Indagine sperimentale sulla coltre piroclastica di un versante della Campania

Raffaele Papa
2008
I. 1 Origini pag. 8 I. 2 Caratteri stratigrafici pag. 13 I. 3 Caratteristiche meccaniche pag. 16 I. 3.1 Depositi piroclastici dell'area urbana di Napoli pag. 16 I. 3.1.1 La pozzolana del tufo giallo pag. 16 I. 3.1.2 I prodotti piroclastici dell' attività vulcanica recente (< 15ka) dei campi Flegrei pag. 20 I. 3.2 I depositi piroclastici del Somma Vesuvio pag. 25 I. 3.2.1 Le piroclastiti di Cervinara pag. 25 I. 3.2.2 Le piroclastiti di Pizzo D'Alvano pag. 32 Capitolo II -Fenomeni franosi nei
more » ... riali piroclastici della Campania II.1 Ambienti tipici, condizioni stratigrafiche e morfologiche pag. 41 II.2 Condizioni ambientali pag. 44 II.3 Possibili meccanismi di innesco della rottura pag. 49 II.4 Cenni eventi di Sarno pag. 52 2 Capitolo III -Caratterissazione meccanica terreni non saturi III.1 Variabili tensionali pag. 54 III.1.1 Cenni storici pag. 54 III.1.2 Influenza dell'accoppiamento idromeccanico sulle variabili tensionali pag. 57 III.1.3 Recenti sviluppi pag. 66 III.2 Criteri di resistenza pag. 71 Capitolo IV -Sito campione IV.1 Introduzione pag. 81 IV.2 Morfologia e stratigrafia pag. 82 IV.2.1 Indagini in sito, sezioni stratigrafiche e carte tematiche pag. 88 IV.3 Attività svolta in sito pag. 92 IV.3.1 Risultati monitoraggio pag. 97 PARTE V -Sperimentazione di laboratorio V.1 Caratteristiche fisiche e granulometriche dei materiali della coltre pag. 103 V.2 Descrizione della sperimentazione di laboratorio pag. 108 V.3 Caratterizzazione idraulica pag. 114 V.4 Caratteristiche di compressibilità pag. 121 V.5 Caratterizzazione meccanica in condizioni di completa saturazione pag. 126 V.5.1 Prove triassiali pag. 126 V.5.2 Prove di taglio pag. 129 3 V.6 Caratterizzazione meccanica in condizioni di parziale saturazione pag. 132 V.6.1 Prove triassiali a suzione controllata pag. 132 V.6.2 Prove di taglio a suzione controllata pag. 136 PARTE VI -Interpretazione risultati VI.1 Introduzione pag. 140 VI.2 Caratteristiche idrauliche pag. 141 VI.3 Caratteristiche di compressibilità pag. 156 VI.4 Comportamento meccanico in condizione di completa saturazione pag. 160 VI.4.1 Prove triassiali pag. 160 VI.4.2 Prove di taglio pag. 177 VI.5 Comportamento meccanico in condizione di parziale saturazione pag. 182 VI.5.1 Prove triassiali a suzione controllata pag. 182 VI.5.2 Prove di taglio a suzione controllata pag. 194 PARTE VII -Conclusioni pag. 203 BIBLIOGRAFIA APPENDICE A -Apparecchiature di laboratorio e procedure sperimentali APPENDICE B -Approfondimenti su prove di evaporazione 4 INTRODUZIONE 1 Premessa I rilievi carbonatici con copertura piroclastica presenti in Campania sono spesso interessati da fenomeni di instabilità di versante di tipo scorrimentocolata rapida. Essi coinvolgono i depositi piroclastici più superficiali, prodotti dell'attività eruttiva dei distretti vulcanici dei Campi Flegrei e del Somma Vesuvio ed interessano spessori di qualche metro. Ad innescare i fenomeni di instabilità sono eventi meteorici che producono sensibili incrementi del grado di saturazione dei terreni inizialmente non saturi e, conseguentemente, significative riduzioni della suzione e della resistenza a taglio. La caratterizzazione meccanica ed idraulica dei materiali costituenti la coltre in condizioni di completa e parziale saturazione è dunque indispensabile per l'analisi delle condizioni di innesco. L'attività sperimentale descritta nel seguito è stata finalizzata alla caratterizzazione meccanica ed idraulica dei materiali piroclastici costituenti la coltre di copertura del substrato carbonatico