Le frane superficiali sono innescate principalmente da piogge intense e interessano strati di spessore modesto in condizioni di parziale saturazione. La frequenza di accadimento di questi fenomeni e, conseguentemente, i rischi a essi associati stanno aumentando costantemente nel tempo. I fattori che concorrono a questo incremento sono molteplici, tra i quali: la crescente urbanizzazione, l'uso incontrollato del suolo, la deforestazione e i cambiamenti climatici che comportano condizioni meteo sempre più estreme. Lo studio di questi fenomeni è, pertanto, di grande interesse sia scientifico che sociale ed economico.
Il progetto di ricerca proposto si pone come obiettivo principale la comprensione dei meccanismi di innesco della frana e dei fattori che maggiormente condizionano il comportamento idro-meccanico della coltre nelle fasi di pre-rottura e rottura. Nell'ambito di questo studio sarà implementato e validato un legame costitutivo che descriva in modo soddisfacente la risposta tensio-deformativa di terreni a grana grossa in condizione di completa e parziale saturazione. I risultati numerici saranno interpretati utilizzando la teoria della controllabilità per individuare l'innesco di fenomeni instabili. Il modello numerico sarà inizialmente calibrato e validato sulla base dei dati di monitoraggio di pendii strumentati (Cervinara e Ruedlingen) e dei risultati di prove su modello a scala ridotta a 1g. Una volta validato, il modello sarà utilizzato per individuare i fattori che maggiormente condizionano la tipologia di dissesto e per comprendere i meccanismi di evoluzione dello scorrimento in colata. I risultati ottenuti saranno impiegati per la costruzione di un abaco per la valutazione speditiva della tipologia di dissesto e l'individuazione dei versanti nei quali è più probabile l'evoluzione del dissesto in colata.
In Italia le frane superficiali sono innescate principalmente da piogge intense o da oscillazioni della superficie libera e la loro frequenza sta aumentando costantemente nel tempo. Sono fenomeni che interessano l'intero territorio nazionale e causano spesso perdite di vite umane e rilevanti danni economici. Prevedere l¿occorrenza di tali dissesti è, quindi, di grande interesse sia dal punto di vista scientifico che socio-economico. Per tale motivo, negli ultimi anni si sono moltiplicate le ricerche volte ad acquisire maggiori conoscenze sull'innesco e propagazione delle frane e alla definizione di strumenti di analisi e allertamento affidabili. Questi studi riguardano scale diverse: a scala piccola per la definizione di mappe di suscettibilità, a scala media per l'ndividuazione delle macro-aree, a scala grande per un'analisi completa della risposta del singolo versante.
Il progetto di ricerca proposto è limitato alla scala di pendio e mira ad analizzare nel dettaglio la risposta della coltre non satura durante eventi di pioggia di diversa durata e/o intensità. Lo studio nasce dall'analisi e interpretazione dei dati di monitoraggio di siti strumentati per i quali è disponibile un'ingente mole di dati (Cervinara, Ruedlingen).
La ricerca affronta un tema largamente studiato in letteratura ma rispetto ai lavori già pubblicati presenta diversi aspetti innovativi.
Il primo è sicuramente l'impiego della teoria della controllabilità come strumento per valutare la stabilità di un sistema geotecnico. Questa teoria è stata proposta per studiare la risposta di singoli elementi in prove di carico e/o imbibizione (Imposimanto e Nova, 1997; Buscarnera e Di Prisco 2013, Buscarnera e Mihalache, 2016). Da questi studi è emerso che, interpretando i risultati nell'ambito della teoria della controllabilità, si riescono a cogliere fenomeni instabili come la rottura al taglio del materiale (diffusa e localizzata all'interno di bande di taglio), la liquefazione statica e l'instabilità volumetrica in regime di parziale saturazione (collasso volumetrico). Nell'ambito di questa ricerca si cercherà di estenderne l'impiego a problemi reali e di individuare un indicatore di stabilità globale da affiancare, secondo i casi, a quello locale.
Il secondo elemento di innovatività è certamente l'implementazione in un codice di calcolo commerciale di un legame costitutivo che descriva accuratamente la risposta idro-meccanico di terreni sabbiosi in regime di parziale saturazione. I modelli di Sinfonietta Classica (Nova e Wood, 1979) e CASM (Yu, 1998) sono stati proposti per simulare numericamente la risposta di terreni saturi. Nell'ambito di questo studio si valuterà come modificare le equazioni costitutive per consentirne l'utilizzo anche in campo non saturo. L'approccio più semplice è quello proposto da Jommi e Di Prisco (1994) e utilizzato da Tamagnini (2003) nel modello di Cam Clay Modificato. Seguendo tale strategia, l'evoluzione della funzione di plasticizzazione con il grado di saturazione è funzione di un unico parametro costitutivo. L'uso di questo approccio o la definizione di leggi più complesse che tengano conto anche dei livelli di saturazione iniziali sarà valutato sulla base dei risultati di prove di laboratorio eseguite presso il nostro Dipartimento. Queste prove saranno eseguite su provini rimaneggiati in condizioni di completa e parziale saturazione e saranno mirate alla valutazione delle leggi di compressibilità e della curva di ritenzione (prove edometriche a suzione controllata) e dei criteri di resistenza (prove triassiali a suzione controllata).
Il terzo e più importante aspetto innovativo della ricerca riguarda la definizione di uno strumento di analisi relativamente semplice che colga gli aspetti principali della risposta del pendio nelle fasi di pre-rottura e rottura. Questo strumento sarà calibrato e validato sulla base dei dati di monitoraggio provenienti da siti strumentati aventi diverse geometrie (inclinazione e spessore della coltre) e costituiti da terreni con proprietà idro-meccaniche e condizioni iniziali abbastanza differenti. L'impiego del modello numerico consentirà, da un lato, di comprendere meglio l'evoluzione spazio-temporale delle grandezze monitorate e, dall'altro, di indagare gli aspetti della risposta del pendio non direttamente osservati. Lo stesso modello numerico sarà poi utilizzato per individuare i fattori che maggiormente condizionano la tipologia di dissesto e per ciascuno di essi l'intervallo di valori che causa l'evoluzione dello scorrimento in colata. Sulla base dei risultati ottenuti sarà redatto un abaco per la valutazione speditiva della tipologia di dissesto e l'individuazione dei versanti nei quali è più probabile l'evoluzione del dissesto in colata. Questa informazione è particolarmente importante perché consente di individuare in quali aree è necessario eseguire studi di dettaglio per definire efficaci sistemi di allertamento che minimizzino i rischi di perdite di vite umane.