SOLUZIONI PER LA MITIGAZIONE DEL RISCHIO DI LIQUEFAZIONE DEI TERRENI

Durabilità delle costruzioni – Le indagini in sito e tecniche di consolidamento
SOLUZIONI PER LA MITIGAZIONE DEL RISCHIO DI
LIQUEFAZIONE DEI TERRENI

NTC 2008
7.11.3.4 Stabilità nei confronti della liquefazione
7.11.3.4.1 Generalità
Il sito presso il quale è ubicato il manufatto deve essere stabile nei confronti della liquefazione, intendendo
con tale termine quei fenomeni associati alla perdita di resistenza al taglio o ad accumulo di deformazioni
plastiche in terreni saturi, prevalentemente sabbiosi, sollecitati da azioni cicliche e dinamiche che agiscono
in condizioni non drenate.
Se il terreno risulta suscettibile di liquefazione e gli effetti conseguenti appaiono tali da influire sulle
condizioni di stabilità di pendii o manufatti, occorre procedere ad interventi di consolidamento del terreno
e/o trasferire il carico a strati di terreno non suscettibili di liquefazione.
In assenza di interventi di miglioramento del terreno, l’impiego di fondazioni profonde richiede comunque
la valutazione della riduzione della capacità portante e degli incrementi delle sollecitazioni indotti nei pali.

Repentina perdita di resistenza al taglio e
rigidezza del terreno, con conseguente
perdita di capacità portante, causata dai
carichi ciclici dinamici indotti da un forte
terremoto, con immediata manifestazione di
deformazioni plastiche significative indotte
dalle sovrappressioni interstiziali ∆u:
se le pressioni interstiziali uguagliano le
tensioni di contatto σ’ particellare, il terreno
si trasforma istantaneamente in un liquido
pesante.
Liquefazione

La liquefazione può avvenire se si verificano contemporaneamente le seguenti
condizioni – 7,11,3,4,2 delle Norme Tecniche delle Costruzioni:
• “suscettibilità” del sottosuolo (caratteri predisponenti):
- presenza di terreni sabbiosi (da limi sabbiosi a ghiaie sabbiose, diametro medio
dei grani 0.02 mm <D50<2 mm, contenuto di fini diametro <0.05 mm <15%)
poco addensati (Dr<60%, generalmente Pleistocene sup.-Olocene ) a
profondità <15÷20 m,
- profondità della tavola d’acqua <15 m,
• “sismicità” (fattore scatenante):
- terremoto M>5.0,
- PGA>0.1g,
- durata dello scuotimento >15÷20 s.

Liquefazione
Durante un evento sismico il sottosuolo è soggetto a carichi ciclici che non permettono la
completa dissipazione delle sovrappressioni interstiziali, che accumulandosi implicano una
condizione di carico non drenata del terreno.
• Tensione litostatica totale costante
• Incremento delle pressioni interstiziali
• Conseguente diminuzione della resistenza e rigidezza del
deposito granulare.
Condizione di liquefazione caso limite: ru =
Δu
σ’v
= 1
Tensioni efficaci quasi nulle → perdita di resistenza del terreno
Potenziale collasso delle fondazioni e della sovrastruttura

Liquefazione
Fluidificazione o Liquefazione di flusso : si verifica quando in un deposito che ha subìto
liquefazione lo sforzo di taglio statico applicato (eventuale) supera la resistenza residua del terreno
→ Deformazioni permanenti elevate, frane, collasso di fondazioni e opere di sostegno
Mobilità ciclica : l’aumento delle sovrappressioni interstiziali non è in grado di annullare lo sforzo efficace
agente. Tuttavia si manifestano rilevanti deformazioni. Può verificarsi soprattutto, ma non solo, quando
livelli liquefacibili sono posti lungo pendii acclivi → Deformazioni permanenti limitate, spostamenti laterali,
cedimenti e frane
Liquefazione ciclica: l’aumento delle sovrappressioni interstiziali è tale da annullare lo sforzo
efficace agente. E’ un caso particolare di mobilità ciclica.

