Introduzione
Il rilievo geomeccanico/geostrutturale è il primo e fondamentale approccio di indagine dell’ammasso roccioso.
Le modalità di rilievo sono uniformate a livello internazionale dalle norme ISRM (International Society of Rock Mechanics).
Il metodo previsto dalle norme è noto come “scan line”, che consiste nel posizionare una cordella metrica centimetrata sull’affioramento di lunghezza adeguata, cioè esteso almeno 10 m o 10 volte la spaziatura stimata.
Lungo la striscia centimetrata devono essere raccolti tutti i dati per ogni “linea” che attraversa la cordella metrica.
Questo sistema, anche se molto rigoroso, ha dei limiti:
- Necessità di affioramenti sufficientemente estesi.
- Non eseguibile in condizioni di rilievo scomode.
- Rischio di perdere informazioni delle fratture importanti disposte parallelamente allo stendimento.
La soluzione più pratica, alternativa, è l’esecuzione del rilievo sull’intero affioramento, raccogliendo più dati possibili delle discontinuità osservate sulla superficie esposta e non solo lungo una linea, effettuando poi una elaborazione dati statistica.
Ovviamente questo secondo sistema, essendo meno rigoroso del precedente, implica la necessità di particolare attenzione nell’osservazione dell’affioramento e della raccolta dati, soprattutto è importante evitare di prendere due volte le stesse misure, oltre ad essere consigliabile un preliminare riconoscimento delle famiglie di fratture.
E’ sempre buona norma cercare affioramenti ortogonali o comunque disposti con direzioni intersecanti tra loro, in modo da poter avere punti di osservazioni differenti del “volume” di ammasso roccioso indagato.
Per l’esecuzione di un rilievo geomeccanico utile e completo è necessaria una cultura geologica di base.
Uno dei principali motivi è che il rilievo geomeccanico va riferito sempre ad un rilievo geologico di dettaglio, per permette di definire l’estrapolabilità dei dati raccolti e quindi delle caratteristiche dell’ammasso roccioso.
La cultura geologica è importante anche per effettuare un rilievo funzionale al litotipo (che deve essere descritto). Infatti, in rocce sedimentarie le discontinuità a cui porre particolare attenzione saranno soprattutto gli strati, in rocce metamorfiche la scistosità, mentre nelle rocce magmatiche non sono presenti discontinuità fondamentali.
Esistono moderni metodi di rilievo che facilitano la raccolta di alcuni dati in modo automatico. I principali metodi sono:
- Laser-scanner
- Rilievo fotografico, da Elicottero drone, in sovrapposizione stereoscopica.
Si ricorda che questi metodi hanno lo scopo di ricostruire le superfici in 3D, quindi l’unico dato deducibile è necessariamente la giacitura delle “facce” individuate. I metodi sono particolarmente utili per un’analisi statistica delle giaciture, anche se non sufficienti. Infatti, per esempio, le linee di discontinuità che non presentano una superficie esposta, non possono essere rilevate come giacitura.
Inoltre, tutti gli altri dati geomeccanici, successivamente descritti, dovranno comunque essere raccolti su affioramento rappresentativo e poi eventualmente applicati al rilievo “automatico”.
Nel rilievo geomeccanico risulta utile conoscere la finalità, distinguendo due macro categorie:
- lavori in sotterraneo (gallerie, miniere): in questo caso vanno raccolti tutti i dati possibili indistintamente, in quanto non è possibile definire in fase di indagine le condizioni dello scavo in progetto.
- Lavori su versante (frane, cave/miniere): in questo caso, vanno raccolti soprattutto i dati delle discontinuità su cui si sviluppa la potenziale instabilità in funzione dell’esposizione del versante (es. fratture a franapoggio o verticali parallele al versante), talora anche del singolo elemento instabile da consolidare.
Giacchè i dati geomeccanici vanno elaborati soprattutto in modo statistico, vi è il rischio di considerare poco significative fratture molto importanti, che in genere sono poco frequenti e quindi statisticamente trascurabili in termini di numero.
