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Rilievo delle discontinuità

 

Discontinuità (Discontinuity)

è il termine generale per qualsiasi interruzione di continuità in una massa rocciosa avente resistenza a trazione bassa o nulla. è il termine collettivo per la maggior parte delle fessure, dei piani di stratificazione, dei piani di scistosità, delle zone di indebolimento e delle faglie.

I   dieci parametri scelti nelle Raccomandazioni ISRM per descrivere le discontinuità e le masse rocciose sono definiti come segue:

 

 

Orientazione  

 

Posizione della discontinuità nello spazio. Le superfici di discontinuità possono essere rappresentate  come un piano la cui giacitura è individuata da una coppia di angoli (α, β) o (α, γ) dove α è l’inclinazione, γ la direzione e β l’azimut della discontinuità (nella terminologia anglosassone rispettivamente dip, strike e dip direction riferita ad un piano).

La strumentazione utilizzata è una bussola munita di livella a bolla d’aria e di un coperchio piano, che viene poggiato sulla superficie della discontinuità facendolo ruotare attorno ad un asse orizzontale (clinometro).

La massima inclinazione del piano medio della discontinuità α (dip) è misurata con il clinometro ed è espressa in gradi con numeri di due cifre, da 00° a 90°.

L’azimut della immersione β (dip dierction) è misurato in gradi contati in senso orario rispetto al Nord  ed è espresso con un numero di tre cifre da 000° a 360°.

La copia (dip, dip direction) rappresenta il vettore immersione.

Le misure vengono eseguite lungo una linea di campionamento, materializzata sul fronte roccioso con una bandella metrica fissata alle estremità del rilievo, vengono quindi rilevate tutte le discontinuità incontrate procedendo da una estremità all’altra.

 

 

Spaziatura (S)

 

Distanza tra discontinuità adiacenti misurata in direzione ortogonale alle discontinuità stesse. Normalmente ci si riferisce alla spaziatura media o modale di un sistema di fessure. Essa, unitamente all’orientazione ed alla persistenza, determina la forma e le dimensioni dei blocchi in cui si divide l’ammasso roccioso. Poiché la misura d, espressa in cm, viene eseguita ortogonalmente alla discontinuità, deve essere corretta tenendo conto dell’angolo ä tra la discontinuità e la linea di campionamento: S =d ×sin ä. Per ciascuna famiglia si definisce così una distribuzione di frequenza che si può rappresentare con istogrammi; la distribuzione della spaziatura è alla base della classificazione ISRM riportata nella Tab.1.

 

 

 

Tab.1: Classificazione ISRM in base alla spaziatura.

 

 

Continuità o Persistenza

 

Lunghezza della traccia della discontinuità osservata in un affioramento. Può dare una misura grossolana dell'estensione areale o della profondità di penetrazione di una discontinuità. Il fatto che il piano di discontinuità termini in roccia massiccia o contro altre discontinuità, riduce la persistenza. Nella Tab.2 è riportata la classificazione ISRM in funzione della persistenza.

 

 

 

Tab.2: Classificazione ISRM in base alla persistenza.

 

 

Scabrezza

 

Rugosità delle superfici affacciate di una discontinuità e ondulazione relativamente al piano medio delle discontinuità. Sia la rugosità che il suo andamento morfologico contribuiscono alla resistenza di taglio, specialmente nel caso di strutture interconnesse e senza spostamenti relativi. L’importanza della rugosità diminuisce con l’aumentare dell’apertura della discontinuità stessa.

In termini generali la rugosità può essere caratterizzata da una ondulazione e da una rugosità vera e propria; nel primo caso la forma della ondulazione provoca la dilatanza in caso di scorrimento trasversale, nel secondo caso la forma della rugosità tende ad essere rotta in caso di scorrimento.

La metodologia e la strumentazione per eseguire il rilievo sono riportate nelle Raccomandazioni ISRM che si ricordano qui di seguito.

