Caduta massi

Caduta massi
1. Il fenomeno fisico
Il fenomeno della caduta
di porzioni rocciose
lungo i versanti, noto
come “caduta massi”,
costituisce, nel nostro
Paese, il più frequente
problema di natura
geologico-tecnica per le
vie di comunicazione,
prime fra tutte le strade
ferrate e quelle
ordinarie.
La difesa di manufatti,
attività o beni costituisce
quindi un argomento di
primaria importanza ed
attualità.
Nell’ambito della classificazione dei movimenti
franosi, il fenomeno rientra nella tipologia di
crollo, normalmente in roccia.
Frana di crollo di
Fiumelatte (LC), 2005
Il crollo è un fenomeno franoso
che comporta il distacco di
blocchi lapidei di dimensioni
variabili da alcuni decimetri a
diverse centinaia di metri cubi
da pendii (naturali o artificiali)
ripidi lungo una superficie ove
non avviene, o avviene
limitatamente, una
deformazione di taglio; il
successivo movimento lungo il
versante ha luogo fino a che la
massa raggiunge una posizione
di equilibrio.
Il crollo può avvenire o per
scalzamento al piede e
formazione di una parete
strapiombante (crollo puro),
oppure a seguito di modesti
movimenti di scivolamento o
ribaltamento che contribuiscono
a separare il materiale dalla
massa non disturbata.
Il pendio da cui ha origine il
crollo ha normalmente una
inclinazione non inferiore a 75°.
La caduta massi è un crollo
caratterizzato da due
peculiarità:
1. Il distacco e la caduta
interessano una singola
porzione di roccia
oppure un insieme di
elementi rocciosi che si
staccano da una parete
più o meno
contemporaneamente
ma in cui il
comportamento delle
singole porzioni è
sostanzialmente
indipendente da quello
delle altre
2. Le dimensioni degli
elementi rocciosi in
movimento sono spesso
contenute rispetto alle
altre caratteristiche
geometriche del
problema, come il
dislivello o la lunghezza
del percorso di caduta
La caduta massi è un tipico
problema derivante dalla
degradazione fisico-meccanica
(disgregazione) e, più
limitatamente, chimica
(decomposizione) delle porzioni
più superficiali di ammassi
rocciosi in affioramento;
occasionalmente si assiste a
fenomeni di caduta massi anche in
depositi eterometrici di terre su
versanti acclivi soggetti ad
erosione.
In termini generali, le condizioni
perché il fenomeno avvenga sono
tre:
1) devono esistere sulla parete di
distacco blocchi separati da
discontinuità dal resto
dell’ammasso roccioso oppure
devono essere presenti porzioni
rocciose con legami di natura
mineralogica limitati a superfici
ridotte (ponti di roccia); questi,
così come la parte di
discontinuità effettivamente tali,
sono soggetti a continui attacchi
da parte degli agenti della
degradazione, sia meccanici che
chimici; il distacco avviene
quando le forze agenti, innanzi
tutto la forza peso, supera le
forze resistenti (costituite
principalmente dalla resistenza
al taglio lungo la discontinuità e
dalla resistenza al taglio diretta o
a trazione del materiale roccia in
corrispondenza dei ponti di
roccia)
2. l’inclinazione della parete di distacco deve essere tale da rendere instabili i blocchi separati
3. l’inclinazione e la morfologia del pendio sottostante devono consentire il movimento.
Pareti di distacco di un
elemento lastriforme e
di uno cubico
30 cm
3m
Tipologie di movimento durante la caduta di un masso
Nello studio del fenomeno, e quindi nella
conseguente progettazione delle opere di
difesa, occorre in ogni caso considerare le fasi
principali del movimento, cioè il distacco, la
successiva caduta e l’arresto.
Distacco
Terminologia:
Elemento, blocco, porzione o clasto: oggetto
litico in movimento
Parete di distacco: porzione di parete
rocciosa dove ha inizio il movimento
Pendio di caduta: versante lungo il quale
avviene il movimento
Zona di accumulo: area di arresto dove si
esaurisce l’energia cinetica del blocco
Moto di caduta
libera
Rimbalzo
Urto su roccia
ed eventuale
frammentazione
Impatto su terreno e deformazione del punto di impatto
Roccia
Moto di pseudorotolamento
Moto di
rotolamento
Detrito di
versante
Arresto
Il distacco
Parete rocciosa
prossima alla
verticale
Il distacco avviene per una combinazione critica di fattori
interni (predisponenti) e di fattori esterni (scatenanti).
I fattori interni dipendono dai parametri geomeccanici
delle discontinuità e del materiale roccia e possono
venire individuati e quantificati mediante una
descrizione tecnica dell’ammasso roccioso (rilievo
geomeccanico).
