CAPITOLO 1
INTRODUZIONE
Capitolo 1: Introduzione
1.1 Materiale “roccia intatta”
Un ammasso roccioso va visto, nella quasi totalità dei casi, come un insieme di blocchi
costituiti da roccia intatta separati da singole discontinuità di natura geologica.
Per materiale roccia si intende quindi un elemento costituito da particelle discrete, granuli
o cristalli, legati tra loro da forze coesive a carattere permanente, privo di discontinuità.
È quindi di fondamentale importanza arrivare a definire come il materiale roccia si correli
con l’ammasso roccioso.
Quest’ultimo è generalmente influenzato più dalla natura e dalle proprietà delle
discontinuità che lo costituiscono che dalla sua resistenza intrinseca, ma bisogna sempre
tener presente che un campione di roccia intatta rappresenta in qualche modo un modello
in scala dell’ammasso in quanto ambedue hanno subito gli stessi processi geologici. Ne
risulta quindi che la resistenza e la deformabilità della roccia intatta sono proprietà
principali della roccia.
Le caratteristiche del materiale roccia utili da conoscere in qualunque problema applicativo
sono quelle petrografiche, quelle fisiche e quelle meccaniche.
Infatti quando si considera la roccia da un punto di vista ingegneristico, il suo
comportamento deve essere definito in base al suo modo di deformazione sotto carico e al
valore limite di tale carico che può essere sopportato prima della rottura.
Questi due parametri, resistenza della roccia intatta “ σ
c
” e modulo di elasticità “E”,
unitamente in casi particolari alla resistenza a trazione “ σ
t
”, definiscono il percorso di
rottura che la roccia seguirà all’applicazione del carico, mentre la sola resistenza è uno dei
parametri d’ingresso in tutti i sistemi di classificazione dell’ammasso.
La determinazione standard di σ
c
e di E dovrebbe essere sempre fatta mediante prove di
compressione monoassiale; diciamo dovrebbe in quanto per lavori di importanza minore o
per studi a carattere di fattibilità o preliminari (e anche per opere importanti) si tende ad
utilizzare le cosiddette “prove indice” (indice di carico puntuale (Is), indice di
punzonamento, prove sclerometriche, prove soniche) e a correlare i risultati di queste con
la σ
c
.
Una breve descrizione del litotipo ed il corretto impiego dei metodi classificativi esistenti
per i diversi gruppi genetici delle rocce è normalmente sufficiente; in alcuni casi applicativi
può essere senz’altro utile mettere subito in evidenza la presenza e la quantità
percentuale di minerali duri (come il quarzo) che avranno un ruolo importante nella
lavorabilità (abbattimento, perforazione, segagione, ecc.) della roccia.
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Capitolo 1: Introduzione
Tra le caratteristiche fisiche misurabili sul materiale roccia possono essere citate il peso di
volume, il peso specifico della parte solida, la porosità, l’indice dei vuoti, il contenuto
d’acqua, il grado di saturazione e la permeabilità; in realtà, nella maggior parte dei casi
reali, vengono misurati solo il peso di volume e, talvolta, la porosità ed il contenuto
d’acqua. Le altre caratteristiche fisiche sono riservate ad indagini per progetti impegnativi
oppure per particolari tipi di rocce ( ad esempio, su un’arenaria può essere di utilità pratica
conoscere anche la permeabilità del materiale roccia).
Tra le caratteristiche meccaniche del materiale roccia che può essere utile conoscere ci
sono quelle che mostrano la resistenza a rottura e quelle che descrivono il comportamento
del materiale prima che questo si rompa; tra le prove che si possono condurre in un
laboratorio geomeccanico in grado di descrivere le caratteristiche di resistenza a rottura si
possono elencare: la prova di resistenza a compressione monoassiale, le prove a trazione
diretta e indiretta, la prova di taglio diretto, la prova a flessione, la prova di compressione
triassiale e la prova a torsione; tra i parametri che descrivono il comportamento del
materiale roccia prima che questo giunga a rottura, vi sono i parametri elastici che
possono essere di tipo statico o dinamico.
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Capitolo 1: Introduzione
1.2 L’ammasso roccioso
Con il termine ammasso roccioso si indica il corpo fisico costituito dall’insieme del
materiale roccia e delle discontinuità; il comportamento meccanico dell’ammasso dipende,
quindi, dal comportamento del materiale roccia e da quello delle discontinuità, nonché
dalla loro interazione.