nel sito campione di Monteforte Irpino (AV). I predetti materiali sono da considerarsi rappresentativi di quelli presenti in estese aree della Campania interessate da fenomeni di colata rapida. L'elemento caratterizzante della ricerca è costituito dall'ampiezza della sperimentazione che ha riguardato l'intera serie stratigrafica rilevata in sito. 5 2 Articolazione della tesi L'aspetto centrale della Tesi è consistito nella caratterizzazione meccanica ed idraulica, in condizioni di completa e parziale saturazione, dei terreni piroclastici del sito di Monteforte Irpino (AV) con prove di laboratorio non convenzionali e loro successiva interpretazione con modelli innovativi. Inoltre è stato svolto un lungo monitoraggio in sito di alcune grandezze significative per la comprensione dei fenomeni di colata rapida che interessano tali terreni. L'articolazione della Tesi in 7 capitoli rispecchia le fasi di studio che si sono succedute durante il periodo di Dottorato. Nel capitolo 1 vengono presentati i principali terreni piroclastici presenti in Campania con particolare riferimento all'origine degli stessi ed alla loro modalità di deposizione. Vengono distinti i depositi di origine vulcanica prodotti dal Somma Vesuvio e quelli prodotti dal Distretto dei Campi Flegrei, con particolare riferimento alle modalità di deposizione e trasporto di tali materiali. Vengono inoltre richiamate, da dati presenti in letteratura su sperimentazioni analoghe a quella oggetto della presente tesi, le caratteristiche fisiche e meccaniche dei vari litotipi presenti nei siti considerati in modo tale da poter eseguire un confronto sistematico con i risultati ottenuti dalla sperimentazione svolta. Il capitolo 2 descrive i fenomeni franosi nei terreni piroclastici in Campania evidenziandone, in funzione degli ambienti di deposizione e delle condizioni stratigrafiche e morfologiche, le possibili cause. In particolare vengono evidenziati l'importanza delle condizioni ambientali e gli effetti delle piogge sulla condizione di stabilità dei pendii in terreni piroclastici non saturi. Si elencano infine i possibili meccanismi di innesco e rottura di detti fenomeni 6 e si descrivono brevemente alcuni dei fenomeni catastrofici che hanno interessato il comune di Sarno nel Maggio 98. Nel capitolo 3 vengono introdotte le variabili tensionali e deformative necessarie alla descrizione del comportamento meccanico dei terreni non saturi. Nella presentazione si adotta una prospettiva storica descrivendo la evoluzione degli approcci proposti dai numerosi autori che nel corso degli anni si sono occupati dell'argomento. I diversi approcci sono dettagliatamente descritti e confrontati tra loro. Infine sono presentati i più recenti sviluppi sull'argomento che vengono poi impiegati nei capitoli successivi nella interpretazione dei risultati sperimentali. Il capitolo 4 è dedicato alla descrizione del campo prova e delle attività svolte in sito. In particolare si descrivono la posizione geografica dell'area oggetto di studio e tutte le indagini preliminari che hanno portato alla scelta di tale area. Successivamente vengono presentati i risultati dell'indagine geologica con le relative sezioni stratigrafiche di dettaglio. Viene infine descritto il progetto e la realizzazione del campo sperimentale il cui fine è quello di comprendere i meccanismi di infiltrazione e flusso delle acque meteoriche nei terreni piroclastici. A tale scopo all'interno del campo prova, secondo una geometria regolare, sono stati installati circa 80 tensiometri, lungo 20 verticali, a diversa profondità per monitorare la variazione di suzione, nei vari litotipi individuati, al variare delle condizioni ambientali. È stato inoltre previsto l'installazione, sempre all'interno del campo prova, di ulteriori strumenti quali sonde TDR, Piezometri Casagrande e Stazione meteorologica totale per monitorare rispettivamente la variazione del contenuto d'acqua del terreno, il regime delle pressioni neutre e l'apporto meteorico. 