La liquefazione del terreno di fondazione è un fenomeno molto pericoloso per la sicurezza degli edifici realizzati su terreni di fondazione sabbiosi in presenza di falda. Le costruzioni edificate su terreni sabbiosi saturi possono letteralmente affondare nel terreno durante un evento sismico di una certa intensità.
In quest’articolo vedremo cos’è il fenomeno della liquefazione del terreno di fondazione, quando e perché si verifica e come eseguire la verifica geotecnica di sicurezza nei confronti della liquefazione.
Nel corso dell’articolo ti mostrerò alcuni video di esperimenti su modelli in scala che riproducono il fenomeno della liquefazione. Alla fine del post potrai scaricare gratuitamente il Focus Normativo PDF contenente tutte le prescrizioni delle NTC2018 e Circolare 2019 sulla verifica di sicurezza nei confronti della liquefazione. Buona lettura.
Liquefazione: perché il terreno si trasforma in un fluido
La liquefazione è un fenomeno che si manifesta in concomitanza di eventi sismici di una certa intensità, di magnitudo generalmente superiore a 5.5 o 6.0 e che interessa terreni sabbiosi sciolti posti al di sotto del livello di falda.
Le accelerazioni generate da un evento sismico producono un incremento della pressione dell’acqua interstiziale contenuta in un terreno sabbioso saturo. Tale aumento di pressione causa l’annullamento delle tensioni efficaci e della resistenza a taglio del terreno. Di conseguenza il terreno si comporta come un vero e proprio fluido in cui gli edifici e le costruzioni soprastanti letteralmente affondano.
I terreni sabbiosi, in condizioni statiche, si trovano sempre in condizioni drenate (te ne ho parlato in quest’articolo). Durante il fenomeno della liquefazione però le accelerazioni impresse dall’evento sismico creano un incremento della pressione neutra così impulsivo e rapido che non ha il tempo di dissiparsi.
E’ uno scenario equivalente al caso in cui la velocità di applicazione di un carico esterno è molto maggiore della velocità con cui si dissipano le sovrappressioni neutre. Durante la liquefazione le sabbie, pur avendo un’elevata permeabilità, si troveranno in condizioni non drenate e le sovrappressioni neutre non avranno modo di dissiparsi.
Nell’immagine seguente puoi vedere un modello meccanico semplificato che illustra il fenomeno della liquefazione. Durante l’evento sismico le elevate sovrappressioni interstiziali annullano il contatto fra i granuli, causando l’assenza di attrito fra le particelle e di conseguenza una resistenza a taglio nulla del terreno. Pertanto il terreno si comporterà come un fluido. Dopo l’evento sismico il terreno sabbioso risulterà avere una densità relativa più elevata rispetto alla situazione iniziale.
Liquefazione dei terreni: esperimenti su modelli in scala
Esporre la teoria alla base del fenomeno della liquefazione è senz’altro utile per comprendere tale fenomeno. Credo sia ancora più utile mostrarti degli esperimenti eseguiti su modelli in scala che riproducono il fenomeno della liquefazione per terreni sabbiosi saturi. Potrai vedere praticamente cosa accade ad una sabbia satura e alle costruzioni edificate su tali terreni in presenza di accelerazioni sismiche.
In rete sono presenti numerosi video che mostrano il fenomeno della liquefazione mediante esperimenti su modelli in scala. In questo paragrafo ho raccolto per te i due migliori video, a mio avviso, reperibili online. Sono certo che dopo averli visualizzati avrai ben chiaro cos’è il fenomeno della liquefazione e quali sono i suoi effetti.
Modelli di edifici in scala su terreno sabbioso saturo
Nel video seguente puoi visualizzare un esperimento eseguito su un modello in scala. In una teca di vetro contenente una sabbia satura vengono collocati tre differenti modellini di edifici:
- un modello con fondazione a platea su pali;
- un modello con fondazione a platea;
- un modello con fondazioni superficiali del tipo a travi rovesce.
