Appunti di Stabilità dei pendii

Descrizione e classificazione dei movimenti franosi

I movimenti franosi sono fenomeni naturali molto vari, per cui si deve procedere a una classificazione. Quando si opera una classificazione di un fenomeno naturale si tengono in considerazione dei fattori fondamentali. Non esiste un’unica classificazione, in quanto le classificazioni sono un prodotto della mente e quindi bisogna sceglierle in funzione degli obiettivi che si vogliono raggiungere.

Ciò vuol dire che i fenomeni naturali, come i fenomeni franosi, possono essere legittimamente classificati secondo differenti criteri a seconda dell’obiettivo che si fissa: la classificazione è quindi soggettiva.

Fattori da considerare nella classificazione

• Il tipo di movimento: se parliamo di movimenti franosi è ovvio che c’è un movimento in atto, quindi bisogna individuare il cinematismo;
• Il tipo e le proprietà del materiale interessato: bisogna quindi capire se si ha una roccia, un terreno ecc., ed individuare le proprietà meccaniche del materiale stesso;
• La forma e le dimensioni della massa in movimento: è chiaro che ci sarà una parte in movimento (quella che frana) e una parte che è ferma, quindi ci deve essere una superficie che delimita la parte che si muove rispetto alla parte che è ferma. Tale superficie è fondamentale ed è la superficie di distacco o scorrimento;
• Le caratteristiche della superficie di distacco o scorrimento;
• La velocità, la durata e la ripetitività del movimento: per quanto riguarda la durata, ci sono frane molto brevi e invece frane che durano secoli; per ripetitività del movimento si intende che ci sono frane che hanno periodi in cui si muovono, periodi in cui sono ferme, quindi hanno delle fasi successive nel tempo chiamate stati di attività;
• Le cause del movimento: in genere una delle cause è la forza di gravità, ma ci sono anche altre cause da individuare. Si distinguono, a livello generale, le cause antropiche dalle cause naturali. Le cause antropiche sono quelle dovute all’azione dell’uomo; le cause naturali sono gli effetti dei fenomeni endogeni o esogeni che portano alla trasformazione della crosta terrestre (es: erosione).
• L’età del fenomeno: è molto importante soprattutto quando ci si confronta con i geomorfologi, perché è vero che ci sono frane improvvise, eclatanti ma non sempre è così. Infatti ci sono frane lente che hanno dei periodi di attività e poi dei periodi di stasi, quindi il territorio viene studiato dai geomorfologi con l’ausilio di diverse tecniche, e vengono individuate delle forme che evidenziano ad esempio una discontinuità nelle curve di livello, una zona che può rappresentare un accumulo di frana. Queste zone vengono evidenziate sulle carte, ma bisogna capire se è la frana è recente, antica oppure è una paleofrana (fossile, frana molto antica).
• Lo stato di attività: attivo, quiescente, stabilizzato.

Classificazione di Varnes

Tra tutte le classificazioni possibili che si possono trovare in letteratura, quella che si utilizza normalmente per risolvere problemi a livello applicativo, è la classificazione di Varnes. La classificazione di Varnes suddivide i fenomeni franosi in base al tipo di movimento ed al tipo di materiale interessato. Seguendo tale criterio di possono individuare otto tipi di movimento principali:

1. Crolli (Falls)
2. Ribaltamenti (Topples)
3. Scorrimenti rotazionali (Rotational slides)
4. Scorrimenti traslativi (Translational slides)
5. Colamenti o colate (Flows)
6. Movimenti complessi (Complex movements)
7. Espansioni laterali (Lateral spreads)
8. Deformazioni gravitative profonde di versante (D.G.P.V.)

Per tale classificazione si costruisce una matrice piana movimenti-materiali. Tra i materiali abbiamo:

• La roccia: intesa come solido fratturato interessato da discontinuità;
• Il terreno: quindi si può avere un pendio di argilla normalconsolidata, sovraconsolidata, sabbia, ghiaia ecc. L’importante è che quando si parla di terreno ci si riferisce a tanti granelli che non sono cementati tra di loro, i quali si trasmettono degli sforzi di contatto che vengono poi elaborati. Quindi il terreno è un mezzo granulare;
• Il detrito: nella realtà ci troviamo in difficoltà perché non sappiamo a che tipo di meccanica fare riferimento. Il detrito è un materiale intermedio tra il materiale roccioso e il materiale granulare.

