Liquefazione dei terreni: cos’è e come intervenire

La liquefazione è un fenomeno che si verifica in un terreno non coesivo saturo (sabbia, ghiaia, limo non plastico) a seguito di uno sciame sismico. Quest’ultimo favorisce una riduzione della resistenza al taglio del terreno per effetto dell’incremento e dell’accumulo delle pressioni interstiziali.

Tale fenomeno comporta come risultato finale deformazioni permanenti significative o persino l’annullamento degli sforzi efficaci nel terreno (Decreto 17 gennaio 2018, Eurocodice 8-Parte 5).

I casi storici

A livello mondiale esistono testimonianze di fenomeni macroscopici di liquefazione (Fig. 1A, 1B, 1C, 1D):

Figura 1 – A) Affondamento di edifici nella città di Niigata (Giappone, 1964); B) Effetti della liquefazione del suolo nel grande terremoto che nel 1964 colpì l’Alaska; C) Cedimento del ponte Showa nel corso del terremoto di Niigata (Giappone,1964); Cedimento della carreggiata a seguito della espansione laterale del suolo (Alaska, 1964)

Come avviene la liquefazione

Si consideri il terreno come un insieme di particelle (o granuli) (Figura 2a) che, sotto il peso del terreno sovrastante, genera forze di contatto tra le particelle stesse (Figura 2b): in tali condizioni, queste forze forniscono stabilità e resistenza al terreno.

Nel momento in cui avviene il sisma, i depositi potenzialmente liquefacibili, essendo sottoposti a vibrazioni, tendono ad addensarsi, senza però avere il tempo necessario per far defluire o espellere l’acqua interstiziale. Quest’ultima, rimanendo intrappolata produce l’effetto dell’aumento della pressione interstiziale (Figura 2c). Quando la pressione dell’acqua eguaglia la pressione di confinamento, le pressioni efficaci trasmesse attraverso le particelle solide si azzerano, con conseguente perdita di contatto tra di loro, così facendo il deposito si comporta come un liquido.

Figura 2 – Meccanismo di liquefazione

Liquefazione nelle NTC2018

In uno dei punti relativi all’esclusione della verifica a liquefazione, parag.7.11.3.4.2 delle NTC2018, viene considerata anche l’importanza della granulometria del terreno. In figura 3 sono riportati i fusi granulometrici di terreni suscettibili di liquefazione.

Figura 3 – Intervallo granulometrico in cui è possibile avere liquefazione con terreni aventi coefficiente di uniformità Uc<3.5 (a) e Uc>3.5 (b)

Nel video seguente, viene spiegato il fenomeno della liquefazione anche alla luce degli avvenimenti nel 2012 in Emilia Romagna e in Indonesia nel 2018:

Mappa zone di attenzione, di suscettibilità e di rispetto

In questa mappa vengono visualizzate, le zone di attenzione (instabilità di versante, faglie attive e capaci, liquefazione, sovrapposizione di instabilità differenti, cedimenti differenziali) necessarie alla realizzazione della carta delle MOPS e della Carta geologica tecnica e la carta di Microzonazione Sismica di livello 2. Inoltre sono rappresentate le zone di Suscettibilità o Rispetto (instabilità di versante, faglie attive e capaci, liquefazione) necessarie alla realizzazione della carta di Microzonazione Sismica di livello 3.

Fonte dati: Portale cartografico della Microzonazione Sismica e della Condizione Limite per l’Emergenza

La liquefazione in termini generali

Considerando relazione (1) del criterio di Mohr-Coulomb;

Dove:

τ_n = Tensione tangenziale;
σ_n = Tensione normale totale;
u = pressione interstiziale;
φ’ = angolo di attrito;
c = coesione.

La liquefazione avviene quando la Tensione tangenziale τ_n tenderà a zero. Dalla relazione (1), si nota che la coesione c, l’angolo di attrito φ’ e la tensione totale σ_n, aumentando, fanno in modo che il fenomeno della liquefazione abbia meno probabilità che si verifichi. Al contrario, le pressioni interstiziali u al loro aumentare, fanno aumentare la probabilità (e il pericolo) che si verifichi liquefazione.

Altre caratteristiche che influenzano il fenomeno, sono la Densità relativa Dr e granulometria del terreno. Un terreno incoerente con una bassa densità relativa, a parità di altri fattori, è più suscettibile alla liquefazione.

