Appunti del corso di frane e stabilità dei pendii

FRANE E STABILITA’ DEI

PENDII

Appunti del Corso del prof. Venanzio Greco

Iovine Maria Teresa

CdL Magistrale in Scienze Geologiche

A.A. 2020/2021

Corso di Frane e Stabilità dei pendii, A.A. 2020/2021

Introduzione al corso

Il corso di Frane e Stabilità dei Pendii risulta in alcuni casi riferito a Geotecnica, in

altre annate è stato incluso nel settore Geo/05, settore della Geologia Applicata: la

questione di appartenenza a questo ramo è lecita, in quanto delinea il taglio che deve

essere dato al corso. Questo ne esalta gli aspetti geologici, a dispetto di quelli

prettamente computazionali. La geologia applicata è quella disciplina che affronta le

problematiche geologiche connesse alla progettazione e alla realizzazione delle opere

di ingegneria civile, architettura e ing. ambientale. Non a caso, il nome originario era

Geologia applicata all’ingegneria. Il nostro corso di Frane e Stabilità dei Pendii costa

6CFU e analizza le questioni connesse al dissesto idrogeologico, dal punto di vista

geologico, ed introduce alle tematiche inerenti ai metodi di analisi di stabilità dei

pendii.

Il corso, dunque, tratta aspetti specialistici della geologia applicata: la nostra disciplina

va intesa come una geologia applicata alle frane e alla stabilità dei pendii. Le frane

possono forse essere intese come una questione inerente alla geomorfologia; tuttavia,

il modo di approcciarsi alle frane da parte di un geomorfologo è diverso da quello di

un geologo applicato o da un ingegnere geotecnico:

Per il geomorfologo, una frana è un processo di modellamento della crosta terrestre;

Per il geologo applicato, la frana è un evento la cui pericolosità ed effetti vanno

contenuti o annullati, ed è questo il fine dei suoi studi attraverso l’adozione di opportuni

provvedimenti. Le finalità dello studio sono dunque fondamentalmente diverse da

quelle del geomorfologo.

Fondamentali per lo sviluppo di questo corso, sono le conoscenze di geognostica: non

può essere condotto uno studio serio di una frana se non sono note le caratteristiche

geotecniche dei materiali, che vanno indagate con adeguati indagini geognostiche. Il

corso di geognostica attualmente è di tre CFU, inglobato nel corso di geologia tecnica:

avremo quindi necessità di approfondire i concetti di meccanica dei terreni, di

geotecnica, soprattutto per quanto concerne la resistenza a rottura dei terreni in prove

di laboratorio.

La frana non è altro che un fenomeno di rottura in grande scala, che in qualche modo

può essere simulato in laboratorio in piccola scala. Sulla stabilità dei pendii, importanti

sono anche gli effetti sismici: i carichi sismici e i connessi processi di variazione delle

pressioni neutre, ossia delle pressioni delle acque contenute nei terreni (le falde idriche)

sono responsabili della maggior parte delle frane. Ancora più frequenti, sono le frane

provocate dalle pressioni neutre dovute alle variazioni delle condizioni idrologiche del

e dalla connessa distribuzione delle pressioni dell’acqua: quest’ultima

sottosuolo

problematica non è di carattere idrogeologico, come potrebbe sembrare.

L’idrogeologia è una disciplina anch’essa facente parte del gruppo di geologia

applicata, ma che studia gli acquiferi con altri fini, per poterli sfruttare ad uso antropico.

In idrogeologia, l’acqua è vista in modo positivo. Per noi, l’acqua provoca uno stato di

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pressione idrica, riduce la resistenza del terreno e avvicina le sue condizioni a quelle

di collasso: la gran parte delle frane è infatti dovuta agli effetti dell’acqua.

Oggi, lo studio delle frane non può essere portato avanti se non impiegando strumenti,

che vanno da quelli semplici di carattere meccanico e idraulico, a strumentazioni più

sofisticate che impiegano apparecchiature elettroniche, sensori per rilevare eventi o

misurare spostamenti, reti di comunicazione e preallarme per preannunciare eventi

calamitosi, e così via.

Argomenti del corso Le rocce sciolte

La prima parte del corso sarà dedicata ad approfondimento nel campo della meccanica

dei terreni, che è la condizione essenziale per affrontare la questione di stabilità dei

pendii, in termini di geologia tecnica e non in termini naturalistici. Partiamo con

l’esame prima generale e poi sempre più particolareggiato delle rocce sciolte, che in

meccanica dei terreni si preferisce chiamare terre o terreni.