La presenza di discontinuità riduce sensibilmente le caratteristiche di resistenza e di
deformabilità proprie del materiale roccia.
A differenza del materiale roccia che è un mezzo continuo omogeneo (raramente) o
eterogeneo ed isotropo o anisotropo, l’ammasso roccioso, che è necessariamente sempre
eterogeneo ed anisotropo, è un mezzo non continuo nel quale le discontinuità sono
l’elemento che più determina il comportamento meccanico dell’insieme.
Risulta importante distinguere gli ammassi a comportamento rigido e le rocce deboli; le
rocce possono essere considerate “deboli” perché costituite da materiali aventi bassa
resistenza oppure perché, indipendentemente dalla resistenza del materiale roccia, si
presentano fittamente interessate da piani di discontinuità dovuti a fratturazione,
stratificazione, scistosità, ecc..
Nel primo gruppo ricadono le rocce che sono deboli perché costituite prevalentemente da
materiali essi stessi deboli (esempio, i gessi) oppure le rocce che risultano avere deboli
legami tra i componenti (clasti o minerali); rocce appartenenti a questa classe possono
essere di origine sedimentaria (come argilliti, siltiti, marne, gessi, arenarie, conglomerati e
brecce), oppure di origine metamorfica (scisti, argilliti, filladi) o, ancora, vulcanica (tufi,
brecce). A questa classe appartengono anche gli ammassi che sono diventati deboli in
seguito a processi di alterazione chimica o di degradazione fisica.
Nel secondo gruppo rientrano le rocce sottilmente stratificate, intensamente scistose e
tutte quelle che, indipendentemente dalla loro genesi, hanno subito intensi processi di
fratturazione.
Nella classe delle rocce deboli possono essere anche inseriti gli ammassi rocciosi costituiti
da alternanze di litotipi a differente comportamento meccanico, di cui quello debole è
nettamente prevalente.
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Capitolo 1: Introduzione
1.3 Proprietà dell’ammasso roccioso
1.3.1 Natura del substrato roccioso
Con il termine natura del substrato roccioso si indicano tutte le caratteristiche salienti che
contraddistinguono i vari litotipi.
La natura della composizione mineralogica non costituisce un requisito sufficiente alla
classificazione di un ammasso roccioso.
All’individuazione delle principali caratteristiche chimico-fisiche è necessario far seguire i
requisiti meccanici che non possono essere definiti in modo univoco sulla base della
tipologia rocciosa.
Pertanto, diviene necessario definire le caratteristiche geologico-strutturali del sito in
esame tenendo presente che la stabilità di un ammasso è strettamente relazionata al
grado di discontinuità e di fratturazione che contraddistinguono l’ammasso.
L’analisi della stabilità di un blocco roccioso comporta l’individuazione degli elementi
caratterizzanti lo stato di fratturazione.
Questi fattori possono essere inseriti in due diverse categorie: la prima comprende le
informazioni relative all’orientazione e alle dimensioni delle fratture che definiscono forma,
estensione, direzione di scivolamento dei blocchi; la seconda, prevede la definizione delle
proprietà di resistenza al taglio delle fratture con le quali si provvede a stabilire la
resistenza allo scivolamento del blocco.
Le fratture di un ammasso roccioso, dal punto di vista geologico, vengono distinte e
raggruppate considerando le condizioni che contraddistinguono la loro formazione.
Ciò costituisce un ottimo requisito per le valutazioni preliminari di carattere geomeccanico-
ingegneristico del sito, in quanto ogni categoria presenta proprietà similari concernenti
dimensioni e sforzo di taglio.
Si elencano di seguito i diversi tipi di fratture e/o strutture che costituiscono potenziali punti
di debolezza per l’ammasso roccioso.
Piano di stratificazione
Le rocce sedimentarie si presentano spesso in natura attraverso livelli definiti, chiamati
strati, che depositandosi uno sull’altro generano una stratificazione (in termini inglesi,
bedding).
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Capitolo 1: Introduzione
In una sequenza stratigrafica i singoli strati sono separati da piani di strato; questi
definiscono successive superfici di deposizione, ognuna delle quali costituiva un settore
libero prima che uno strato successivo vi si depositasse; da qui il principio di
sovrapposizione che regola i criteri cronostratigrafici nelle rocce sedimentarie.
Da sottolineare è la possibilità che gli strati non sempre si possano definire concordanti tra
loro; ciò comporta il verificarsi di irregolarità a piccola scala che determinano mutamenti
casuali o sistematici nella giacitura dei piani di stratificazione.
