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GUGLIELMO BRACCESI (*), DILETTA CASELLI (**) & ALESSIO CARDINALI (**)

INDAGINI GEOFISICHE E GEOTECNICHE DI SUPPORTO

ALLA CARATTERIZZAZIONE DI UN MOVIMENTO FRANOSO

Abstract - GUGLIELMO BRACCESI, DILETTA CASELLI & ALESSIO CARDINALI - Geophysical and geote-

chnical surveys aimed to the characterization of a landslide.

This work was aimed at the characterization and monitoring of a known landslide. In ad-

vance such investigations have been divided into a geophysical part, with the performing of

seismic and geoelectrical tomography, and into a geotechnical part, with the performing of dy-

namic penetrometric tests.

The analyzed area is situated near a private building located in Corella, in the Tuscan –

Emilian Apennines, about 50 km from Florence. The whole area is characterized by typical out-

crops of sandstone deposits belonging to Tuscan and Umbro domain, with alternance of mainly

clay deposits.

The seismic tomography lines have been acquired both in P waves and in S waves at 24

channels, with a perpendicular trend; the first was performed perpendicularly regarding the

contour lines with intergeophonic distance equal to 2.50 m; the other seismic line was parallel to

the contour lines with intergeophonic distance equal to 3.00 m.

The 50 electrodes geoelectrical tomography consisted in two lines with the same position

and direction of the above mentioned seismic lines. Both seismic and geoelectrical surveys veri-

fied the presence of the known landslide and consented also to estimate its thickness, which is

about 2-3 m.

Subsequently five penetrometric tests have been executed through means of a light dyna-

mic penetrometer; these tests have been conducted until the instrumental refuse. Every test,

except the one done on the landslide, have producted increasing resistance with depth.

Finally, the results about geophysical and geotechnical investigations have been collected to

obtain a geotechnical model of the slope to be used in the stability analysis; these analysis de-

Mus. civ. Rovereto Atti del Workshop in geofisica 5 dicembre 2008 123-138 2009

(*) Dott. Geol. Guglielmo Braccesi, Direttore tecnico IGeA sas. (Indagini Geologiche ed Ambientali -

Borgo San Lorenzo (FI)).

(**) Dott. Geol Diletta Caselli, Dott. Alessio Cardinali, Collaboratori IGeA sas.

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fined three areas with minimum security coefficient. One of these area is the mass of the land-

slide, with security coefficient equal to 1.

Key words: Seismic surveys, Geoelectrical surveys, Geotechnics, Landslide.

Riassunto - GUGLIELMO BRACCESI, DILETTA CASELLI & ALESSIO CARDINALI - Indagini geofisiche e

geotecniche di supporto alla caratterizzazione di un movimento franoso.

Questo lavoro è stato condotto con lo scopo di caratterizzare e monitorare un ammasso

franoso, di cui già si conosceva l’esistenza, tramite indagini mirate. Tali indagini sono state pre-

ventivamente suddivise in una parte geofisica, con la realizzazione di tomografie sismiche e geo-

elettriche, ed una geotecnica, che ha visto la realizzazione di prove penetrometriche dinamiche.

L’area di studio è localizzata in prossimità di un annesso privato nel paese di Corella, nel-

l’Appennino Tosco – Emiliano, a circa 50 km da Firenze. Tutta l’area è dominata da affioramenti

di depositi arenacei appartenenti ai Domini Toscano e Umbro – Romagnolo, intervallati a depo-

siti più prettamente argilloso – marnosi.

Le linee di tomografia sismica sono state condotte sia in onde P che in onde S, a 24 canali,

perpendicolari tra loro: una ortogonale alle curve di livello con distanza intergeofonica di 2.50 m

e l’altra parallela alle isoipse con distanza intergeofonica di 3.00 m.

Successivamente sono state eseguite indagini di tomografia elettrica a 50 elettrodi, realiz-

zando due linee nella stessa posizione e nella stessa direzione delle linee sismiche suddette.

Entrambe le indagini, sismica e geoelettrica, hanno ben evidenziato e verificato la presenza

del corpo di frana noto ed hanno permesso di stimare anche il suo spessore, che si aggira attorno

ai 2-3 metri.

In seguito sono state eseguite 5 prove penetrometriche, con strumento dinamico leggero,

condotte fino alla profondità del rifiuto strumentale. Tutte le prove, tranne quella eseguita sul

corpo di frana, hanno dato resistenza del materiale crescente con la profondità.