7 I capitoli 5 e 6 sono dedicati alla sperimentazione di laboratorio ed all'interpretazione dei risultati. Nel capitolo 5 è descritta l'attività sperimentale svolta in laboratorio. La descrizione è organizzata distinguendo le prove idrauliche dalle prove meccaniche. Per ciascun tipo di prova sono presentati i risultati ottenuti mentre l'interpretazione è rimandata al capitolo successivo. Nel capitolo 6 i risultati sono interpretati. In particolare le prove idrauliche sono adoperate per determinare curve di ritenzione e funzione di permeabilità. Le prove meccaniche sui terreni saturi sono state interpretate nell'ambito dei più recenti sviluppi della meccanica dello stato critico applicati ad i terreni granulari. Le prove meccaniche condotte in condizione di parziale saturazione sono interpretate adottando o le tensioni nette e la suzione ovvero le tensioni alla Bishop e la suzione. Il capitolo 7, infine, è dedicato alle conclusioni. In esso viene eseguito un riepilogo dei principali risultati ottenuti che sono poi confrontati con risultati di sperimentazioni analoghe rinvenuti in letteratura. La tesi è completata da tre appendici nelle quali si descrivono: le apparecchiature di laboratorio utilizzate con le relative modifiche apportate e le procedure messe a punto; alcuni approfondimenti sulle prove di evaporazione; i risultati di tutte le prove svolte con le apparecchiature di laboratorio utilizzate. 8 CAPITOLO I -I materiali piroclastici della Campania I. 1 Origini La regione Campania fig. I.1 al centro della quale sorge la città di Napoli, è coperta in buona parte da una successione di materiali piroclastici che si sono prodotti in passato a seguito dell'attività vulcanica molto diffusa (Rolandi et al., 1998). Le proprietà indice, di stato, idrauliche e meccaniche di questi materiali dipendono molto dalla distanza dal centro di eruzione e dal meccanismo di deposizione. In accordo con le caratteristiche e la storia delle eruzioni, questi depositi possono essere stratificati o non stratificati, a grana grossa o fine, cementati o sciolti, fratturati o intatti. La loro struttura, quindi, è estremamente variabile da deposito a deposito e, nello stesso deposito, lungo direzioni verticali ed orizzontali. All'interno della regione Campania sono presenti diversi distretti vulcanici tra i quali i più famosi sono quelli dei Campi Flegrei ed il Somma Vesuvio. Tali distretti sono ancora attivi all'interno dell'area denominata Zona Vulcanica Campana. Localmente questi materiali pongono importanti problemi di tipo ingegneristico tra cui: erosione, instabilità dei pendii, cedimenti delle costruzioni e rottura di antiche caverne. Tra tali problemi quello più rilevante risulta l' instabilità dei pendii. L'attività vulcanica dei Campi Flegrei ha avuto inizio circa 150ka fa, mentre le ultime manifestazioni si sono avute nel 1301 (ad Ischia) e nel 1538 con la formazione del Monte Nuovo. La depressione dei Campi Flegrei è una struttura calderica all'interno della quale sono stati attivi più di settanta centri eruttivi (Buretta et al., 1993; Rosi e Sbrana, 1987; Orsi et al., 1996; Rolandi et al., 2003 ) fig. I.1 9 Fig. I.1 -Carta strutturale della caldera dei Campi Flegrei (Rolandi et al., 2003) Tale struttura deriva dalla sovrapposizione di due