Foliazione
Struttura planare formatasi in seguito all’orientazione parallela di minerali tabulari
all’interno del corpo roccioso.
Nelle rocce metamorfiche è costituita da bande di minerali differenti tali da formare livelli
litologici a composizione variabile su piccola scala.
Giunti o discontinuità
Con il termine di giunto, o discontinuità, o fessura, l’ISRM definisce un piano di
discontinuità di origine naturale che non ha subito segni visibili di spostamento relativo;
con il termine più generale di frattura si indica invece qualsiasi tipo di discontinuità dovuta
ad attività tettonica e il termine comprende sia i giunti veri e propri che le faglie, fratture
lungo le quali vi è stato uno spostamento relativo delle pareti, variabile da pochi centimetri
a pochi chilometri, o le cosiddette zone di debolezza o di taglio (piani di taglio la cui
apertura è stata riempita di materiale frizionato, quale milonite, cataclasite, breccia di
frizione).
Quasi tutte le rocce sono tagliate da una varietà di fratture lungo le quali non sono
riscontrabili movimenti relativi, se non quello sufficiente a formarle.
L’assenza di una dislocazione visibile permette di distinguere i giunti dalle faglie.
Molti giunti si presentano in maniera non sistematica, formando spesso una maglia
irregolare, altri invece possono apparire come sistemi di fratture regolarmente spaziate e
sub parallele.
Tali serie di giunti (joint set) spesso si intersecano fra loro formando sistemi di giunti (joint
system).
Giunti appartenenti a serie diverse possono intersecarsi senza flettersi tra loro, altri
tendono a terminare contro un giunto che viene così riconosciuto come quello principale.
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Capitolo 1: Introduzione
La formazione di una particolare serie di giunti evidenzierebbe una tensione orizzontale
diretta perpendicolarmente rispetto alla serie stessa e qualunque tensione residua può
mostrarsi attraverso la formazione di una seconda serie di giunti, disposti ad angolo retto
rispetto alla prima.
Qualora i giunti si sviluppino in serie formanti tra loro un angolo acuto e si dimostrino
cronologicamente correlabili, è possibile riconoscerli come serie coniugate di giunti di
taglio (shear joints).
Clivaggio
Il clivaggio rappresenta un’evidenza diretta di un processo deformativo subito da un corpo
roccioso costituito da strati a diversa competenza.
In genere si sviluppa in modo evidente in strati poco competenti.
La definizione più generale del termine non prevede che venga considerata la possibilità
che il fenomeno sia controllato da minerali ad orientazione particolare.
Scistosità
Dal punto di vista strutturale la scistosità si sviluppa attraverso un allineamento parallelo di
minerali lamellari, generalmente miche.
Può considerarsi una foliazione che si verifica in rocce metamorfiche la cui tessitura
(definita per l’appunto scistosa), è governata dall’arrangiamento dei minerali.
La verifica che il corpo roccioso in esame presenti o meno fratture e/o particolari strutture
aiuta a comprendere entro quale contesto si stia svolgendo l’indagine, senza però fornire
dettagliate informazioni sulle loro proprietà che solo specifici studi geomeccanici sono in
grado di fornire.
Come già sottolineato, le discontinuità rappresentano, nell’ammasso roccioso, l’elemento
più debole. Qualunque cedimento, movimento, instabilità coinvolga un ammasso roccioso
interessato da una fondazione, da uno scavo in sotterraneo o, semplicemente, facente
parte di un versante, ha nella presenza di discontinuità la causa prima.
Risulta di grande importanza, quindi, lo studio delle caratteristiche di questi elementi di
debolezza; in particolare, l’informazione fondamentale in ogni applicazione geologico-
tecnica consiste nella resistenza al taglio delle discontinuità, cioè nella resistenza che
essa, in funzione delle proprie caratteristiche fisiche, è in grado di fornire ad una
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Capitolo 1: Introduzione
sollecitazione che tende a far muovere una porzione di materiale roccia, lungo le
discontinuità, rispetto ad un’altra porzione di roccia.
Purtroppo la misura diretta di questa caratteristica non è mai agevole né da un punto di
vista tecnico, né economico, né tempistico. La misura diretta in sito della resistenza al
taglio viene eseguita molto raramente e solo per progetti di grandi strutture; più frequente
è le misura della resistenza al taglio in laboratorio, su provini delle discontinuità
appositamente prelevati in sito. Anche questa attività non è però sempre applicabile in
quanto i costi sono sempre inconciliabili con i progetti minori e con le fasi preliminari della
progettazione di opere importanti.
