La liquefazione del terreno in condizioni sismiche: un nuovo e interessante criterio di valutazione

Prendendo lo spunto dalle valutazioni di Ishihara (1985) in merito agli effetti sulla liquefazione derivanti dalla presenza di strati superiori di terreno non liquefacibili, Hutabarat (2020) e Bray & Hutabarat (2022), dell’Università della California - Berkeley, hanno messo a punto un nuovo interessante criterio di valutazione del rischio di liquefazione, criterio derivante dall’esame diretto di manifestazioni superficiali di espulsione di materiale dal terreno (Liquefaction Ejecta).

E ciò in considerazione del fatto che gli effetti della liquefazione vengono generalmente ritenuti modesti se non vi è evidenza di manifestazioni superficiali.

Il nuovo criterio tiene conto della resistenza offerta da strati superiori di terreno non liquefacibili, nei confronti di detta espulsione di materiale (vedi schema sottostante).

Le finalità di questo nuovo criterio

Il nuovo criterio si basa sui risultati di prove CPTU per verificare se sono possibili manifestazioni di espulsione di materiale come effetto della liquefazione (liquefaction ejecta).

Il parametro (L_D) fornisce una indicazione dell’intensità del moto di filtrazione verso l’alto generato dall’eccesso di pressione interstiziale, mentre il parametro (C_R) rappresenta la resistenza al moto fornita dallo strato superiore non liquefacibile.

La procedura utilizza le informazioni fornite da 176 casi ben documentati di siti della Nuova Zelanda (Christchurch), soggetti a 4 terremoti.

(L_D) tende a crescere sistematicamente, con conseguenti incrementi della severità del fenomeno, nel caso di spessi strati di sabbia pulita, mentre si rilevano bassi valori di (L_D) nel caso di terreni stratificati che non hanno prodotto espulsione di materiale.

Il diagramma (L_D – C_R) proposto individua classi di diversa manifestazione del fenomeno: estrema, elevata, moderata, scarsa, nessuna (estrema o elevata per alti valori di L_D e bassi valori di C_R , scarsa o nessuna per bassi valori di L_D e alti valori di C_R).

Manifestazione Superficiale:  (espulsione di materiale, cedimenti e crepe)

1- Estrema
2 - Elevata
3 - Modesta
4 - Scarsa
5 - Nessuna

Alle manifestazioni superficiali sopra descritte viene associata dagli Autori una valutazione dei possibili cedimenti imputabili al fenomeno (espulsione di materiale – Liquefaction Ejecta).

Secondo Bray & Macedo (2017), ai cedimenti suddetti, derivanti dall’espulsione di materiale, vanno poi aggiunti altri cedimenti sempre legati al fenomeno della liquefazione : cedimenti dovuti alla deformazione volumetrica e cedimenti imputabili al taglio.

La procedura di valutazione

Lo spessore (H₁) ovvero la profondità dal piano campagna (Z_A) dello strato superiore non liquefacibile, può comprendere terreni di natura coesiva (I_c > 2,6) e sabbie (I_c < 2,6) sopra falda, ove I_c rappresenta l’indice di comportamento secondo Robertson & Cabal 2022 (SBT). Per inciso non vengono presi in considerazione livelli di spessore inferiore a 25 mm.

Nelle valutazioni viene poi presa in considerazione una profondità massima dal piano campagna, pari a 15 m.

Con (Z_B) viene indicata la profondità dal piano campagna fino alla sommità del primo strato non sabbioso (I_c > 2,6), compreso fra (Z_A) e 15 m (max). Anche in questo caso non vengono presi in considerazione livelli di spessore inferiore a 25 mm.

Il parametro (L_D) che rappresenta gli effetti, viene valutato entro le profondità (Z_A) e (Z_B) e tiene conto sia del grado di permeabilità degli strati (k_v), sia dell’incremento di pressione interstiziale generata dal sisma (Δu).
L’espressione risulta la seguente:

L_D (kN/m) = γ_w Σ [ (k_v/k_cs) (h_exc – h_A) Δz ]

ove:

k_v = coefficiente di conducibilità idraulica del generico strato di spessore Δz (valutato secondo Robertson & Cabal 2022)
k_cs = 3 x 10^-5 m/s = coefficiente di conducibilità idraulica di riferimento
h_A = altezza critica = profondità dal piano campagna
h_exc = r_u σ’_v0/γ_w = Δu/γ_w = altezza piezometrica in eccesso
r_u = Δu/σ’_v0 < 1 = coefficiente di pressione interstiziale (vedi diagramma in funzione del coefficiente di sicurezza nei confronti della liquefazione FSL).

Il coefficiente di sicurezza nei confronti della liquefazione FSL va valutato secondo Boulanger & Idriss (2016), con riferimento a una probabilità di liquefazione P_L = 50% e non in base al solito criterio, relativo a una probabilità P_L = 15%.

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