il rischio per le infrastrutture legato alla presenza di - Tethys

ROMA, 8 MAGGIO 2014 – 3°WORKSHOP ISPRA SINKHOLES
IL RISCHIO PER LE
INFRASTRUTTURE LEGATO
ALLA PRESENZA DI CAVITA’
SOTTERRANEE NELL’ALTA
PIANURA LOMBARDA
CASI DI STUDIO: MITIGAZION E DELLA
SUSCETTIBILITA’ E DEL RISCHIO
* Te t hy s S. r. l . – * * Po lit e c n ic o d i Mila n o
* L o r e n z o C e s a r e o, C o n s o n n i M a u ro,
* * C o l o m b o L o r i s, G a t t i n o n i Pa o l a
www.tethys-geco.it
IL RISCHIO P E R LE INF RAST RUT T URE LE GATO ALLA P RESENZA DI
CAVITA’ SOTTERRANEE NELL’ALTA PIANURA LOMBARDA

Indice

1-Breve cenno all’attività condotta per il progetto stradale

2-Descrizione del fenomeno degli “Occhi Pollini”

3-Parametri geologico-tecnici e geofisici per l’individuazione delle
anomalie nel sottosuolo

4-Approccio per la valutazione del rischio per le infrastrutture

5-Conclusioni
2
1 - IL PROGETTO STRADALE
Tipologie di tracciato.
67 km di cui:
31 km in trincea
11 km in galleria artificiale
3 km in galleria naturale
Complessità dell’opera.
10 km quadri di territorio
100 gestori delle reti interferite
100.000 persone e
aziende interessate dagli espropri
Traffico previsto.
86.000 veicoli al giorno
3
2 – IL FENOMENO DEGLI OCCHI POLLINI
Cavità sotterranee dell’alta pianura lombarda  serio rischio per le
fondazioni
Solo recentemente accertato pericolo anche per le infrastrutture
profonde (prof.>20m)
Figure da A.Strini, 2005
Problema occhi pollini è
evidenziato
nei PGT locali
4
5
2 – IL FENOMENO DEGLI OCCHI POLLINI
acque circolanti nel sottosuolo.
dissoluzione della componente
carbonatica dei depositi alluvionali
e asportazione di particelle fini
(erosione sotterranea)
Rappresentazione schematica in sezione
Formazione di cavità (dimensioni
anche > qualche metro cubo)
sistema di vuoti interconnessi
lungo i quali l’acqua si sposta
Corso d’acqua
Rappresentazione schematica in pianta
Falda
2 – IL FENOMENO DEGLI OCCHI POLLINI
Indiretto - Per carsismo
Da Strini A.(2005): Formazione di un occhio pollino in sedimenti
alterati sovrapposti a un conglomerato carsificato.
1. falda all’interno della copertura alterata.
2. abbassamento della falda
3. generazione cavità nella copertura in corrispondenza di
sottostanti piccole cavità nel conglomerato
4. Ingrandimento cavità nel tempo
L’abbassamento della falda favorisce lo sviluppo delle cavità
6
Diretto - per infiltrazione
2 – IL FENOMENO DEGLI OCCHI POLLINI: DIFFUSIONE NELLA
TRATTA OGGETTO DI STUDIO
Le indagini dirette integrative condotte hanno evidenziato una importante frequenza di rinvenimento del
fenomeno.
SONDAGGIO
KM
SC09
SC38
2+775
6+275
SC39
6+275
SC40
PROFONDITA’
CAVITA’ (m da p.c.)
