Studio di una frana in terreni strutturalmente complessi: interazione con le opere di imbocco di una galleria stradale

During the construction of the south portal of the tunnel Baldaia I along the SS106 motorway in Calabria, unexpectedly large and continuous displacements of the earth retaining structures occurred leading to a precautionary suspension of the excavation works. The geological area involved is the so called “Catanzaro Basin” which is apparently constituted by the uniform marine formations belonging to the pliocenic cycle; however, these formations are characterized by the marked presence of tectonic structures. The lithotype found is constituted of the alternation of stiff overconsolidated silty clays and clayey silts with silty sandy strata, rich in microfossils, from 0.1 m to 1 m thick. The dip direction of the strata in the landslide area is 120-140° and their inclination is about 20°. The main geological structures are associated to extensional type tectonics. To study the kinematics of the observed instability phenomenon, inclinometer probes were used together with the topographic monitoring of the portal structures; it was found that the unstable mechanism was deep-seated, block-type and extending over the entire slope. In this work, the site investigation activities carried out to understand the origin of the instability process are presented. Being the mass stability strictly related to shear strength along the discontinuities, discontinuity characterization was carried out on different outcrops located close to the site and laboratory shear tests were carried out on samples containing either pre-existing discontinuities or artificially created sliding planes. The residual strength was determined using three different procedures. Regardless of the shearing procedure, the residual friction angle always resulted close to 20°. This value is coherent with the values of residual angle that can be inferred from classical correlations, for plasticity index. A closer look at the displacement vs. time shows the tendency of displacements to accelerate during periods of heavy rain. This fact, together with the established presence of open tension cracks, suggests the hypothesis that the cleft pressure exerted by water penetration into the open fissures may act as the triggering external force. To interpret the monitored behaviour of the slope, three numerical schemes have been implemented using FEM commercial codes: the first in plane strain conditions by means of PLAXIS V8, the second in plane strain conditions by means of MIDAS GTS and the third using the three-dimensional MIDAS GTS. The interpretation of the observed behaviour is then given together with the description of the remedial measures. The link between the time evolution of the instability and the sequence of the excavation works is discussed in some detail.

Durante i lavori di scavo dell’imbocco sud della galleria Baldaia I, della strada statale Jonica 106, si sono registrati elevati valori di spostamento delle opere di sostegno che hanno indotto alla sospensione precauzionale dei lavori e ad una revisione delle modalità di completamento della galleria dopo uno studio dei dati di monitoraggio. L’area in esame ricade nella fossa di Catanzaro caratterizzata principalmente da unità plioceniche argillose limose grigio azzurre intercalate con areniti da debolmente a mediamente cementate e fortemente tettonizzate, secondo una dinamica estensionale avente direzione SE. L’osservazione del materiale estratto lungo le verticali di indagine ha permesso di ricostruire la stratigrafia del versante, che risulta pertanto caratterizzato da una formazione argillosa grigio azzurra, fortemente sovraconsolidata, intercalata da lenti sabbiose, talvolta debolmente cementate, di spessore da decimetrico a metrico. Gli strati hanno generale immersione verso SE (120 - 140°) con inclinazione media pari a 18-20°. Nei tratti coesivi della carota, diverse sono e le superfici lisce e traslucide rilevate, interpretabili come discontinuità; la loro presenza è confermata anche dai risultati delle verticali penetrometriche (CPTu) che presentano, alle medesime quote, repentini crolli della resistenza alla punta attribuibili all’attraversamento di questi piani di debolezza. Le verticali inclinometriche mostrano un cinematismo di tipo a blocchi in quanto gli scorrimenti si concentrano a precise profondità su bande di taglio di modesto spessore e il terreno contenuto tra le due discontinuità trasla rigidamente nella direzione del movimento. L’inclinometro A3, prossimo alla paratia, individua tre principali superfici di scorrimento, di cui la più profonda (-23 m da p.c.) coinvolge l’intera opera di sostegno. Il confronto delle letture inclinometriche a tale quota con il trend delle mire ottiche, fornisce risultati congruenti in termini di direzione e valore assoluto dello spostamento. Con lo scopo di ricostruire, in modo più esauriente, la cinematica, i volumi di terreno in gioco, la sequenza stratigrafica ed infine caratterizzare il comportamento meccanico del terreno con le sue discontinuità mediante attività di laboratorio e di sito è stato portato avanti un ampio programma sperimentale. Inoltre tre rilievi strutturali, effettuati su fronti di scavo aperti, hanno permesso di determinare la giacitura delle strutture stratigrafiche e tettoniche presenti. Essendo la stabilità del pendio governata dalle discontinuità è stato fondamentale caratterizzarle. Si è proceduto sia tramite la classica prova di taglio diretto residuo, sia valutando la resistenza su discontinuità naturali e su discontinuità prodotte artificialmente in laboratoro. Dalle prove condotte è stato possibile osservare che non si stimano differenze sostanziali di resistenza tra discontinuità naturali e discontinuità artificiali; i risultati sono sostanzialmente in accordo con quelli desunti dalla procedura standard di taglio residuo. L’angolo di resistenza residua presenta un valor medio di 20°, in pieno accordo con il limite superiore delle correlazioni di letteratura in funzione dell’indice plastico e della clay fraction. Le analisi di stabilità condotte con il metodo dell’equilibrio limite indicano fattori di sicurezza di poco superiori all’unità. La modellazione agli elementi finiti mostra un campo di deformazioni perfettamente congruente con le osservazioni inclinometriche, sia in termini di estensione a monte che in profondità (movimento a blocchi). Dalle analisi numeriche si evince, inoltre, che la presenza di acqua nelle fessure di trazione determina l’estensione a monte del cinematismo innescatosi alla fine degli scavi per la realizzazione del piazzale d’imbocco. La modellazione 3D conferma sostanzialmente i risultati della modellazione 2D. L’analisi tridimensionale consente anche di leggere l’evoluzione, in termini di direzione prevalente, degli spostamenti dell’opera d’imbocco. Sino alla penultima fase di scavo, in ogni tratto, la direzione è perpendicolare alla paratia, orientandosi invece, in corrispondenza dell’ultimo ribasso, nella direzione di massima pendenza del versante (135° rispetto al Nord geografico). Si assiste ad una traslazione rigida del blocco principale sui giunti di strato rilevati ed indicati come K1. Il lavoro fornisce un’interpretazione del fenomeno osservato e alcuni dettagli della soluzione tecnica perseguita dall’impresa per contrastare il movimento innescatosi. La scelta di appesantire il piede del versante si è rivelata efficace, in quanto i ‘’blocchi’’ in movimento sembrano aver raggiunto una posizione di equilibrio. Nell’area in esame, le strumentazioni ed i sistemi di monitoraggio installati verranno mantenuti in funzione in fase di esercizio dell’infrastruttura stradale. Utilizzando i dati del monitoraggio, si intende estendere ed aggiornare nel tempo il modello numerico proposto, ritenendolo un valido aiuto per l’intepretazione di questo fenomeno gravitativo sviluppatosi in formazioni strutturalmente complesse.