Prende il nome di liquefazione un cedimento del suolo dovuto allo scuotimento di sedimenti sabbiosi saturi in acqua che assumono comportamento da liquido.
Perché avvenga liquefazione è necessario che i singoli granuli di sabbia perdano il contatto reciproco: essendo il continuo della sostanza ora liquido, il sedimento si metterà a fluire come un liquido viscoso.
Liquefazione: lo
scuotimento indotto da un terremoto può provocare la liquefazione di
sedimenti sabbiosi saturi in acqua, allorquando questi siano confinati
da strati meno permeabili (foto di Daniela Pantosti).
In Italia ed all’estero, non è stato mai affrontato lo studio sistematico degli effetti indotti da eventi sismici sull’ambiente fisico, finalizzato alla loro incidenza sulla salvaguardia delle reti e delle grandi opere infrastrutturali. Lo stato delle conoscenze su questo tema è limitato ed, in qualche misura, differente a seconda che si ragioni di subsidenza locale, crolli in roccia, scorrimenti e colate in terreni o sistemi di terreni e rocce ovvero liquefazione.
Terreni suscettibili di liquefazione: è vero che in Italia
il problema della liquefazione non ha il rilievo che ha in Giappone,
tuttavia abbiamo situazioni italiane in cui la suscettibilità a questo fenomeno
è molto elevata (vedi ad es. la relazione di Vivenzio sui terremoti
della Calabria del 1783) e che potrebbero essere legate a condizioni di
sito non standard, cioè non relativamente facili da riconoscere (tipo
depositi superficiali di sabbie fini monogranulari sature d’acqua ecc).
emissione di tipo lineare:
– aperture del terreno con fuoriuscita di acqua torbida [liquefaction with only water flooding]: 310;
– aperture del terreno con fuoriuscita di acqua mista a fango e/o sabbia [liquefaction with mud or sand flooding]: 311.
emissione di tipo puntuale:
– aperture del terreno con fuoriuscita di acqua torbida [liquefaction with only water flooding]: 320;
– fuoriuscita di acqua mista a fango e/o sabbia e formazione di “vulcanelli” [liquefaction with mud or sand flooding and sand boils]: 321.
La liquefazione di un deposito è il risultato dell’effetto combinato di due principali categorie di fattori:
– le condizioni del terreno (fattore predisponente);
– la sismicità (fattore scatenante).
Questo tipo di terreni è suddiviso sulla base della dimensione media dei grani:
| argilla | < 0.002 |
| limo | 0.002 ÷ 0.06 |
| sabbia | 0.06 ÷ 2 |
| ghiaia | 2 ÷ 60 |
| blocchi | > 60 |
La liquefazione avviene solitamente nei limi non plastici e nelle sabbie.
Consideriamo allora un suolo costituito da sabbia o limo e dell’acqua che riempie gli spazi vuoti tra le particelle del terreno.
Un elemento di volume di terreno ad una profondità z è sottoposto all’azione del terreno circostante, e su di esso sono presenti degli sforzi, cioè delle forze per unità di superficie.
Considerando una superficie elementare, gli sforzi possono essere normali (compressione o dilatazione) e vengono indicati con 
, o di taglio (cioè che tendono a far scorrere i due elementi separati dalla superficie stessa) e vengono indicati con 
.
Se il piano campagna (p.c.) è orizzontale e il terreno è omogeneo, le sue proprietà fisiche variano solo con la profondità; la tensione totale (sforzo normale) lungo
z è:
dove 
è il peso specifico totale del terreno e z è misurata verso il basso dal p.c.
Consideriamo un punto P ad una profondità Z dal piano campagna in presenza di una falda in condizioni statiche, indicata dalla linea tratteggiata in figura 1.
Figura 1 – Schema di terreno in condizione di falda statica.
La pressione totale nel punto
P è data da: 
dove ‘ è la pressione efficace o intergranulare e u è la pressione interstiziale (o dell’acqua o neutra),
dove 
è il peso specifico del terreno saturo, z è la profondità del punto considerato,
con 
peso specifico dell’acqua, e z
u altezza della colonna d’acqua sopra il punto P.
