1. Informazioni generali dottorando
a. Danilo
b. D’Angiò
c. XXXII Ciclo
d. Curriculum: Scienze della Terra
e. Borsa: sì
f. Titolo Tesi: Effetti reologici connessi a processi di neo-fratturazione in
ammassi rocciosi
g. Docente Guida: Prof. Salvatore Martino
h. Co-tutor: PhD Luca Lenti
2. Progetto di ricerca
Obiettivospecifico
Obiettivo specifico del progetto è individuare e quantificare gli effetti reologici legati a processi di fratturazione
secondaria (neo‐fratturazione), indotti da sollecitazioni forzate o da creep in ammassi rocciosi.
Obiettivogenerale
Obiettivo generale del progetto è sperimentare la quantificazione empirica, semi‐empirica e/o analitica degli
effetti reologici connessi a eventi deformativi irreversibili che coinvolgono ammassi rocciosi, indotti da forzanti
impulsive (transitorie) o continue (creep). Tali eventi, associati sia ad azioni naturali (es. scuotimenti ed impatti)
che antropiche (es. esplosioni e sovraccarichi), si manifestano con fratturazione secondaria (neo‐fratturazione)
indotta negli ammassi rocciosi (rock mass damaging – RMD). Gli effetti reologici hanno un’importante ricaduta
nella modellazione numerica tenso‐deformativa di tipo previsionale: le variazioni di viscosità dell’ammasso
roccioso indotte dal RMD possono implicare un aumento del tasso di deformazione per creep, potendo così
anticipare la fase terziaria che porta al collasso generalizzato dell’ammasso. Implicazioniresepossibilidalraggiungimentodell’obiettivospecifico
Gli obiettivi rientrano nel campo della mitigazione del rischio geologico connesso a frane in ammassi rocciosi
fratturati e degli effetti legati a fenomeni di Rock Mass Creep (RMC). La metodologia proposta può esser riferita
alla scala del singolo giunto, di singoli blocchi o all’intero ammasso (multi‐creep analysis). La previsione di
fenomeni di collasso con metodi numerici, può pertanto riguardare il singolo blocco nonché tutto l’ammasso,
consentendo analisi previsionali di frane per crollo e/o ribaltamento come anche di deformazioni gravitative di
versante che evolvono in rock avalanche.
Un tale obiettivo è di indubbio interesse per la gestione di infrastrutture situate in prossimità di ammassi
rocciosi (ponti, strade, ferrovie), nell’ottica di costruire scenari tenso‐deformativi a scala adeguata, ipotizzando
l’accadimento di azioni perturbative/destabilizzanti sia naturali che antropiche tali da modificare il
comportamento reologico degli ammassi, anticipandone l’instabilità gravitativa.
Statodell’arte
Data l’istantaneità di accadimento ed i ridotti effetti deformativi precursori, le frane in roccia sono uno dei rischi
naturali meno prevedibili, le cui velocità e dimensioni producono un elevato rischio quando sono esposte
infrastrutture e/o persone. Alcune frane in roccia evolvono verso il collasso soprattutto per processi di RMC, in
cui un ruolo fondamentale è assunto dalla reologia viscosa (Crosta e Agliardi, 2003).
Un elemento precursore di possibile instabilità è il livello di neo‐fratturazione dell’ammasso roccioso, inteso
come formazione di fratture di nuova generazione nella matrice rocciosa, cioè del suo danneggiamento (“rock
mass damaging effect‐ RMD”) (Eberhardt et al., 2004). Tal effetto, già ben studiato (Stead et al., 2006) sotto il
profilo della resistenza meccanica (ossia della riduzione delle caratteristiche di attrito e/o coesione equivalente
di ammasso), non lo è altrettanto dal punto di vista della reologia viscosa, responsabile di deformazioni tempo‐
dipendenti (Crosta et al., 2013).
