Liquefazione: cos’è e perché accade

Si denomina genericamente liquefazione una diminuzione di resistenza a taglio e/o di rigidezza causata dal­l’aumento di pressione interstiziale in un terreno saturo non coesivo (sabbia, ghiaia, limo non plastico) du­rante lo scuotimento sismico, tale da generare deformazioni permanenti significative o persino l’annulla­mento degli sforzi efficaci nel terreno (Decreto 17 gennanio 2018, Eurocodice 8-Parte 5).

I fenomeni di liquefazione avvenuti nel corso dei terremoti del passato hanno spesso dato origine a effetti macroscopici di differente natura. Vengono ricordati i seguenti casi:

 Figura 1: Affondamento di edifici nella città di Niigata (Giappone, 1964)

 Figura 2: Effetti della liquefazione del suo­lo nel grande terremoto che nel 1964 colpi’ l’Alaska.

 Figura 3: Cedimento del ponte Showa nel corso del terremoto di Niigata (Giappone,1964)

Figura 4: Cedimento della carreggiata a seguito della espansione laterale del suolo (Alaska, 1964)

E sono le cronache di terremoti passati a riportare notizie molto dettagliate di estesi fenomeni di liquefazione come quelli avvenuti durante il catastrofico terremoto del 5 febbraio del 1783 in Calabria e riportati dal Baratta (1901), il quale scrive che nella piana sud-orientale di Gioia Tauro: ”…si produssero sconvolgimenti del suolo tali da mutare in modo stabile l’aspetto del terreno…secondo la pendenza del suolo avvennero o spostamenti istantanei di masse, oppure lenti o rapidi scivolamenti dei materiali superficiali addossati al cristallino, per i quali insieme al terreno furono trasportati gli alberi secolari che vi erano impiantati, magari senza che questi subissero danno alcuno…Quest’ordine di fenomeni fu la causa precipua della produzione dei laghi”.

Figura 5: Apertura del terreno verificatasi a Polistena (Piana di Gioia Tauro) in località “Giuseppina” (Calabria, 1783).

Figura 6: Apertura di un pozzo a Polistena in località “Giuseppina”.

Per capire il fenomeno della liquefazione è importante capire le condizioni che sussistono in un deposito pri­ma di un evento sismico (Figura 7). Un deposito consiste in un insieme di particelle individuali, in contatto con le particelle adiacenti (Fig. 7a). Il peso della porzione superiore del deposito genera forze di contatto tra le particelle (Fig. 7b); tali forze forniscono stabilità e resistenza al deposito.

I depositi potenzialmente liquefacibili, sottoposti allo scuotimento sismico, tendono ad addensarsi. Tuttavia, durante un sisma, non vi è il tempo necessario per espellere l’acqua interstiziale, che resta intrappolata e impedisce l’avvicinamento delle particelle solide.

Figura 7: Meccanismo di liquefazione

Questo ha come effetto l’incremento della pressione dell’acqua interstiziale (Fig. 7c). La perdita totale della resistenza avviene quando la pressione dell’acqua arriva a eguagliare la pressione di confinamento, rendendo nulle le pressioni efficaci trasmesse attraverso le particelle solide. In queste condizioni le particelle solide perdono il contatto tra loro e il deposito si comporta come un liquido.

E’ possibile formulare il problema in termini generali prendendo in considerazione il criterio di Mohr-Coulomb, in base al quale la resistenza al taglio che può essere mobilitata su un piano normale soggetto ad una tensione normale totale σ_n è data da:

(1)

in cui φ’ è l’angolo di attrito del terreno, c è la coesione.

La liquefazione si attua quando il valore limite della tensione tangenziale τ_n tende a zero; la (1) ne stabilisce i principi indipendentemente dall’occorrenza del sisma.

Come si può osservare, il pericolo di liquefazione è tanto minore quanto maggiore è la coesione c, l’angolo di attrito φ’ e la tensione totale σ_n; tende invece ad aumentare al crescere della pressione interstiziale u. Tale fenomeno riguarda quindi i depositi superficiali di terreno incoerente o debolmente coerente, in presenza di falda acquifera.

Il potenziale di liquefazione è inoltre incrementato in maniera rilevante dalle azioni cicliche prodotte dal terremoto, che riducono il volume dei vuoti aumentando di conseguenza la pressione interstiziale.

Questo fenomeno è profondamente influenzato dal numero dei cicli Nc del terremoto, dalla densità relativa Dr e dalla granulometria del terreno. Un terreno incoerente, a parità di altri fattori, è più suscettibile alla liquefazione se possiede una bassa densità relativa; sembra inoltre che le situazioni più pericolose si verifi­chino in presenza di sabbie uniformi, con grani medio-piccoli.
Il seguente video cercherà di mostrare, in maniera semplice, ciò che accade in un terreno sabbioso saturo sottoposto a scuotamento sismico.