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Seismic Stability of Karst Sinkholes under high peak ground acceleration: a three dimensional numerical study in Barangay Dontogan, Baguio City, Philippines

Questo studio numerico tridimensionale valuta la stabilità sismica di 44 sinkhole validati nel Barangay Dontogan, Baguio City, sotto elevate accelerazioni di picco del suolo, rivelando che mentre le cavità superficiali rimangono stabili a 0,40 g, la domanda di progetto di 0,80 g innesca una biforcazione in stati di collasso e critici per le cavità con rapporti altezza-diametro pari o inferiori a 1,00, portando alla proposta di una matrice di soglia di stabilità a quattro livelli per le valutazioni della sicurezza delle fondazioni.

Autori originali: Deryl Jhon Lucas

Pubblicato 2026-09-15

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CC BY 4.0

Autori originali: Deryl Jhon Lucas

Articolo originale sotto licenza CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Questa è una spiegazione generata dall'IA dell'articolo qui sotto. Non è stata scritta né approvata dagli autori. Per precisione tecnica, consulta l'articolo originale. Leggi il disclaimer completo

Nelle aspre zone montuose delle Filippine, il terreno sotto i nostri piedi non è sempre solido. In luoghi dove l'antica pioggia ha lentamente sciolto il calcare nel corso di millenni, una rete nascosta di grotte e vuoti si forma sottoterra. Quando il tetto di uno di questi vuoti diventa troppo sottile per sostenere il peso della terra sovrastante, il terreno cede improvvisamente, creando un sinkhole (una dolina di sussidenza). Questi non sono solo buchi profondi; sono cedimenti improvvisi e catastrofici che possono inghiottire case e strade senza preavviso. Il pericolo è amplificato quando la terra trema. Un terremoto non scuote solo un edificio; scuote il terreno stesso, aggiungendo una forza ritmica e potente che può spingere un tetto roccioso appena stabile verso il collasso. Per gli ingegneri e i pianificatori urbani, la sfida è stata a lungo sapere esattamente quando quel tetto è sicuro e quando sta per cedere, specialmente in regioni dove il terreno è già noto per essere instabile.

Nella città di Baguio, una località montana nota per il suo clima fresco e il terreno scosceso, questo problema è acuto. La città sorge su una formazione di calcare fratturato e un quartiere specifico, Barangay Dontogan, detiene la più alta concentrazione di sinkhole documentati nella regione. Il codice edilizio locale prevede regole rigide per progettare strutture capaci di resistere ai terremoti, ma non offre indicazioni specifiche per edifici situati direttamente sopra queste cavità sotterranee nascoste. Per colmare questa lacuna, un ricercatore dell'Università delle Cordigliere si è rivolto alla modellazione computerizzata avanzata per simulare cosa accade quando una cavità di un sinkhole è sottoposta all'intensa scossa di un grande terremoto. Il suo obiettivo non era solo vedere se il terreno si sarebbe crepato, ma determinare il punto di rottura preciso in cui un tetto stabile diventa uno in collasso, e tradurre tali risultati in uno strumento pratico per proteggere la comunità.

Il ricercatore si è concentrato sulla geometria dei vuoti, specificamente sulla relazione tra lo spessore del suolo e della roccia che copre la cavità e la larghezza della cavità stessa. Ha creato un modello digitale tridimensionale di un foro sferico sepolto sotto uno strato di suolo e uno strato di calcare giuntato, imitando le reali condizioni presenti a Dontogan. Ha poi sottoposto questo modello a forze sismiche simulate, scalando l'intensità delle scosse per farle corrispondere alle elevate richieste sismiche della regione, che possono raggiungere livelli fino a 0,80 g. Questa è una misura dell'accelerazione del suolo, che rappresenta una forza quasi uguale alla forza di gravità stessa. Eseguendo la simulazione attraverso una gamma di diverse dimensioni delle cavità e spessori di copertura, il ricercatore ha potuto osservare come la roccia e il suolo rispondessero allo stress della scossa.

I risultati hanno rivelato un modello chiaro e piuttosto allarmante. Quando la scossa era moderata, il terreno rimaneva stabile indipendentemente dalle dimensioni del buco. Tuttavia, man mano che l'intensità del terremoto simulato aumentava, la stabilità del tetto diminuiva drasticamente. Il risultato più critico si è verificato al livello più alto di scossa progettata, dove il ricercatore ha identificato una specifica soglia geometrica. Se la copertura di roccia e suolo sopra la cavità era inferiore alla larghezza della cavità stessa, il sistema diventava criticamente instabile. In questi scenari, i modelli informatici hanno mostato che il tetto roccioso non poteva sostenere il carico, portando al collasso. Le simulazioni hanno indicato che, per le specifiche condizioni di Barangay Dontogan, un tetto che è più sottile del buco che copre è probabile che fallisca durante un evento sismico maggiore, mentre un tetto che è significativamente più spesso del buco rimane sicuro.