La meccanica delle rocce studia il comportamento di particolari materiali solidi interessati da discontinuità e la meccanica delle terre, che studia il comportamento di un materiale granulare. Nella matrice si individua un altro materiale, il detrito. Il classico detrito che si conosce è il detrito di falda: cioè una formazione rocciosa che nel tempo è stata soggetta all’azione degli agenti atmosferici, a fenomeni di erosione e a crolli ripetuti. Al piede di tale formazione si trovano accumulati i detriti che sono il risultato di crolli ripetuti nei secoli. Dal punto di vista dell’analisi del problema bisogna valutare, caso per caso, se il detrito è assimilabile a un terreno o a una roccia.

Ci sono dei cinematismi che si possono verificare solo per determinati materiali: il crollo, ad esempio, si riferisce a una parete rocciosa. Si analizzano tutti i cinematismi.

Tipi di cinematismi

Crollo

Fenomeno che inizia con il distacco di roccia (o più raramente di terra) da un pendio acclive; il materiale si muove quindi nell’aria per caduta libera, rimbalzo e rotolamento. Tipico dei materiali rocciosi.

Esempio reale di crollo: questo rappresenta il crollo di una parete in tufo giallo. Il tufo è un materiale piroclastico. Altro esempio di crollo: la parte evidenziata in rosso rappresenta un accumulo di frana. In giallo è indicato il margine dell’area crollata. Dall’immagine si evince una grotta da cui sono caduti dei massi (crollo localizzato).

Ribaltamento

Rotazione in avanti, verso l’esterno del versante, di una massa di roccia (o più raramente di terra), intorno ad un asse situato al di sotto del centro di gravità della massa spostata. I meccanismi di collasso negli ammassi rocciosi sono sostanzialmente determinati dalle discontinuità e quindi dalla posizione nello spazio di tali discontinuità. Tipico dei materiali rocciosi.

Il ribaltamento può essere schematizzato in due tipologie:

• Ribaltamento flessionale: quando si hanno una serie di discontinuità subverticali (una serie di lastre), per cui la rottura avviene quando il momento flettente, a cui è sottoposta una lastra, è maggiore del momento resistente in una data posizione. Quindi la lastra si rompe a flessione.
• Ribaltamento a blocchi: è il ribaltamento più frequente. Ci sono due sistemi di discontinuità, più o meno normali l’uno all’altro, che delimitano e suddividono l’ammasso roccioso in blocchi. Ci possono essere diverse situazioni in quanto in questo caso è importante il contesto geologico. Una situazione molto frequente è quando si ha una stratigrafia particolare, in cui si ha come strato superiore uno strato roccioso e al di sotto si ha un terreno diverso, come un’argilla sovraconsolidata.

Inizialmente la successione stratigrafica era molto estesa. Con il passare del tempo, i fenomeni erosivi producono nelle fessure l’infiltrazione di acqua, quindi l’acqua inizia ad erodere. Con il tempo, l’azione erosiva va avanti e si modifica la configurazione della formazione argillosa. Ci sono casi in cui su tali formazioni sono state costruite ad esempio case, monumenti. Nel tempo, per il lento scorrimento della coltre sottostante, crollano le case costruite sulla formazione rocciosa. Caso del Duomo di Orvieto.

Scorrimento (o scivolamento) rotazionale

Movimento di una massa di terra (o più raramente di roccia) con cinematismo di rotazione che si sviluppa lungo una superficie di rottura di forma curva o entro una fascia relativamente sottile nella quale il terreno subisce un’intensa deformazione di taglio. Tipico delle terre.

Esempi reali: Caso raro e particolare di uno scivolamento di una formazione rocciosa.

Scorrimento (o scivolamento) traslativo

Movimento di una massa di terra o roccia lungo una superficie planare di rottura o una fascia relativamente sottile, di forma piana o leggermente ondulata, nella quale il materiale subisce un’intensa deformazione di taglio. In questo caso lo scivolamento avviene lungo un piano. Tipico sia delle rocce che delle terre.