Quindi la pressione efficace nel punto
P è:
Se consideriamo lo stesso terreno, però attraversato da un flusso d’acqua, alla pressione neutra si deve aggiungere o sottrarre il gradiente idraulico a seconda che il flusso sia dall’alto verso il basso o viceversa.
Infatti l’acqua, attraversando questi sedimenti, trasmette la sua energia alle particelle (effetto di trascinamento). Quando lo scorrimento avviene verso il basso, cioè l’attrito di trascinamento è nella stessa direzione in cui agisce la forza di gravità, la pressione effettiva aumenta ed il sedimento risulta stabile.
Quando invece la direzione dell’acqua è verso la superficie, cioè la forza di trascinamento ha una direzione opposta a quella della gravità, si ha una riduzione della pressione efficace.
La velocità del flusso ascendente può essere tale da annullare la pressione effettiva e da indurre le particelle del sedimento a galleggiare.
Questa condizione critica è chiamata “liquefazione”
ed il sedimento si comporta in tutto e per tutto come un liquido.
Se il sedimento originario era una sabbia avremo una sabbia liquida, fluidificata o mobile che se soggetta a disturbo o deformazione perderà tutta la sua resistenza originaria e scorrerà come un liquido viscoso.
La liquefazione di un terreno significa il totale annullamento della sua resistenza al taglio e, quindi, un comportamento meccanico caratteristico dei liquidi.
La resistenza al taglio può essere descritta attraverso la relazione di Mohr-Coulomb:
con: c coesione del terreno,
è la pressione efficace descritta prima, e 
è detto angolo di attrito del terreno.
L’aumento di u può portare il termine
ad annullare la stessa coesione del terreno, annullando conseguentemente la resistenza al taglio.
I principali fattori che predispongono un terreno alla liquefazione sono:
• fattori geologico-geotecnici,
• fattori legati agli eventi sismici.
Fattori geologici-geotecnici.
Poiché ai terreni incoerenti sono associati generalmente valori del coefficiente di permeabilità (facilità di un terreno ad essere attraversato da un flusso d’acqua) relativamente elevati, l’applicazione di sovraccarichi graduali (per es. dovuti alla costruzione di un fabbricato) non conduce a significativi incrementi di u. In questi casi infatti non si generano elevati gradienti di pressione fra la zona sollecitata e quella indisturbata, perché l’acqua fa in tempo a defluire attraverso i vuoti dello scheletro solido che sono sufficientemente larghi da non ostacolare questo flusso.
Nel caso viceversa di sollecitazioni intense sottoposte ad incrementi rapidi, come si verifica durante un evento sismico, i gradienti di pressione che si generano possono essere tali da produrre elevati flussi idrici dall’interno verso l’esterno. Se il fenomeno si manifesta in depositi incoerenti a granulometria relativamente fine (per es. sabbie fini), la larghezza limitata dei vuoti dello scheletro tenderà ad ostacolare il flusso idrico, con il conseguente sviluppo di elevate pressioni neutre.
Oltre alla granulometria, altri fattori condizionano la suscettibilità di un deposito sciolto al fenomeno della liquefazione. I principali sono la profondità del livello potenzialmente liquefacibile ed il suo grado di addensamento. Con l’aumentare della profondità del deposito diminuisce la probabilità di liquefazione dello stesso durante l’evento sismico.
Con l’aumentare della profondità, infatti, sono richiesti valori di u sempre più elevati per annullare la pressione litostatica crescente.
Inoltre con la profondità tende a diminuire anche l’intensità delle sollecitazioni indotte dal sisma. L’influenza della pressione litostatica permette di spiegare il fenomeno della migrazione della liquefazione dai depositi più superficiali a quelli più profondi.
I livelli meno profondi sono quelli che per primi subiscono la liquefazione, che è facilitata dalla minore pressione litostatica.