Per rendere utili questi complessi risultati per le decisioni quotidiane, il ricercatore ha sviluppato un semplice sistema di classificazione. Ha diviso il rischio in quattro categorie basate sul margine di sicurezza calcolato: stabile, marginale, critico e collasso. Una valutazione "stabile" significa che una fondazione convenzionale, come una normale soletta in cemento o un singolo palo, è sufficiente. Una valutazione "marginale" suggerisce che il terreno è abbastanza instabile da richiedere un supporto più forte, come micro-pali iniezionati che ancorano l'edificio profondamente nella roccia solida sotto la cavità. Una valutazione "critica" indica che il rischio è abbastanza alto da richiedere una soluzione specializzata, come una piattaforma di pali interconnessi che scavalchi interamente il vuoto. Infine, una valutazione di "collasso" significa che il terreno è troppo pericoloso per costruire, e l'unica opzione sicura è evitare il sito o trasferire il peso dell'edificio attraverso il buco verso la roccia solida molto più in profondità.

Questo nuovo quadro è stato applicato ai quarantatré sinkhole validati attualmente mappati in Barangay Dontogan. L'analisi ha dimostrato che la sicurezza di un edificio non può essere assunta sulla base della stabilità del quartiere circostante; ogni singola impronta deve essere valutata individualmente. Un sito che appare sicuro oggi potrebbe essere sull'orlo del fallimento se un grande terremoto dovesse colpire, in particolare se la geometria del vuoto sottostante lo colloca nelle zone critiche o di collasso. Lo studio conferma che l'approccio tradizionale basato sulla stabilità statica è insufficiente per questa regione; la forza dinamica di un terremoto è il fattore decisivo. Fornendo un metodo chiaro e quantitativo per valutare questi rischi, la ricerca offre ai funzionari cittadini e agli ingegneri uno strumento vitale per prevenire futuri disastri, assicurando che le nuove strutture siano costruite solo dove il terreno può davvero sostenerle.

Sintesi Tecnica: Stabilità Sismica di Sinkhole Carsici sotto Elevata Accelerazione di Picco del Suolo

Problematica
Il Barangay Dontogan a Baguio City, nelle Filippine, affronta un elevato rischio di subsidenza carsica, ospitando 44 sinkhole validati (la più alta concentrazione in un inventario regionale di 129). Questi sinkhole, con aperture che variano da 1,0 a 50,0 metri, sovrastano la formazione calcarea giurassica della formazione Kennon, caratterizzata da giunti. Sebbene il Codice Nazionale delle Strutture delle Filippine (NSCP) fornisca disposizioni di progettazione sismica per la Zona 4 (con una domanda di progetto vicino alla sorgente di circa 0,80 g - 0,83 g), esso manca di criteri specifici per valutare la stabilità delle cavità sotterranee sotto carico sismico. I sistemi esistenti di classificazione delle masse rocciose e i metodi analitici deterministici non riescono a tenere conto del comportamento non lineare tridimensionale delle masse rocciose giuntate contenenti vuoti, lasciando un vuoto normativo nel processo decisionale a livello di permessi per lo sviluppo residenziale in quest'area ad alta suscettibilità.

Metodologia
Lo studio impiega un metodo a elementi finiti (FEM) tridimensionale utilizzando PLAXIS 3D per modellare la risposta sismica di cavità carsiche sferiche.

Geometria del Modello: È stato costruito un profilo stratigrafico a due strati: un overburden di limo-argilla sabbioso/ghiaioso secondo il modello Mohr–Coulomb, che sovrasta una formazione di calcare Kennon giuntata secondo il modello Generalized Hoek–Brown. Una cavità sferica è stata inserita in modo che l'interfaccia tra calcare e overburden passasse per la metà dell'altezza della cavità.
Scansione Parametrica: È stata generata una matrice di 15 scenari incrociando cinque rapporti altezza-diametro (H/D) (0,50, 0,75, 1,00, 1,50, 2,25) con tre livelli di Accelerazione di Picco del Suolo (PGA) (0,40 g, 0,60 g e 0,80 g). Il livello 0,80 g rappresenta la domanda di progetto NSCP 2015 per il sito.
Input Sismico: L'analisi ha utilizzato un accelerogramma di serie temporale del terremoto di Luzon Mw 7,8 del 1990, scalato ai target di PGA indicati. Lo studio riconosce il limite dell'utilizzo di un singolo record invece degli 11 richiesti dall'ASCE 7-22, notando che i risultati sono specifici per il record utilizzato.
Procedura di Analisi: La simulazione ha seguito una pipeline in quattro fasi: (1) costruzione a stadi ed equilibrio statico; (2) carico dinamico nel tempo; (3) ri-equilibrio residuo post-scuotimento; e (4) estrazione del Fattore di Sicurezza Dinamico ( $\Sigma M_{sf}$ ) tramite il Metodo di Riduzione della Resistenza (SRM) allo stato di equilibrio limite residuo.
Verifica: Il modello è stato verificato per l'indipendenza dalla mesh e confrontato con studi esistenti di analisi limite 3D. Sono state eseguite verifiche di eventi discreti a PGA intermedi (0,55 g, 0,65 g, 0,75 g) per inquadrare la transizione tra stabilità e collasso.

