Introduzione
Lo studio si propone, inoltre, di verificare e di confermare la validità, sia delle
nuove metodologie alternative di rilievo delle caratteristiche geo-strutturali, rispetto alle
tecniche tradizionali (che prevedono il sopralluogo in sito e l’utilizzo di strumenti
manuali), sia dei software che interpretano tali dati, rendendoli accessibili al calcolo.
Si parte dall’immagine solida dell’ammasso messa a punto tramite l’implemento
della tecnica di rilievo tramite laser scanner con immagini RGB (scattate con
fotocamera digitale fissata al laser tramite braccio calibrato), sfruttandola come
supporto virtuale interattivo, sul quale effettuare le operazioni di rilievo delle
caratteristiche delle superfici rocciose, attraverso l’interfaccia del software LSR 2004:
quest’ultimo consente di effettuare le misurazioni delle caratteristiche geometriche dei
piani visibili oggetto d’interesse.
L’insieme dei dati relativi ai piani di discontinuità selezionati viene poi immesso
nel software DIPS per la rappresentazione stereografica: operando opportuni confronti
tra gli stereogrammi relativi le diverse zone del fronte e quelli ottenuti a partire dai
rilievi tradizionali effettuati dei geologi, si può ottenere una valutazione complessiva
sulle famiglie di discontinuità presenti nell’ammasso oltre che verificare l’attendibilità
dei risultati rilevati con le nuove metodologie alternative.
Successivamente si procede con la modellazione geometrica vera e propria: con
l’ausilio dei dati forniti in tempo reale dal software LSR 2004 - che permette la lettura
della localizzazione dei punti in superficie in un sistema di riferimento X,Y,Z - si può
ricostruire la geometria esterna semplificata della falesia, per poi descriverla in un file di
input per il software Resoblok. Una volta realizzato il guscio esterno descrivente la
geometria del fronte - attraverso l’immissione deterministica dei dati dei piani che
meglio lo approssimano - vengono inserite in modo deterministico le discontinuità
ritenute più significative per la stabilità globale dell’ammasso roccioso e infine
statisticamente le famiglie principali di discontinuità, le quali suddividono
definitivamente il modello dell’ammasso in blocchi.
Associando alla parte geometrica descrittiva del file scenario le caratteristiche
meccaniche delle fratture del versante esplicitate all’interno di un file.cmd, si arriva ad
effettuare la successiva analisi della stabilità tramite B.S.A. Non disponendo dei dati
relativi alle caratteristiche meccaniche dei piani di frattura, si può procedere ad una
variazione parametrica dei valori della coesione e dell’angolo d’attrito. Attraverso dette
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Introduzione
analisi parametriche si può osservare il numero dei blocchi instabili e il relativo volume
in funzione delle variazioni dei parametri imposte, anche attraverso la visualizzazione
grafica.
Il passaggio conclusivo di questo studio si propone di realizzare un ulteriore
modello del versante in oggetto attraverso il software 3DEC, programma per la
modellazione meccanica degli ammassi rocciosi che sfrutta, per la costruzione del
modello, la geometria descritta all’interno del file scenario di Resoblok, analogamente a
B.S.A., ma che si distingue da quest’ultimo perché non si basa sul metodo dell’equilibrio
limite su modello rigido e indeformabile, ma considera le ipotesi di spostamento e
deformazione dei piani di frattura.
Al termine di quest’ultima analisi si potrà completare il quadro di studio della
stabilità della falaise des Trappistes operando un confronto con i risultati forniti in
precedenza dal modulo bsa, e infine si potranno effettuare delle simulazioni sul moto di
caduta dei blocchi instabili, valutando con un certo grado di precisione le dimensioni
dell’area d’ingombro antistante interessata dal fenomeno.
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Cap1 Caratterizzazione delle discontinuità in roccia
CAPITOLO 1
CARATTERIZZAZIONE DELLE
DISCONTINUITA’ IN ROCCIA
Il termine roccia, al contrario di terreno sciolto, è sinonimo, almeno nel linguaggio
corrente, di stabilità e resistenza. In realtà, quando si considera la roccia nelle
dimensioni di grande massa si ha spesso a che fare con un mezzo discontinuo, suddiviso
in volumi rocciosi elementari, con caratteristiche di resistenza che, globalmente, sono
notevolmente ridotte per la presenza di giunti e discontinuità di diverso tipo.
Si può dunque fare una distinzione tra ammasso roccioso, costituito da volumi di roccia
separati da discontinuità che rappresentano superfici di debolezza, e roccia intatta,
consistente nel campione rappresentativo appartenente ad un volume elementare
dell’ammasso roccioso.
Un progetto geotecnico riguardante strutture rocciose deve sempre prendere l’avvio
con l’esecuzione di un “rilievo geostrutturale”, rivolto alla raccolta di dati per la
descrizione quantitativa delle discontinuità presenti nella massa rocciosa. Il rilievo è
eseguito, secondo i casi, su affioramenti naturali dell’ammasso roccioso, su superfici di
scavo (opere stradali, fronti di cava…) o, con alcune limitazioni, su carote di roccia
ricavate con sondaggi.
