LIQ 1 Liquefazione Il fenomeno della liquefazione, ossia della perdita di resistenza o dell’accumulo di deformazioni elevate per effetto di un aumento.

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1 LIQ 1 Liquefazione Il fenomeno della liquefazione, ossia della perdita di resistenza o dell’accumulo di deformazioni elevate per effetto di un aumento di pressioni interstiziali dovuto a sollecitazioni dinamiche, riguarda principalmente le sabbie sature poco addensate. I principali fattori che determinano la suscettività a liquefazione di un terreno sono: - stato di addensamento; - caratteristiche della sollecitazione dinamica; - stato tensionale e storia tensionale pre-sisma; - granulometria; - plasticità; - età del deposito; - stratigrafia del sottosuolo all’interno del quale è compreso il terreno a rischio liquefazione. Nelle prove di laboratorio effettuate a scopo di ricerca per identificare l’influenza di tali fattori, gioca un ruolo sostanziale anche il metodo di preparazione dei provini. Le difficoltà di riprodurre in laboratorio su terreni sabbiosi strutture corrispondenti a quelle in sito fanno sì che per la stima della suscettività a liquefazione sia preferito l’uso diretto di prove in sito.

2 LIQ 2 Tipologie di comportamento tensio-deformativo Il legame tensioni-deformazioni esibito dalle sabbie in prove non drenate statiche è condizionato dallo stato iniziale, e può essere schematizzato come segue:

3 LIQ 3 Liquefazione come effetto di carichi ciclici Collasso per liquefazione (sabbie sciolte) Mobilità ciclica (sabbie dense) Sabbia del fiume Fuji (Ishihara, 1985) aumento improvviso di deformazioni tangenziali accumulo irreversibile di sovrapressioni interstiziali aumento graduale di deformazioni tangenziali accumulo reversibile di sovrapressioni interstiziali

4 LIQ 4 Liquefazione come effetto di carichi ciclici Sabbia sciolta I cicli assumono un aspetto distorto (a banana) con pendenza degradante verso l’orizzontale (G  0) Il comportamento post-ciclico è instabile In condizioni di sollecitazione ciclica non drenata, l’accumulo di sovrapressioni può produrre l’estrema degradazione del comportamento tensio- deformativo, fino a deformazioni molto elevate (  >5%) e, al limite, all’improvvisa perdita di resistenza a taglio se il percorso di tensioni efficaci si approssima all’origine dell’inviluppo di rottura. Deformazioni tangenziali  Numero di cicli N c 5%

5 LIQ 5 Liquefazione successiva ai carichi ciclici La distribuzione nel tempo e nello spazio degli effetti di un sisma non è così regolare come un carico ciclico sul provino di laboratorio. Per un sottosuolo reale sono più significativi e probabili i fenomeni di liquefazione in fase post-ciclica, i cui meccanismi sono condizionati dal ‘grado di stabilità’ del terreno.

6 LIQ 6 Fattori di influenza sulla suscettività a liquefazione Gli studi di laboratorio riguardanti la suscettività a liquefazione dei terreni hanno avuto sviluppo già dagli anni ’60, in seguito ai ben noti eventi di Anchorage e Niigata, mediante apparecchiature spesso triassiali, a volte di taglio semplice, raramente torsionali. I risultati sperimentali sono in genere rappresentati mediante relazioni tra: livello di sollecitazione (  /  ' 0 o q/2  ' 0 ), deformazione (  o  s ), numero di cicli (N c )

7 LIQ 7 Definizioni operative della resistenza a liquefazione (a) in termini tensionali: rapporto di sovrapressione interstiziale Due definizioni alternative per l’innesco della liquefazione: (b) in termini deformativi: deformazione limite A parità di N c, in genere è R  (a) < R  (b) (Blazquez, 1995)  definizione (a) più cautelativa?

8 LIQ 8 Influenza dello stato di addensamento Shear strain  (%)

9 LIQ 9 Influenza di storia tensionale e deformativa pregressa A pari stato tensionale e densità, la minore suscettività di sabbie sovraconsolidate è giustificata dall’aumento di K 0 (Seed & Peacock, 1971; Bhatia, 1980) Campioni di sabbia precedentemente soggetta a storie di carichi ciclici (p.es. liquefatta durante un sisma) mostrano, a pari densità, un ‘assetto’ più stabile (Seed et al. 1977)

10 LIQ 10 Influenza della granulometria L’osservazione e il censimento dei casi di liquefazione nei terremoti ha mostrato la maggiore suscettività delle sabbie fini uniformi (Tsuchida, 1970) Il fenomeno è invece favorito dalla riduzione di permeabilità per l’eventuale presenza di frazioni fini non plastiche (Troncoso & Verdugo, 1985)