9-11.5
6.5/10.5
13.5-20
13.5-19
CSE10
SC43
6+850
6+875
9-15
9-12
CSE10bis
7+075
7.5-13
SC47
7+425
18-28
SC49
7+800
3-17.8
SC50
8+075
12.5-18
SC51
SC56
SC94
SC99
8+400
9+550
15+400
15+625
6-15
15.17.2
11.5-13.5
3-9.5
SC104
16+150
8.7-9.7
7
DESCRIZIONE
Cavità in ghiaie sabbioso-limose alterate
Cavità in ghiaia sabbioso-limosa, con
riempimento
Cavità
in
conglomerato
alterato
e
degradato, riempimento di limo sabbiosoargilloso
con
bassissimo
grado
di
addensamento
Cavità
in
conglomerato
alterato
e
degradato, riempimento di limo sabbiosoargilloso
con
bassissimo
grado
di
addensamento
Cavità in ghiaie in matrice sabbioso-limosa
Cavità in ghiaia sabbioso-limosa
Cavità all’interno di sabbia con limo ghiaiosa
e ghiaia in matrice sabbioso-limosa
Cavità
in
conglomerato
debolmente
cementato, riempimento limoso-argilloso
con bassissimo grado di addensamento
Cavità
in
ghiaie
con
interlivelli
conglomeratici,
riempimento
sabbiosolimoso con ghiaia a clasti molto alterati
Cavità in sabbie limoso-ghiaiose con livelli
conglomeratici,
riempimento
sabbiosolimoso con ghiaia e livelli decimetrici di
argilla
Cavità in ghiaia sabbioso-limosa
n. colpi SPT=1 in sabbia limoso-argillosa
Cavità in ghiaia sabbioso-limosa
Cavità con riempimento sabbioso-limoso
con ciottoli sul fondo della cavità
Cavità in conglomerato alterato e degradato
3-PARAMETRI GEOLOGICO -TECNICI E GEOFISICI PER
L’INDIVIDUAZIONE DELLE ANOMALIE NEL SOTTOSUOLO
I parametri geologici sono stati ricavati attraverso le indagini seguenti:
Indagini geognostiche
•N°48 Pozzetti esplorativi
•N°77 Sondaggi
•Prove SPT
Indagini geofisiche
Rilievi geoelettrici
Rilievi geosismici
Prove in sito
Lefranc, Lugeon
Prove di laboratorio
Lim.Atterberg, granulometriche, compressione, ecc…
8
3-PARAMETRI GEOLOGICO -TECNICI E GEOFISICI PER
L’INDIVIDUAZIONE DELLE ANOMALIE NEL SOTTOSUOLO
Analisi delle informazioni: carte geologiche
Allogruppo di Binago
Allogruppo di Besnate
Nella tratta correlazione di massima tra alcune
unità geologiche (all. Binago) e frequenza di
rinvenimento degli occhi pollini
9
3-PARAMETRI GEOLOGICO -TECNICI E GEOFISICI PER
L’INDIVIDUAZIONE DELLE ANOMALIE NEL SOTTOSUOLO
Analisi delle informazioni: sezioni geologiche e geotecniche
10
3-PARAMETRI GEOLOGICO -TECNICI E GEOFISICI PER
L’INDIVIDUAZIONE DELLE ANOMALIE NEL SOTTOSUOLO
Analisi delle informazioni: sezioni geologiche e geotecniche
Aree caratterizzate da
basso n. colpi/SPT
attorno alla cavità
Ghiaie e sabbie
alterate (all. di
Binago)
Occhi pollini
intercettati dai
sondaggi
conglomerati
11
3-PARAMETRI GEOLOGICO -TECNICI E GEOFISICI PER
L’INDIVIDUAZIONE DELLE ANOMALIE NEL SOTTOSUOLO
Caratteristiche delle cavità: il detensionamento dei terreni
•Occhi pollini generalmente rinvenuti in aree caratterizzate da conglomerati a piccola profondità (<20 m
da p.c.)