Infine, sono stati raccolti ed analizzati in modo critico i risultati delle indagini geofisiche e di

quelle geotecniche, arrivando a definire un modello geotecnico del versante sul quale effettuare

delle analisi di stabilità, che hanno portato a definire tre zone a coefficiente di sicurezza minimo,

una delle quali è proprio quella inerente il corpo di frana con tale coefficiente prossimo ad 1.

Parole chiave: Tomografie sismiche, Tomografie geoelettriche, Geotecnica, Movimento franoso.

1. PREMESSA ED INQUADRAMENTO DEL LAVORO

Il monitoraggio e lo studio dei movimenti franosi tramite indagini mirate che

possano definirne le principali caratteristiche fisiche è una delle discipline di inda-

gine che nel corso degli anni ha interessato sempre di più la figura del geologo.

Proprio questo aspetto è stato preso in considerazione nello svolgere l’inda-

gine in questione, cioè quello di riuscire a definire le caratteristiche fisiche e

dinamiche di un ammasso franoso noto tramite indagini sia geofisiche che geo-

tecniche, cercando così di poter prevedere quale possa essere in futuro il com-

portamento di questo.

L’area oggetto di studio è situata sull’Appennino Tosco-Emiliano, a circa 50

km da Firenze in direzione Forlì.

Dal punto di vista geologico (Fig. 1) l’area è caratterizzata dalla presenza di

affioramenti appartenenti prevalentemente alle formazioni torbiditiche dei Do-

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mini Toscano (Unità Cervarola-Falterona) e Umbro-Marchigiano (Marnoso Are-

nacea), con alternanza sporadica di materiali sciolti argilloso-marnosi che costi-

tuiscono i livelli morfologicamente più instabili della zona e su cui si instaurano

e si innescano numerosi movimenti di versante.

L’Unità Cervarola-Falterona è caratterizzata dal basso verso dalla Formazio-

ne degli Scisti Varicolori, caratterizzati da depositi argilloso-calcarei, talvolta

marnosi, che costituiscono il livello di scollamento dei thrust durante l’orogene-

si appenninica su cui si sono messe in posto le unità del Dominio Toscano con

vergenza verso Nord-Est. Al di sopra degli Scisti Varicolori si passa all’Unità

Cervarola-Falterona, costituita essenzialmente da grossi banchi arenacei con in-

tercalazioni di livelli, più o meno spessi, di argilliti e marne; a tetto dell’unità,

infine, sono presenti depositi marnosi (Marne di Vicchio) (Fig. 2).

Inoltre l’area è caratterizzata dalla presenza di accumuli di frana anche di

grosse dimensioni, sia di natura gravitativa, interessando blocchi di rocce arena-

cee, sia per scivolamento, movimento caratteristico per i materiali a matrice pre-

valentemente argillosa.

Fig. 1 - Inquadramento topografico e geologico dell’area di studio.

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Dal punto di vista geomorfologico l’area è caratterizzata e segnata da versanti

ad elevata pendenza, che dunque facilitano l’innesco di movimenti e flussi gravita-

tivi; sono presenti inoltre impluvi in erosione, il reticolo idrografico è poco svilup-

pato e la sporadica presenza di corsi d’acqua è da ritenersi per lo più stagionale e a

carattere torrentizio. Notevole è la quantità di aree in frana sia stabilizzate che

attive, la cui presenza è ben testimoniata, anche visivamente, dalla tipica curvatura

del tronco di alcune piante e della vegetazione ad alto fusto sui versanti, dovuta

proprio ai lenti scivolamenti del suolo, o soliflusso, che generano appunto accu-

muli di frana sottoforma di lobi detritici e bombature ai piedi del versante (Fig. 3).

Fig. 2 - Formazioni affioranti nell’area di studio.

Fig. 3 - Curvatura degli alberi che testi-

monia la presenza di soliflusso in atto.

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In quest’area, a seguito del progetto di realizzazione di un annesso agricolo,

è stata eseguita una modificazione del pendio che ha portato l’originario versan-

te ad assumere una caratteristica morfologia a gradoni, con elevati spessori (Figg.

4, 5 e 6).

Figg. 4, 5 e 6 - Morfologia a gradoni del versan-

te impressa dalla realizzazione di un annesso

privato.

A seguito di un periodo in cui sono avvenute intense precipitazioni, si è veri-

ficato un leggero movimento del versante che ha coinvolto una porzione di circa

200 m2 di scarpata. Su questa frana, viste le ridotte dimensioni, è stato possibile

eseguire le indagini molto agevolmente.