Liquefazione
Interazione cinematica palo – terreno genera significativi momenti flettenti indotti da forze inerziali sovrastrutturali.

Mappa dei siti in cui sono stati
descritti effetti di liquefazione
Galli (2000), Tectonophysics 324
Effetti di liquefazione
recenti: L’Aquila 6/4/2009
MW=6.3
Finale E. 20/5/2012
MW=6.1
Medolla 29/5/2012
MW=5.9
CavezzoS. Carlo
Piana del F. Aterno

In Italia i terreni potenzialmente liquefacibili sono per lo più di 2 tipi:
1) di origine fluviale (facies di canale e argine, ventagli di rotta);
2) di origine marina (facies di spiaggia).
Le 2 tipologie sopra indicate presentano diverse caratteristiche stratigrafiche,
soprattutto geometriche, che permettono di suddividere le situazioni in cui sono
attesi effetti di liquefazione in altrettante categorie:
1. ambiente fluviale,
2. ambiente costiero.

Modello digitale della superficie
(DSMAGEO2008)
Dosso tra S. Agostino e
Vigarano Mainarda, sistema
canale-argine del F. Reno
attivo dal XV al XVIII secolo
mappa geomorfologica di S. Carlo
con evidenziati i siti di liquefazione
paleoargine
piana
piana

SISMA 2012: Danni in siti dove si sono verificati fenomeni di liquefazione:
a) Mirabello; b) e c) S. Carlo

Effetti osservati
• fenomeni di liquefazione ciclica diffusissimi e molto estesi: crateri e vulcanelli di
sabbia, fratture, ondulazioni e cedimenti del piano campagna
• fenomeni di mobilità ciclica diffusi: spostamenti laterali, cedimenti assoluti e
differenziali, smottamenti
Non sono stati osservati fenomeni di fluidificazione

• Sono state rilevate
numerose fratture,
anche molto estese, con
spostamenti orizzontali e
verticali.
• N.B.: tali fratture si sono
verificate solo sui rilevati
arginali
Limi e sabbie sopra falda
Sabbia poco addensata satura
(liquefacibile)
Materiale non liquefacibile
edificio
• Non si tratta di faglie ma di
fratture dovute al
comportamento rigido della
parte non satura del rilievo e
allo scorrimento lungo
l’interfaccia superiore
dell’orizzonte liquefacibile
(lateral spreading).

fiume Po
affluente appenninico
attuale
S
Npaleofiume
15 m
30
m
Olocene
Pleistocene
Schema dei rapporti litostratigrafici della
pianura emiliana centrale (non in scala)
Sabbie prevalenti
Argille e limi prevalenti
tetto della falda
Modello deposizionale di una
pianura alluvionale ampia

SISMA CENTRO ITALIA
Prof. Misko Cubrinovski
University of Canterbury,
New Zealand
“Impacts of Liquefaction in
the 2010‐2011 Christchurch
Earthquakes and
rehabilitation projects”
Liquefact workshop
Bologna 3/10/2016
La liquefazione può verificarsi
nuovamente anche nei siti in cui si è
già verificata

Per ogni verticale è valutato l’indice del potenziale di liquefazione IL
• 0 < IL ≤ 5 rischio liquefazione basso
• 5 < IL ≤ 15 rischio liquefazione elevato
• IL > 15 rischio liquefazione estremamente elevato
Liquefazione
Potenziali cause di collasso
• Cedimenti post – liquefazione
• Meccanismo di collasso per taglio – flessione
• Meccanismo di collasso per instabilità euleriana
• Fenomeni di Lateral Spread
Valutazione di fenomeni di liquefazione
• Prove in sito, SPT – CPT o prove geofisiche in foro tipo DH – CH – SCPT
• Determinazione fluttuazioni dei livelli di falda
• Modulo di taglio G, rapporto di smorzamento D, ampiezza deformazione di taglio γ.