Questi materiali sono prodotti della degradazione chimica e fisica delle rocce lapidee

e ricoprono la superficie della Terra, per cui quasi tutte le opere da edificare vengono

costruite su queste formazioni.

Le terre e i terreni sono formate da granuli solidi cristalli di forma, dimensione e

composizione mineralogica molto varia, e talvolta da sostanze organiche.

➔ Si dice terra il materiale formato da granuli o da particelle di roccia non legato

tra loro o, se apparentemente legati, separabili per mezzo di modeste azioni o

dopo una prolungata immersione in acqua. Viene definito anche roccia sciolta

in quanto si disgrega.

➔ Il terreno è la terra nella sua sede naturale, quindi ritrovata in posto. Se rimosso

per farne un rilevato, viene chiamato terra.

I due termini sono però confusi tra loro, ad esempio nei termini di spinta di terra/di

terreno sui muri di sostegno. 2

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L’insieme dei granuli viene spesso detto “scheletro termine proprio della

solido”,

Geotecnica.

I granuli sono separati tra loro da vuoti intergranulari, riempiti da aria, acqua o

entrambe e spesso l’aria contiene vapore acqueo. In generale, i granuli di una terra non

sono legati tra loro o cementati: se ci sono questi legami, parliamo di rocce lapidee.

Queste considerazioni sono specifiche dell’ingegneria civile e ambientale e non

coincidono con quelle che si danno in altre discipline teoriche e applicate.

l’argilla e i terreni

I materiali della geotecnica: le ghiaie, le sabbie, il limo,

organici.

• La ghiaia ha dimensioni superiori a 2mm e inferiore di 6 cm. I granuli in foto

hanno subito un trasporto, che ha smussato le asperità e li ha resi di forma

grossolanamente sferica. Sono composti da minerali e rocce di vario tipo, da

quarzo, gneiss, granito, calcare o altre rocce.

• Se questo materiale subisce una frantumazione, quindi i granuli si riducono di

dimensione, diventano una sabbia, con diametro inferiore ai 2mm fino a sabbie

più sottili di diametro di 62 micron. Le sabbie sono in genere composte

prevalentemente da quarzo, per il fatto che nelle vicissitudini che hanno subito,

gli altri materiali ad eccezione del quarzo, hanno subito processi di alterazione

che li hanno fatti scomparire. Ci sono però delle eccezioni:

- Sulla costa tirrenica calabrese, dove le sabbie si sono formate ad opera di fiumi

che hanno avuto un breve percorso e quindi una ridotta capacità di rielaborazione

delle sabbie, queste sulla costa contengono frammenti di gneiss, filladi e in

misura minore quarzo.

- Ci sono poi le sabbie calcaree che provengono dalla disgregazione di ammassi

calcarei come la sabbia nella foto.

• Se la sabbia subisce un’ulteriore frammentazione forma il limo, che ha diametro

minore di 62 micron fino a 4/5 micron. Da un punto di vista mineralogico, non

c’è molta differenza tra sabbie e limi, tuttavia questi ultimi per le loro dimensioni

alquanto minori rispetto alle sabbie, posseggono proprietà differenti e hanno un

aspetto saponoso.

• Con dimensioni minori vi sono le argille, che però non provengono dalla

frammentazione del limo, ma hanno tutta altra origine, in quanto costituite da

minerali di fillosilicati.

• Ci sono poi i terreni organici (torbe) molto ricchi di materia organica e con la

capacità di assumere e trattenere grandi quantitativi di acqua e risultano molto

cedevoli, riducendosi anche del 50% quando viene sottoposta a carico. Da un

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punto di vista applicativo e della costruzione di opere civili, le torbe sono

materiali complessi e pericolosi.

Entriamo nel dettaglio: contatto tra i granuli

Il quarzo costituisce gran parte delle sabbie:

nell’immagine è illustrata la superficie di contatto tra

due granuli, di dimensioni molte ridotte. Le forze che si

scambiano avvengono quindi su superfici piccole, il che

determina delle notevoli pressioni che a volte superano

la resistenza a rottura del materiale: le asperità vengono

quindi tranciate e i granuli assumono rapidamente

forma rotorndeggiante, che li ripara da ulteriori rotture.

