Analisi geostrutturale 2.0:caratterizzazione di un ammasso roccioso attraverso nuvole di punti

1. INTRODUZIONE

Gli ammassi rocciosi presenti sulla superficie terrestre risultano per la maggior parte discontinui e pertanto largamente condizionati nel loro comportamento meccanico dalle discontinuità. Per prevedere e prevenire fenomeni gravitativi su versanti in roccia è essenziale quindi che sia la struttura dell’ammasso roccioso che la natura delle sue discontinuità siano attentamente descritte.

Uno dei primi a comprendere l’importanza delle discontinuità strutturali sul comportamento degli ammassi rocciosi fu Josef Stini, docente di “Technical Geology” alla “Università tecnica di Vienna” a partire dal 1920. A seguito degli eventi catastrofici che hanno interessato la diga di Malpasset, quella del Vajont e la miniera di Coalbrook, furono in molti ad applicarsi nell’ideazione di criteri di classificazione di versanti in roccia. Le procedure proposte da Piteau (1970, 1973), Robertson (1970) e Patton & Deere (1971) furono integrate e rielaborate nel 1978 dall’International Society for Rock Mechanics (I.S.R.M, 1978). Le raccomandazioni “Suggested Methods for the Quantitative Description of Discontinuities in Rock Masses” proposte dall’I.S.R.M., universalmente considerate come linee guida per il rilevamento geomeccanico, consentono ancora oggi di descrivere ed interpretare in modo razionale e quantitativo quello che in natura appare disordinato e casuale permettendo di effettuare ciò che sinteticamente è denominato “rilievo geostrutturale” (Moretta et al, 2012).

Tuttavia, le complessità geomorfologiche e la difficile accessibilità dei versanti in roccia rendono, in molti casi, difficile l’acquisizione sistematica dei parametri previsti dalle raccomandazioni dell’I.S.R.M. e quindi la caratterizzazione dell’ammasso roccioso. Negli ultimi anni l’avvento di tecniche di telerilevamento, quali la fotogrammetria o le scansioni laser, hanno aperto nuovi scenari nell’analisi geostrutturale grazie alla loro capacità di ricostruire modelli tridimensionali del versante con elevato dettaglio. È proprio questa la nuova frontiera che denominiamo “analisi geostrutturale 2.0”.

2. PRINCIPALI PARAMETRI RILEVATI NELL’AMBITO DEL RILEVAMENTO GEOMECCANICO DI UN AMMASSO ROCCIOSO

I rilievi geomeccanici vengono effettuati per la caratterizzazione della matrice rocciosa e dei principali sistemi di discontinuità, dove per discontinuità si intende una qualsiasi interruzione di continuità (fratture, piani di stratificazione, piani di scistosità ecc.) che può determinare una modificazione della resistenza di un ammasso roccioso. I parametri si possono distinguere in due principali categorie, ovvero geometrici e meccanici.

Di seguito vengono riportati i principali parametri e indici geometrici previsti per la caratterizzazione geomeccanica di un ammasso roccioso secondo le indicazioni I.S.R.M. (1978, 1985, 1993):

- Orientazione: è la posizione della discontinuità nello spazio. Viene descritta dalla direzione di immersione e dall’inclinazione della linea di massima pendenza del piano di discontinuità.
- Spaziatura: è la distanza tra discontinuità adiacenti misurata in direzione ortogonale alle discontinuità stesse.
- Persistenza: è la lunghezza della traccia della discontinuità osservata in affioramento. Le discontinuità si distinguono in funzione della loro terminazione: discontinuità che si estendono al di fuori della roccia esposta (X), discontinuità che terminano nella roccia esposta (R) e discontinuità che terminano contro altre discontinuità (D).
- Scabrezza: è la rugosità e l’ondulazione delle superfici di una discontinuità relativamente al piano medio delle discontinuità. La rugosità e il suo andamento morfologico contribuiscono alla resistenza di taglio.
- Apertura: è la distanza perpendicolare che separa le pareti di una discontinuità aperta il cui spazio è riempito da aria o da acqua.
- Ampiezza: è la distanza perpendicolare che separa le pareti di una discontinuità aperta il cui spazio è riempito di materiale localmente dilavato.
- Riempimento: è il materiale che separa le pareti adiacenti di una discontinuità e che solitamente presenta caratteristiche meccaniche differenti rispetto all’ammasso principale.
- Alterazione: indica il grado di alterazione delle discontinuità che talvolta possono essere decomposte o disgregate.
- Condizioni idriche: indica la presenza di un flusso d’acqua o di abbondante umidità visibili nelle singole discontinuità o nella massa rocciosa nel suo insieme.
- Indice della dimensione dei blocchi Ib: è un indice che rappresenta le dimensioni medie dei blocchi tipo misurate sull’affioramento.
- Numero volumetrico delle discontinuità Jv: è un parametro che rappresenta il numero totale delle discontinuità che intercettano un’unità di volume (1 m3) dell’ammasso roccioso.