principali episodi di sprofondamento connessi all'eruzione dell'Ignimbrite Campana e del Tufo Giallo Napoletano. Attualmente alcuni autori distinguono, in questo lungo lasso di tempo, 4 cicli di vulcanismo: -I Ciclo(> 35.000 anni da oggi) attività di tipo esplosivo nel settore occidentale dei Campi Flegrei. I prodotti di tale attività sono poco diffusi sulla terra ferma. -II Ciclo(35.000÷30.000 anni da oggi) i prodotti principali delle eruzioni sono il Piperno, Breccia Museo e l'Ignimbrite Campana (Tufo Grigio Campano). L'eruzione del tufo grigio campano è stato 10 un evento di portata notevolissima. Il meccanismo di messa in posto è stato del tipo flusso piroclastico con un alta velocità del magma accompagnata da una caduta di ceneri molto sottili. Tale formazione attualmente raggiunge in alcune zone (Piana Campana) spessori di 50-60m. -III Ciclo (18.000÷10.000 anni da oggi) a tale ciclo sono da riferire la formazione dei Tufi Biancastri stratificati (Soccavo) ed il Tufo Giallo Napoletano. Quest'ultimo è una piroclastite a matrice prevalente, formata da pomici, di dimensioni talora notevoli, e frammenti litici dispersi in una matrice cineritica. Dopo l'eruzione del Tufo Giallo Napoletano si ebbe lo sprofondamento dell'edificio vulcanico, con conseguente formazione della caldera ed individuazione delle colline dei Camaldoli, di Posillipo e del Rione Terra. -IV Ciclo (10.000 anni da oggi ÷1538 d.C.) in tale ciclo si è avuta una intensa attività esplosiva. Ad una fase iniziale vengono attribuiti i Tufi Gialli stratificati, mentre in una seconda fase si sono formati prodotti piroclastici sciolti (eruzione del Monte Nuovo 1538). I prodotti piroclastici sciolti di questo ciclo sono molto diffusi i tutta l'area flegrea e sono costituiti essenzialmente da pomici, lapilli, ceneri (pozzolane). Per quanto riguarda invece il Somma Vesuvio, il vulcano è costituito dal più antico edificio del Somma nel quale la formazione della caldera ha determinato il ribassamento del fianco meridionale, la migrazione verso SW delle successive manifestazioni e la formazione nel tempo del cono del Vesuvio (Rolandi et al., 1998). Dati ottenuti da fori di sondaggio eseguiti in località Trecase rivelano una antica attività vulcanica datata circa 400ka fa. Circa 25ka fa l'attività del vulcano è poi cambiata drammaticamente in una successione di eventi 11 esplosivi. Infatti, fino a 17ka anni fa l'attività è proseguita con fasi alterne effusive ed esplosive, per divenire, queste ultime, quasi prevalenti fino al 1631. Da tale anno all'ultima eruzione (1944) le manifestazioni eruttive, pure con alternanza di fasi, hanno assunto più spesso il carattere di flussi lavici (Rolandi et al., 1998). In estrema sintesi i materiali emessi dal vulcano possono riunirsi nelle seguenti unità: -piroclastiti e scorie del cono vesuviano; -colate laviche vesuviane cui sono spesso interposti livelli piroclastici discontinui e di varia potenza; -lave basali del Somma. Pertanto i depositi piroclastici sono il risultato di attività vulcaniche di tipo esplosivo. In accordo con le modalità di trasporto e di deposizione, essi possono essere classificati come: materiali piroclastici da caduta; materiali piroclastici da flusso; materiali piroclastici da corrente (surges). -I materiali piroclastici da caduta individuano tre tipi di depositi che si distinguono per le dimensioni delle particelle. In particolare abbiamo: frammenti di notevoli dimensioni (>10cm) come bombe e scorie nere; frammenti di dimensioni minori (1-10cm) che includono lapilli, piccole bombe e blocchi; frammenti piccolissimi (<1cm) che includono lapilli fini e ceneri. Sia la dimensione delle particelle che la densità controllano la velocità finale di caduta. Di conseguenza questi depositi sono costituiti da particelle delle stesse dimensioni -I materiali piroclastici da flusso sono in genere costituiti da più di un'unità. All'interno di una unità è usuale trovare una struttura non graduata, ma frammenti di pomici più grandi possono essere, invece, graduati. Ne consegue che in genere tali depositi sono poco assortiti. 