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Cap1 Caratterizzazione delle discontinuità in roccia
Il rilievo geostrutturale ha due principali finalità:
3 Riconoscere la possibilità cinematica di una mobilizzazione di volumi rocciosi e
valutarne le possibili dimensioni. Ciò si ottiene verificando se la geometria delle
strutture geologiche (insieme delle discontinuità) unitamente alla geometria
della superficie esterna dell’area (giacitura dei pendii, dei fronti di scavo…)
diano origine a volumi rocciosi che abbiano la possibilità cinematica di un
movimento;
3 Valutare le condizioni fisiche delle discontinuità critiche e attribuire gli
opportuni valori dei parametri che condizionano il comportamento meccanico
delle discontinuità lungo le quali si possono manifestare movimenti e, se del
caso, si deve determinare la resistenza della roccia intatta.
1.1 LE DISCONTINUITÀ
Le discontinuità sono gli elementi che interrompono la continuità degli ammassi
rocciosi e che quindi, essendo piani di debolezza strutturale, possono causare cedimenti
(scivolamenti, ribaltamenti, crolli…) dell’ammasso stesso.
I piani di discontinuità sono essenzialmente rappresentati da:
3 giunti: sono i piani di rottura all’interno della massa rocciosa in cui non sono
evidenti movimenti tra le due pareti, all’interno delle pareti stesse vi è poco
materiale di frizione e difficilmente questo spazio è riempito possono originarsi
sia per trazione sia per taglio;
3 faglie:sono fratture o zone di frattura lungo cui c’è stato uno spostamento
riconoscibile, da pochi centimetri a pochi chilometri. Le pareti sono spesso
striate e levigate (anche a specchio), fatto causato dallo spostamento di taglio.
Frequentemente la roccia su entrambi i lati di una faglia è frantumata e alterata o
corrosa, e ciò dà origine a riempimenti come brecce più o meno grossolane. La
larghezza delle faglie può variare da alcuni millimetri a centinaia di metri;
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Cap1 Caratterizzazione delle discontinuità in roccia
3 scistosità: caratteristiche della matrice, sono dei piani di debolezza derivanti
dall’orientazione preferenziale dei minerali costituenti la roccia.
Osservando, in un’opportuna scala, le superfici d’affioramento di un complesso
roccioso che mostra comportamenti meccanici discontinui, si può appurare la presenza
di un sistema di tracce di discontinuità. Queste possono delimitare e definire dei blocchi
rocciosi.
La schematizzazione di un ammasso roccioso in blocchi è peraltro suffragata dalla
tendenza delle discontinuità a propagarsi fino ad incontrare altre discontinuità. Questa
tendenza è dovuta alla presenza di condizioni dinamiche particolarmente significative e
permette di comprendere come certi sistemi di giunti, all’apparenza non continui, diano
luogo a fenomeni di distacco di blocchi.
Il procedimento da seguire non deve pertanto consistere nella rappresentazione, il più
fedele possibile, di tutti i dettagli geologici osservabili, bensì nella selezione dei
parametri importanti dal punto di vista del comportamento meccanico.
A tal fine si prevedono due livelli di caratterizzazione:
3 discontinuità singolari;
3 sistemi di discontinuità.
Nel primo caso si considerano le discontinuità e le loro caratteristiche singolarmente;
nel secondo caso, invece, si analizza complessivamente l’insieme di discontinuità
rilevate in un ammasso roccioso e si ricerca l’eventuale presenza di sistemi di
discontinuità. Per sistemi, o set, si intendono quegli insiemi (o famiglie) di piani di
discontinuità aventi caratteristiche simili (giacitura, spaziatura…) e, pertanto,
rappresentabili schematicamente con un piano medio, individuato con un’analisi
statistica.
Uno degli aspetti che caratterizzano l’ammasso roccioso dal punto di vista del
comportamento meccanico d’insieme dell’ammasso è la reciproca posizione delle
discontinuità. Ciò è intuitivo se si pensa alla differenza tra la stabilità di un muro di
mattoni incolonnati direttamente su quelli sottostanti e la solidità di un muro nel quale
la posizione dei mattoni è alternata nelle diverse file.
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Cap1 Caratterizzazione delle discontinuità in roccia
Alcune famiglie di discontinuità, inoltre, saranno più persistenti rispetto alle altre. Si
parlerà, così, di gerarchia delle discontinuità in relazione anche alla loro importanza nel
problema ingegneristico che si va affrontando.
Una discontinuità può essere studiata a due livelli:
3 scala microscopica: si tratta in questo caso di un volume di forma molto
complessa del quale una dimensione è molto piccola in rapporto alle altre due;
3 scala macroscopica: le discontinuità appaiono come piani le cui intersezioni con
gli affioramenti formano delle linee rette.