•Depositi alluvionali appartenenti a unità geologiche antiche (Pleistocene medio-inferiore)
•Grado di alterazione dei conglomerati e delle alluvioni soprastanti elevato
•Prossimità di un recapito per le acque di infiltrazione
•Spesso cavità non vuote ma riempite da materiale limoso-argilloso
I dati geognostici dimostrano che intorno alla cavità esiste zona ampia caratterizzata da
“detensionamento” del terreno
Per individuare cavità è utile identificare fenomeni di detensionamento del terreno
Vantaggio: maggiore probabilità di intercettazione detensionamento rispetto a
cavità
tramite prove in campo
12
3-PARAMETRI GEOLOGICO -TECNICI E GEOFISICI PER
L’INDIVIDUAZIONE DELLE ANOMALIE NEL SOTTOSUOLO
Il detensionamento dei terreni: variazione tensioni geostatiche
Processi di erosione sotterranea (suffosione-piping)  cambiamento del campo delle tensioni
geostatiche nel terreno  formazione di zone “detensionate” di dimensione variabile.
Zone “detensionate”: influenza significativa sul comportamento del terreno (meccanico e idraulico)
(Colombo, Francani, Gattinoni, 2014*).
In letteratura specialistica descritti fenomeni analoghi negli ammassi rocciosi presso scavi in sotterraneo**.
Validazione del modello concettuale tramite analisi ed elaborazione dei dati ottenuti da prove
geotecniche e geofisiche in sito
*Colombo, Francani, Gattinoni - Suffosion hazard for building and infrastructure in the Upper Lombary Plain –14th
International Multidisciplinary Scientific GeoConference SGEM 2014
**ZHANG ChangGuang, WANG JiangFeng & ZHAO JunHai - Unified solutions for stresses and displacements around
circular tunnels using the Unified Strength Theory - Science china June 2010 Vol.53 No.6: 1694–1699
**Yii-Wen Pan and Yi-Ming Chen - Plastic Zones and Characteristics-line Families for Openings in Elasto-plastic Rock Mass Rock Mechanics and Rock Engineering 23,275-292
13
3-PARAMETRI GEOLOGICO -TECNICI E GEOFISICI PER
L’INDIVIDUAZIONE DELLE ANOMALIE NEL SOTTOSUOLO
Indagini geognostiche
•Pozzetti esplorativi e sondaggi geognostici  valutazione del grado di alterazione dei terreni
•Prove SPT  individuazione di “zone di debolezza” evidenziate da basso n. di colpi/15 cm
Indagini geofisiche
Rilievi geoelettrici
Rilievi geosismici
Prove in sito
Prove di laboratorio
14
3-PARAMETRI GEOLOGICO -TECNICI E GEOFISICI PER
L’INDIVIDUAZIONE DELLE ANOMALIE NEL SOTTOSUOLO
INDAGINI INTEGRATIVE: GEOFISICA*
*In collaborazione con CNR – dott.de Franco e dott.ssa Caielli
Akron Srl – dott.Ascari
individuate alcune classi entro le quali si verifica la
presenza dei fenomeni oggetto di studio
RESISTIVITA’
DESCRIZIONE
ELETTRICA (ohm*m)
Limi sabbiosi e limi argillosi. Possibili aree interessate dalla
0-150
presenza di cavità riempite di materiale prevalentemente limosoargilloso o limoso-sabbioso
Possibili
detensionate
250-500
Possibili aree interessate da fenomeni di erosione sotterranea
caratterizzate dalla presenza di detensionamenti e materiale fine,
circostanti le cavità principali
Ghiaie e sabbie insature
500-700
Ghiaie detensionate con alto/elevato indice dei vuoti
700-900
Conglomerati alterati/degradati e vacuolari
150-250
ghiaie
900-1500
Possibili
Cavità
1500-3000
3000-5000
>5000
Conglomerati alterati/degradati con elevata percentuale di vuoti e
scavernamenti
Conglomerati ben cementati