12 -I materiali piroclastici da correnti (surges) sono il risultato del trasporto di materiale molto simile a quello osservato nel trasporto di sedimenti ad opera dell'acqua e del vento. Pertanto si generano correnti di materiale con densità e viscosità molto diversa che creano forme di accumulo molto complesse. Tali depositi sono caratterizzati da un elevato grado di frammentazione e dalla capacità della corrente di trasportare particelle di una data dimensione. 13 I. 2 Caratteri stratigrafici Di seguito si riporta una breve sintesi dei materiali piroclastici presenti nella Regione Campania con un maggiore approfondimento ai materiali prodotti dall'attività esplosiva del Somma-Vesuvio, i quali, con riferimento al campo sperimentale (vedi capitolo 5), sono oggetto del presente lavoro di tesi. I materiali prodotti nel corso dell'attività esplosiva dei Campi Flegrei si presentano sia sciolti sia litificati. La diagenesi di questi materiali piroclastici è strettamente legata a tipo di attività eruttiva che li ha prodotti. Infatti, il processo di litificazione dei materiali piroclastici del napoletano è da attribuirsi esclusivamente a fenomeni di autometamorfismo in cui i principali agenti sono i gas sprigionatisi dall'ammasso dei materiali depositatisi ancora caldi e ricchi di sostanze volatili. L'area napoletana, pertanto, è composta da una grande varietà di depositi piroclastici i quali, malgrado siano simili per composizione, dimensione dei grani, età ed ambiente pre-eruttivo si presentano molto differenti per grado e tipo di alterazione. I depositi piroclastici, principalmente derivanti dall'attività esplosiva del Somma-Vesuvio sono distribuiti nella zona vulcanica campana in maniera disomogenea in accordo agli assi di dispersione (fig. I.2) di ciascuna eruzione, raggiungendo una spessore variabile tra i 4 e 7 metri sui Monti di Sarno e attorno a 2 metri sui Monti Lattari (fig. I.3) (Rolandi et al., 2000; Di Crescenze e Santo, 2005). 14 Fig. I.2 -Carta geologica e distribuzione dei principali depositi da caduta del Somma-Vesuvio (Di Crescenzo et al., 2007) Fig. I.3 -Carta delle isopache del Complesso Piroclastico Recente (Rolandi et al., 2000) 15 Dopo la deposizione sui versanti carbonatici, i depositi piroclastici sono stati soggetti a fenomeni denudazionali, perlopiù rappresentati da movimenti di massa, generalmente controllati dall'angolo di pendio e dall'occorrenza di piogge di forte intensità; ciò si riflette attualmente nella presenza, lungo i versanti, di serie vulcanoclastiche incomplete (De Vita e Celico, 2006). Pertanto sui versanti carbonatici sono presenti, solo parzialmente ed i maniera fortemente discontinua, i termini più recenti della successione vulcanoclastica prodotta dalle eruzioni del Somma Vesuvio. Tale successione si ritrova, invece, in maniera completa e continua nell'ambito della Piana Campana, sebbene con variabilità laterali a grande scala indotte dalla differente distanza dal centro eruttivo, dal diverso orientamento degli assi di dispersione di ciascuna eruzione e dall'azione erosiva e deposizionale esercitata dalla rete idrografica. 16
doi:10.6092/unina/fedoa/2049 fatcat:abl5ga2kibb3biqaeu2ah2jbay