11 LIQ 11 Influenza di plasticità ed età geologica La maggior plasticità (aumento di attività mineralogica) riduce la suscettività a liquefazione (Ishihara & Koseki, 1990) L’età geologica, riflessa dall’aumento della densità del deposito (Thorno, 1975) riduce la suscettività a liquefazione (Youd et al., 1978) VOID RATIO DRY DENSITY

12 LIQ 12 Influenza di granulometria e plasticità Recenti osservazioni post-sisma (Miura et al., 1995; Youd et al., 1989) hanno messo in evidenza numerosi casi di liquefazione in sabbie con percentuali elevate di fine. In miscele artificiali sabbia-argilla, la presenza di piccole percentuali di bentonite ( 11%) ha l’effetto opposto. A parità di contenuto d’argilla, miscele con bentonite hanno suscettività a liquefazione minore di miscele con caolinite o illite. Tali differenze di comportamento sono attribuibili a differenti microstrutture (Gratchev et al., 2006). mixtures silica sand - bentonitemixtures 85% silica sand – 15% clay [=  u/  ' 0 ]

13 LIQ 13 Liquefacibilità da resistenza ciclica in laboratorio Resistenza ciclica definita dal rapporto tensionale (  o ) (Martin et al., 1978) (Mori et al., 1978) (Mulilis et al., 1975) Forte dipendenza della relazione (  o ):N c da fattori come: N c : numero di cicli per produrre liquefazione  hv /  0 grado di saturazione S r procedura di riconsolidazione tecnica preparazione campioni

14 LIQ 14 Liquefazione e meccanismi di instabilità associati Mobilità ciclica  grandi spostamenti scorrimenti rotazionali o traslativi di pendii artificiali Fluidificazione  collasso movimenti di sottosuolo con morfologia orizzontale collasso o grandi spostamenti di pendii naturali Aspetti da considerare: - ridotta resistenza non drenata del terreno liquefatto - spostamenti elevati da espansione laterale (‘lateral spreading’)

15 LIQ 15 Liquefazione e meccanismi deformativi associati Aspetti da considerare: - riconsolidazione post-sismica - spessori relativi tra strati liquefacibili profondi e non liquefacibili superficiali 2. cedimenti o sollevamenti del piano campagna  conseguenti movimenti di manufatti in superficie 1. modifiche del moto del terreno  aumento di ampiezza e diminuzione di frequenza

16 LIQ 16 Liquefazione e meccanismi indotti su fondazioni cedimenti in fondazione per combinazione di: - incremento deformabilità del terreno - effetti inerziali Aspetti da considerare: - ridotta resistenza non drenata del terreno liquefatto - riconsolidazione post-sismica perdita di capacità portante riconsolidazione post-liquefazione perdita di volume per erosione interna totale parziale

17 LIQ 17 Liquefazione: schema generale di analisi Superficie freatica argilla sabbia argilla substrato 'v'v 'h'h u = u 0 +  u  a t ’v’v u0u0  eq  z  lim Si verifica:  eq >  lim negli strati potenzialmente liquefacibili moto sismico di riferimento effetti in superficie  eq : tensione tangenziale equivalente, ottenuta convertendo la storia tensionale durante il sisma in un numero equivalente di cicli ad ampiezza costante  lim : tensione tangenziale limite = ampiezza che darebbe luogo a liquefazione con lo stesso numero di cicli

18 LIQ 18 Tipo di AnalisiLegame costitutivoMetodo di calcoloVerifiche Analisi pseudostatica Elementare (rigido-plastico) Pseudo-statico Azioni vs. resistenze Metodi empiriciAbachi Gerarchia delle tipologie di analisi Analisi dinamica semplificata Semplificato (visco-elastico, elasto-plastico) Dinamico con geometria semplificata Tensioni, deformazioni, pressioni interstiziali Analisi dinamica avanzata Avanzato (elasto-plastico a incrudimento) Dinamico con geometria complessa (a volte struttura inclusa) Distribuzioni di tensioni efficaci, pressioni interstiziali, tensioni, deformazioni, spostamenti residui. Valutazione del meccanismo di rottura del sistema L’azione sismica va definita in relazione al tipo di analisi: 1. Analisi pseudostatica, Metodi empirici  accelerazione massima a max, tensione tangenziale equivalente  eq 2. Analisi dinamica  storia temporale delle accelerazioni