LiquefazioneLiquefazione Italia
Zone geologicamente suscettibili a liquefazione all’interno delle quali vi siano stati
risentimenti del VI MCS
Zone geologicamente suscettibili a liquefazione all’interno delle quali vi siano stati
risentimenti del VII MCS o superiore

Case history 1 : Sede storica della Capitaneria di Porto di Cesenatico

Struttura realizzata tra il 1908 – 1914, parzialmente ricostruita dopo bombardamenti del 1944.
▪ Pianta rettangolare regolare
▪ Tipologia costruttiva muraria con spessore paramenti tra 45 – 55 cm con riseghe in elevazione
▪ Classe d’uso IV (edificio strategico), classe d’uso Cu = 2

• Solai latero cementizi e copertura spingente in legno
• Fondazione tipo superficiale
• Classe d’uso IV (edificio strategico), classe d’uso Cu = 2

Rafforzamento delle fondazioni realizzato nella metà degli anni 2000

Modello geologico stratigrafico per
30m
Profilo di Vs per 30m

Modello stratigrafico fino al bedrock sismico

Gruppo 7 accelerogrammi spettrocompatibili (RSL) ottenuti con Rexel; ricerca iniziata attraverso l'analisi della disaggregazione per la definizione
della coppia Magnitudo-distanza epicentrale. I parametri preliminari di ricerca sono stati poi modificati durante la ricerca, per poter giungere
all’estrazione di un gruppo di 7 accelerogrammi:
Con i 7 accelerogrammi che caratterizzano il
moto sismico per SLV, è possibile definire uno
spettro di risposta medio compatibile con
quello imposto dall'analisi.
Ora ci sono tutti gli elementi per poter
procedere ad una analisi di risposta sismica
locale monodimensionale;
analisi Equivalente Lineare.

Analisi della liquefazione
(Resistenza ciclica deposito) CRR < CSR (sforzo di taglio ciclico indotto dal sisma) → presenza di rischio di liquefazione
Presenza di diversi strati con IL > 1
CRR – valutata su risultati di
prove in sito
CSR – stimata sulla conoscenza
dell’accelerazione massima
attesa alla profondità di interesse
Circolare n.617/2009 del CSLP – C 7.11.3.4 → Stabilità nei confronti della liquefazione

Interventi
1° Ipotesi
Dreni: dissipazione delle sovrappressioni interstiziali, grazie
alla permeabilità del terreno
Nel caso in oggetto, tale soluzione risulta inefficace,
perché l’area resa permeabile risulta molto poco estesa
2° Ipotesi
Pali: lo stato di progetto prevede la realizzazione di 22 pali di
fondazione, lunghezza di 23 metri e un diametro di 60cm.
Lo sforzo normale sul palo
aumenta fino alla quota di 8,5
metri a causa dell’attrito
negativo palo-terreno assegnato
allo strato liquefacibile.

Costo intervento
Costo di mercato del lavoro di mitigazione di circa 355000 Euro

Case history 2 : Complesso della Gambale Tegole – Mitigazione della liquefazione – (Mirabello,FE)
Complesso composto da 4 unità strutturali di varia tecnologia costruttiva, muratura 60’/70’, prefabbricati 2000:
• (S1) Palazzina uffici - Struttura portante in muratura di mattoni di laterizio e malta cemento
• (S2) Guidetti Grande – Struttura prefabbricata in c.a./c.a.p.
• (S3) Opificio – Struttura in muratura di mattoni di laterizio e malta cemento
• (S4) Mozzo – Martini – Struttura prefabbricata in c.a./c.a.p.