Xu et al. (2014) e Tang et al. (2015) hanno già sperimentato modellazioni numeriche basate sul evidenze di
RMD: in tal caso, i parametri meccanici richiesti dai modelli sono stati variati per convergere sui valori dedotti
da sensori tenso‐deformativi, micro‐ e nano‐sismici installati in sito e usano indici di danneggiamento
quantificati a partire da misure di variazioni di tensione, deformazione o energia rilasciata in forma di emissioni
acustiche e/o vibrazionali. Tuttavia, tali studi non considerano gli effetti della viscosità e ritengono migliorabili le
tecniche di monitoraggio microsismico sperimentate.
Levy et al. (2010) e Got et al. (2010), hanno proposto una particolare tecnica di monitoraggio sismometrico,
basata su variazioni di energia in determinate bande di frequenza che sono osservate nel tempo attraverso
misure pluriorarie di rumore sismico (seismic noise). Tali variazioni possono indicare il danneggiamento di un
elemento di ammasso, che modifica la sua dinamica vibrazionale all’aumentare del livello di fratturazione,
indotto da azioni perturbanti o anche dal solo effetto della deformazione viscosa.
Attivitàpreviste
Le attività di ricerca verteranno sulla raccolta di dati micro‐ e nano‐sismometrici, meteo‐climatici, termici e
tenso‐deformativi monitorati in un campo sperimentale allestito per precedenti attività di ricerca nella cava
Prenestina di Acuto (FR), dove saranno condotti esperimenti volti a indurre azioni destabilizzanti di tipo statico,
pseudostatico o dinamico all’ammasso fratturato affiorante. Sarà poi individuato un versante naturale da
monitorare con un apparato micro‐sismometrico e tenso‐deformativo, in condizioni di sollecitazione sia
naturale che forzata. Seguirà una fase di analisi dei dati raccolti, per evidenziare cambiamenti nelle proprietà
fisiche imputabili alle sollecitazioni e/o alle perturbazioni subite dall’ammasso roccioso. Le evidenze saranno
relazionate alle modifiche dei parametri reologici (resistenza meccanica e viscosità) per quantificare il RMD
mediante la comparazione di approcci analitici, semi‐empirici ed empirici. In seguito i parametri reologici
saranno utilizzati in modellazioni numeriche tenso‐deformative volte a ricostruire gli scenari evolutivi dei
processi deformativi e la stima dei tempi di collasso (failure time) per RMC.
Nei tre anni di dottorato si intende seguire corsi per aumentare le conoscenze nei campi della meccanica degli
ammassi fratturati, del trattamento e analisi di dati di monitoraggio micro‐ e nano‐sismometrico. Si prevede
anche uno stage di 6 mesi presso l’istituto IFSTTAR di Parigi, che ha già espresso la sua disponibilità a riguardo,
per l’acquisizione di strumenti informatici per l’analisi di dati ambientali e sismometrici.
La divulgazione dei risultati di ricerca avverrà con seminari presso istituti di ricerca e/o università, nonché
tramite la partecipazione a convegni organizzati in ambito nazionale/internazionale.
Fasidiricerca,metodologie,risultatiattesi
I anno
Ricerca e aggiornamento bibliografico sul RMD, monitoraggio fisico‐meccanico e/o sismometrico e sulla
modellazione numerica associata relativa a casi di studio reperibili;
individuazione di un versante naturale adottabile come sito sperimentale, ossia un ammasso roccioso
fratturato facilmente accessibile e monitorabile, in sensibile evoluzione tenso‐deformativa e sottoposto
ad azioni naturali e/o antropiche perturbanti;
progettazione delle sperimentazioni da condurre nel sito di Acuto e allestimento della relativa
modellazione numerica.
Si intende analizzare i dati tenso‐deformativi di ammasso in relazione ad azioni perturbative o destabilizzanti
naturali o antropiche tra cui carichi, scarichi, vibrazioni. Nelle sperimentazioni saranno utilizzate tecniche di
monitoraggio micro‐ e nano‐sismometriche attraverso due differenti approcci: a) acquisizione in continuo del
seismic noise e b) registrazione di emissioni vibrazionali con l’uso di sensori micro‐accelerometrici o
velocimetrici. Scomponendo il noise nelle varie componenti in frequenza se ne vogliono evidenziare i
cambiamenti energetici nel tempo, per poi imputare le variazioni a fenomeni di RMD a loro volta correlabili ad
azioni perturbative. Le variazioni individuate saranno poi confrontate con eventi meteo‐climatici, con le
deformazioni monitorate e con le temperature dell’aria e dell’ammasso roccioso. Saranno infine evidenziate
potenzialità e criticità delle metodologie testate per allestire adeguatamente le sperimentazioni da condurre
nel sito che sarà scelto per il progetto.