La rugosità si può rilevare in due modi diversi:

1.qualora si conosca la direzione di scorrimento potenziale, la rugosità può essere rilevata con profili lineari scelti parallelamente a questa direzione. In molti casi la direzione di scorrimento è parallela alla direzione di immersione. Nei casi in cui lo scorrimento è condizionato da due differenti piani di discontinuità intersecatisi, la direzione di potenziale scorrimento è parallela alla linea di intersezione dei piani. Nel caso di stabilità della spalla di una diga ad arco, la direzione dello scorrimento potenziale può avere una rilevante componente orizzontale.

2.nel caso in cui non si conosca la direzione dello scorrimento potenziale, ma sia molto importante conoscerla, la rugosità può essere misurata in tre dimensioni anziché in due. Ciò può essere fatto con una bussola ed un clinometro a disco. Le letture della inclinazione e della direzione possono essere rese graficamente come poli su reticoli equiarea. In alternativa le superfici di discontinuità possono venire rilevate usando il metodo fotogrammetrico. Questa può risultare un'utile tecnica quando le superfici critiche siano inaccessibili.

Scopo di tutti i metodi di misurazione della rugosità è l'eventuale valutazione o calcolo della resistenza al taglio e della dilatanza. I metodi di interpretazione dei profili di rugosità e di stima della resistenza al taglio disponibili attualmente sono illustrati nel successivo punto.

 

 

Strumentazione

 

Il metodo di rilevamento del profilo lineare di una rugosità richiede la seguente strumentazione: 1) asta pieghevole di almeno due metri, graduata in mm; 2) bussola e clinometro; 3) dieci metri di filo sottile o filo di nylon marcato ad intervalli di un metro (in rosso) e di un decimetro (in blu). Le estremità del filo dovrebbero essere attaccate a blocchetti di legno o simili, così da poter essere teso a costituire una linea di riferimento diritta al di sopra del piano di una discontinuità ad ampia ondulazione.

 

Il metodo di rilevamento della rugosità con bussola e clinometro a disco richiede le seguenti attrezzature: 1) una bussola geologica Clar (Breithaupt) con incorporata una livella a bolla orizzontale ed un coperchio girevole unito al corpo principale della bussola mediante una cerniera graduata per misurare l'inclinazione; 2) quattro sottili dischi circolari in lega leggera, di vario diametro (per es. 5, 10,20,40 cm), che possono essere fissati di volta in volta al coperchio della bussola [v. bibiliografia ISRM].

 

 

Procedura

 

Profilo lineare

Le discontinuità vengono scelte in modo tale da essere accessibili e tipiche della superficie di potenziale scorrimento.

 

A seconda delle dimensioni di ciascun piano, saranno utilizzati l'asta graduata di 2 metri o il filo di l0 metri ponendoli al di sopra del piano della discontinuità parallelamente alla direzione di potenziale scorrimento. Essi dovrebbero essere posti a contatto del punto o dei punti più elevati della discontinuità e dovrebbero essere altresì il più possibile rettilinei. Un sottile strato di plastilina può essere utilizzato per prevenire lo scorrimento dell'asta verso il basso lungo la linea di massima pendenza. La plastilina può essere posta tra l'asta e le creste della discontinuità. Si misurano le distanze (y) sulla perpendicolare tra l'asta (o il filo) e la superficie della discontinuità, con l'approssimazione del mm, per distanze tangenziali (x) date . è consigliabile essere flessibili nella scelta delle “x”, dato che un intervallo regolare (per es. 5 cm) potrebbe far trascurare un piccolo gradino o qualcosa di simile che potrebbe avere importanza nella valutazione della resistenza al taglio. In genere, valori di (x) pari a circa il 2% della lunghezza totale misurata sono sufficienti per avere una misura sostanzialmente buona della rugosità.

Le (x) e le (y) lette sono tabulate insieme all'azimut e all'inclinazione della base di misura. Queste ultime possono essere differenti dall'orientazione dip /dip direction della discontinuità.