Possibile cavità vuota all’interno di conglomerati
Possibili ghiaie detensionate
15
Possibili Cavità
3-PARAMETRI GEOLOGICO -TECNICI E GEOFISICI PER
L’INDIVIDUAZIONE DELLE ANOMALIE NEL SOTTOSUOLO
stratigrafia SC47
Corrispondenza tra
indagini dirette ed
indirette
Elaborazioni geofisiche:
16
CNR – dott.de
Franco e dott.ssa Caielli
Akron Srl – dott.Ascari e Valentina Montana
Modellazione
tridimensionale delle
cavità
3-PARAMETRI GEOLOGICO -TECNICI E GEOFISICI PER
L’INDIVIDUAZIONE DELLE ANOMALIE NEL SOTTOSUOLO
Valori resistività non sempre correlabili univocamente con presenza di cavità, a causa della notevole
variabilità del fenomeno
Resistività <150 ohm*m
Resistività >900 ohm*m
Possibile cavità con riempimento limoso-argilloso
in ghiaie e sabbie alterate
Possibile cavità solo parzialmente riempita di
materiale misto limoso-sabbioso-ghiaioso
Oppure
Oppure
Terreni ghiaioso sabbiosi alterati con
abbondante frazione limoso-argillosa
Conglomerati alterati con elevata percentuale di
vuoti e scavernamenti
Indagini geoelettriche comunque utili per individuazione di:
•zone detensionate (anomalie alto resistive locali)
•possibili cavità con riempimento limo-argilloso (anomalie basso resistive)
integrano in modo continuo i dati geotecnici (STP, prove di laboratorio, ecc…) a carattere puntuale
17
4-APPROCCIO PER LA VALUTAZIONE DEL RISCHIO PER LE
INFRASTRUTTURE
4 parametri fondamentali:
•F---Frequenza di reperimento (da osservazioni dirette dei sondaggi)
•S---Suscettibilità geologica alla presenza di cavità
•O---Presenza opere d’arte
•I---Intersezione dell’infrastruttura con le cavità rilevate.
Rischio = pericolosità (P) x (E) vulnerabilità (esposizione)
P=F*S
ed
R = F*S*O*I
E=O*I
I valori di rischio per l’infrastruttura viaria ottenuti sono stati così suddivisi:
Basso:
Medio:
Medio-Alto:
Alto:
Molto Alto:
18
1-5
5 - 25
25-50
50 -75
>75
4-APPROCCIO PER LA VALUTAZIONE DEL RISCHIO PER LE
INFRASTRUTTURE
mancanza
di
informazioni dirette e
continue lungo tutta
l’opera
mappatura di
rischio
copertura
continua
dell’asse stradale
PARAMETRI PER LA MAPPATURA DI RISCHIO PER L’INFRASTRUTTURA STRADALE -1
F - OCCHI POLLINI: FREQUENZA DI
RINVENIMENTO DA INDAGINI DIRETTE
19
4-APPROCCIO PER LA VALUTAZIONE DEL RISCHIO PER LE
INFRASTRUTTURE
OPERA
G.A. DESIO
DIAFRAMMI 910
PARAMETRI PER LA MAPPATURA DI
RISCHIO PER L’INFRASTRUTTURA
STRADALE - 2
PROGRESSIVE
(Km)
0+600 – 1+100
2+000 – 3+000
5+000 – 9+000
9+000 – 10+300
10+600 –
10+800
11+600 –
11+800
13+900 – fine
tratta
CAUSE DELLA SUSCETTIBILITA’ AL FENOMENO DEGLI
OCCHI POLLINI
presenza di conglomerati fortemente alterati e degradati a piccola
profondità, circostanza confermata anche dai dati ricavati da
alcune prove SCPT eseguite in precedenza nelle aree limitrofe,
che indicano una riduzione del numero di colpi a partire da circa
5-6 m da p.c. per la probabile presenza di livelli a bassa resistenza
presenza di livelli di ghiaie alterate; i diagrammi SCPT di prove
eseguite nei pressi di via Mazzini hanno evidenziato la presenza di
livelli a bassa resistenza fino ad almeno 9 m da p.c.
tratto con maggiori criticità: le indagini geognostiche hanno
evidenziato la presenza di 10 cavità di grandi dimensioni a
profondità massime di 28 m da p.c. oltre che esteso
detensionamento dei terreni con numero colpi SPT/30 cm
frequentemente inferiore a 6.
