indagini geofisiche e geotecniche di supporto alla - ACE-SAP

Mus. civ. Rovereto
Atti del Workshop in geofisica
5 dicembre 2008
123-138
2009
GUGLIELMO BRACCESI (*), DILETTA CASELLI (**) & ALESSIO CARDINALI (**)
INDAGINI GEOFISICHE E GEOTECNICHE DI SUPPORTO
ALLA CARATTERIZZAZIONE DI UN MOVIMENTO FRANOSO
Abstract - GUGLIELMO BRACCESI, DILETTA CASELLI & ALESSIO CARDINALI - Geophysical and geotechnical surveys aimed to the characterization of a landslide.
This work was aimed at the characterization and monitoring of a known landslide. In advance such investigations have been divided into a geophysical part, with the performing of
seismic and geoelectrical tomography, and into a geotechnical part, with the performing of dynamic penetrometric tests.
The analyzed area is situated near a private building located in Corella, in the Tuscan –
Emilian Apennines, about 50 km from Florence. The whole area is characterized by typical outcrops of sandstone deposits belonging to Tuscan and Umbro domain, with alternance of mainly
clay deposits.
The seismic tomography lines have been acquired both in P waves and in S waves at 24
channels, with a perpendicular trend; the first was performed perpendicularly regarding the
contour lines with intergeophonic distance equal to 2.50 m; the other seismic line was parallel to
the contour lines with intergeophonic distance equal to 3.00 m.
The 50 electrodes geoelectrical tomography consisted in two lines with the same position
and direction of the above mentioned seismic lines. Both seismic and geoelectrical surveys verified the presence of the known landslide and consented also to estimate its thickness, which is
about 2-3 m.
Subsequently five penetrometric tests have been executed through means of a light dynamic penetrometer; these tests have been conducted until the instrumental refuse. Every test,
except the one done on the landslide, have producted increasing resistance with depth.
Finally, the results about geophysical and geotechnical investigations have been collected to
obtain a geotechnical model of the slope to be used in the stability analysis; these analysis de-
(*) Dott. Geol. Guglielmo Braccesi, Direttore tecnico IGeA sas. (Indagini Geologiche ed Ambientali Borgo San Lorenzo (FI)).
(**) Dott. Geol Diletta Caselli, Dott. Alessio Cardinali, Collaboratori IGeA sas.
123
fined three areas with minimum security coefficient. One of these area is the mass of the landslide, with security coefficient equal to 1.
Key words: Seismic surveys, Geoelectrical surveys, Geotechnics, Landslide.
Riassunto - GUGLIELMO BRACCESI, DILETTA CASELLI & ALESSIO CARDINALI - Indagini geofisiche e
geotecniche di supporto alla caratterizzazione di un movimento franoso.
Questo lavoro è stato condotto con lo scopo di caratterizzare e monitorare un ammasso
franoso, di cui già si conosceva l’esistenza, tramite indagini mirate. Tali indagini sono state preventivamente suddivise in una parte geofisica, con la realizzazione di tomografie sismiche e geoelettriche, ed una geotecnica, che ha visto la realizzazione di prove penetrometriche dinamiche.
L’area di studio è localizzata in prossimità di un annesso privato nel paese di Corella, nell’Appennino Tosco – Emiliano, a circa 50 km da Firenze. Tutta l’area è dominata da affioramenti
di depositi arenacei appartenenti ai Domini Toscano e Umbro – Romagnolo, intervallati a depositi più prettamente argilloso – marnosi.
Le linee di tomografia sismica sono state condotte sia in onde P che in onde S, a 24 canali,
perpendicolari tra loro: una ortogonale alle curve di livello con distanza intergeofonica di 2.50 m
e l’altra parallela alle isoipse con distanza intergeofonica di 3.00 m.
Successivamente sono state eseguite indagini di tomografia elettrica a 50 elettrodi, realizzando due linee nella stessa posizione e nella stessa direzione delle linee sismiche suddette.
Entrambe le indagini, sismica e geoelettrica, hanno ben evidenziato e verificato la presenza
del corpo di frana noto ed hanno permesso di stimare anche il suo spessore, che si aggira attorno
ai 2-3 metri.
In seguito sono state eseguite 5 prove penetrometriche, con strumento dinamico leggero,
condotte fino alla profondità del rifiuto strumentale. Tutte le prove, tranne quella eseguita sul
corpo di frana, hanno dato resistenza del materiale crescente con la profondità.
Infine, sono stati raccolti ed analizzati in modo critico i risultati delle indagini geofisiche e di
quelle geotecniche, arrivando a definire un modello geotecnico del versante sul quale effettuare
delle analisi di stabilità, che hanno portato a definire tre zone a coefficiente di sicurezza minimo,
una delle quali è proprio quella inerente il corpo di frana con tale coefficiente prossimo ad 1.