I profili tipici della rugosità minima, media e massima vengono rilevati usando il suddetto procedimento. Essi possono essere riferiti ad un intero sistema di discontinuità, ad una discontinuità critica, o a ciascuna superficie misurata, in funzione del grado di dettaglio richiesto. L'angolo di ondulazione (i) dovrebbe essere misurato con l'asta rigida ed il clinometro, qualora il profilo rilevato sia così corto da non poter includere l'intera ondulazione.

La lunghezza e l'ampiezza approssimativa di un'ondulazione troppo ampia per essere rilevata con il profilo lineare, dovrebbero essere stimate o misurate quando non vi sono problemi di accessibilità.

Fotografie raffiguranti le superfici con rugosità minima, media e massima dovrebbero essere riprese con un regolo di 1 metro posto ben in vista a contatto della superficie in esame.

 

Bussola e clinometro a disco. Le discontinuità scelte devono essere tali da essere accessibili e tipiche della superficie di potenziale scivolamento. Gli angoli di rugosità (i) su piccola scala si misurano  posizionando il disco di maggior diametro (per es. quello di 40 cm di diametro) sulla superficie della discontinuità in almeno 25 posizioni diverse, e registrando sia l'inclinazione che la direzione di massima pendenza per ciascuna posizione. (Si prende in considerazione una superficie almeno dieci volte maggiore di quella del disco di maggior diametro).

 

Nella impossibilità di eseguire le procedure sopra descritte, le Raccomandazioni ISRM, consigliano l’uso di termini descrittivi della rugosità.                                                

 

 

Valutazione della resistenza a taglio

 

La rugosità dà indicazioni per la valutazione della resistenza a taglio delle discontinuità non riempite.

I valori di f di picco possono essere stimati con la relazione:

 

dove:

JRC= coefficiente di rugosità della discontinuità

JCS= resistenza a compresisone delle pareti della discontinuità

fr= angolo di attrito residuo

 

 

Il valore di JRC viene ricavato dai grafici di Figura 4, i valori di JCS e fr si ricavano dalle prove con il martello di Schmidt, eseguite sia sulla parete della discontinuità, sia  su una frattura fresca del materiale roccioso intatto.

 

Altro parametro utile per la classificazione dell’ammasso roccioso è il Jr (“Joint Roughness Number”) che dipende dalla rugosità delle pareti del  giunto i cui valori sono riassunti nella Tab. 3.

 

 

Resistenza delle pareti        

         

Resistenza a compressione equivalente dei lembi affacciati di una discontinuità. Può essere minore della resistenza della roccia massiccia per l'esposizione agli agenti atmosferici o per l'alterazione delle pareti. Costituisce una componente rilevante della resistenza di taglio se le pareti sono a contatto.

Gli effetti dell’azione atmosferica sono di due tipologie principali: disgregazione meccanica e decomposizione chimica .

La prima si manifesta con l’ampliarsi di discontinuità preesistenti o con la formazione di nuove, l’apertura di fratture integranulari e la rottura di singoli individui minerali.

La seconda si manifesta con una decolorazione della roccia e porta ad una decomposizione dei minerali silicati in minerali argillosi. Nel caso di rocce carbonatiche e saline è molto importante il fenomeno della dissoluzione.

 

Tab. 3 Coefficiente Jr

 

La resistenza delle pareti, come già visto, può essere valutata con il martello di Schmidt e con saggi di scalfitura.

Altro parametro utile per la classificazione dell’ammasso roccioso è il Ja (“Joint Alteration Number”) che dipende dal grado di alterazione delle fratture, dallo spessore e dalla natura del riempimento; i valori sono riassunti nella Tab. 4:

 

Tab. 4  Coefficiente Ja

 

Nelle Raccomandazione ISRM viene aggiunto un altro indice, W, che varia da 1 (roccia fresca o poco alterata) a 6 (roccia estremamente alterata), si riporta in tabella la classificazione completa:

 

Tab.5 Coefficiente W

 

 

Apertura

 

Distanza tra i lembi affacciati di una discontinuità in cui lo spazio interposto è riempito di aria o acqua.