Molti dei parametri ed indici sopra descritti possono essere agevolmente ricavati attraverso un’analisi geostrutturale su dati telerilevati.
A partire dai dati geostrutturali è poi possibile associare ad ogni affioramento un valore di GSI (Geological Strenght Index), ovvero un indice che valuta la riduzione di resistenza di un ammasso in differenti condizioni geologiche. Il GSI viene valutato attraverso un grafico (Tab. 1) dove i caratteri strutturali dell’ammasso in termini di grado di fratturazione e disturbo tettonico sono intercorrelati con le caratteristiche della superficie delle discontinuità in termini di rugosità, alterazione e riempimento della frattura (Hoek e Brown, 1997).

Tab. 1 - GSI per ammassi rocciosi eterogenei come flysch (da Marinos e Hoek, 2001).

Di seguito vengono riportati invece i principali parametri meccanici previsti dalle indicazioni I.S.R.M. (1978, 1985, 1993):

- Resistenza delle pareti delle discontinuità: è la resistenza a compressione equivalente dei lembi affacciati di una discontinuità. Può essere minore della resistenza della matrice rocciosa per l’esposizione agli agenti atmosferici e per l’alterazione delle pareti. Quando non sono applicabili le prove convenzionali (es. sclerometro di Schmidt) si effettuano prove di indice manuale che permettono di saggiare un gran numero di discontinuità fornendo una descrizione più rappresentativa delle condizioni delle pareti.
- Resistenza della matrice rocciosa: è il valore corrispondente allo sforzo di rottura per un campione di roccia sottoposto a compressione monoassiale senza confinamento. La resistenza a compressione semplice viene stimata mediante indici ottenuti in campagna con la prova di carico puntuale Point Load Test (PLT).

A differenza dei parametri geometrici, quelli meccanici non possono essere stimati attraverso sistemi di telerilevamento.
Nella Tab. 2 viene riportata una tabella di sintesi dei vari parametri e dei principali strumenti di rilevamento attraverso tecniche tradizionali e di telerilevamento.

Tab. 2 - Tabella riassuntiva che indica con quali tecniche possono essere stimati i parametri e gli indici proposti dalle norme I.S.R.M.

3. IL VERSANTE VIRTUALE

L’esecuzione di un rilievo geologico-tecnico su un pendio in roccia di difficile accesso richiede l’intervento di geologi rocciatori esperti con conseguenti costi e pericoli elevati. Già da diversi anni il progresso tecnologico è venuto incontro a questa esigenza ed è stata ideata una soluzione alternativa a quella sopra proposta che prende come riferimento gli standard I.S.R.M.
Grazie a rilievi fotogrammetrici o scansioni laser è infatti oggi possibile realizzare un modello tridimensionale del versante ad alta risoluzione sul quale poter svolgere dettagliate analisi geostrutturali, in poche parole ottenere un “versante virtuale” con caratteristiche del tutto analoghe a quelle reali.

La fotogrammetria (Campbell e Wynne, 2011; Gomarasca, 2009) è una tecnica che consente di definire la posizione, la forma e le dimensioni degli oggetti sul terreno utilizzando le informazioni contenute in immagini fotografiche che riprendono l’oggetto stesso da diversi punti. Grazie a questa tecnica è possibile generare nuvole di punti sulle quali effettuare misure quantitative di oggetti tridimensionali senza aver alcun contatto fisico con essi, avendo però a disposizione due o più fotogrammi di cui sia nota la posizione dei punti di presa.
Durante la fase di acquisizione delle immagini è importante considerare che i fotogrammi adiacenti abbiano una sovrapposizione longitudinale di almeno il 60% del fotogramma.

Le fasi principali di un rilievo fotogrammetrico sono:
• Acquisizione: operazioni riguardanti la presa delle immagini.
• Orientamento: operazioni preliminari per la determinazione dei parametri che consentono di posizionare i centri di presa e i fotogrammi con la stessa posizione nello spazio che avevano al momento della presa, quindi la ricostruzione della forma e delle dimensioni dell’oggetto ripreso.
• Restituzione: operazioni che consentono di effettuare misure sul modello ricostruito in grado di produrre come risultato finale un disegno, un insieme numerico di coordinate o un’immagine ortorettificata. Importanti al fine dell’elaborazione del dato sono i Ground Control Points (GCPs), dei targets posti in punti strategici all’interno dell’area di rilievo di cui sono note le coordinate. Una moderna tecnica di calcolo che permette la ricostruzione di modelli 3D attraverso l’utilizzo di immagini ottiche con alta percentuale di sovrapposizione è la Structure from Motion (Spetsakis e Aloimonos, 1991).

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