Parole chiave: Tomografie sismiche, Tomografie geoelettriche, Geotecnica, Movimento franoso.
1. PREMESSA ED INQUADRAMENTO DEL LAVORO
Il monitoraggio e lo studio dei movimenti franosi tramite indagini mirate che
possano definirne le principali caratteristiche fisiche è una delle discipline di indagine che nel corso degli anni ha interessato sempre di più la figura del geologo.
Proprio questo aspetto è stato preso in considerazione nello svolgere l’indagine in questione, cioè quello di riuscire a definire le caratteristiche fisiche e
dinamiche di un ammasso franoso noto tramite indagini sia geofisiche che geotecniche, cercando così di poter prevedere quale possa essere in futuro il comportamento di questo.
L’area oggetto di studio è situata sull’Appennino Tosco-Emiliano, a circa 50
km da Firenze in direzione Forlì.
Dal punto di vista geologico (Fig. 1) l’area è caratterizzata dalla presenza di
affioramenti appartenenti prevalentemente alle formazioni torbiditiche dei Do124
mini Toscano (Unità Cervarola-Falterona) e Umbro-Marchigiano (Marnoso Arenacea), con alternanza sporadica di materiali sciolti argilloso-marnosi che costituiscono i livelli morfologicamente più instabili della zona e su cui si instaurano
e si innescano numerosi movimenti di versante.
Fig. 1 - Inquadramento topografico e geologico dell’area di studio.
L’Unità Cervarola-Falterona è caratterizzata dal basso verso dalla Formazione degli Scisti Varicolori, caratterizzati da depositi argilloso-calcarei, talvolta
marnosi, che costituiscono il livello di scollamento dei thrust durante l’orogenesi appenninica su cui si sono messe in posto le unità del Dominio Toscano con
vergenza verso Nord-Est. Al di sopra degli Scisti Varicolori si passa all’Unità
Cervarola-Falterona, costituita essenzialmente da grossi banchi arenacei con intercalazioni di livelli, più o meno spessi, di argilliti e marne; a tetto dell’unità,
infine, sono presenti depositi marnosi (Marne di Vicchio) (Fig. 2).
Inoltre l’area è caratterizzata dalla presenza di accumuli di frana anche di
grosse dimensioni, sia di natura gravitativa, interessando blocchi di rocce arenacee, sia per scivolamento, movimento caratteristico per i materiali a matrice prevalentemente argillosa.
125
Fig. 2 - Formazioni affioranti nell’area di studio.
Dal punto di vista geomorfologico l’area è caratterizzata e segnata da versanti
ad elevata pendenza, che dunque facilitano l’innesco di movimenti e flussi gravitativi; sono presenti inoltre impluvi in erosione, il reticolo idrografico è poco sviluppato e la sporadica presenza di corsi d’acqua è da ritenersi per lo più stagionale e a
carattere torrentizio. Notevole è la quantità di aree in frana sia stabilizzate che
attive, la cui presenza è ben testimoniata, anche visivamente, dalla tipica curvatura
del tronco di alcune piante e della vegetazione ad alto fusto sui versanti, dovuta
proprio ai lenti scivolamenti del suolo, o soliflusso, che generano appunto accumuli di frana sottoforma di lobi detritici e bombature ai piedi del versante (Fig. 3).
Fig. 3 - Curvatura degli alberi che testimonia la presenza di soliflusso in atto.
126
In quest’area, a seguito del progetto di realizzazione di un annesso agricolo,
è stata eseguita una modificazione del pendio che ha portato l’originario versante ad assumere una caratteristica morfologia a gradoni, con elevati spessori (Figg.
4, 5 e 6).
Figg. 4, 5 e 6 - Morfologia a gradoni del versante impressa dalla realizzazione di un annesso
privato.
A seguito di un periodo in cui sono avvenute intense precipitazioni, si è verificato un leggero movimento del versante che ha coinvolto una porzione di circa
200 m2 di scarpata. Su questa frana, viste le ridotte dimensioni, è stato possibile
eseguire le indagini molto agevolmente.
2. INDAGINI CONDOTTE SUL CORPO DI FRANA
Le indagini eseguite sul corpo di frana, sono state suddivise in due fasi: in
una prima fase sono state eseguite sia indagini geofisiche, con la realizzazione di
due linee di tomografia sismica e 2 linee di tomografia elettrica, sia indagini geotecniche, con la realizzazione di cinque prove penetrometriche con penetrometro dinamico leggero. L’uso del penetrometro dinamico leggero è stata una scel127
ta obbligata dalle limitazioni nel trasporto su un corpo di frana di qualsiasi altro
strumento.
2.1 Indagini sismiche
Le indagini sismiche a rifrazione hanno visto la realizzazione di due linee
ortogonali tra loro a 24 geofoni da 10 Hz.