Le aperture sottili possono essere misurate con calibro, mentre quelle larghe con regolo graduato in mm. Esse sono rilevate lungo l’intersezione con l’allineamento del rilievo.

In base alle misure eseguite, le Raccomandazioni ISRM propongono la seguente classificazione:

 

Tab.6 Classsificazione ISRM in base alla apertura                

 

 

Riempimento

 

Materiale che separa le pareti adiacenti di una discontinuità e che è di solito meno resistente della roccia primitiva. Tipici materiali di riempimento sono sabbia, limi, argilla, breccia più o meno fine, milonite. Include anche sottili strati di minerali e discontinuità saldate, per esempio vene di quarzo e calcite.

La presenza di materiale di riempimento influenza il comportamento del giunto nei riguardi del movimento reciproco delle pareti  della discontinuità, nel rilievo sono indicati quindi la caratteristica in riferimento alla sua durezza (R: rigido - P: plastico).

 

 

Filtrazione

 

Flusso d'acqua e abbondante umidità, visibile nelle singole discontinuità o nella massa rocciosa nel suo insieme.

Le raccomandazioni ISRM forniscono degli schemi descrittivi per stimare la filtrazione attraverso discontinuità senza riempimento (Tab. 7), discontinuità con riempimento (Tab. 8) e una massa rocciosa (Tab. 9).

 

Tab. 7 Discontinuità senza riempimento

 

 

 

Tab. 8  Discontinuità con  riempimento

 

 

Tab. 9 Massa rocciosa (es.: contorno galleria)

 

 

Numero di sistemi di discontinuità

 

Definisce l'insieme dei sistemi presenti. La massa rocciosa può essere ulteriormente divisa da discontinuità di carattere singolare.

In fase di rilievo vengono presi in considerazione tutti i sistemi presenti nel fronte; diagrammando i poli delle discontinuità e quindi contornando con linee di ugual densità, si possono ricavare i sistemi principali.

Secondo le Raccomdanzioni ISRM, le discontinuità che compaiono localmente possono essere classificati secondo la Tab. 10:

 

Tab. 10 Classificazione ISRM in base ai sistemi di discontinuità

 

Altro parametro utile per la classificazione dell’ammasso roccioso è il Jn (“Joint Set Number”) che dipende dal numero di sistemi di giunti presenti nell’ammasso roccioso; i valori sono riassunti nella Tab. 11:

 

Tab. 11 Classificazione in base al Jn

 

 

Dimensione dei blocchi

 

Dimensioni del blocco roccioso risultante dalla reciproca orientazione dei sistemi di fratture che si intersecano e dalla spaziatura dei singoli sistemi. Discontinuità singolari possono ulteriormente influenzare il volume roccioso unitario e la sua forma.

L’indice della dimensione dei blocchi (Ib) rappresenta le dimensioni medie dei blocchi di roccia tipici. Nel caso di due di sistemi di discontinuità perpendicolari tra di loro e la stratificazione danno origine a una forma dei blocchi cubica o prismatica , in tal caso il valore di Ib è:

 

dove S1, S2 e S3 rappresentano le medie dei valori modali delle singole spaziature.

 

 

Rappresentazione grafica del rilievo delle giaciture

 

La rappresentazione delle discontinuità nel programma è possibile secondo diverse tipologie:

I.Reticolo di Wulff

II.Reticolo di Schmidt-Lambert

III.Reticolo stereografico polare

IV.Reticolo polare equiareale

V.Diagramma a stella

VI.Rappresentazione tramite istogrammi delle principali caratteristiche (spaziatura, apertura, persistenza)

 

 

 

RETICOLO DI WULFF        

 

Rappresenta la proiezione stereografica dei meridiani e paralleli terrestri su un piano passante per il centro e per i due poli. Si tratta di una proiezione di tipo isogono, in cui gli angoli tra i singoli piani vengono mantenuti sulle relative proiezioni, per cui le aree definite dall’intersezione tra due paralleli e due meridiani vengono fortemente distorte procedendo dal centro del reticolo verso i bordi.

