulazione progressiva. Esso è dovuto all'accoppiamento che si produce nei mezzi granulari tra sollecitazioni tangenziali cicliche e deformazione volumetrica permanente: essendo in condizioni non drenate questa è impedita e si ha trasferimento delle tensioni dallo scheletro solido al fluido.

· Viene raggiunto uno stato nel quale la pressione interstiziale uguaglia per un istante la tensione di confinamento: tale stato viene detto liquefazione iniziale. Il numero di cicli necessario per raggiungere questa condizione è funzione della densità relativa, della tensione di confinamento e dell'ampiezza della sollecitazione ciclica.

· A partire dall'istante della liquefazione iniziale le deformazioni in ciascun ciclo successivo aumentano: tale aumento è rapidissimo per sabbie sciolte, e medie, e lento per sabbie dense.

· Nelle sabbie sciolte lo stato di collasso per liquefazione si può fare coincidere con la liquefazione iniziale, mentre per le prove su sabbie dense si assume come indice del collasso un valore di ampiezza della deformazione ciclica del 5%. Nel caso di sabbie dense o molto dense si può escludere che una condizione di collasso venga raggiunta in sito durante un terremoto, poiché il collasso si raggiunge dopo centinaia di cicli di carico a partire dalla liquefazione iniziale.