Spesso si ricorre così ad una stima della resistenza al taglio, basata sull’osservazione di
alcune caratteristiche fisiche che ne condizionano direttamente le resistenza.
Le caratteristiche fisiche che più di altre interessano da un punto di vista pratico sono le
seguenti: orientazione nello spazio, spaziatura, persistenza, forma e rugosità, resistenza
ed alterazione superficiale, apertura, presenza di riempimento e circolazione d’acqua.
Orientazione (o giacitura) delle discontinuità
Nonostante siano caratterizzate da ondulazioni, in generale le discontinuità possono
essere assimilate a superfici piane facili da misurare e descrivere.
La giacitura di una discontinuità è definita da due numeri che indicano rispettivamente la
direzione dell’immersione rispetto al Nord e l’inclinazione rispetto all’orizzontale; è ricavata
in sito mediante una bussola da geologo. I due angoli misurati, immersione (dip direction)
ed inclinazione (dip), possono variare rispettivamente da 0° a 360° e da 0° a 90°.
L’orientazione delle discontinuità influenza in modo determinante la possibilità di
condizioni d’instabilità o lo sviluppo di deformazioni notevoli.
L’importanza dell’orientazione aumenta quando sono presenti altre condizioni favorevoli
alla deformazione, quali basse resistenze di taglio o un insieme di sistemi di discontinuità
e giunti in grado di innescare cinematismi. L’orientazione relativa delle discontinuità
determina inoltre la forma dei singoli blocchi che costituiscono la massa rocciosa.
L’esecuzione del rilievo geomeccanico prevede la misura delle orientazioni delle
discontinuità e l’organizzazione delle stesse in gruppi o famiglie (set); l’analisi di ogni set di
discontinuità porta all’individuazione di un’orientazione rappresentativa attorno alla quale
sono disperse tutte le altre.
Esistono due differenti approcci per affrontare lo studio geomeccanico di un ammasso
roccioso:
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Capitolo 1: Introduzione
- il primo consiste nella misura sistematica dell’orientazione di tutte le
discontinuità intersecanti una linea di scansione o affioranti sull’ammasso
roccioso; con successiva elaborazione statistica dei dati raccolti si perviene
all’individuazione ed alla differenziazione delle famiglie di discontinuità
presenti; questo metodo di analisi, sebbene più oggettivo, è più dispendioso
in fatto di tempo, ma permette di effettuare un’analisi precisa anche in
presenza di configurazioni strutturali ed ammassi complessi;
- il secondo metodo prende le mosse da un’analisi visiva preliminare
dell’ammasso roccioso, finalizzata all’individuazione immediata delle
principali famiglie di discontinuità, cui segue, relativamente ad ogni piano
misurato, l’attribuzione ad un gruppo piuttosto che ad un altro; questo
approccio, nonostante in situazioni complesse sia affetto da possibili errori di
valutazione, ha il pregio di essere più “speditivo” (fattore da valutare anche in
considerazione dell’importanza dell’opera) rispetto al precedente, e si è
potuto constatare, come nella maggior parte dei casi, se effettuato
attentamente, vada a confermare i risultati ottenuti con il metodo precedente.
Spaziatura
La spaziatura viene comunemente intesa come la distanza fra due discontinuità contigue
appartenenti alla stessa famiglia.
La misura di questo parametro viene eseguita sulla linea perpendicolare ai piani di
discontinuità e solitamente è un’operazione difficilmente eseguibile; per questo motivo la
tendenza comune è quella di misurare la distanza delle tracce di intersezione
sull’affioramento corrette successivamente per un valore pari al seno dell’angolo formato
dalla direzione del piano e dalla direzione del piano di affioramento di misura.
I valori di spaziatura geomeccanicamente significativi sono il valore modale, il valore
massimo e quello minimo.
Per ogni sistema di famiglie, in caso di un numero di misurazioni sufficientemente elevato,
è conveniente rappresentare i dati in termine di istogramma delle frequenze.
Insieme ai valori di orientazione e persistenza, la spaziatura fornisce utili indicazioni
riguardo alle dimensioni dei blocchi ed al valore del volume del blocco unitario.
Molto spesso oltre alla determinazione della spaziatura delle singole famiglie di
discontinuità, può essere utile la misura dell’intervallo di fratturazione (parametro che
comunque può essere ricavato indirettamente dai valori di spaziatura).
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