In questo caso va messa una nota che avvalori la discontinuità importante in modo da tenerla in adeguata considerazione in fase di elaborazione dati, indipendentemente dall’analisi statistica.
Durante il rilievo, per quanto possibile, sarebbe opportuno definire una classificazione qualitativa del GSI sulla base delle evidenze di campagna, utilizzando le tabelle di riferimento
RILIEVO GEOMECCANICO
Generalità
Il rilievo geomeccanico dovrà essere svolto attraverso stazioni (“stop”) di rilevamento geostrutturale, secondo le norme I.S.R.M. (International Society for Rock Mechanics).
Ogni “stazione” dovrà analizzare un settore omogeneo, rappresentativo delle condizioni strutturali dell’ammasso roccioso in esame.
L’estensione dell’affioramento dovrà essere di almeno 100-200 m2 o comunque di ampiezza tale da evidenziare tutte le caratteristiche significative della roccia.
In base alle condizioni di affioramento e strutturali i risultati analitici di una stazione potranno derivare dalla sommatoria di più stop (sub-stazioni).
È necessario, per quanto possibile, ubicare le stazioni di rilievo su superfici di affioramento roccioso tra loro subortogonali, in modo da avere differenti punti di osservazione.
Ogni stazione dovrà essere ubicata su base cartografica in scala 1:25.000 o 1:10.000 e contrassegnata da un numero progressivo.
Il sito di rilievo dovrà essere così brevemente descritto:
- toponimo,
- quota,
- dimensioni,
- morfologia,
- esposizione del versante,
- descrizione dell’aspetto dell’ammasso roccioso in affioramento: identificazione del tipo diroccia, colore, tessitura, struttura, nome formazionale.
Il sito dovrà essere documentato tramite fotografie del luogo (almeno n° 3 per ogni stop), sia d’insieme che di dettaglio. Nella foto di dettaglio dovrà essere visibile un cartello che indica il numero della stazione, la località e la quota.
In tutte le foto dovrà essere visibile un riferimento di scala dell’affioramento, tramite uso di asta graduata.
PARAMETRI DELLE DISCONTINUITÀ CHE CONSENTONO DI CARATTERIZZARE L’AMMASSO ROCCIOSO
Orientamento (giacitura)
L’orientazione delle discontinuità nello spazio dovrà essere definita da due numeri che corrispondono a direzione dell’immersione ed inclinazione, espressi in gradi sessagesimali, rispettivamente come angolo azimutale ed angolo zenitale.
Le misure dovranno essere effettuate tramite bussola geologica tipo “Clar”.
Per quanto riguarda il numero di giaciture da raccogliere per ogni stazione, ciò dipenderà dalle dimensioni e dalla complessità strutturale dell’affioramento. In considerazione della necessità di addivenire ad un’analisi statistica su stereodiagrammi, indicativamente il numero di dati non dovrà essere inferiore a 20. Per quanto possibile dovrà essere superiore a n° 50.
Tipo di discontinuità
Per ogni giacitura dovrà essere specificato il tipo di giunto misurato, distinguendo:
- Strati (B)
- Scistosità (S)
- Fratture importanti ovvero molto persistenti (>1-2 m) (K)
- Giunti poco persistenti (<1m) (J)
- Faglie (F)
Le famiglie dovranno essere definite con la lettera del tipo di discontinuità (B, S, K, J, F) più un numero progressivo della famiglia (K1, K2…; J1, J2…; F1, F2…)
Spaziatura
È la distanza media tra due giunti adiacenti appartenenti alla stessa famiglia, misurata perpendicolarmente ai piani di discontinuità.
Per ogni famiglia dovrà essere effettuata una serie di misure su un allineamento di lunghezza non inferiore a 10 m e, in ogni caso, non inferiore a dieci volte la spaziatura media stimata.
Le misure dovranno essere riportate in metri.
Il numero di misure dovrà essere circa pari al numero delle giaciture raccolte per ogni famiglia, allo scopo di poter definire il valore modale della famiglia.