Gli strati più profondi, che inizialmente non subiscono il fenomeno, nel momento in cui il deposito superiore va in liquefazione risentono di un calo del peso della colonna di terreno sovrastante, evento che aumenta la probabilità che anch’essi subiscano la liquefazione.
Fondamentale è anche il grado di addensamento del terreno, esprimibile attraverso il parametro densità relativa (Dr %).
I terreni molto addensati, se sollecitati, subiscono un aumento di volume (fenomeno di dilatanza) con conseguente diminuzione della Dr %. L’aumento di volume ha come conseguenza, nei depositi saturi, un richiamo dell’acqua dall’esterno verso l’interno, con creazione di una u di segno negativo (cioè si ha un aumento del termine ).
L’esatto contrario avviene in terreni poco addensati, dove una sollecitazione tende a produrre una diminuzione di volume, con conseguente flusso idrico verso l’esterno e la generazione di una u di segno positivo (diminuisce il valore di ).
È quindi possibile ritenere potenzialmente liquefacibili quei depositi sciolti che presentano le seguenti caratteristiche:
– granulometricamente sono sabbie da fini a medie con contenuto in fine variabile generalmente dallo 0 al 25%;
– si trovano sotto falda;
– sono da poco a mediamente addensati;
– si trovano a profondità relativamente basse (di solito inferiori ai 15 metri).
Fattori legati all’evento sismico.
Durante un terremoto l’onda di pressione del sisma può aumentare la pressione neutra prima che l’acqua riesca a defluire causando così una diminuzione del termine fino alla liquefazione.
Fattori che influiscono sulla probabilità di liquefazione sono comunque la intensità sismica e la durata dell’evento.
La manifestazione della liquefazione può dare origine ad effetti di varia natura:
– affondamento di edifici nel terreno (Figura 2(a) e Figura 3);
– scorrimento di pendii (Figura 2(b));
– collasso di terrapieni, rilevati stradali e opere di terra in genere (Figura 2(c));
– collasso di palificate per perdita di connessione laterale (Figura 2(d));
– zampillio di copiosi getti d’acqua e di sabbia con formazione dei caratteristici coni (Figura 2(e));
– collasso di opere di sostegno per sovraspinta del terreno a monte (Figura 2(f)).
Figura 2 – Effetti della liquefazione sulle opere (da http://www.ingegneriasismica.net).
Figura 3 – Effetti della liquefazione su edifici antisimici a Niigata (Giappone, 1964), tratta da “Il globo terrestre e la sua evoluzione” B.Accordi, E.Lupia Palmieri – Zanichelli Editore.
Fenomeni dovuti alla liquefazione dei terreni, ma non legati a eventi sismici sono ad esempio:
-
• il “sifonamento“, in cui è un flusso d’acqua dal basso verso l’alto dovuto alla presenza di una paratia ad abbassare la pressione efficace fino all’annullamento della resistenza al taglio (Figura 4);
Figura 4 – Fenomeno del sifonamento sotto paratia (da Appunti di Geotecnica, G.Dellana).
• il fenomeno dei fontanazzi avviene con l’infiltrazione di acqua di un fiume sotto l’argine (Figura 5);
Figura 5 – Fenomeno dei Fontanazzi (da Appunti di Geotecnica, G.Dellana).
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• durante lo svaso rapido di un bacino, l’acqua contenuta nel terreno non fa in tempo a drenare con la stessa velocità con cui scende l’acqua dell’invaso, il terreno pesa di più perché non subisce più la spinta di Archimede, e tale sovraccarico si grava sulla pressione interstiziale u.
Bibliografia e link
B.Accordi, E.Lupia Palmieri – Il globo terrestre e la sua evoluzione – 1987;
F.G.Bell – Geologia Ambientale – 2001;
K.Terzaghi, R.B.Peck – Geotcnica – 1984;
G.Dellana – Appunti di Geotecnica – 2001.
http://www.ingegneriasismica.net
http://www.programgeo.it/FormulaGeo/Liquefazione.html