Nell’immagine a sinistra vediamo invece delle particelle

di caolino, fillosilicato che si origina per alterazione

dell’ortoclasio, formato da foglietti di spessore di 0.7

nm, ognuno costituito da uno strato di ottaedri ed uno di

tetraedri. I foglietti sono disposti in pacchetti dello

spessore di 1/10 di micron

e la larghezza di 0.5-1

micron, fino anche a 5

micron.

l’illite

Anche è un fillosilicato, le cui particelle sono più

sottili, così come lo sono le particelle di

montmorillonite, ache appartengono alle smectiti e che

sono originate da ceneri vulcaniche alterate da fenomeni

idrotermali, oppure dal disfacimento di rocce eruttive

povere di silice. L’acqua

Nel terreno è quasi sempre presente l’acqua, formata da molecole composte da due

atomi di idrogeno e da uno di ossigeno. Gli atomi di idrogeno si dispongono in modo

tale che le loro congiungenti con l’atomo di

ossigeno formino un angolo di circa 104°.

La molecola dell’acqua è elettricamente

ma poiché l’ossigeno è

neutra,

maggiormente elettronegativo rispetto

all’idrogeno, gli elettroni si spostano dalla

parte di O, venendo a formare un dipolo, in

cui la carica elettrica positiva è spostata

dalla parte degli idrogeni e quella negativa

dalla parte dell’ossigeno. Di conseguenza, la 4

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molecola d’acqua viene schematizzata come un dipolo, ossia un corpo in cui la carica

–

+ è su un capo della molecola, la carica al capo opposto.

Differenti vesti dell’acqua nel sottosuolo

Consideriamo un granulo di terreno costituito da un frammento di roccia, ad esempio

ghiaia, sabbia o limo.

• Sulla sua superficie vi è sempre una distribuzione (seppur tenue) di cariche

elettriche. A queste cariche, si legano le molecole dipolari di acqua, formando

uno strato dello spessore di circa 0.1 micron, che dipende dalla densità di carica

superficiale del granulo e dal grado di umidità dell’aria. Quest’acqua, che si

chiama acqua igroscopica o di adsorbimento è legata a granuli con tensioni

2

medie di 50/100 kg/cm , ma che possono arrivare anche ad alcune centinaia di

. L’acqua di adsorbimento, pertanto, non può essere spostata

2

migliaia di kg/cm

allo stato liquido e, per essere eliminata, deve essere sottoposta a riscaldamento,

trasformandola in vapore.

• Lo strato igroscopico è circondato da uno strato di acqua pellicolare, dello

spessore di 1-2 micron. Le molecole di questo strato sono più lontane dalla

superficie del granulo e perciò sono legate meno saldamente e possono scorrere

sulla superficie del granulo, ad esempio per attrazione di altre molecole dello

strato pellicolare. Tale strato pellicolare non può essere rimosso dalla gravità,

ma può essere eliminato per centrifugazione, come se si applicasse una forza di

gravità molto maggiore rispetto quella reale.

Lo strato di adsorbimento o igroscopico e quello pellicolare, insieme sono definiti

acqua di ritenzione, che è quella parte di acqua non rimovibile e che non consente di

L’acqua di ritenzione non è biologicamente

trasmettere tensioni idrostatiche.

utilizzabile dall’apparato radicale della vegetazione.

• Se consideriamo un insieme di grani vicini tra loro, vediamo che in prossimità

dei punti di contatto si stabilisce l’acqua capillare, che occupa le fessure di

spessore da 1-2 micron fino a circa 2,5 mm, ed è trattenuta da forze di natura

elettrica dovute alla tensione superficiale. Tale acqua, pur non risentendo delle

forze gravitazionali, trasmette le pressioni idrostatiche all’interno del mezzo

poroso. Può inoltre evaporare per riscaldamento e parzialmente essere assorbita

dagli apparati radicali delle piante.

• All’aumentare del diametri dei micropori, diminuiscono le forze di tensione

superficiale, per cui l’acqua non viene trattenuta per capillarità ma risulta

tale volume d’acqua viene chiamata

soggetta alla forza di gravità: acqua

e può essere liberata per sgocciolamento, rappresentano l’acqua

gravifica

mobilizzabile che circola negli acquiferi sotto l’azione dei carichi piezometrici.

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La superficie specifica

L’acqua di ritenzione si posiziona, dunque, sulla superficie del granello. Ovviamente,

terreni con maggiore superficie a parità di volume, hanno una maggiore quantità di

acqua di ritenzione. Possiamo quindi fare riferimento alla superficie specifica,

rapporto tra la superficie S ed il volume del granulo V.