Persistenza
È l’estensione areale della discontinuità nel piano. Viene, però, espressa normalmente quale lunghezza della traccia del piano in affioramento.
La misura dovrà essere riportata in metri.
Il numero di misure dovrà essere pari al numero delle giaciture raccolte per ogni famiglia, allo scopo di poter definire il valore modale della famiglia.
È necessario definire il tipo di terminazione delle discontinuità:
Tipo “d”: il giunto termina contro altre discontinuità;
Tipo “r”: il giunto termina in roccia
Tipo “x”: il giunto ha una persistenza superiore a quella dell’affioramento.
Rugosità
Definisce le irregolarità delle superfici di una discontinuità, descritte in termini di rugosità (irregolarità di dimensioni millimetriche o centimetriche) o ondulazioni (irregolarità di dimensioni decimetriche o metriche).
Si dovranno definire qualitativamente le seguenti irregolarità del giunto:
- Scalinato: molto rugoso, rugoso, moderatamente rugoso, liscio, levigato
- Ondulato: molto rugoso, rugoso, moderatamente rugoso, liscio, levigato
- Planare: molto rugoso, rugoso, moderatamente rugoso, liscio, levigato
La rugosità dovrà essere rilevata tramite profilometro, tipo “pettine di Barton” lungo la linea di massima pendenza del giunto, definendo il valore di JRC (Joint Roughness Coefficient) secondo i profili noti.
L’ondulazione potrà essere misurata con la bussola come angolo di deviazione (dilatanza) rispetto alla pendenza media del giunto.
Il numero di misure dovrà essere pari al numero delle giaciture raccolte per ogni famiglia, allo scopo di poter definire il valore modale della famiglia.
Apertura
Definisce, in millimetri, la distanza ortogonale tra le due pareti di un giunto.
Il numero di misure dovrà essere pari al numero delle giaciture raccolte per ogni famiglia, allo scopo di poter definire il valore modale della famiglia.
Una classificazione di riferimento per la terminologia dell’apertura può essere quella riportata nelle norme ISRM:
- <0,1 mm = molto chiuse
- 0,1-0,25 mm = chiuse
- 0,25-0,5 mm = parzialmente aperte
- 0,5-2,5 mm = aperte
- 2,5-10 mm = moderatamente larga
- >10 mm = larga
- 1-10 cm = molto larga
- 10-100 cm = estremamente larga
- >100 cm = cavernosità
(Come è noto, in superficie i giunti sono più aperti per fenomeni di alterazione e/o decompressione, mentre in profondità tendono a chiudersi).
Riempimento
Si intende il tipo di materiale contenuto tra le pareti di un giunto, di cui devono essere definite le seguenti caratteristiche: spessore; composizione; dimensione delle particelle (granulometria); permeabilità; eventuali caratteristiche geotecniche (coesione, plasticità).
Alterazione – Resistenza a compressione monoassiale delle pareti del giunto
L’alterazione del giunto è la degradazione chimica della roccia lungo la discontinuità, che comporti un peggioramento delle proprietà meccaniche.
Per ogni giunto va effettuata una stima qualitativa del grado di alterazione
- non alterato
- poco alterato
- moderatamente alterato
- molto alterato
- decomposto
Inoltre, per ogni giunto, ovvero per ogni famiglia di giunti (ove distinta), dovranno essere effettuate prove tramite sclerometro (martello di Schmidt).
Le prove dovranno essere effettuate su giunto allo stato naturale (indice “r”) e su giunto levigato (con pietra smeriglio) (indice “R”), ciò permetterà di definire il grado di alterazione.
Il martello di Schmidt dovrà essere tenuto perpendicolare alla parete del giunto in esame, indicando l’orientazione.
Il numero delle prove non deve essere inferiore a 10-20 per ogni famiglia di fratture. Visto che le misure con lo sclerometro sono in genere sottostimate, dovranno essere scartati i valori più bassi, facendo poi la media sui 5-10 valori più alti.
