Landslide hazard assessment in structurally complex soils

In the European context, Italy is the most landslide prone country where landslides are the most frequent and disperse natural hazards. Therefore, the landslide hazard assessment, especially in terms of quantity, is a relevant and current problem and plays a central role within the risk assessment and management framework, allowing to find the best remedial measures and strategies to cope with such phenomena. In this context, this work has focused on the analysis and understanding of the most relevant slope factors and processes that contribute to the stability of natural slopes. In fact, a proper diagnosis of the landslide mechanism is of primary importance to the quantitative definition of the hazard posed by a given landslide. In particular, a stepwise diagnosis of a real landslide, which interacts with a segment of an important highway in central Italy, has been developed. Such landslide has been properly chosen since well representative of a class of slope failures so widespread in the national territory, generally referred to as “active slow moving landslides”. These large-scale slope movements take place in gentle slopes made of stiff clayey deposits, very often tectonically disturbed, that exhibit periodically reactivations related to the rainfall regime of the area. Since low entity velocities characterize these landslides, they are not hazardous for human lives but they have an important economic impact on society, being responsible for extensive damage to urban settlements and infrastructures. In the developed diagnostic process, monitoring turned out to be a precious instrument that allowed depicting clearly the actual response of the system to the external actions affecting its stability, i.e. rainfalls and seismic shakings. This aspect highlights the central role played by a good quality monitoring as a part of the investigation of slope stability. With regard to the rainfall-induced effects, transient hydraulic analyses have been carried out by means of finite element method modelling that tried to account for the most relevant aspects that govern the infiltration process. A good agreement between the simulated groundwater fluctuations and the monitored ones has been obtained, demonstrating that the numerical model is able to reproduce realistically the hydraulic response of the slope as a function of the rainfall regime. Subsequently, limit equilibrium stability analyses have been conducted by considering the simulated groundwater fluctuations in order to quantify their effect on the slope stability. The general low values of the factor of safety, obtained considering that the residual shear strength is fully attained along the entire slip surface, confirmed the precarious stability of the landslide, as highlighted by inclinometer monitoring. Therefore, such modelling provided a further interpretation of the analysed landslide mechanism. Moreover, the stability of the slope has been also evaluated under earthquake loadings. Thanks to the very rare availability of both monitored seismic displacements and accelerometric records, it has been possible to estimate the critical acceleration of the system based on real data. To do so, a back-analysis procedure has been carried out by the well-known Newmark’s method. The obtained values are in good agreement with other estimates reported in literature and with the ones calculated by the pseudostatic method. As a result, it has been possible to give a reliable estimate of the critical acceleration of the slope, which is an essential parameter in evaluating its performance under earthquake loadings. In conclusion, even though this work has been focused on a specific case study, most of the findings are relevant to deepen the knowledge of such complex natural phenomena and the interpretative process adopted can be applied to other similar situations.

Nel contesto europeo, l’Italia è il paese più incline al dissesto da frana, dove i fenomeni franosi sono i più frequenti e diffusi tra i pericoli naturali. Una stima quantitativa del pericolo da frana è perciò un importante e attuale problema e riveste un ruolo centrale nella valutazione e gestione del rischio, permettendo di individuare i migliori interventi e strategie per fronteggiare tali fenomeni. In tale contesto, questo lavoro si è concentrato sull’analisi e la comprensione dei più rilevanti fattori e processi che, alla scale del versante, regolano la stabilità dei pendii naturali. Una corretta diagnosi del meccanismo di instabilità, infatti, è di primaria importanza al fine di quantificarne il pericolo associato. Nello specifico, è stato sviluppato un processo diagnostico di una frana esistente, la quale interagisce con un tratto di un’importante arteria stradale situata in Italia centrale. Tale frana è stata opportunamente selezionata dal momento che è ben rappresentativa di una tipologia di frane ampiamente diffusa nel territorio nazionale, generalmente identificate come “frane attive a cinematica lenta”. Tali movimenti di vaste proporzioni si sviluppano in pendii dolci costituiti da depositi argillosi consistenti, molto spesso tettonizzati, che manifestano riattivazioni periodiche in relazione al regime piovoso dell’area. Dato che tali frane sono caratterizzate da velocità contenute, esse non costituiscono un pericolo diretto per le persone ma hanno un importante impatto economico sulla società, danneggiando insediamenti urbani e infrastrutture. All’interno del processo di diagnosi, il monitoraggio si è rivelato essere un prezioso strumento che ha permesso di evidenziare in maniera chiara la risposta del sistema alle azioni esterne che ne compromettono la stabilità, ossia le piogge e gli scuotimenti sismici. Per quanto riguarda lo studio degli effetti pluvioindotti, sono state condotte delle analisi idrauliche in regime transitorio attraverso una modellazione numerica agli elementi finiti che ha cercato di tener conto degli elementi più significativi che governano il processo di infiltrazione. È stato riscontrato un soddisfacente accordo tra le oscillazioni della falda simulate e quelle monitorate, evidenziando che il modello numerico è capace di riprodurre in maniera realistica la risposta idraulica del pendio in funzione del regime piovoso. Successivamente, sono state effettuate delle analisi di stabilità all’equilibrio limite considerando le oscillazioni di falda simulate in modo da quantificare il loro effetto sulla stabilità del pendio. I valori del fattore di sicurezza, ottenuti considerando che la resistenza a taglio residua sia pienamente sviluppata lungo la superficie di scorrimento, sono risultati essere generalmente bassi, confermando la condizione di precaria stabilità della frana messa in luce dal monitoraggio inclinometrico. Perciò tale modellazione ha effettivamente permesso di approfondire il meccanismo di instabilità considerato. La stabilità del pendio, inoltre, è stata valutata anche nei confronti delle azioni sismiche. Grazie alla rara disponibilità sia degli spostamenti sismici monitorati che delle registrazioni accelerometriche, è stato possibile stimare l’accelerazione critica del sistema sulla base di dati reali. A tal fine, è stata eseguita una procedura di back-analysis impiegando il ben noto metodo di Newmark. I valori così ottenuti trovano un buono accordo con altre stime riportate in letteratura e con i valori calcolati attraverso il metodo pseudostatico. Di conseguenza, è stato possibile fornire una stima attendibile dell’accelerazione critica del pendio, che è un parametro fondamentale per la valutazione della risposta del pendio alle azioni sismiche. In conclusione, sebbene questo lavoro si sia focalizzato sullo studio di uno specifico caso, la maggior parte dei risultati è di rilevante importanza per approfondire la conoscenza di così complessi fenomeni naturali e il processo interpretativo adottato può essere applicato ad altre situazioni simili.