All’interno del suolo viene collocata una pallina da ping pong che simulerà la presenza di un serbatoio vuoto interrato. Alla teca viene applicata manualmente un’accelerazione ciclica che simula l’effetto di un evento sismico. Guarda il video per scoprire cosa accade.
Fonte video: YouTube
Come hai potuto vedere il modello di edificio con fondazioni superficiali a travi rovesce affonda nel terreno. Il modello con fondazione a platea presenta notevoli cedimenti. Il modello con fondazione a platea su pali resta nella sua posizione iniziale. La pallina da ping pong che simula la presenza di un serbatoio interrato vuoto risale in superficie per effetto della spinta di Archimede.
Un esperimento da spiaggia che puoi riprodurre anche tu
Nel video seguente ti propongo una versione da spiaggia dell’esperimento visto sopra. Potrai facilmente riprodurlo anche tu utilizzando un secchiello per bambini, della sabbia, dell’acqua e un sasso. Guarda il video per scoprire come fare.
Fonte video: YouTube
Hai visto cosa succede? Il sasso collocato sulla sabbia satura presenta una notevole resistenza nei confronti dei carichi verticali. Applicando però dei colpetti continui al lato del secchiello si generano delle accelerazioni che determinano delle sovrappressioni neutre nei vuoti interstiziali e la trasformazione della sabbia satura in un vero e proprio fluido in cui il sasso affonda.
Liquefazione dei terreni: quando è necessario eseguire la verifica di sicurezza
Ai sensi della Normativa Tecnica vigente, la verifica nei confronti della liquefazione può essere omessa se si verifica almeno una delle seguenti quattro condizioni:
- accelerazioni massime attese al piano campagna in assenza di manufatti (condizioni di campo libero) minori di 0,1g;
- profondità media stagionale della falda superiore a 15 m dal piano campagna, per piano campagna sub-orizzontale e strutture con fondazioni superficiali;
- depositi costituiti da sabbie pulite con resistenza penetrometrica normalizzata (N1)60 > 30 oppure qc1N > 180 dove (N1)60 è il valore della resistenza determinata in prove penetrometriche dinamiche (Standard Penetration Test) normalizzata ad una tensione efficace verticale di 100 kPa e qc1N è il valore della resistenza determinata in prove penetrometriche statiche (Cone Penetration Test) normalizzata ad una tensione efficace verticale di 100 kPa;
- distribuzione granulometrica esterna alle zone indicate nella Fig. 7.11.1(a) (n.d.a. vedi immagine sotto) nel caso di terreni con coefficiente di uniformità Uc < 3,5 e in Fig. 7.11.1(b) (n.d.a. vedi immagine sotto) nel caso di terreni con coefficiente di uniformità Uc > 3,5.
par. 7.11.3.4.2 – NTC2018
Liquefazione: come eseguire la verifica di sicurezza del terreno
Le verifiche di sicurezza nei confronti della liquefazione possono essere eseguite mediante metodi semplificati di carattere semi-empirico oppure con l’ausilio di analisi avanzate.
La verifica con metodi semplificati prevede la determinazione di un coefficiente di sicurezza dato dal rapporto fra la resistenza alla liquefazione (definita come CRR, acronimo di Cyclic Resistance Ratio, capacità di resistenza ciclica alla liquefazione) e la sollecitazione indotta dall’azione sismica (definita come CSR, acronimo di Cyclic Stress Ratio, domanda di resistenza ciclica alla liquefazione).
FSL = CRR / CSR
- CRR = capacità di resistenza ciclica alla liquefazione;
- CSR = domanda di resistenza ciclica alla liquefazione;
- FSL = fattore di sicurezza nei confronti della liquefazione del terreno.
La resistenza ciclica alla liquefazione CRR si calcola sulla base dei risultati di prove sperimentali in sito, ovvero da uno sei seguenti risultati sperimentati:
- resistenza alla punta qc ottenuta da prove CPT (Cone Penetration Test),
- numero di colpi ottenuti da prove SPT (Standard Penetration Test)
- velocità delle onde di taglio Vs ottenuta da prove geofisiche.