19 LIQ 19 Valutazione tensioni tangenziali indotte z  Risposta sismica di una colonna di terreno nell’ipotesi di propagazione verticale di onde S  Analisi pseudo-statica: equilibrio alla traslazione orizzontale della colonna di terreno fino a profondità z Colonna deformabile  a(z) = variabile  coefficiente riduttivo r d (z)  Terreno omogeneo, colonna rigida  a(z) = costante = a max  a(z) a max Tensione tangenziale∙Area = Forza inerzia Azione irregolare  lo sforzo equivalente (uniforme) si ricava come: dove il coefficiente  varia tipicamente tra 0.6 e 0.7 (valore usuale 0.65)

20 LIQ 20 Valutazione del potenziale di liquefazione con metodi empirici Risultati di laboratorio molto sensibili a diversi fattori sperimentali  Abitualmente non utilizzati nella pratica progettuale L'ISSMGE-TC4 (1999) raccomanda procedure semplificate basate sul comportamento osservato durante eventi sismici La valutazione della liquefacibilità è effettuabile mediante: - procedura W (USA): sole prove in sito - procedura E (Giappone): prove in sito + eventuali prove di laboratorio ð fase 1: valutazione dell’azione sismica (rapporto tensionale ciclico, CSR) ð fase 2: correzione e normalizzazione delle misure in sito (resistenza normalizzata, R 1 ) ð fase 3: uso degli abachi di liquefazione rapporto di resistenza ciclica, CRR = f(R 1 ) R1R1 liquefacibile non liquefacibile CSR CRR  CSR > CRR  il terreno è considerato liquefacibile Analizziamo, a titolo di esempio, le fasi della procedura classica (W):

21 LIQ 21 Fase 1 (W) Valutazione dell’azione sismica ð espressioni analitiche per r d (z): Iwasaki et al. (1978)  r d = 1 - 0.015  z (z in m) Idriss & Boulanger (2004)  a max = accelerazione orizzontale di picco (in superficie)  v0 = tensione totale litostatica  ´ v0 = tensione efficace litostatica r d = fattore di riduzione della tensione tangenziale alla profondità z (effetto della deformabilità) Espressione più diffusa per CSR (Seed & Idriss, 1971): ð quando possibile, assumere r d (z) dalla  (z) calcolata da Analisi della Risposta Sismica Locale

22 LIQ 22 Fase 2a (W) Correzione delle misure in situ Correzione generalizzata proposta da NCEER* (1997): Il numero di colpi misurato N m nella prova SPT va preventivamente corretto con riferimento a procedura standard, con rilascio di energia ER=60% per tenere conto di:  energia rilasciata (C E = 0.5 ÷ 1.3)  diametro foro (C B = 1.0 ÷ 1.15)  lunghezza aste (C R = 0.75 ÷ 1.0 e oltre)  tipo di fustella (C S = 1.0 ÷ 1.3) Gli abachi di liquefazione si basano sugli indicatori: numero di colpi SPT, resistenza alla punta CPT, o velocità delle onde S * National Center for Earthquake Engineering Research

23 LIQ 23 Fase 2b (W) Normalizzazione delle misure in situ Per ottenere il valore R 1, le misure in situ (N 60, q c, V S ) devono essere ricondotte ad una tensione verticale efficace pari alla pressione atmosferica (p a = 98.1 kPa) misure velocità

24 LIQ 24 Fase 3 (W) Abachi di liquefazione: prove SPT Un abaco di liquefazione rappresenta il limite empirico tra osservazioni di casi di terreno liquefatto e non L’aumento di resistenza con l’aumento di frazione fine F C corrisponde ad un incremento di (N 1 ) 60 Per magnitudo M w  7.5 CRR va scalato per un fattore C M oppure abachi per M=7.5 (NCEER, 1997)

25 LIQ 25 Fase 3 (W) Abachi di liquefazione: prove CPT ð fattore correttivo K c per frazione fine F C espresso in funzione dell’ ‘indice di comportamento’ I C frazione fine FC  indice di comportamento I C indice di comportamento I C  fattore correttivo K c abaco per sabbie pulite (M=7.5) (Robertson & Wride, 1997)

26 LIQ 26 abachi per M=7.5 (Andrus & Stokoe, 1997) ð Consigliabile per terreni ghiaiosi (prove penetrometriche non eseguibili)  Adatto a terreni con particelle fragili (per i quali le prove penetrometriche sottostimano la resistenza) ð Nei terreni debolmente cementati, il potenziale di liquefazione può essere sottostimato (cementazione più influente sulla rigidezza che sulla resistenza) Fase 3 (W) Abachi di liquefazione basati su V S

27 LIQ 27 Confronto tra le prestazioni di varie prove in sito (Youd & Idriss, 1997) ð Strategia suggerita: applicare due o più procedure in sito per ottenere una valutazione affidabile del potenziale di liquefazione Fase 3 (W) Uso degli abachi di liquefazione: sommario