La liquefazione è un fenomeno che si manifesta in concomitanza di eventi sismici di una certa intensità (magnitudo generalmente superiore a 5.5-6.0) e che interessa terreni sabbiosi sciolti posti al di sotto del livello di falda.
A seguito del sisma si genera un incremento della pressione interstiziale (acqua presente negli interstizi); tale aumento di pressione causa l'annullamento della resistenza del terreno e la fuoriuscita di materiale sabbioso misto ad acqua.
τ = (σ'n - Δu) tg φ'
Con riferimento all'espressione sopra riportata, la resistenza (τ) del terreno si annulla allorquando l'incremento della pressione interstiziale (Δu) generata dal sisma eguaglia la tensione normale efficace agente (σ'n).
Numerosi sono i metodi di verifica alla "liquefazione" dei terreni.
Il primo passo comune a tutti i metodi sta nella scelta dei parametri rappresentativi dell'azione sismica (accelerazione massima e magnitudo di riferimento).
Per la scelta dei valori dell'accelerazione si utilizzano gli approcci semplificati indicati nella normativa (Norme Tecniche per le Costruzioni NTC 2018) o in alternativa analisi specifiche di risposta sismica locale.
Per la scelta dei valori della magnitudo (magnitudo momento Mw in particolare), in assenza di precise indicazioni di normativa, si fa normalmente ricorso ai contenuti del testo "Indirizzi e Criteri per la Microzonazione Sismica" a cura del Dipartimento della Protezione Civile (e ciò per quanto concerne siti ricadenti sia all'interno che all'esterno delle diverse Zone Sismogenetiche).
Una volta definita l'azione ciclica (CSR):
CSR = 0,65 τmax / σ'vo = 0,65 (amax / g) σvo rd / σ'vo
si passa alla valutazione della resistenza ciclica (CRR):
CRR = (CRR)7.5 MSF
utilizzando i risultati di prove penetrometriche statiche CPT, di prove Standard Penetration Test SPT, di prove Dilatometriche; di particolare interesse un recente metodo (anno 2013) di valutazione del rischio liquefazione in base ai valore della velocità Vs delle onde di taglio (da indagini geofisiche), supportato da ben 422 casi reali ben documentati.
I risultati delle indagini forniscono i valori della resistenza ciclica (CRR)7.5 relativi a un terremoto di riferimento di magnitudo momento Mw = 7.5, mentre la magnitudo specifica del sito in esame entra in gioco attraverso il fattore (MSF) Magnitude Scaling Factor, quest'ultimo definito in maniera diversa secondo i vari Autori.
Passando a valutazioni specifiche riguardanti casi reali di liquefazione del terreno, si vuole ora dare un breve cenno agli eventi sismici del maggio 2012, che hanno interessato la regione Emilia (con le province di Ferrara e Modena) e in misura minore Veneto e Lombardia.
Come si sa la magnitudo rappresenta l'energia sviluppata dal sisma.
L'evento sismico del 20 maggio 2012, di magnitudo locale Richter ML = 5.9 (magnitudo momento Mw = 6.1), si è verificato alle ore 04:03:52 ora italiana, con epicentro nel territorio comunale di Finale Emilia (MO) e ipocentro alla profondità di 6,3 km. Ulteriori scosse di magnitudo inferiore si sono verificate nelle ore e nei giorni immediatamente successivi.
Il 29 maggio 2012 alle ore 09:00:03, si è verificata una nuova scossa molto forte di magnitudo locale ML = 5.8 (magnitudo momento Mw = 6.0), con epicentro nella zona compresa fra Mirandola, Medolla e San Felice sul Panaro (MO). A quella delle ore 9:00 sono seguite altre tre scosse rilevanti: una alle 12:55 di magnitudo 5.4, una alle 13:00 di magnitudo 4.9 e un'ulteriore scossa alla stessa ora di magnitudo 5.2.
Magnitudo e intensità sismica vengono rappresentate nella figura sottostante.
Nella tabella seguente è riportata la lista dettagliata delle scosse registrate, escludendo quelle di magnitudo inferiore a 4.0.
Ciò premesso, nei comuni di Sant'Agostino e Mirabello, in provincia di Ferrara, dove chi scrive ha partecipato con i Geologi ferraresi all'operazione di volontariato professionale "Adottiamo un Monumento", si sono verificati importanti fenomeni di "liquefazione" delle sabbie presenti nel sottosuolo.
Nelle figure sottostanti sono riportati alcuni esempi del fenomeno registrati nella frazione di San Carlo (comune di Sant'Agostino) a seguito del sisma del 20 maggio (esempi minori di vulcanelli di sabbia fuoriuscita dal terreno).
Più sotto viene indicato un più significativo esempio di sabbia fuoriuscita in quantità notevole dalle fondazioni un fabbricato per civile abitazione, interessante un'altezza di circa 70 m rispetto al pavimento del piano terra.
Più sotto ancora altri esempi di liquefazione registrati nell'area del Cimitero di Sant'Agostino, con fuoriuscita di sabbia attraverso una vistosa lesione superficiale (anch'essa generata dal sisma) interessante terreni coesivi di natura limoso-argillosa, sovrastanti sabbie sciolte sature d'acqua.
Il sisma del maggio 2012 ha posto in evidenza la fragilità, nei confronti di eventi sismici, dei terreni di natura sabbiosa (normalmente considerati di buone caratteristiche geotecniche).
Al contrario terreni argilloso-limosi (sia pure con scadenti caratteristiche) registrano in condizioni dinamiche un grado di fragilità di molto inferiore rispetto alle sabbie.
Chi scrive ha condotto calcoli e verifiche geotecniche per la sede municipale di Mirabello e per il Cimitero di Sant'Agostino, registrando in entrambi i casi la presenza di un reale rischio nei confronti della liquefazione.