Facendo riferimento ad una sfera e sostituendo ad S e V le sue espressioni, dove r è il

raggio del granulo, avremo che s = 6/D dove D è il diametro del granulo.

La superficie specifica è quindi inversamente proporzionale al diametro della

particella: da qui anche l’acqua di ritenzione è inversamente proporzionale al diametro

del granulo.

Se passiamo da un D = 10mm, che corrisponde a una ghiaia, a uno di D = 10 micron,

possiamo dire che la superficie specifica e, quindi, l’acqua

corrispondente a un limo,

di ritenzione aumenta di 1000 volte. Ne consegue che le forze elettriche di superficie

derivanti dalla presenza dell’acqua di ritenzione influenzano molto fortemente il

comportamento delle terre a grana fine, come limi e argille, con granuli di dimensioni

microscopiche, mentre sono generalmente trascurabili nelle terre a grana grossa,

ghiaie e sabbie. 6

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I minerali argillosi

Per i minerali argillosi, l’acqua di ritenzione che avvolge le particelle di terreno gioca

un ruolo estremamente importante. Contrariamente a ghiaia, sabbia e limo i cui granuli

hanno una forma grossolanamente sferica o ellissoidale, i minerali argillosi hanno una

forma appiattita, con spessori variabili da qualche decimo ad alcuni centesimi della

dimensione media del piano di sviluppo.

Se consideriamo una singola particella di argilla, rileviamo che la disposizione

geometrica dei vari ioni che compongono i pacchetti di argilla conferisce una forte

-

carica negativa alla sua superficie. Infatti, i piani reticolari sono costituiti da ioni O o

+

ossidrili OH , mentre gli ioni metallici Silicio e Alluminio carichi positivamente

occupano posizioni interne. Inoltre, in alcuni minerali argillosi si possono avere

sostituzioni isomorfe di ioni metallici con altri a più bassa valenza: le più frequenti

sono Al al posto di Si ed Mg al posto di Al. Ciò determina un aumento della carica

negativa. Al contrario, i bordi della particella, dove vi è un’interruzione del reticolo

cristallino, sono carichi positivamente.

Le cariche elettriche esistenti sulla

superficie e sui bordi delle

particelle conferiscono alle

particelle stesse la capacità di

interagire sia fra loro che con

l’acqua interstiziale e con gli ioni

in essa disciolti. Tutto questo ha

come conseguenza importanti modi

di aggregazione tra particelle e si

riflette sulle caratteristiche

meccaniche dei minerali argillosi.

Complessi di ritenzione delle argille

Lo spessore dell’acqua di ritenzione che avvolge le particelle di argille è

approssimativamente lo stesso per tutti i minerali argillosi. Tuttavia, a causa delle

dimensioni dei vari cristalli di fillosilicati,

l’effetto è completamente diverso. Nello

schema vediamo una particella di caolinite,

che tipicamente possiede una larghezza di

1000nm e uno spessore di circa 100nm,

avvolta dal suo strato di acqua di ritenzione

e una particella di montmorillonite che

mediamente ha una larghezza di 100nm e

uno spessore di 1nm, anch’essa avvolta nel

suo strato di acqua di ritenzione. 7

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A sinistra in basso abbiamo uno schema di assembramento di particelle di caolinite e a

destra un analogo assembramento di montmorillonite.

Come è evidente, nel caso della montmorillonite le particelle sono mantenute a

maggiore distanza tra loro, per la presenza dei complessi di ritenzione che, in questo

caso, assumono maggiore rilevanza relativa: come conseguenza, la montmorillonite

risulta maggiormente compressibile rispetto alla caolinite, si gonfia maggiormente

e ha un minore angolo di attrito, in quanto le particelle hanno maggiore facilità a

scorrere tra di loro.

Strutture elementari delle argille

Nella formazione della microstruttura di un’argilla, l’aggregazione dei granuli dipende

non tanto dalle dimensioni, ma soprattutto dalle mutuazioni di natura chimica e, quindi,

caratteristiche dell’ambiente.

dalle

Durante la deposizione, i granuli argillosi si scambiano delle azioni repulsive, la cui

entità dipende dalla quantità di carica negativa diffusa sulla superficie e in vicinanza

di essa. Forti azioni repulsive determinano la formazione di una struttura dispersa, in

cui le particelle non sono in contatto ed interagiscono solo tramite i complessi di

adsorbimento. La struttura dispersa è tipica delle argille che si formano per

depos