Se supponiamo di avere, ad esempio, una formazione rocciosa e una coltre di terreno al di sopra. In determinate condizioni, per esempio per effetto della pioggia, il livello di falda sale, aumenta la pressione interstiziale, si riduce la resistenza al taglio e avviene lo scivolamento della coltre di terreno. La superficie di scorrimento è una superficie particolare in quanto in corrispondenza di essa si supera la resistenza al taglio disponibile: uno scivolamento si ha quando la forza agente su tale superficie raggiunge il livello della resistenza. Quindi è molto importante valutare, conoscere la forma o la posizione della superficie di scivolamento. Se la frana si è già verificata si misura o verifica la superficie di scivolamento; se invece il pendio è stabile, non si conosce la superficie di scivolamento, ma non è detto che non si possa avere una frana. A questo punto bisogna ipotizzare tutte le possibili superfici di scivolamento, che potrebbero essere attivate, e si effettuano le verifiche in determinate condizioni (innalzamento del livello di falda, sisma, ecc.). Una delle cause più diffuse dello scivolamento è la presenza del corso d’acqua che scava al piede.

Esempio reale:

Colamento (o colata)

Movimento di una massa di terreno, o roccia disgregata, simile a quello di un fluido viscoso; il fenomeno si può sviluppare con velocità variabili (colate rapide o colate lente); il cinematismo è fortemente influenzato dalle caratteristiche morfologiche preesistenti (presenza di alveinaturali, superfici di erosione, ecc.). Tipico sia delle rocce che delle terre.

Si possono individuare due tipi di colate:

• Colata lenta: è un fenomeno che si svolge nel corso degli anni, dei decenni, in cui si determina un meccanismo particolare. C’è una zona soggetta alla frana, in senso stretto, di tipo rotazionale, cioè c’è un meccanismo di rottura a monte, chiamata area di alimentazione. Ciò accade molto spesso nelle argille sovraconsolidate, le quali quando vengono sottoposte ad una variazione volumetrica di tipo espansivo, perdono la loro consistenza e la loro resistenza (raggiungono le condizioni di resistenza residua) e diventano materiali con una bassa resistenza, come un’argilla normalconsolidata. Tale materiale tende a scivolare, si muove lungo un canale, come se fosse un fluido e si accumula al piede.
• Colata rapida: hanno un andamento, dal punto di vista cinematico, simile a quello delle colate lente, in quanto sono caratterizzate anch’esse da un’area di alimentazione, si muovono lungo dei canali e poi hanno una zona di accumulo al piede. Il caso in cui ci si può trovare è quello di una coltre di terreno, di pochi metri di spessore, in un pendio molto acclive. Se c’è un periodo di piogge intense, che sono una delle maggiori cause scatenanti, una certa parte (anche piccola) di terreno comincia a muoversi. Questa parte di terreno in movimento, spinge il terreno successivo e determina un’azione dinamica. Il materiale perde la resistenza al taglio, si comporta come un fluido, e scivola verso valle a forte velocità.

Esempio reale:

Movimenti complessi

Sono frane con cinematismi riconducibili a più di uno dei casi elementari precedentemente descritti.

Espansioni laterali

Movimento di un terreno consistente o di un ammasso roccioso, in cui la massa (di grandi dimensioni) si sposta lungo una superficie planare sub-orizzontale, scivolando al di sopra di un materiale meno resistente; durante il movimento, la massa viene disarticolata in più elementi, che possono subire spostamenti reciproci anche in direzione verticale.

Si può avere una sequenza stratigrafica caratterizzata, nel livello inferiore, da un materiale più deformabile e nel livello superiore un materiale più rigido. Può succedere che per vari motivi ci può essere una deformazione dello strato di base, in cui tale strato tende a comprimersi e ad espandersi lateralmente. A questo punto lo strato sovrastante deve seguire l’espansione laterale: se è uno strato rigido tende a spaccarsi in determinati punti e quindi ogni elemento si muove in direzione più o meno orizzontale.