La sollecitazione indotta dall’azione sismica CSR si ottiene invece dall’accelerazione sismica ag attesa al piano campagna e in funzione della profondità del punto di verifica.
Il fattore di sicurezza FSL assume un valore variabile in funzione della profondità z rispetto al piano campagna. Pertanto dovrà essere rappresentato in un grafico l’andamento del fattore di sicurezza FSL(z) in funzione della profondità z per ciascuna delle verticali esplorate fino ad un’adeguata profondità dal piano campagna (di norma si assume una profondità di 20 m) o fino alla profondità oltre la quale si esclude l’occorrenza di liquefazione.
Per ogni verticale indagata dovrà essere valutato l’indice del potenziale di liquefazione IL. In base al valore stimato dell’indice del potenziale di liquefazione IL si definiscono le seguenti classi di pericolosità:
- IL = 0 Non liquefacibile
- 0 < IL ≤ 2 Potenziale basso
- 2 < IL ≤ 5 Potenziale moderato
- 5 < IL ≤ 15 Potenziale alto
- 15 < IL Potenziale molto alto
I metodi di analisi avanzata si basano invece su analisi monodimensionali o bidimensionali e determinano l’andamento degli sforzi e delle deformazioni di taglio indotti dall’azione sismica. Tali metodi richiedono l’impiego di codici di calcolo numerico di una certa complessità e l’esecuzione di prove dinamiche in sito e di prove cicliche di laboratorio per la definizione del modello geotecnico di sottosuolo.
Nel caso in cui la verifica alla liquefazione non risulti soddisfatta bisognerà prevedere un sistema di fondazioni su pali che si attesti alla profondità di strati di terreno di migliori caratteristiche oppure bisognerà prevedere appositi interventi di consolidamento del terreno di fondazione mediante iniezioni di resine espandenti.
Liquefazione: scarica il Focus Normativo PDF
Tutte le prescrizioni della Normativa Tecnica NTC2018 e della Circolare 2019 riguardanti la liquefazione del terreno di fondazione raccolte in un unico documento PDF scaricabile gratuitamente. Compila i campi qui sotto, riceverai all’istante un’email contenente il link per eseguire il download.
Conclusioni
La verifica alla liquefazione è un passaggio fondamentale del processo di progettazione e calcolo di un edificio in presenza di un terreno sabbioso. Nel caso in cui il terreno di fondazione risulti liquefacibile, sarà necessario prendere degli opportuni provvedimenti, consolidando il terreno di fondazione oppure adottando un sistema di fondazione adeguato, ad esempio un sistema di fondazioni su pali.
I terreni sabbiosi in assenza di sisma si troveranno sempre in condizioni drenate. In presenza di un evento sismico però lo scenario cambia. Durante un evento sismico di notevole intensità, nonostante l’elevata permeabilità dei terreni sabbiosi, le sovrappressioni neutre generate dall’accelerazione sismica non hanno il tempo di dissiparsi. La resistenza a taglio del terreno si annulla e il suolo si trasforma in un vero e proprio fluido nel quale gli edifici affondano.
Spero che quest’articolo sia stato d’aiuto per comprendere l’importanza e la pericolosità del fenomeno di liquefazione dei terreni sabbiosi saturi e l’importanza della verifica alla liquefazione. Se hai trovato utile l’articolo puoi suggerirlo ad un tuo collega su Linkedin o ad un tuo amico su Facebook cliccando sui tasti di condivisione social in fondo alla pagina.
Al prossimo post.
Marco
Codice articolo: 236
Buongiorno, non mi è chiaro come utilizzare i parametri FSL e IL. FSL deve essere sempre maggiore di 1?
Ciao Fabio, sì, FSL è un fattore di sicurezza e dovrà essere maggiore di 1.
Ciao
Marco