Nelle figure che seguono sono riportati i risultati delle verifiche eseguite per il sottosuolo del Municipio di Mirabello, con banco sabbioso sciolto superiore potenzialmente liquefacibile. Le verifiche sono state condotte in base al metodo di Robertson e Cabal (1998) con riferimento ai risultati di prove penetrometriche statiche CPT.
L'azione ciclica (CSR) è stata valutata sia in base al metodo semplificato di cui alle NTC 2008, sia in base ai risultati di una specifica analisi di Risposta Sismica Locale. Si notino i valori del coefficiente di sicurezza FSL = CRR / CSR < 1 corrispondenti a un rischio di liquefazione elevato.
Nelle presenti valutazioni vengono inoltre presi in considerazione alcuni interventi di consolidamento di terreni liquefacibili realizzati in Turchia sotto la direzione dell'Università di Ankara (Erdemgil et al 2007), nella città di Adapazari colpita dal sisma del 17 agosto 1999 (magnitudo momento Mw = 7.4 - accelerazione massima al suolo amax = 0,35 g), i cui effetti sono evidenziati nelle figure sottostanti.
In tali interventi si è fatto ricorso a prodotti e tecnologie italiane (iniezioni di resine espandenti), con le seguenti caratteristiche e modalità di utilizzo:
- materiale chimicamente inerte, estremamente leggero, molto resistente (qu = 600 kPa) e assai poco deformabile (E > 30 MPa);
- pressione di iniezione controllata;
- assenza di vibrazioni;
- effetto praticamente immediato (24 ore);
- monitoraggio continuo.
Nella figura sottostante viene sinteticamente riportato lo schema di un tipico intervento diffuso di consolidamento effettuato con la suddetta tecnologia su terreni di natura sabbiosa, al di sotto di un fabbricato a n. 5 piani fuori terra.
Prima dell'utilizzo del materiale (resina espandente) sono state condotte adeguate sperimentazioni in sito, i cui risultati sono qui di seguito riportati (valori della resistenza del terreno mediante prove penetrometriche dinamiche, prima e dopo il consolidamento).
Per finire alcune riflessioni.
In merito ai vari metodi di verifica alla liquefazione esistono forti differenze nei risultati. Il coefficiente di sicurezza, valutato come rapporto fra la resistenza ciclica (CRR) e l'azione ciclica (CSR):
FSL = CRR / CSR
assume valori fortemente discordanti da metodo a metodo, con variazioni talora pari al 50%. Il metodo più prudenziale sembra essere il metodo di Boulanger & Idriss (1914) relativo alle prove penetrometriche CPTU, metodo che rientra fra le indicazioni contenute negli allegati alla delibera n. 2193/2015 della Regione Emilia Romagna. Tenuto conto delle recenti prescrizioni di cui alle NTC (adottare il metodo più cautelativo), la scelta del metodo di Boulanger & Idriss sembrerebbe diventare obbligatoria.
Nel sottolineare l'importanza che riveste la frazione fine limosa (FC) presente nella sabbia, la quale determina un sensibile aumento del coefficiente di sicurezza (FSL) nei confronti della liquefazione, si fa presente che alcuni metodi (fra cui il sopra citato metodo di Boulanger & Idriss) di basano su valutazioni di tipo indiretto della frazione fine (FC) e non su precise determinazioni di laboratorio (analisi granulometriche). Tale fatto dovrebbe essere oggetto di discussione.
Particolare interesse riveste il recente metodo di Kayen et Al. (2013), basantesi sui risultati di indagini geofisiche (con determinazione della velocità Vs delle onde di taglio), supportato da ben 422 casi reali ben documentati. Una particolarità del metodo sta nel fatto la velocità Vs non risulterebbe influenzata dal contenuto in frazione fine limosa (FC), eliminando così i possibili problemi legati ad una non precisa valutazione del contenuto in frazione fine (come visto in precedenza).
Alcune riflessioni in merito alla magnitudo (Mw) da prendere in considerazione nelle verifiche a liquefazione. Per i siti ricadenti all'interno delle diverse Zone Sismogenetiche (di cui alla Zonazione Sismogenetica ZS9 - INGV - Marzo 2004), come visto in precedenza di norma si fa riferimento ai valori massimi riportati nel testo "Indirizzi e Criteri per la Microzonazione Sismica" a cura del Dipartimento della Protezione Civile. In analogia alla scelta dei valori delle accelerazioni, sarebbe opportuno secondo lo scrivente far riferimento anche per la magnitudo a criteri probabilistici, legati a prefissati tempi di ritorno. Lo stesso dicasi per i siti ricadenti all'esterno delle suddette Zone Sismogenetiche.
Una novità espressa al capitolo 8 delle nuove Norme Tecniche per le Costruzioni NTC 2018: nella valutazione di sicurezza di una costruzione esistente viene obbligatoriamente richiesta la verifica delle fondazioni rispetto a possibili fenomeni di liquefazione sismica del terreno.
Da ultimo alcune riflessioni in merito agli interventi di consolidamento di terreni soggetti a rischio liquefazione. Nell'ipotesi di interventi mediante pali di fondazione, interessanti banchi sabbiosi saturi scarsamente addensati di un certo spessore, si dovrà tenere conto di possibili fenomeni di "attrito negativo" indotti dagli inevitabili cedimenti post-sismici, nonché di eventuali fenomeni di instabilità laterale per "carico di punta" dei pali medesimi.
In presenza di edifici adiacenti particolare attenzione dovrà essere rivolta nei confronti di possibili vibrazioni (in presenza di tecnologie di consolidamento tipo "save composer", ad esempio) e nei confronti di fenomeni di "claquage" (in presenza di iniezioni di compattazione "compaction grouting", ad esempio).