Discontinuità che,
estendendosi
progressivamente,
consentirà il
distacco del
blocco
Ponte di
roccia
Forza peso
del blocco
I più comuni fattori esterni sono
costituiti:
• dalla gravità (sempre
agente),
• dalla pressione dell’acqua
nelle discontinuità,
• dall’azione ciclica di gelo e
disgelo,
• da vibrazioni naturali, come
i sismi,
• da vibrazioni indotte
dall’attività umana, come le
esplosioni (in questi ultimi
due casi la velocità di
partenza del masso potrà
non essere nulla),
• dalla pressione esercitata
nelle discontinuità dalle
radici degli alberi e degli
arbusti nel corso della loro
crescita,
• dall’azione di leva delle
stesse radici quando la
parte non sotterranea della
pianta è soggetta all’azione
del vento.
Il distacco
La fase di caduta
La fase di caduta è in realtà costituita da un insieme di fenomeni, spesso tra loro interagenti e
ripetuti in rapida sequenza, di:
caduta libera: regolata dalle leggi della balistica (si considera la resistenza dell’aria trascurabile)
urti (impatti): regolati dal coefficiente di restituzione o, meglio, dai coefficienti di restituzione
normale e tangenziale al pendio nel punto di impatto, che sono funzione di:
massa e forma del corpo
angolo di incidenza
proprietà meccaniche del corpo e del materiale presente sul pendio
velocità di traslazione e di rotazione del corpo.
Durante gli urti possono quindi avvenire:
rimbalzi quasi-elastici, con inizio di nuove traiettorie in caduta libera;
frammentazione del blocco in caduta con proiezione dei frammenti secondo traiettorie anche
molto varie;
deformazione della superficie di impatto;
prosecuzione della caduta con un tipo di moto differente;
arresto;
pseudo-rotolamenti e rotolamenti (sempre regolati dai coefficienti di restituzione e dal
coefficiente di attrito al rotolamento),
scorrimenti (scivolamenti).
Impatto del blocco sulla superficie del pendio e rimbalzo
secondo i coefficienti di restituzione
V pre = velocità precedente all’impatto
V post = velocità successiva all’impatto
Vn, Vt = componenti normale e tangenziale al
pendio nel punto di impatto
Vt pre
Vn pre
V pre
Vn post
V post
Vt post
Coefficienti di restituzione
K = V post / V pre
Kn = Vn post / Vn pre
Kt = Vt post/ Vt pre
Urto perfettamente elastico K = 1
Urto completamente anelastico K = 0
Urto reale (anelastico) 0<K<1
Pseudo-rotolamento e rotolamento in funzione della dimensione del blocco rispetto alla
scabrosità del pendio di caduta
Blocco di dimensioni inferiori rispetto a quelle dei clasti
presenti sul pendio di caduta: con superficie topografica
regolare si ha un moto di pseudo-rotolamento;
con superficie fortemente irregolare può aversi l’arresto.
Blocco di dimensioni superiori rispetto a
quelle dei clasti presenti sul pendio di caduta:
si ha un moto di rotolamento che più si
avvicina a quello puro.
Modifiche della forma e delle dimensioni del blocco durante il
percorso a seguito degli impatti del blocco sulla superficie del pendio
Blocco di forma
cubica, basso grado
di arrotondamento
e sfericità
Durante la caduta si ha
la smussatura degli
spigoli vivi, con
conseguente aumento
di arrotondamento e
sfericità del blocco, il
cui volume, di
conseguenza,
diminuisce
Condizione di moto più efficiente.
Va notato che, poiché dalla massa
e dalla forma del corpo, che
cambiano durante la caduta,
dipendono i coefficienti di
restituzione, consegue che anche
questi ultimi si modificano via via
così come, conseguentemente, il
comportamento del corpo,
1
2
3
Caduta per rotolamento
Solco lasciato da blocchi in caduta lungo un pendio regolare costituito da detrito di versante:
è stata abbattuta la vegetazione, è stato asportato il suolo ed è stata scavata una pista di circa
un metro di profondità
Valori dei coefficienti di restituzione energetica Kn e Kt proposti da Pfeiffer & Bowen (1° riga)
e Hoek (2° riga), del coefficiente di attrito al rotolamento µ (Azzoni & de Freitas, 1° riga) e
valori ottenuti per retro-analisi delle traiettorie di scendimenti provocati (3° riga)
Materiale
Substrato roccioso: ortogneiss della Falda del Monte Rosa
Detrito di versante con dimensione dei frammenti
centimetriche a pluridecimetriche privo di vegetazione
da
Detrito di versante con un moderato strato di terreno (10-15 cm)
parzialmente vegetato (arbusti e rovi)
Detrito di versante eterometrico con terreno e vegetazione fitta
anche ad alto fusto
Terreno accumulatosi sui piani di cava misto a detrito di
dimensioni centimetriche
Detrito e materiale di riporto presente sul piazzale di cava
Zona boschiva (al margine dell’area di prova)
Kn
Kt
µ
0,42
0,53
0,40
0,92
0,99
0,50
0,40
0,30
0,32
0,30
0,80
0,82
0,45
0,60
0,30
0,32
0,30
0,83
0,80
0,40
0,60
0,28
0,30
0,30
0,80
0,80
0,40
0,70
0,28
0,30
0,13
0,78
0,80
0,15
0,75
0,30
0,32
0,34
0,80
0,80
0,40
0,60
0,30
0,32
0,30
0,80
0,82
0,40
0,70
0,45
0,66
0,67
0,84
0,75
0,65
0,65
Movimento per scivolamento
Meno frequente è il movimento
per scivolamento, che si osserva
talvolta nelle fasi iniziali della
caduta con corpi tabulari che
scivolano con velocità limitate su
superfici inclinate e regolari.