2. INDAGINI CONDOTTE SUL CORPO DI FRANA

Le indagini eseguite sul corpo di frana, sono state suddivise in due fasi: in

una prima fase sono state eseguite sia indagini geofisiche, con la realizzazione di

due linee di tomografia sismica e 2 linee di tomografia elettrica, sia indagini geo-

tecniche, con la realizzazione di cinque prove penetrometriche con penetrome-

tro dinamico leggero. L’uso del penetrometro dinamico leggero è stata una scel-

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ta obbligata dalle limitazioni nel trasporto su un corpo di frana di qualsiasi altro

strumento.

2.1 Indagini sismiche

Le indagini sismiche a rifrazione hanno visto la realizzazione di due linee

ortogonali tra loro a 24 geofoni da 10 Hz.

La prima linea è stata eseguita lungo la scarpata, perpendicolare alle linee di

livello, con distanza intergeofonica di 2.50 m, con acquisizione in onde P ed Sh

(Fig. 7).

In totale sono state eseguite tredici energizzazioni, di cui undici interne e

due esterne necessarie per l’elaborazione tomografica; in questo modo è stato

possibile avere un maggior dettaglio della sezione (Fig. 8).

L’elaborazione tomografica della sezione sismica in onde P ha evidenziato la

presenza di uno strato superficiale, non continuo e di spessore variabile, caratte-

rizzato da velocità sismiche inferiori ai 500 m/s (Fig. 9).

Localmente sono presenti dei volumi di terreno, evidentemente poco adden-

sati, con velocità sismiche dell’ordine di 200 m/s; una di queste zone caratterizza

la zona di frana indagata (linea rossa a tratteggio in Fig. 9).

Fig. 7 - Disposizione della prima linea sismica a 24 geofoni.

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Il substrato litoide, localmente affiorante, presenta una forte alterazione su-

perficiale, come evidenziato dalla velocità delle onde P con basse velocità fino ad

elevata profondità (linea blu a tratteggio in Fig. 9).

L’analisi del gradiente di velocità mette in evidenza una zona corrispondente

all’area in frana in cui la variazione di velocità delle onde P è molto alta in rap-

porto alla profondità analizzata (Fig. 10).

Fig. 8 - Copertura del segnale sismico nella sezione.

Fig. 9 - Sezione tomografica della prima linea sismica in onde P.

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Fig. 10 - Elaborazione del gradiente di velocità della sezione tomografica in onde P della prima

linea sismica.

Fig. 11 - Sezione tomografica della prima linea sismica in onde Sh.

Analogamente a quanto emerso dall’elaborazione tomografica in onde P,

anche per le onde di taglio è presente uno strato superficiale con valori di veloci-

tà molto bassi, localmente anche con valori intorno ai 100 m/s (Fig. 11).

Anche in questo caso, valori di velocità caratteristici del substrato litoide

non alterato si ritrovano a diversi metri di profondità dal piano di campagna.

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Come emerso per le onde P, anche il gradiente delle velocità per le onde Sh

mette in evidenza una zona corrispondente all’area in frana in cui la variazione

di velocità delle onde è molto alta rispetto alla profondità analizzata (Fig. 12).

Fig. 12 - Elaborazione del gradiente di velocità della sezione tomografica in onde Sh della prima

linea sismica.

Fig. 13 - Disposizione della seconda linea sismica a 24 geofoni.

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Successivamente è stata eseguita una seconda linea sismica parallela alle cur-

ve di livello (Fig. 13). I risultati ottenuti sono analoghi a quelli ottenuti nella

prima linea sismica, sia per quanto riguarda la velocità, sia per quanto riguarda il

gradiente (Figg. 14 e 15).

Fig. 14 - Sezione tomografica della seconda linea sismica in onde P.

Fig. 15 - Elaborazione del gradiente di velocità della sezione tomografica in onde P della secon-

da linea sismica.

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2.2 Indagini geoelettriche

Successivamente all’indagine sismica, è stata eseguita una campagna geoelet-

trica lungo i medesimi allineamenti coperti dalle indagini sismiche, (Fig. 16) at-

traverso l’esecuzione di due linee tomografiche perpendicolari tra loro, eseguite

a 50 elettrodi (Fig. 17), con la misura dei valori di resistività e di polarizzazione

indotta.

Fig. 16 - Linea geoelettrica eseguita sul corpo

di frana, parallelamente alle curve di livello.

Fig. 17 - Particolare di uno dei 50 elettrodi

utilizzati per effettuare l’indagine geoelettri-

ca sul corpo di frana.