Successivamente sarà possibile stimare la resistenza a compressione della roccia tramite la correlazione dell’indice “R” con il peso di volume, utilizzando il diagramma di Schmidt.
Presenza d’acqua
Stima della quantità d’acqua osservata sul giunto in affioramento, definendo qualitativamente la portata tramite la seguente terminologia: asciutto, umido, gocciolante, stillicidio, sorgente.
Qualità dell’ammasso roccioso
La qualità dell’ammasso roccioso è definita tramite R.Q.D. (Rock Quality Designation). Tale parametro esprime il valore percentuale dei frammenti di roccia di lunghezza superiore a 10 cm presenti sulla lunghezza campione.
Il valore di R.Q.D. può essere stimato in campagna tramite l’utilizzo di un’asta centimetrata e con la nota relazione: R.Q.D. = 115-3,3 Jv (dove Jv è il volumetric joint, definito come il numero di giunti che intersecano un metro cubo) oppure RQD = 110-2,5 Jv.
Il valore di RQD è anche integrabile in seguito all’esecuzione di sondaggi a carotaggio continuo. Jv = 1/S1 + 1/S2 + 1/S3 …
S1,S2,S3 = media delle spaziature di ogni singolo set di giunti.
Volume roccioso unitario (V.R.U.)
La stima può essere effettuata dalla somma delle spaziature medie dei principali sistemi di discontinuità o tramite il Volumetric Joint Count (Jv), ovvero la somma del numero di giunti per unità di stendimento (5-10 m) misurato perpendicolarmente ad ogni famiglia. (Jv = 1/Si, dove “Si” è la spaziatura della famiglia di giunti)
I valori di V.R.U. dovranno essere espressi in metri cubi.
Forma del blocco
Dovrà essere definita la forma del blocco secondo la nomenclatura di Müller (1963) e/o Palmstrom (1995).
Definire la forma del blocco è assai utile nell’analisi di stabilità, in quanto l’intersezione delle fratture sul diagramma individuano il possibile cinematismo, ma non la forma.
Resistenza a compressione monoassiale della roccia
La resistenza a compressione monoassiale della roccia dovrà essere stimata in campagna tramite l’utilizzo del martello da geologo, secondo quanto indicato nella tabella di riferimento (Hoek & Marinos, 2000).
Inoltre, sarà necessario prelevare dei campioni in corrispondenza dei litotipi caratteristici, per misure tramite prove con Point Load Test Apparatus (P.L.T.A.).
Per ogni litotipo che si presti allo scopo, dovranno essere raccolti almeno 25 campioni rappresentativi della roccia indagata, dalle seguenti caratteristiche approssimative:
- almeno due facce del campione devono essere parallele o sub-parallele.
- la dimensione minima non deve essere inferiore a 3 cm e quella massima non superiore a 10 cm
Dalle prove con PLTA si ricava un indice di resistenza “Is”, che dovrà essere adeguatamente corretto per le dimensioni del campione tramite i diagrammi di Broch & Franklin (1972-1985). Degli indici Is corretti dovrà essere effettuata la media degli scarti (mediana). Tale valore medio moltiplicato per un fattore pari a 24 darà il valore di resistenza a compressione della roccia in MPa.
Tilt test
Il tilt test è un semplice test per stimare i parametri della resistenza al taglio di una discontinuità. Due pezzi di roccia contenenti una discontinuità sono tenuti in mano o montati sull’attrezzatura del test con la discontinuità orizzontale. Il campione viene lievemente inclinato finché il blocco superiore non si muove. L’angolo formato con l’orizzontale all’avvio del movimento è chiamato angolo di inclinazione (tilt-angle). In campagna può essere misurato con la bussola.
Questa prova risulta particolarmente utile per avere delle indicazioni sull’angolo di attrito su giunto per eventuali scivolamenti superficiali, lungo versanti.
GSI (Geological Strength Index)
Il metodo consente una classificazione dell’ammasso roccioso in funzione delle sue caratteristiche intrinseche, senza tener conto di alcuni parametri considerati nelle altre classificazioni, come la presenza d’acqua e l’orientamento delle discontinuità.