Case history 2 : Complesso della Gambale Tegole – Mitigazione della liquefazione

Modello geologico stratigrafico 30m

Modello geologico stratigrafico fino al bedrock sismico

Profilo Vs da Down Hole Il modello sismico VS ottenuto dall’interpretazione della curva dei
tempi di arrivo delle onde S alle diverse
profondità individua la presenza
di sei sismo-strati
La zonizzazione sismica ZS9 pone come magnitudo
attesa massima nella zona sismogenetica 912 il valore
di M

Analisi liquefazione sabbie
La funzione di amplificazione di un sito fornisce una chiara ed efficace rappresentazione dell’effetto “filtrante” di un deposito di terreno sulle onde sismiche.
Essa mette in evidenza in quale campo di frequenze la presenza del terreno può indurre effetti significativi di amplificazione del moto sismico incidente o,
viceversa, se tali effetti possano addirittura tradursi in un’attenuazione delle ampiezze in superficie.
Profilo della P.G.A. ricavato dalla analisi di
Risposta Sismica Locale, zoomato in 20m di
terreno, tra -7,5m ed il p.c., le accelerazioni
massime attese sono di 0,183g < 0,220g
ottenuto dai parametri sismici per suolo di
categoria semplificata C

Analisi liquefazione sabbie
Distribuzione granulometrica, da distinguere i materiali
in funzione del coefficiente di uniformità Uc<3,5 o Uc>3,5.
Per la verifica della resistenza alla liquefazione delle sabbie si
utilizzano i parametri di accelerazione ag, che
si utilizzano nella microzonizzazione sismica ovvero quelle legati
agli eventi con tempo di ritorno 475 anni.
Dati di input che caratterizzano le energie sismiche adottate:

Analisi liquefazione
Elaborando tutte le prove CPTU, con una Magnitudo di 6,14 ed una PGA di 0,22g, falda a
-1,80m dal p.c. si ricavano indici del potenziale di liquefazione compresi tra 3,6 e 10,3.

Interventi
Dreni: metodo di seguito osservato si basa sugli studi condotti da Seed e Booker
(1976) sfruttando la maggiore permeabilità dei dreni rispetto al terreno circostante,
al fine di dissipare le pressioni interstiziali accumulate nel corso della scossa sismica
Valutazione: condizione di equilibrio tra la sovrapressione interstiziale indotta dal
sisma e la parte di essa dissipata dai dreni, legge di Darcy:
Coefficiente di permeabilità orizzontale :
Coefficiente di compressibilità volumetrica :
Numero di cicli equivalenti Neq=6 e la durata del terremoto td = 14 s

Parametri del terreno per eventuali dreni nelle sabbie
Dalla curva granulometrica delle sabbie provenienti dai campioni è
possibile il coefficiente di permeabilità, con formula di Hazen:
k=3,6 x 10 m/sec
Coefficiente di compressibilità volumetrica del terreno
Numero di cicli di carico che portano a liquefazione
Per terremoto di M = 6,14 si ottiene N1=5,84.

Interventi
Rapporto di pressione ru :
• ru = -0,02 PL + 0,60 per PL < 5
• ru = -0,01 PL + 0,55 per 5 < PL < 15
• ru = -0,40 per PL > 15
Raggio d'influenza del dreno deve essere minore di
1,90 m

Interventi
Dreni sub-orizzontali

Interventi
Pali Mega

Interventi
Pali Mega collegati in testa con il plinto

Interventi
Pali FDP

Interventi
Micropali trivellati
Ing. Gianluca Loffredo, Verona, 24/02/2017

Costo intervento – dreni sub-orizzontali
Prezzi di mercato circa 400’000 euro, ovvero un intervento di 100 Euro/mq

Costo intervento – micropali
Incidenza del 22% sul costo complessivo delle opere.
Costo specifico mitigazione liquefazione 66euro/mq

Case history 3 : ANRIV s.r.l. – Deposito e distribuzione prodotti chimici – Ferrara
Struttura realizzata tra 1980 – 1981:
• Tipologia costruttiva – calcestruzzo cementizio prefabbricato
• Fondazione composta da plinti isolati
• Classe d’uso III, relativo coeff. d’uso Cu = 1,5

