Inferences on modeling rainfall-induced shallow landslides from experimental observations on stratified soils

In this work, we analyzed the results of different soil laboratory tests performed in a flume test apparatus with the aim to describe and quantify some particular aspects of the modelling of soil slip phenomena. In particular, we analyzed the influence, in terms of slope stability, of the thickness of two strata (a cohesive one and a not cohesive one) composing the slope model. To simulate the presence of cohesion, a partially saturated sand was employed, while the same sand but in dry conditions was used to reproduce the not cohesive stratum. The so-constituted slope laboratory model was then submitted to tilting tests, and in each test the thickness of these layers has been varied in order to investigate the influence of this parameter on slope stability. The obtained results have been used to calibrate several parameters and verify specific assumptions of SLIP, a simplified physically-based and well-tested model for the prediction of shallow landslides occurrence.

Le frane superficiali indotte da pioggia (quali soil slips o debris-flows) sono una tipologia di movimento franoso che può coinvolgere i primi 2-3 metri di terreno, in genere rappresentato da coltri di alterazione eluvio-colluviali. Tali fenomeni costituiscono un serio rischio per le attività antropiche se si considerano sia le elevate velocità che si possono raggiungere durante la fase di trasporto che gli ingenti volumi di terreno che possono essere mobilizzati per effetto dell'erosione sul fondo del canale. Per questo motivo, negli ultimi anni sono stati dedicati molti sforzi all'elaborazione di tecniche e metodologie funzionali alla predizione spazio-temporale di questi eventi. Tra le nuove metodologie in fase di sviluppo, rivestono particolare importanza i cosiddetti modelli numerici fisicamente basati. Tali modelli tentano di riprodurre i processi fisici che conducono all'instabilità mettendo in relazione pioggia, pressione interstiziale e condizioni di resistenza del terreno. In particolare, molti di questi modelli adottano uno schema di pendio infinito per bilanciare le forze agenti e resistenti sul volume di terreno, usando un modello di infiltrazione per determinare gli effetti della pioggia sulle variazioni di pressione interstiziale. Oltretutto, questo tipo di modelli, tenendo conto della variabilità spaziale dei parametri coinvolti (es: caratteristiche fisico-meccaniche del terreno, intensità di pioggia), possono risultare particolarmente utili per predire l'occorrenza di frane superficiali alla scala di bacino. Tuttavia, l'utilizzo di questi strumenti non sempre consente di risalire alle reali condizioni di innesco, perlopiù a causa della complessità del fenomeno simulato e dell'ingente numero di parametri in esso coinvolto. Tra i vari aspetti che necessitano di essere approfonditi, c'è anche quello del contributo alla stabilità del terreno per effetto della coesione apparente indotta dalla matrice di suzione presente in condizioni non sature. Tale effetto non può non essere preso in considerazione, soprattutto nel caso di terreni caratterizzati da una granulometria limoso-argillosa. Sebbene in letteratura esistano alcuni metodi e formule empiriche per caratterizzare la resistenza di un terreno in condizioni non sature, allo stato attuale sono ben pochi gli studi inerenti l'analisi delle condizioni idraulico-meccaniche basati su osservazioni reali. Da questo punto di vista, alcuni autori hanno evidenziato come la modellazione fisica di laboratorio su modelli di pendio in scala possa rappresentare uno strumento estremamente utile per questa tematica. Tuttavia, solo in pochissimi casi si è tentato di utilizzare i risultati sperimentali per validare e/o migliorare modelli numerici fisicamente basati dedicati alla predizione dell'innesco di frane superficiali alla scala di bacino. Pertanto, l'obiettivo di questo lavoro è quello di verificare, attraverso prove sperimentali di laboratorio, alcune assunzioni di SLIP (Shallow Landslides Instability Prediction), un modello numerico fisicamente basato finalizzato alla predizione di frane superficiali indotte da pioggia. Nello specifico il modello calcola le condizioni di stabilità, espresse in termini di Fattore di Sicurezza (FS), simulando il processo di saturazione del suolo per effetto di uno specifico input di pioggia e tenendo specificatamente conto del contributo alla resistenza indotto dalla parziale saturazione del terreno per effetto delle piogge antecedenti. Sono stati quindi analizzati i risultati di differenti prove effettuate su un profilo di terreno ricostituito all'interno di una canaletta sperimentale, con l'obiettivo di descrivere e quantificare alcuni aspetti particolari concernenti la modellazione del processo di innesco. Nello specifico, è stata analizzata l'influenza sull'insorgere dell'instabilità dello spessore di due differenti strati presenti all'interno del profilo di terreno, di cui uno dei due caratterizzato da un comportamento coesivo. Per simulare l'effetto della coesione, è stato infatti utilizzato uno strato di sabbia parzialmente saturo, mentre la stessa sabbia (ma in condizioni asciutte) è stata utilizzata per realizzare il secondo strato. Il modello di pendio così costituito è stato sottoposto a differenti tilt tests, e in ciascuna prova è stato variato lo spessore degli strati in modo tale da verificare l'influenza di questo parametro sulle condizioni di stabilità. I risultati ottenuti sono stati quindi utilizzati non solo per corroborare alcune assunzioni del modello, ma anche per verificare la relazione matematica proposta dal modello stesso, e che lega resistenza del terreno e spessore degli strati attraverso il parametro della coesione apparente.