presenza di conglomerati alterati e degradati e della falda
acquifera a piccola profondità rappresentano condizioni favorevoli
per la formazione di occhi pollini sebbene non ne sia stata rilevata
la presenza durante le campagne di indagini del P.D. e del P.E
presenza di conglomerati alterati e degradati e della falda
acquifera a piccola profondità rappresentano condizioni favorevoli
per la formazione di occhi pollini sebbene non ne sia stata rilevata
la presenza durante le campagne di indagini del P.D. e del P.E
presenza di conglomerati alterati e degradati e della falda
acquifera a piccola profondità rappresentano condizioni favorevoli
per la formazione di occhi pollini sebbene non ne sia stata rilevata
la presenza durante le campagne di indagini del P.D. e del P.E
presenza di terreni ghiaioso -sabbiosi assoggettati a una forte
alterazione; i sondaggi hanno individuato la presenza di 3 cavità
delle dimensioni metriche
G.A. MACHERIO
2
PESO
2
G.A. SVINCOLO
MACHERIO 1 E
2
DIAFRAMMI 0102-03-04
G.A. MACHERIO
3
G.A. BIASSONO
1
G.A.
TANGENZIALE
EST
PROGRESSIVA
(Km)
TIPO
FONDAZIONI
2+175 – 3+170
PALI
PROF. MAX.
FONDAZIONI
(m)
25
SC09
PROF.
CAVITA’ (m
da p.c.)
9-11.5
6+064 – 6+154
PALI
19
SC38-SC39
6.5-20
7.5-19
18-28
6+154 – 7+074
PALI
30
SC40-CSE10SC43CSE10bis
7+340 – 7+430
DIRETTE
13
SC47
7+075 – 7+725
PALI
17
SC47
18-28
7+726 – 7+885
PALI
31
SC49
3-17.8
7+980 – 8+961
PALI
30
SC50-SC51
6-18
16+095 –
16+184
PALI
27
SC104
11.5-13.5
OPERA
2
2
2
2
2
2
PROGRESSIVE
PESO
G.A. CESANO
0+116 – 0+213
4
DIAFRAMMA 2
DIAFRAMMA 4
0+213 – 0+375
3
2+135 – 2+185
3
G.A.DESIO
2+175 – 3+170
4
DIAFRAMMA 6
3+276 – 3+558
3
G.A. FS MILANO-CHIASSO
3+545 – 3+663
3
G.A. VALASSINA
4+648 – 4+714
4
G.A. MACHERIO 1
5+584 – 6+064
4
DIAFRAMMI 9-10
6+064 – 6+154
3
G.A. MACHERIO 2
6+154 – 7+074
4
DIAFRAMMI 01-04
G.A. SVINCOLI MACHERIO 1-2
7+075 – 7+725
3
7+340 – 7+430
4
G.A. MACHERIO 3
7+726 – 7+885
4
DIAFRAMMI 17-18
G.A. BIASSONO 1
7+896 – 7+979
7+980 – 8+961
3
DIAFRAMMI 19-20
8+961-9+075
3
G.A. BIASSONO 2
9+080 – 9+710
4
DIAFRAMMI 21-22
9+725 – 9+894
3
G.A. FS MONZA-MOLTENO
9+880 – 10+330
4
PONTE FIUME LAMBRO
10+736 – 10+529
3
G.A. LESMO 1
10+741 – 11+026
4
G.A. LESMO 2
11+114 – 11+514
4
DIAFRAMMI 25-29
11+514 – 11+600
3
G.A. ARCORE 0
12+559 – 12+883
4
G.A. ARCORE 1
13+020 – 13+346
4
G.A. ARCORE 2
G.A. ARCORE 3
13+505 – 13+605
4
13+729 – 14+000
4
14+477
3
14+973 – 15+045
4
15+793/15+852
3
16+095 – 16+184
4
PONTE RIO MOLGORANA
G.A. FS MILANO CARNATE
CAVALCAVIA TG. EST
G.A. TANGENZIALE EST
S – SUSCETTIBILITA’ AL FENOMENO
20
CAVITA’
4
I
–
INTERSEZIONE
CON OPERE O
FONDAZIONI
O
–
OPERE
PRINCIPALI
SOTTERRANEE
4-APPROCCIO PER LA VALUTAZIONE DEL RISCHIO PER LE
INFRASTRUTTURE
RISULTATO DELL’APPLICAZIONE: MAPPATURA DI RISCHIO
Zona maggiormente a rischio
Mappatura fornisce ai progettisti indicazioni continue su zone
potenzialmente più critiche
Indirizzare approfondimenti d’indagine
21
4-APPROCCIO PER LA VALUTAZIONE DEL RISCHIO PER LE
INFRASTRUTTURE