Campagna indagini per una sufficiente modellazione del terreno.
• 2 - sondaggi a carotaggio continuo per stratigrafia 20m e prove permeabilità
• 2 – sondaggi a carotaggio continuo, stratigrafia e prospezioni geofisiche Cross Hole 16m
• 1 – sondaggio a carotaggio continuo per investigare sugli effetti delle iniezioni di consolidamento campo prova
• 1 – prova penetrometrica CPTU 16m
• 3 – prova penetrometrica SCPTU 16m, campo prova post-trattamento
• 3 – prospezioni Cross Hole per caratteristiche geofisiche e dinamiche dei terreni, pre e post-trattamento

Analisi delle sezioni geologiche

Analisi liquefazione Il calcolo del potenziale di liquefazione è stato quindi rieseguito utilizzando
sempre il metodo di Iwasaki, ricavando il fattore di sicurezza alla liquefazione
dal rapporto CRR/CSR. Mantenendo il MSF inalterato (1.429 per sismi di
magnitudo 6.14, secondo Boulanger e Idriss 2007), il CRR è sempre stato
calcolato con l’algoritmo di Robertson e Wride (1998), e CSR con la relazione di
Seed e Idriss (1980). a = 0.188 g
SCPTU 1 = 2.007 (Moderato);
SCPTU 2 = 6.889 (Elevato);
CPTU 3 = 8.130 (Elevato);
CPTU 4 = 3.556 (Moderato);
CPTU 5 = 3.867 (Moderato);
CPTU 6 = 5.100 (Elevato).
Valori di IPL<5:
- SCPTU 1 = 2,007 (Moderato);
- CPTU 4 = 3,556 (Moderato);
Valori di IPL>5:
- SCPTU 2 = 6,889 (Elevato);
- CPTU 3 = 8,130 (Elevato);
- CPTU 6 = 5,100 (Elevato).

Fenomeno della liquefazione è trascurabile per l’Unità 3b (argille e limi) e non
trascurabile per l’Unità 3a.
Valori di IPL<5:
- SCPTU 1 = 2,007 (Moderato);
Valori di IPL>5:
- SCPTU 2 = 6,889 (Elevato);
- CPTU 3 = 8,130 (Elevato);
- CPTU 6 = 5,100 (Elevato).

Interventi
Blocco 3(a) e Blocco 3(b)
Pali: prevede relativamente allo strato liquefacibile
trattato l’inserimento dell’angolo di attrito
PALO-TERRENO negativo, nonché l’abbattimento della
costante di winkler orizzontale
Blocco 2
Dreni: accelera la consolidazione sfruttando anche la
permeabilità in direzione orizzontale

Interventi
Blocco 3(a)
e
Blocco 3(b)

Interventi
Blocco 2

Costi Micropalo senza camicia, con inclinazione fino a 20°, per ancoraggi o altro,
eseguito mediante l'utilizzazione di attrezzature adeguate al terreno da
attraversare, compreso il successivo getto a pressione, nei fori così ricavati,
in presenza di armatura metallica (da pagarsi a parte), dimalta cementizia
additivata, sino al volume effettivo di getto non inferiore a tre volte quello
teorico del foro. Compresoogni onere e magistero con esclusione
dell'armatura metallica: in terreni incoerenti o sciolti (resistenza alla
compressione <6 N/mmq): per diametro esterno pari a 161 - 190 mm
M I S U R A Z I O N I:
Micropali di fondazione Ø220
Plinti tipo 2b 10,00 4,00 15,000 600,00
Plinti tipo 2a 9,00 4,00 21,000 756,00
Plinti tipo 1b 20,00 4,00 15,000 1200,00
Plinti tipo 1a 19,00 4,00 21,000 1596,00
Plinti tipo 1c 1,00 3,00 18,000 54,00
Plinti tipo 2c 1,00 3,00 21,000 63,00
SOMMANO m 4269,00 € 80,20 € 342 373,80
Opere di mitigazione del rischio di liquefazione mediante installazione di
dreni sub-orizzontali eseguiti a mezzo di perforzioni direzionate guidate
(HDD)
M I S U R A Z I O N I:
Interventi di mitigazione del rischio di liquefazione
Trasporto e allestimento attrezzature per perforazioni HDD 1,00 9500,000 9500,00
Esecuzione dreni Ø125, Lmax=95m; raggio curvatura > 100m (inclusa
fornitura tubo)
2964,00 170,000 503880,00
SOMMANO ml 513380,00 € 1,00 € 513 380,00
Incidenza del 23,8% sul costo complessivo delle opere.