Le tracce dei giunti sugli affioramenti sono generalmente rappresentate con segmenti
di retta e le superfici sono assimilate ad elementi di piani. Tale processo di
linearizzazione della geometria delle discontinuità è necessario per la determinazione
dei parametri principali atti alla descrizione delle singole fratture.
Le grandezze che caratterizzano una discontinuità, secondo le Raccomandazioni
ISRM (International Society of Rock Mechanics, 1978) sulle Metodologie per la
descrizione quantitativa delle discontinuità nelle masse rocciose, sono quantificabili in
dieci parametri:
1. giacitura;
2. persistenza;
3. spaziatura;
4. rugosità;
5. resistenza di parete;
6. apertura;
7. riempimento;
8. presenza d’acqua;
9. numero di sistemi di discontinuità;
10. dimensione dei blocchi.
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Cap1 Caratterizzazione delle discontinuità in roccia
1.1.1 Giacitura
La giacitura non è altro che la posizione nello spazio della discontinuità ed è definita
da due angoli: l’inclinazione (DIP) e la direzione di immersione (DIP DIRECTION).
L’inclinazione, anche detta dip, è l’angolo che la retta di massima pendenza del
piano di discontinuità forma con un piano orizzontale. L’immersione del piano è
l’angolo formato dalla traccia di intersezione tra il piano in esame ed il piano
orizzontale con la direzione del Nord.
Un terzo angolo, detto direzione di immersione (azimut o dip direction) viene spesso
impiegato nella definizione dell’orientamento di una discontinuità. Esso è l’angolo a tra
la direzione del Nord e la proiezione della linea di massima pendenza sul piano
orizzontale ed è individuabile sulla superficie della massa rocciosa. La direzione del
piano forma, con la direzione di immersione, un angolo di 90°. Si deve quindi prestare
attenzione quando si eseguono le misure, a non confondere le due grandezze.
Nella figura 1 sono visualizzati i parametri normalmente utilizzati.
a
π
d
Immersione
Direzione di immersione o azimut
Piano orizzontale
Piano in esame
Orizzontale del piano
Linea di max pendenza
N
Figura 1.1 – Angoli che definiscono la giacitura di un piano di discontinuità
π = inclinazione
d = immersione
a = direzione di immersione
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Cap1 Caratterizzazione delle discontinuità in roccia
La massima inclinazione del piano medio della discontinuità, espressa in gradi, è
compresa tra 0° e 90°, mentre la direzione d’immersione, sempre in gradi, è misurata da
Nord in senso orario ed è compresa tra 0° e 360°.
1.1.2 Persistenza
La persistenza K di un giunto rappresenta l’estensione areale o la dimensione di una
discontinuità entro un piano ed è quindi definita, con riferimento al piano su cui giace il
giunto (un piano che attraversa la massa rocciosa contenendo aree discontinue e aree di
roccia intatta), come la frazione di area della discontinuità:
totalearea
giunto del area
lim ≅=
∑
∞→
D
Di
A
A
a
K
D
Dove D è una regione del piano di area A
D
e a
Di
è l’area dell’i-esimo giunto in D.
Figura 1.2 - persistenza di una discontinuità espressa in termini d’aree
Allo stesso modo, in termini di lunghezza, la persistenza può essere espressa come il
limite del rapporto tra la somma delle lunghezze discontinue di una data traccia di tale
piano e la lunghezza totale:
s
si
L
L
l
K
I
∑
∞→
=
*
lim
Dove L
S
è la lunghezza del segmento S di una linea retta di una traccia del piano e l
si
è la lunghezza dell’i-esimo giunto in S.
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Cap1 Caratterizzazione delle discontinuità in roccia
Figura 1.3 - Persistenza di una discontinuità espressa in termini di lunghezza.
La persistenza è uno dei parametri più importanti che riguardano le masse rocciose,
ma è anche uno dei più difficili da quantificare. Può essere approssimativamente
quantificata osservando le lunghezze delle tracce di discontinuità sulla superficie
esposta.
Spesso le superfici esposte sono piccole rispetto all’area o alla lunghezza di
discontinuità persistenti, cosicché la persistenza reale può essere solo ipotizzata.
La persistenza definisce quindi il grado di possibilità con cui si verificherebbe uno
scivolamento tra blocchi adiacenti allo svilupparsi di una superficie di cedimento.
1.1.3 Spaziatura
Si definisce con questo termine la distanza, misurata lungo una linea retta
d’orientamento prefissato, tra discontinuità adiacenti della stessa famiglia.
Si misurano quindi sul terreno le distanze tra le tracce adiacenti di discontinuità che
intersecano la superficie esposta della massa rocciosa e si apporta ai valori misurati la
correzione trigonometrica per ottenere la reale distanza tra i piani (correzione proposta
da Terzaghi).
Figura1.4 - Misura della spaziatura dei giunti su una superficie esposta di roccia
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