Classificazione secondo Robertson e Fear (1996)

I due autori hanno distinto due tipologie di fenomeni di liquefazione:

1. Liquefazione di tipo flusso o Fluidificazione (Flow liquefaction):si verifica in terreni con pendenze superiori ai 3 gradi. Gli sforzi di taglio statico, essendo superiori alla resistenza residua del terreno, innescano rapidi movimenti del suolo liquefatto in grandi quantità. I danni agli edifici sono devastanti;
2. Rammollimento ciclico (Cyclic softening), a differenza del tipo precedente, le deformazioni si arrestano nel momento in cui si esauriscono gli sforzi di taglio esterni applicati. Le deformazioni si dividono a loro volta in due casi:
   • Liquefazione ciclica (Cyclic Liquefaction): fenomeno che si verifica nel caso in cui il piano campagna è orizzontale e non sono applicati carichi. Una tipica evidenza morfologica è data dalla formazione di vulcanelli di sabbia;
   • Mobilità ciclica (Cyclic mobility): fenomeno caratterizzato da deformazioni permanenti limitate, spesso lungo pendii acclivi con conseguenti cedimenti post-sismici e differenziali, frane di piccole entità e lateral spreading).
     

Nel seguente video viene mostrato un esempio numerico di applicazione di lateral spreading con il Software Geostru Liquiter:

Quali fattori rendono suscettibili i terreni a liquefazione

I fattori principali sono:

• Granulometria;
• Pressione litostatica;
• Grado di addensamento;
• Contenuto di fino;
• Deformazione volumetrica.

Metodi semplificati per la valutazione della resistenza alla liquefazione CRR

I metodi semplificati si basano sul rapporto che intercorre fra le sollecitazioni di taglio che producono liquefazione e quelle indotte dal terremoto, hanno perciò bisogno di valutare i parametri relativi sia all’evento si¬smico sia al deposito.
La resistenza del deposito alla liquefazione viene quindi valutata in termini di fattore di resistenza alla liquefazione (Fs):

(1)

dove CRR (Cyclic Resistance Ratio) indica la resistenza del terreno agli sforzi di taglio ciclico e CSR (Cyclic Stress Ratio) la sollecitazione di taglio massima indotta dal sisma.

Figura 4 – Schema concettuale dei metodi semplificati

Come si evince dallo schema in Figura 4 si ha liquefazione quando il parametro CSR risulta maggiore di CRR, essendo al denominatore nella relazione (1), produce un Fs<1. Analizzando la profondità Z, inoltre si può notare, che si raggiungerà un “picco di liquefazione” quando la differenza tra i valori ci CSR e CRR sarà massima (con CSR>CRR), per poi decrescere con l’aumentare della profondità.

Nel valutare il parametro CRR (resistenza a liquefazione), nei metodi semplificati, il parametro maggiormente utilizzato è il numero dei colpi nella prova SPT anche se oggi, con il progredire delle conoscenze, si preferisce valutare il potenziale di liquefazione utilizzando prove statiche (CPT) o prove di misurazione delle onde di taglio Vs.

Invece, tra i metodi di calcolo del potenziale di liquefazione CSR:

• Metodo di Seed e Idriss (1982);
• Metodo di Iwasaki et al. (1978; 1984);
• Metodo di Tokimatsu e Yoshimi (1983);
• Metodo di Finn (1985);
• Metodo di Cortè (1985);
• Metodo di Robertson e Wride modificato (1997);
• Metodo di Andrus e Stokoe (1998);
• Metodi basati sull’Eurocodice 8 (ENV 1998-5);
• Metodo di Idriss & Boulanger (2008)
• Metodo basato sulle NTC 2018.

Interventi per ridurre il potenziale di liquefazione

Gli interventi per contrastare il fenomeno della liquefazione, su un terreno libero in superficie, consistono nel:

• Migliorare la compattezza con metodi dinamici:
  • Vibrocompattazione;
  • Heavy Tamping;
    

    Figura 5 – Intervento di compattazione dinamica (Heavy Tamping)

  • Uso di esplosivi.
• Abbassare la falda per incrementare le pressioni effettive:
• Effettuare iniezioni cementizie o con resine sintetiche per il miglioramento dei legami intergranulari;
• Aumentare la permeabilità interstiziale attraverso installazione di dreni (metodi statici):
  • Dreni verticali, in ghiaia ecc..
    

    Figura 6 – Metodo di installazione dreni