Case history 4 : Villa Mastelli – Chiesuol del Fosso (FE)

Struttura ad uso residenziale:
• Proprietà soggetta a vicolo di tutela da parte della Soprintendenza Belle arti e paesaggio
• Tipologia costruttiva – muratura
• Struttura risalente al XV secolo
• Classe d’uso II

Modello geologico
Isopache delle sabbie superficiali
Gli spessori arrivano ad un massimo di 5
m e più in corrispondenza della zona
artigianale di via Bologna, del Primaro e
del Vecchio Reno di fatto unici litosomi
sabbiosi potenzialmente acquiferi
ospitanti la falda freatica.

Modello geologico
Territorio in oggetto, appartenente alla Provincia di
Ferrara che ricade all’interno della zona 912 –
Dorsale Ferrarese.
Profilo di velocità delle onde S, stimato nel sito in
esame tramite la prova SCPTU
Il valore della accelerazione di riferimento assegnato al Comune è di
0.132g

Fattore di liquefazione FL = (CRR/CSR) *MFS
MFS: è un fattore di scala in funzione della magnitudo dei terremoti attesi
IL = 5,3

Intervento – Compaction grounting
Le iniezioni di malta in pressione (fino a 3.5MPa) inducono uno spostamento radiale del terreno circostante
addensandolo, in asse rimangono una serie di bulbi di miscela (elementi colonnari) ad elevata rigidezza.

Intervento

Interventi
Campo prove – Vedi Pallara et all. - 2016

Costo

Altre tipologie di interventi
Vibroflottazione
Densificazione del terreno per effetto delle vibrazioni indotte da una sonda vibrante a punta conica (vibroflot) e
compattazione mediante il riempimento del foro con materiale granulare che viene addensato dal vibratore contro le
pareti del foro

Jet grounting
Vengono iniettate ad alta velocità una o più miscele fluide che producono un complesso fenomeno di
rimaneggiamento, sostituzione e/o permeazione il cui risultato finale è la cementazione del terreno

Permeation grouting – Inezioni di permeazione con miscele leganti
Leggera cementazione o coesione tra i grani del terreno facendo penetrare nei pori interstiziali una miscela “legante” opportunamente calibrata (es.
soluzioni o sospensioni silicatiche). La cementazione provoca un aumento della resistenza a liquefazione, una riduzione della permeabilità ed un incremento
della rigidezza.

Miglioramento ed adeguamento sismico
Adeguamento sismico: Interventi atti a conseguire i livelli di sicurezza previsti dalle stesse norme tecniche. La domanda in termini di prestazioni
strutturali è inferiore alla corrispondente capacità della struttura.
Analisi
stato di fatto
Miglioramento sismico: Interventi atti ad aumentare la sicurezza strutturale esistente, pur senza necessariamente raggiungere i livelli richiesti dalla
norma. La valutazione della sicurezza riguarda la struttura nel suo insieme e possibili meccanismi locali.
Rilievo
Materiali
Dettagli costruttivi
Valutazione della
Vulnerabilità sismica
Modellazione
Scelta tipo di analisi
Scelta di modellazione
Progetto
dell’intervento
Intervento globale
Intervento locale
Riduzione della domanda simica
Miglioramento capacità strutturale

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