Risultati Chiave
Lo studio ha quantificato la stabilità delle configurazioni di sinkhole sotto diverse domande sismiche:

Livello 0,40 g: Tutte le cinque configurazioni H/D sono rimaste Stabili ( $\Sigma M_{sf}$ intervallo: 1,642–1,683). Il margine di stabilità era debolmente sensibile alla geometria.
Livello 0,60 g: La stabilità è degradata significativamente. La banda $\Sigma M_{sf}$ è collassata a 1,007–1,210, rappresentando un aumento di 4,95 volte della dispersione cross-H/D rispetto al livello 0,40 g. La maggior parte delle configurazioni è entrata nelle zone Marginale (1,10–1,30) o Critica (1,00–1,10).
Livello 0,80 g (Base di Progetto): La scansione si è biforcata in due rami distinti:
- Ramo di Collasso: Due configurazioni sono fallite. H/D = 0,50 ha causato un collasso dinamico ( $\Sigma M_{sf}$ = 0,9313). H/D = 1,00 è fallito durante la Fase 1 statica (collasso pre-empted, $\Sigma M_{sf}$ = 0,9092), confermato come indipendente dalla mesh.
- Ramo Critico: Tre configurazioni (H/D = 0,75, 1,50, 2,25) sono rimaste marginalmente stabili ma critiche, con valori $\Sigma M_{sf}$ compresi tra 1,001 e 1,006.
Soglie Identificate: Lo studio identifica una soglia meccanica di $\Sigma M_{sf}$ = 1,00 e un intervallo geometrico critico di H/D $\le$ 1,00 alla domanda di progetto di 0,80 g. La transizione dalla stabilità al collasso avviene tra 0,75 g e 0,80 g.

Contributi e Output
Il contributo primario è lo sviluppo di una Matrice di Soglia di Stabilità su misura per il Barangay Dontogan. Questo strumento traduce le soglie astratte ( $\Sigma M_{sf}$ = 1,00 e H/D = 1,00) in quattro verdetti azionabili mappati su raccomandazioni fondatizie:

Stabile ( $\Sigma M_{sf} \ge$ 1,30): Fondazioni superficiali convenzionali o pali singoli.
Marginale (1,10 $\le$ $\Sigma M_{sf}$ < 1,30): Fondazioni con micro-pali iniettati.
Critica (1,00 $\le$ $\Sigma M_{sf}$ < 1,10): Platea di micro-pali o evitamento.
Collasso ( $\Sigma M_{sf}$ < 1,00): Evitamento della costruzione o trasferimento del carico ingegnerizzato attraverso il vuoto verso la roccia competente.

La matrice è stata applicata ai 44 sinkhole validati nell'inventario, fornendo uno strumento di screening specifico per sito e per impronta a terra, andando oltre la zonizzazione qualitativa.

Significato e Rivendicazioni
L'articolo sostiene di colmare un critico vuoto normativo fornendo il primo strumento di supporto decisionale quantitativo e specifico per il rischio sismico relativo ai sinkhole carsici nelle Filippine. Dimostra che la domanda sismica, piuttosto che l'overburden statico, governa la stabilità dei tetti superficiali carsici in questa regione; configurazioni che appaiono stabili in condizioni statiche possono fallire sotto un elevato PGA. Lo studio sottolinea che i margini di stabilità alla domanda di progetto (0,80 g) sono esigui, rendendo necessaria una verifica numerica individuale per ogni impronta edilizia proposta, anziché affidarsi alla stabilità storica del terreno circostante. L'autore pone la Matrice di Soglia di Stabilità come un potenziale modulo per future edizioni dell'NSCP, offrendo un ponte tra le mappe di suscettibilità qualitativa del MGB-CAR e i requisiti quantitativi per ingegneri strutturisti e funzionari edilizi. L'autore mantiene la modestia riguardo alla generalizzabilità dei risultati, notando che le soglie sono specifiche per il record utilizzato e calibrate sulla specifica geologia del Barangay Dontogan, richiedendo ricalibrazione per altri contesti carsici.

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