Il metodo parte dal presupposto che l’ammasso roccioso integro ha le caratteristiche del campione di roccia; le sue proprietà vengono quindi ridotte in funzione del grado di fratturazione e dalle caratteristiche dei giunti.
Pertanto il valore di GSI dipende essenzialmente dal grado di fratturazione dell’ammasso roccioso e dalle caratteristiche dei giunti di discontinuità. Si configura cioè come un valore di “riduzione di qualità”.
Il GSI è definibile qualitativamente dalle tabelle, oppure è possibile effettuare una valutazione tramite formule empiriche derivanti dalla Classificazione di Bieniawski e di Barton (Barton, 1995) ed in funzione del RQD.
In particolare, gli autori ricordano che il GSI va considerato non come valore preciso, ma come valore orientativo all’interno delle celle presenti nelle tabelle. Quindi va considerato un valore di riferimento associato ad una “deviazione standard”. L’utilizzo del valore assoluto è da effettuare con molta attenzione.
Il GSI si applica per derivare parametri che definiscano il comportamento complessivo dell’ammasso roccioso, non è applicabile per condizioni di instabilità ben definite da superfici di scivolamento, per le quali è necessaria l’applicazione degli specifici criteri di rottura.
Elaborati normalmente forniti per ogni singola stazione, necessari per poter effettuare le successive elaborazioni
- Tabelle riassuntive dei dati che caratterizzano le singole famiglie di discontinuità per ogni stazione con riportate tutte le caratteristiche più frequenti (moda) della famiglia (desunte dagli istogrammi), sopra descritte.
- Tabulati, distinti per stazioni, di tutti i dati raccolti (sopra descritti nella specifica) per ogni giunto, di tutti i singoli giunti.
- Breve descrizione del sito ove è stata effettuata la stazione di analisi..
- Planimetria con ubicazione della stazione di rilevamento.
- Stereodiagramma (semisfera inferiore) con ubicazione di tutti i poli rilevati per ogni stazione, distinguendo con simboli diversi i diversi tipi di discontinuità.
- Stereodiagramma (semisfera inferiore) con isodense ed individuazione del polo rappresentativo di ogni famiglia di discontinuità, distinta tramite media pesata
- Diagramma a stella
- Per ogni famiglia dovranno essere prodotti i seguenti istogrammi di frequenza: Spaziatura, persistenza, rugosità (solo definizioni qualitative), apertura.
- Documentazione fotografica con legenda.
FASE DI COORDINAMENTO ED ELABORAZIONE DATI GEOMECCANICI
- Istruzione sulla raccolta dati, in base alle specifiche sopra riportate.
- Coordinamento delle indagini geostrutturali.
- Esecuzione di prove con Point Load Test Apparatus
- Elaborazione delle prove con P.L.T.A.
- Raccolta di tutti i dati geostrutturali rilevati nelle varie stazioni.
- Definizione delle principali famiglie di discontinuità per ogni stazione.
- Valutazione dei valori più frequenti delle caratteristiche di ogni famiglia.
- Classificazione dell’ammasso roccioso secondo il metodo R.M.R. di Bieniawski, e determinazione del valore di G.S.I. di Hoek per ogni litotipo attraversato dal tunnel.
- Definizione dei parametri geotecnici/geomeccanici della roccia
- Definizione dei parametrici geotecnici/geomeccanici dell’ammasso roccioso secondo i criteri di rottura di Mohr-Coulomb e Hoek & Brown, con determinazione dei seguenti parametri:
- Angolo d’attrito
- Coesione
- m
- s
- a
- Modulo di deformazione
- Rapporto di Poisson
- Resistenza a compressione
- Resistenza a trazione
- Tipo di deformazione presunta
- Tipo di instabilità presunti in seguito ad analisi grafica
L’articolo è tratto dal seminario tenuto presso l’Università degli studi di Padova dal Dott. Geol. Ennio Chiesurin ad ottobre 2015.