 

 

RETICOLO DI SCHMIDT-LAMBERT

 

Viene utilizzato per evitare le distorsioni areali del reticolo di Wulff e quindi adatto ad interpretazioni di tipo statistico Le ciclografiche sono rappresentate da archi di ellissi.

 

 

RETICOLO STEREOGRAFICO POLARE EQUIANGOLARE ED EQUIAREALE

 

Sono simili ai precedenti, dove vengono rappresentati i poli delle discontinuità.

 

 

DIAGRAMMA A STELLA

 

Rappresenta i dati di giacitura: le osservazioni sono presentate su un riferimento circolare segnato da 0° a 360°, con linee radiali a intervalli di 10°. Le osservazioni sono raggruppate nel settore di 10° a cui appartengono. Il numero di osservazioni è rappresentato nella direzione radiale, con cerchi concentrici numerati, ciascuno relativo a 5, 10 e 15 osservazioni.

 

 

DIAGRAMMA DI ISODENSITA’

 

Dalla distribuzione sul reticolo dei poli corrispondenti ad un significativo insieme dei dati, è possibile riconoscere una serie di famiglie di discontinuità. Per raggiungere questo scopo si tracciano i diagrammi di isodensità, luogo dei centri di aree unitarie che contengono ugual numero di poli. L’area unitaria è convenzionalmente pari all’1% dell’area totale del diagramma.

Il metodo utilizzato per ricercare la distribuzione della densità dei poli è quello messo a punto da Denness che ha suddiviso la sfera di riferimento  in 100 celle elementari.

Proiettata sul diagramma di Schmidt, una cella generica, assume un contorno curvilineo conservando l’area, che contiene un certo numero di poli.  Per la costruzione del reticolo, Denness suddivide il cerchio secondo un certo numero di anelli (7 per il reticolo di tipo A e 6 per il reticolo di tipo B), ciascun anello conterrà un certo numero di celle di numero crescente dal centro verso l’esterno del diagramma.

 

Il reticolo di tipo A è adatto per analisi nelle quali i poli si concentrano in prossimità della circonferenza esterna (famiglie subverticali), mentre il diagramma di tipo B è adatto per superfici inclinate o  suborizzontali.

 

 

TEST DI MARKLAND

 

Lo scopo del test di Markland è quello di quantificare la possibilità della rottura di un cuneo di roccia nel quale lo scorrimento avviene lungo la linea di intersezione di due discontinuità planari.

 

Il fattore di sicurezza del pendio dipende dalla inclinazione della linea di intersezione, dalla resistenza a taglio della superficie della  discontinuità e dalla geometria del cuneo. Il caso limite si verifica quando il cuneo degenera in un piano, cioè i due piani hanno inclinazione ed immersione coincidenti e quando la resistenza a taglio di questo piano è dovuta solo all’attrito. Lo scorrimento, in queste condizioni, si verifica  quando l’inclinazione del piano è maggiore dell’angolo di attrito e si  può eseguire una verifica di stabilità preliminare confrontando  l’inclinazione della linea di intersezione dei due piani e l’angolo di attrito della superficie rocciosa: il pendio è potenzialmente instabile quando il punto, in un diagramma equiareale, che definisce la linea di intersezione dei due piani cade all’interno dell’area delimitata dal grande cerchio che rappresenta il pendio ed il cerchio che rappresenta l’angolo di attrito.

E’ da tener presente che il test è stato implementato per valutare le discontinuità critiche, a questo test devono seguire verifiche di stabilità più approfondite.

Un ulteriore sviluppo del test di Markland è stato implementato da Hocking; il test infatti prevede la possibilità che lo scorrimento avvenga lungo uno dei piani che costituiscono il cuneo e non solo lungo la linea di intersezione dei due piani stessi.

Infatti se è soddisfatto il test di Markland e l’immersione di uno dei piani cade tra l’immersione del  pendio e la direzione della linea di intersezione, lo scorrimento avverrà sul piano piuttosto che lungo la linea di intersezione.

 

 

 

 

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