La prima linea è stata eseguita lungo la scarpata, perpendicolare alle linee di
livello, con distanza intergeofonica di 2.50 m, con acquisizione in onde P ed Sh
(Fig. 7).
In totale sono state eseguite tredici energizzazioni, di cui undici interne e
due esterne necessarie per l’elaborazione tomografica; in questo modo è stato
possibile avere un maggior dettaglio della sezione (Fig. 8).
L’elaborazione tomografica della sezione sismica in onde P ha evidenziato la
presenza di uno strato superficiale, non continuo e di spessore variabile, caratterizzato da velocità sismiche inferiori ai 500 m/s (Fig. 9).
Localmente sono presenti dei volumi di terreno, evidentemente poco addensati, con velocità sismiche dell’ordine di 200 m/s; una di queste zone caratterizza
la zona di frana indagata (linea rossa a tratteggio in Fig. 9).
Fig. 7 - Disposizione della prima linea sismica a 24 geofoni.
128
Fig. 8 - Copertura del segnale sismico nella sezione.
Fig. 9 - Sezione tomografica della prima linea sismica in onde P.
Il substrato litoide, localmente affiorante, presenta una forte alterazione superficiale, come evidenziato dalla velocità delle onde P con basse velocità fino ad
elevata profondità (linea blu a tratteggio in Fig. 9).
L’analisi del gradiente di velocità mette in evidenza una zona corrispondente
all’area in frana in cui la variazione di velocità delle onde P è molto alta in rapporto alla profondità analizzata (Fig. 10).
129
Fig. 10 - Elaborazione del gradiente di velocità della sezione tomografica in onde P della prima
linea sismica.
Analogamente a quanto emerso dall’elaborazione tomografica in onde P,
anche per le onde di taglio è presente uno strato superficiale con valori di velocità molto bassi, localmente anche con valori intorno ai 100 m/s (Fig. 11).
Anche in questo caso, valori di velocità caratteristici del substrato litoide
non alterato si ritrovano a diversi metri di profondità dal piano di campagna.
Fig. 11 - Sezione tomografica della prima linea sismica in onde Sh.
130
Come emerso per le onde P, anche il gradiente delle velocità per le onde Sh
mette in evidenza una zona corrispondente all’area in frana in cui la variazione
di velocità delle onde è molto alta rispetto alla profondità analizzata (Fig. 12).
Fig. 12 - Elaborazione del gradiente di velocità della sezione tomografica in onde Sh della prima
linea sismica.
Fig. 13 - Disposizione della seconda linea sismica a 24 geofoni.
131
Successivamente è stata eseguita una seconda linea sismica parallela alle curve di livello (Fig. 13). I risultati ottenuti sono analoghi a quelli ottenuti nella
prima linea sismica, sia per quanto riguarda la velocità, sia per quanto riguarda il
gradiente (Figg. 14 e 15).
Fig. 14 - Sezione tomografica della seconda linea sismica in onde P.
Fig. 15 - Elaborazione del gradiente di velocità della sezione tomografica in onde P della seconda linea sismica.
132
2.2 Indagini geoelettriche
Successivamente all’indagine sismica, è stata eseguita una campagna geoelettrica lungo i medesimi allineamenti coperti dalle indagini sismiche, (Fig. 16) attraverso l’esecuzione di due linee tomografiche perpendicolari tra loro, eseguite
a 50 elettrodi (Fig. 17), con la misura dei valori di resistività e di polarizzazione
indotta.
Fig. 16 - Linea geoelettrica eseguita sul corpo
di frana, parallelamente alle curve di livello.
Fig. 17 - Particolare di uno dei 50 elettrodi
utilizzati per effettuare l’indagine geoelettrica sul corpo di frana.
L’elaborazione del parametro resistività in geometria Wenner per la linea 1
ha definito un piccolo spessore superficiale resistivo con valori di circa 80-140
ohm*m, sovrastante zone più conduttive rappresentate da valori di circa 20-50
ohm*m. La polarizzazione non ha registrato particolari anomalie, se non la presenza di una tubazione interrata (Figg. 18 e 19).
Il risultato è stato analogo sia nel parametro polarizzazione indotta sia nel
parametro resistività per la sezione eseguita in geometria mista Dipolo-Dipolo e
Shlumberger (Fig. 20).
La seconda sezione tomografica, ottenuta dalla linea 2, acquisita in geometria Wenner, ha confermato nelle zone di incrocio delle due sezioni spessori con
valori di resistività misurati sulla prima sezione, registrando un piccolo spessore
superficiale resistivo sovrastante zone più conduttive (Fig. 21).
133
Fig. 18 - Valori di resistività della sezione tomografica in geometria Wenner lungo la linea 1.
Fig. 19 - Valori di polarizzazione indotta della sezione tomografica in geometria Wenner lungo
la linea 1.
