Coppola, Lucia (2022) Modellazione fisica e monitoraggio del comportamento di piroclastiti limose per il preannuncio di frane meteo-indotte. [Tesi di dottorato]

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The present Ph.D. thesis focuses on rainfall-induced landslides triggered in pyroclastic soils and aims to define better-performing Landslide Early Warning System (LEWS). Most of the LEWS currently in operation are based on the monitoring of precipitation data. Rainfall represents the starting point of the cause-effect chain leading to landslide. Rainfall infiltration increases water content throughout the cover, reducing suction and, hence, shear strength. The endpoint of the cause-effect chain is represented by the slope deformation. The accuracy of LEWS may be significantly enhanced by monitoring, apart from precipitation data, the soil-based variables associated with the stress-strain response of the ground. Each physical variable follows different temporal paths, with wetting-induced change depending on the phenomenon stage. Such temporal paths make one physical variable suitable in defining slope stability conditions. Apart from collapse kinematics, this work investigates if the pre-failure kinematics in the cover was detectable so to represent an additional precursor of landslide initiation, leading to a substantial improvement of LEWS accuracy, especially if combined with suction monitoring. The study (i) discusses if pre-failure kinematics shows wetting-induced changes and, if so, if such changes foresee sufficiently in advance the instability triggering; and (ii) investigates how efficiently a single physical variable at the same time representative and easily-measurable in harsh weather conditions, typically leading to instability, may characterize pre-failure kinematics. This work has tried to reach the purposes (i) and (ii) by carrying out experimental tests on slope physical model, so that each stage leading to slope instability was controlled. The tests focused on pre-failure kinematics evolution and on its correlation with suction reductions. To provide a suitable monitoring technique to underpin a LEWS, a new device, the “tensioinclinometer” was realized, in synergy with an external company. The tensioinclinometer was assembled by combining a conventional tensiometer to measure pore-water pressures in negative and positive range and an accelerometer installed at the top of the tensiometer shaft to measure its inclination as a suitable proxy measurement of landslide pre-failure deformation. In addition, this research activity investigated the role played by thickness and stratigraphical inhomogeneity of the cover on hydrological evolution of a silty cover. The influence of cover thickness was investigated by simulating one-dimensional flux. The slope failure that occurred in Nocera Inferiore (4th March 2005) was selected as a reference test case. By maintaining unchanged soil hydraulic properties, the relationship among domain thickness, initial soil suction distribution and slope instability induced by critical rainfall was investigated by numerical analyses. To examine in depth the contact with a granular soil placed on top, an experimental test was carried out. A physical model of lysimeter was used with the aim to characterize interaction between soil and atmosphere. The influence of a granular soil placed in middle position was analysed throughout a numerical reinterpretation of Sarno landslide (1998). Il presente lavoro di tesi di dottorato è incentrato sullo studio delle frane meteo-indotte che si innescano in pendii ricoperti da coltri costituite da piroclastiti limose, con l’obiettivo di migliorare le potenzialità previsionali di tali fenomeni e consentire l’implementazione di sistemi di preannuncio del fenomeno (landslide early warning system, LEWS) caratterizzati da migliori prestazioni. La maggior parte dei LEWSs si basa sul monitoraggio delle precipitazioni, ovvero della causa principale del fenomeno. Le precipitazioni costituiscono tuttavia solo il primo anello di una catena di eventi interni alla coltre che conducono al fenomeno di instabilità: incremento di contenuto d’acqua, riduzione di suzione, cinematica pre-rottura, cinematica di rottura. È allora ipotizzabile che per migliorare le prestazioni di un LEWS si potrebbero misurare ed interpretare, oltre alle precipitazioni, anche altre variabili fisiche (ad esempio, contenuto d’acqua, suzione, spostamenti) in grado di descrivere l’evoluzione degli eventi della catena descritta e segnalare l’approssimarsi delle condizioni di instabilità. Ciascuna di tali variabili segue andamenti temporali diversi, con alterazioni indotte dal processo di imbibizione che possono risultare più o meno accentuate a seconda della fase evolutiva del fenomeno. È di conseguenza proprio la fase evolutiva a rendere una variabile fisica più o meno efficace nel segnalare la successiva evoluzione delle condizioni di stabilità del pendio. Escludendo le variabili fisiche che descrivono la cinematica di rottura, che nei fenomeni rapidi per ovvi motivi non è utile caratterizzare ai fini del preannuncio, il presente studio indaga se e in che misura attraverso il monitoraggio e l’interpretazione di variabili fisiche che caratterizzano lo stato idrologico e cinematico della coltre prima della rottura sia possibile migliorare l’accuratezza predittiva di un LEWS. Il problema che lo studio affronta è, da un lato, (i) indagare se la cinematica pre-rottura è alterata in modo evidente dal processo di imbibizione e, in caso affermativo, se tale alterazione segue un’evoluzione che prelude con sufficiente anticipo all’innesco del fenomeno; dall’altro (ii) comprendere quale sia la strategia sperimentale più idonea a caratterizzare tale cinematica, e, in particolare, quale sia la variabile fisica che risulti allo stesso tempo adeguatamente rappresentativa ed acquisibile nelle condizioni meteo avverse tipiche di quando ci si approssima a condizioni di criticità. Il lavoro di tesi ha cercato di perseguire gli obiettivi (i) e (ii) attraverso la realizzazione di alcune prove su modello fisico di pendio, nelle quali i diversi stadi che si attraversano fino all’innesco di una frana meteo-indotta vengono controllati e monitorati. Durante tali prove si è cercato soprattutto di caratterizzare sperimentalmente l’evoluzione della cinematica che si sviluppa prima del fenomeno di instabilità e di correlare tale evoluzione a quella delle variabili idrologiche interne alla coltre. Al fine di individuare la tecnica di monitoraggio della cinematica più idonea da adottare in un LEWS è stato progettato, realizzato, in sinergia con un’azienda esterna, a livello prototipale uno strumento ad-hoc, il “tensioinclinometro”, che consiste in un’asta in grado di misurare contestualmente la suzione all’estremità inferiore e l’inclinazione all’estremità superiore. L’attività di ricerca ha altresì analizzato il ruolo esercitato da alcuni fattori che condizionano l’evoluzione idrologica di una coltre piroclastica nel corso di uno o più anni idrologici, indagando in particolare l’influenza di due aspetti fino ad ora scarsamente considerati dalla letteratura di settore: lo spessore della coltre e la presenza di uno strato di materiale più grossolano interagente con essa. Il ruolo esercitato dallo spessore sull’evoluzione idrologica di una coltre è stato studiato attraverso simulazioni numeriche di flusso monodimensionale. Il lavoro ha ripreso il caso studio di frana meteo-indotta di Nocera Inferiore (2005) ed ha caratterizzato la relazione analitica intercorrente tra spessore della coltre e durata dell’evento piovoso critico, responsabile dell’innesco dell’instabilità. Per approfondire l’effetto della presenza in copertura di un materiale a granulometria grossolana è stata realizzata un’attività sperimentale ad-hoc, utilizzando un modello fisico di lisimetro, disponibile presso il Dipartimento di Ingegneria Civile, Edile ed Ambientale (Federico II -Napoli), adoperato per lo studio dell’interazione tra uno strato di piroclastiti limose ed uno di materiale di combustione lignea, in condizioni di flusso monodimensionali. L’effetto di materiale a granulometria grossolana collocato in posizione intermedia è stato indagato attraverso analisi numeriche di reinterpretazione del fenomeno franoso di Sarno (1998).

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