L’elaborazione del parametro resistività in geometria Wenner per la linea 1

ha definito un piccolo spessore superficiale resistivo con valori di circa 80-140

ohm*m, sovrastante zone più conduttive rappresentate da valori di circa 20-50

ohm*m. La polarizzazione non ha registrato particolari anomalie, se non la pre-

senza di una tubazione interrata (Figg. 18 e 19).

Il risultato è stato analogo sia nel parametro polarizzazione indotta sia nel

parametro resistività per la sezione eseguita in geometria mista Dipolo-Dipolo e

Shlumberger (Fig. 20).

La seconda sezione tomografica, ottenuta dalla linea 2, acquisita in geome-

tria Wenner, ha confermato nelle zone di incrocio delle due sezioni spessori con

valori di resistività misurati sulla prima sezione, registrando un piccolo spessore

superficiale resistivo sovrastante zone più conduttive (Fig. 21).

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Fig. 18 - Valori di resistività della sezione tomografica in geometria Wenner lungo la linea 1.

Fig. 19 - Valori di polarizzazione indotta della sezione tomografica in geometria Wenner lungo

la linea 1.

Fig. 20 - Valori di resistività e di polarizzazione indotta della sezione tomografica in geometria

mista Dipolo – Dipolo e Shlumberger lungo la linea 1.

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Fig. 21 - Valori di resistività della sezione tomografica in geometria Wenner lungo la linea 2.

2.2 Indagini geotecniche

Elaborate le indagini geofisiche, sono state eseguite 5 prove penetrometriche

dinamiche, con l’utilizzo di un penetro metro dinamico leggero, in quanto più

facilmente trasportabile su di un pendio così scosceso (Fig. 22).

Fig. 22 - Il penetrometro dinamico leggero utilizzato per le 5 prove penetrometriche eseguite

nell’area di studio.

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In Fig. 23 è riportata l’ubicazione delle prove penetrometriche eseguite nel-

l’area oggetto di studio.

Le prove penetrometriche sono state condotte fino alla profondità del rifiuto

strumentale; in tutti i casi, ad eccezione della prova 1 eseguita sul corpo di frana, il

numero di colpi registrati con la profondità è stato pressoché crescente (Fig. 24).

Fig. 23 - Disposizione delle prove penetrometriche eseguite.

Fig. 24 - Andamento della resistenza del terreno con la profondità; ad eccezione della prova 1

eseguita sul corpo di frana, le altre prova mostrano valori di resistenza crescenti con la profondità.

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Solo nella prova 1 è stato riscontrato un orizzonte a bassa resistenza alla

punta ad una profondità di circa 2 metri, ipotizzabile come profondità di passag-

gio della superficie di scorrimento della frana (Fig. 25).

Utilizzando le prove penetrometriche per la caratterizzazione geotecnica ed

utilizzando le indagini geofisiche per una estrapolazione stratigrafica laterale, è

stato possibile costruire un modello geotecnico del versante sul quale effettuare

delle analisi di stabilità (Fig. 26). Tali analisi hanno permesso di individuare tre

zone a coefficiente di sicurezza minimo, una delle quali con coefficiente pari ad

1, cioè proprio la zona interessata dal movimento franoso.

Fig. 26 - Modello geotecnico del versante sul quale sono state condotte le prove di stabilità.

Fig. 25 - Andamento della resistenza del terre-

no con la profondità nella prova 1; a circa 2 metri

di profondità è riscontrabile un orizzonte a bas-

sa resistenza alla punta.

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3. CONCLUSIONI

Dal punto di vista geologico l’area è caratterizzata da litologie arenacee e

argilliti che, come evidenziato nella sezione tomografica in Fig. 18, presentano

forti variazioni di resistività. Altra caratteristica di queste formazioni è la fre-

quente alterabilità superficiale, così come evidenziato dall’indagine sismica che

mette in risalto porzioni superficiali a basse velocità.

Un evento meteorologico importante, con forti ed intense precipitazioni, la

presenza di materiali argillosi superficiali, la forte alterazione e fratturazione e le

forti pendenze hanno innescato il movimento di versante. Tale movimento è sta-

to verificato in profondità dai dati delle prove penetrometriche così come dalle

simulazioni di stabilità. L’indagine geotecnica infatti, è servita per verificare pun-

tualmente i risultati derivanti dall’indagine geofisica, che ha permesso con buon

dettaglio di individuare litologicamente e meccanicamente le zone a maggior ri-

schio di frana.

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