All’aumentare della velocità, è
sufficiente una modesta irregolarità
della superficie di scivolamento
perché il corpo tabulare tenda a
disporsi con l’asse maggiore
verticale e ad iniziare il moto per
pseudo-rotolamento attorno all’asse
minore.
Traiettorie
Le traiettorie, che derivano dall’alternarsi di caduta libera, urti, rotolamento e
scivolamento, possono essere molto varie, dipendendo da diversi fattori, quali:
per quanto riguarda il blocco:
velocità,
caratteristiche meccaniche,
forma,
dimensioni.
per quanto riguarda il pendio:
inclinazione,
irregolarità (scabrezza) della superficie topografica,
densità e caratteristiche degli ostacoli presenti lungo il pendio,
caratteristiche meccaniche dei materiali che costituiscono il pendio.
Traiettorie
Anche se i massi tendono
sostanzialmente a seguire la linea di
massima pendenza, lungo il loro
movimento si verifica sempre una più
o meno marcata deviazione laterale
dovuta alla disposizione nello spazio
(direzione ed inclinazione) dei singoli
punti del versante colpiti dal masso in
caduta e da cui dipende la direzione
del successivo tratto di percorso.
Studi sulla dispersione laterale delle
traiettorie hanno mostrato che, su un
pendio poco scabroso ed in assenza di
marcati impluvi o displuvi, i massi
tendono a disperdersi creando un
fronte di arrivi della larghezza pari a
circa un decimo della lunghezza della
traiettoria e che maggiore è
l’inclinazione del pendio, minore é la
dispersione laterale.
Punto di distacco
Fronte di arrivi
Arresto
L’arresto può avvenire:
a seguito di una progressiva
diminuzione della velocità del corpo,
bruscamente, con dissipazione
dell’energia cinetica del masso nella
deformazione della superficie di
impatto (terreno, altofusti), oppure
con sviluppo di calore (nel caso di
impatto con una superficie rigida,
come roccia, altri massi di
dimensioni maggiori, muri in
calcestruzzo).
Punto di distacco
Parete rocciosa
28°
Punto di arresto più
lontano ipotizzabile
Detrito di
versante
L’esperienza mostra che, su un pendio costituito da detrito di versante
con inclinazione media compresa tra 35° e 38°, il punto di arresto più
lontano che si può ipotizzare si trova tracciando un segmento, inclinato
di 28° rispetto all’orizzontale, dalla base della parete rocciosa.
Arresto
Il volume di questo blocco è
pari a circa 300 mc;
Il suo peso è di circa 800 t
Le dimensioni di questo blocco sono circa:
65 x 80 x 120 cm
V = 0.62 mc
P = 1.5 t
La caduta massi è
responsabile della
formazione di estesi coni e
fasce di detrito alla base
di pareti rocciose
Approccio di studio
Studio geologico generale: inquadramento geologico, studi precedenti, sismicità,
geomorfologia, idrogeologia, interventi esistenti, meteorologia.
Rilievi geologici sull’ammasso roccioso nella zona di distacco: rilievi geomeccanici,
volumi rocciosi unitari, forma dei blocchi, caratteristiche delle discontinuità anche
in rapporto al pendio, riconoscimento delle aree più predisposte
Rilievi geologici, morfologici, topografici, vegetazionali delle aree di transito e arresto
Analisi a ritroso di eventi pregressi: date, punti di distacco, traiettorie di caduta o parti
di esse, punti di arresto, volume e forma dei blocchi, danni
Impiego di modelli di scendimento bi e tridimensionali: crollo e blocco di progetto,
analisi traiettorie
Scelte progettuali: individuazione beni da difendere, tipologia dell’opera, ubicazione,
dimensionamento, durabilità dell’opera, controlli alla struttura, manutenzione,
costi, fattibilità ambientale, controlli periodici alla parete di distacco.