Quindi in questo caso non si è in presenza di un pendio acclive ma si ha un pendio più o meno orizzontale o leggermente inclinato su un lato. Le espansioni laterali possono essere dovute a due fenomeni molto diversi:

• Un fenomeno molto lento che si verifica in tempi geologici, cioè una determinata formazione inferiore, lentamente, con il passare dei secoli tende a muoversi e determina progressivamente dei movimenti molto lenti della crosta;
• L’altro fenomeno (quello più pericoloso) è quello in cui per effetto della sollecitazione sismica, la zona di base raggiunge le condizioni di liquefazione sismica. Quindi se la zona sottostante raggiunge la liquefazione sismica, la parte sovrastante si trova a contatto con una formazione che virtualmente gli dà resistenza al taglio nulla, per cui basta una piccola inclinazione e tutta la parte superiore cede.

Deformazioni gravitative profonde di versante

Recentemente alcuni studiosi hanno proposto di aggiungere un altro cinematismo alla classificazione di Varnes, ovvero le deformazioni gravitative profonde di versante. Sono fenomeni in cui c’è un cinematismo di tipo franoso. In figura è riportato un caso particolare: c’è una parte della montagna che tende a scivolare con una superficie subcircolare. Probabilmente questo movimento della montagna avviene in tantissimi anni, ma sta di fatto che non è ferma.

Questo tipo di cinematismo in realtà è molto più studiato dai geologi ma ci sono stati casi in cui, per particolari opere, anche gli ingegneri ci hanno fatto riferimento. Ad esempio, una galleria realizzata attraverso una montagna, con il passare del tempo si è iniziata a spaccare. Quindi si è individuato un movimento relativo di una parte della montagna rispetto all’altra. Tale movimento era lento ma non lentissimo, per cui nell’arco di dieci anni ha causato la rottura del rivestimento della galleria.

I danni provocati da una frana

I danni provocati da una frana dipendono da numerosi fattori. Tali danni, in primo luogo, dipendono dalla velocità del movimento franoso: maggiore è la velocità, maggiore è il danno a parità di condizioni. Viene fatta una classificazione: quindi si possono avere movimenti estremamente lenti, di qualche mm/anno, che possono essere misurati con diversi strumenti, fino ad arrivare a movimenti estremamente rapidi in cui si hanno velocità di diversi m/s. La velocità è molto importante perché si porta dietro delle situazioni di danno, relative sia alle persone che alle cose. L’entità del danno non dipende solo dalla velocità ma anche dalle dimensioni della massa in movimento. Pertanto recentemente il danno viene anche associato con l’energia cinetica del fenomeno.

Attività

Ci sono tre stati di attività a cui fare riferimento:

• Attivo
• Quiescente
• Stabilizzato

Esempi fasi di attività: Nel tempo molte frane attraversano vari stati di attività, si alternano tante fasi diverse. Viene utilizzata dai geomorfologi una terminologia di dettaglio universale per descrivere un movimento franoso (la morfometria della frana).

Rischio frana

Il concetto di rischio viene utilizzato specialmente per le catastrofi naturali, ma non solo. Bisogna definire il rischio per motivi pratici, per cercare di capire quale sia l’entità del problema e come si può affrontare. Si distinguono. Quindi per risolvere il problema bisogna capire se esiste un rischio ed analizzare poi gli elementi riportati dalla tabella: ciò viene fatto dalle autorità di bacino.

Autorità di bacino

Le autorità di bacino producono delle cartografie per il rischio frana.

Rischio frana: piani stralcio

• Aree urbanizzate
• Aree non urbanizzate: aree di attenzione

Costruzioni di terra (costruzioni in materiali sciolti)

Le costruzioni di terra, il cui maggiore impiego è nelle infrastrutture, sono anche dette costruzioni in materiali sciolti perché è stato necessario distinguerle dalle costruzioni realizzate con materiali solidi, quali cls, acciaio o legno, in quanto gli elementi che costituiscono il materiale delle costruzioni di terra non sono cementati tra loro. Da questo punto di vista è corretto definirle come costruzioni di materiali sciolti in quanto, dal punto di vista della meccanica delle terre, è possibile assimilare le terre a un materiale granulare.

Le costruzioni di terra più frequenti sono:

• Rilevato stradale