MAPPATURA IN SEZIONE DELLA SUSCETTIBILITA’ DEI TERRENI ALLA PRESENZA DI
CAVITA’
Complementare a mappatura di rischio, sviluppata in pianta, elaborata sezione verticale per
determinare suscettibilità alla presenza di cavità
Sono stati utilizzati 5 parametri:
•Vicinanza della falda;
•Vicinanza a zone caratterizzate da forte oscillazione storica della falda;
•Vicinanza ai Conglomerati;
•Vicinanza alla porzione più alterata del tetto dei conglomerati;
•Vicinanza a recapiti delle acque (torrenti, fiumi, ecc…)
rappresentazione in sezione utile per stima possibili aree critiche interferenti con strutture interrate
22
4-APPROCCIO PER LA VALUTAZIONE DEL RISCHIO PER LE
INFRASTRUTTURE
MAPPATURA IN SEZIONE DELLA SUSCETTIBILITA’ DEI TERRENI ALLA PRESENZA DI
CAVITA’
Risultato: rappresentazione 2D verticale che mostra a fasce colorate le zone potenzialmente più
soggette alla presenza di cavità (colori verso il rosso).
23
5-CONCLUSIONI
Progettazione di una infrastruttura viaria  ottimizzazione tempi e costi di esecuzione
indagini geologiche, geotecniche e geofisiche opportunamente messe a sistema
prima e durante le fasi di progettazione
In particolare, possono garantire:
A.
Sicurezza di macchine ed operatori durante la fase di cantierizzazione >>>
“sorprese” geologiche possono pregiudicare normale svolgimento delle attività di
cantiere, allungandone i tempi
A.
Durata nel tempo dell’infrastruttura >>>
l’accurata stima di qualità dei materiali e anomalie geologiche interferenti con
l’opera garantisce la migliore scelta delle tecniche di costruzione stradale
24
5-CONCLUSIONI
Per l’individuazione degli Occhi Pollini, utilità di rilevazione delle aree detensionate nei
dintorni delle cavità.
In zone a copertura alluvionale:
INDAGINI
PRO
CONTRO
dirette
efficaci nell’individuazione delle cavità
•dispendiose in termini di
tempo e risorse finanziarie
•carattere puntuale
indirette
•Continuità spaziale dell’informazione
•possono fornire indicazioni di massima circa la
possibilità di riscontrare cavità in un terreno
non risultano esaurienti per
individuazione reale
•
alcuni parametri geotecnici risultano maggiormente correlati alla presenza di
cavità>>> permettono di valutare il “detensionamento” intorno alle cavità
•
possibilità di “mappare” i fattori di rischio (conglomerati sottoposti a terreni
fortemente alterati, vicinanza a corsi d’acqua, zone di sottosuolo caratterizzate dal
oscillazioni della falda)>>> costituisce un valido supporto alla progettazione e
cantierizzazione
25
RINGRAZIAMENTI
Per le elaborazioni geofisiche si ringraziano
il C.N.R., nella persona del dott. Roberto De Franco e della dott.ssa Grazia Caielli,
che hanno supportato le elaborazioni specialistiche, e la società
Akron S.r.l., nella persona del dott.Gianluca Ascari e dott.ssa Valentina Montana, che
hanno acquisito in campo le informazioni geofisiche.
Grazie infine a tutti per la cortese attenzione!
26

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