II anno
aggiornamento bibliografico su argomenti inerenti il progetto;
avvio della fase sperimentale e di monitoraggio nel sito individuato;
prosieguo della modellazione numerica sulle sperimentazioni condotte nel sito di Acuto.
Applicando la suddetta metodologia e proseguendo l’analisi dei dati di monitoraggio, si mira ad applicarla nel
sito sperimentale selezionato.
III anno
aggiornamento bibliografico su argomenti inerenti il progetto;
elaborazione dei dati acquisti nel sito scelto e impostazione della relativa modellazione numerica per
simulare scenari di deformabilità con parametri reologici che tengano conto del RMD;
stesura dell’elaborato finale.
Avendo determinato la variazione dei parametri reologici in relazione al RMD, si vuole comprendere di quanto
quest’ultimo anticipi la fase di creep terziario e dunque il collasso dell’ammasso. Saranno modellati scenari
previsionali che considerino possibili azioni perturbative o destabilizzanti agenti sul sistema, sia assumendo
invariate nel tempo le proprietà reologiche dell’ammasso, sia tenendo conto della loro variazione per effetto del
RMD. A queste azioni potrà essere associata una pericolosità in termini di probabilità semplice o combinata di
accadimento per l’analisi del rischio geologico.
Analisideirischi
In caso sorgano difficoltà logistiche per monitorare il sito individuato, si possono valutare siti alternativi o può
essere intensificata l’attività sperimentale presso lo stesso campo di Acuto. La strumentazione per il
monitoraggio è già disponibile presso il Dipartimento di Scienze della Terra e in caso di necessità essa può
essere sostituita o integrata senza costi aggiuntivi con un’analoga strumentazione che verrebbe fornita da ENEA
C.R. Casaccia.
Cronoprogramma
Anno
semestre
Ricerca/aggiornamento
bibliografico
Corsi di formazione
Scelta sito sperimentale
Acquisizione dati
Stage all’estero
Analisi dati
Modellazione numerica
Elaborato finale
Attività
I
I
II
II
I
III
II
I
II
Bibliografia
Crosta G. B., Agliardi F., 2003. Failure forecast for large rock slides by surface displacement measurements.
Canadian Geotechnical Journal 40, pp. 176‐191.
Crosta G. B., Frattini P., Agliardi F., 2013. Deep seated gravitational slope deformations in the European Alps.
Tectonophysics 605, pp. 13–33.
Eberhardt E., Stead D., Coggan J. S., 2004. Numerical analysis of initiation and progressive failure in natural rock
slopes—the 1991 Randa rock slide. International Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences 41, pp. 69–
87.
Got J. L., Mourot P., Grangeon J, 2010. Pre‐failure behaviour of an unstable limestone cliff from displacement
and seismic data. Natural Hazards and Earth System Sciences 10, pp. 819‐829.
Lévy C., Baillet L., Jongmans D., Mourot P., Hantz D., 2010. Dynamic response of the Chamousset rock column
(Western Alps, France). Journal of Geophysical Research 115, F04043.
Stead D., Eberhardt E., Coggan J. S., 2006. Developments in the characterization of complex rock slope
deformation and failure using numerical modelling techniques. Engineering Geology 83, pp. 217– 235.
Tang C. A., Li L., Xu N. W., Ma K., 2015. Microseismic monitoring and numerical simulation on the stability of
high‐steep rock slopes in hydropower engineering. Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering
7, pp. 493‐508.
Xu N. W., Dai F., Liang Z. Z., Zhou Z., Sha C., Tang C. A., 2014. The Dynamic Evaluation of Rock Slope Stability
Considering the Effects of Microseismic Damage. Rock Mechanics and Rock Engineering 47, pp. 621‐642.