Fig. 20 - Valori di resistività e di polarizzazione indotta della sezione tomografica in geometria
mista Dipolo – Dipolo e Shlumberger lungo la linea 1.
134
Fig. 21 - Valori di resistività della sezione tomografica in geometria Wenner lungo la linea 2.
2.2 Indagini geotecniche
Elaborate le indagini geofisiche, sono state eseguite 5 prove penetrometriche
dinamiche, con l’utilizzo di un penetro metro dinamico leggero, in quanto più
facilmente trasportabile su di un pendio così scosceso (Fig. 22).
Fig. 22 - Il penetrometro dinamico leggero utilizzato per le 5 prove penetrometriche eseguite
nell’area di studio.
135
In Fig. 23 è riportata l’ubicazione delle prove penetrometriche eseguite nell’area oggetto di studio.
Le prove penetrometriche sono state condotte fino alla profondità del rifiuto
strumentale; in tutti i casi, ad eccezione della prova 1 eseguita sul corpo di frana, il
numero di colpi registrati con la profondità è stato pressoché crescente (Fig. 24).
Fig. 23 - Disposizione delle prove penetrometriche eseguite.
Fig. 24 - Andamento della resistenza del terreno con la profondità; ad eccezione della prova 1
eseguita sul corpo di frana, le altre prova mostrano valori di resistenza crescenti con la profondità.
136
Solo nella prova 1 è stato riscontrato un orizzonte a bassa resistenza alla
punta ad una profondità di circa 2 metri, ipotizzabile come profondità di passaggio della superficie di scorrimento della frana (Fig. 25).
Utilizzando le prove penetrometriche per la caratterizzazione geotecnica ed
utilizzando le indagini geofisiche per una estrapolazione stratigrafica laterale, è
stato possibile costruire un modello geotecnico del versante sul quale effettuare
delle analisi di stabilità (Fig. 26). Tali analisi hanno permesso di individuare tre
zone a coefficiente di sicurezza minimo, una delle quali con coefficiente pari ad
1, cioè proprio la zona interessata dal movimento franoso.
Fig. 25 - Andamento della resistenza del terreno con la profondità nella prova 1; a circa 2 metri
di profondità è riscontrabile un orizzonte a bassa resistenza alla punta.
Fig. 26 - Modello geotecnico del versante sul quale sono state condotte le prove di stabilità.
137
3. CONCLUSIONI
Dal punto di vista geologico l’area è caratterizzata da litologie arenacee e
argilliti che, come evidenziato nella sezione tomografica in Fig. 18, presentano
forti variazioni di resistività. Altra caratteristica di queste formazioni è la frequente alterabilità superficiale, così come evidenziato dall’indagine sismica che
mette in risalto porzioni superficiali a basse velocità.
Un evento meteorologico importante, con forti ed intense precipitazioni, la
presenza di materiali argillosi superficiali, la forte alterazione e fratturazione e le
forti pendenze hanno innescato il movimento di versante. Tale movimento è stato verificato in profondità dai dati delle prove penetrometriche così come dalle
simulazioni di stabilità. L’indagine geotecnica infatti, è servita per verificare puntualmente i risultati derivanti dall’indagine geofisica, che ha permesso con buon
dettaglio di individuare litologicamente e meccanicamente le zone a maggior rischio di frana.
BIBLIOGRAFIA
CASADIO M. & ELMI C., 1995 - Il manuale del geologo. Pitagora Editrice, Bologna.
CETRARO F., 2008 - Indagini geofisiche del suolo. Metodi geoelettrici, prospezione sismica, tomografia, tecniche G.P.R. - Georadar, metodologia TDEM, archeometria,
EPC Libri, Roma.
CUMAN A., GENEVOIS R. & PULELLI G., 2004 - Prospezioni geoelettriche su un antico
corpo di frana: il caso dei Lavini di Marco (Rovereto). Atti del Workshop in geofisica, Ottimizzazione delle misure geofisiche tramite indagini su modelli ridotti e aree
test, 1, p. 121-135, Museo Civico di Rovereto (Trento).
MONACCHI A. & ZANINI M., 2005 - Metodologie geofisiche per lo studio di aree di frana
e di difficile accesso. Atti del Workshop in geofisica, La geofisica a servizio dell’ambiente e dei beni culturali, con attenzione alle problematiche in ambito montano, 2,
p. 49-76, Museo Civico di Rovereto (Trento).
Società Geologica Italiana, 1990 - Guide geologiche regionali, Appennino Tosco-Emiliano, BE-MA, Roma.
SUNDA s.r.l., 1981 - Il penetrometro dinamico DL030 nella caratterizzazione geotecnica
dei terreni: dati sperimentali preliminari. Inedito.
VANNELLI F. & BENASSI E., 1983 - Penetrometro dinamico Sunda DL030. Inedito.
138