Appunti del corso di frane e stabilità dei pendii

Frane e stabilità dei pendii

Appunti del Corso del prof. Venanzio Greco

Iovine Maria Teresa

CdL Magistrale in Scienze Geologiche

A.A. 2020/2021

Corso di Frane e Stabilità dei pendii, A.A. 2020/2021

Introduzione al corso

Il corso di Frane e Stabilità dei Pendii risulta in alcuni casi riferito a Geotecnica, in altre annate è stato incluso nel settore Geo/05, settore della Geologia Applicata: la questione di appartenenza a questo ramo è lecita, in quanto delinea il taglio che deve essere dato al corso. Questo ne esalta gli aspetti geologici, a dispetto di quelli prettamente computazionali. La geologia applicata è quella disciplina che affronta le problematiche geologiche connesse alla progettazione e alla realizzazione delle opere di ingegneria civile, architettura e ing. ambientale. Non a caso, il nome originario era Geologia applicata all’ingegneria. Il nostro corso di Frane e Stabilità dei Pendii consta 6 CFU e analizza le questioni connesse al dissesto idrogeologico, dal punto di vista geologico, ed introduce alle tematiche inerenti ai metodi di analisi di stabilità dei pendii.

Il corso, dunque, tratta aspetti specialistici della geologia applicata: la nostra disciplina va intesa come una geologia applicata alle frane e alla stabilità dei pendii. Le frane possono forse essere intese come una questione inerente alla geomorfologia; tuttavia, il modo di approcciarsi alle frane da parte di un geomorfologo è diverso da quello di un geologo applicato o da un ingegnere geotecnico:

• Per il geomorfologo, una frana è un processo di modellamento della crosta terrestre;
• Per il geologo applicato, la frana è un evento la cui pericolosità ed effetti vanno contenuti o annullati, ed è questo il fine dei suoi studi attraverso l’adozione di opportuni provvedimenti. Le finalità dello studio sono dunque fondamentalmente diverse da quelle del geomorfologo.

Fondamentali per lo sviluppo di questo corso, sono le conoscenze di geognostica: non può essere condotto uno studio serio di una frana se non sono note le caratteristiche geotecniche dei materiali, che vanno indagate con adeguate indagini geognostiche. Il corso di geognostica attualmente è di tre CFU, inglobato nel corso di geologia tecnica: avremo quindi necessità di approfondire i concetti di meccanica dei terreni, di geotecnica, soprattutto per quanto concerne la resistenza a rottura dei terreni in prove di laboratorio.

La frana non è altro che un fenomeno di rottura in grande scala, che in qualche modo può essere simulato in laboratorio in piccola scala. Sulla stabilità dei pendii, importanti sono anche gli effetti sismici: i carichi sismici e i connessi processi di variazione delle pressioni neutre, ossia delle pressioni delle acque contenute nei terreni, le falde idriche, sono responsabili della maggior parte delle frane. Ancora più frequenti, sono le frane provocate dalle pressioni neutre dovute alle variazioni delle condizioni idrologiche del sottosuolo e dalla connessa distribuzione delle pressioni dell’acqua: quest’ultima problematica non è di carattere idrogeologico, come potrebbe sembrare.

L’idrogeologia è una disciplina anch’essa facente parte del gruppo di geologia applicata, ma che studia gli acquiferi con altri fini, per poterli sfruttare ad uso antropico. In idrogeologia, l’acqua è vista in modo positivo. Per noi, l’acqua provoca uno stato di pressione idrica, riduce la resistenza del terreno e avvicina le sue condizioni a quelle di collasso: la gran parte delle frane è infatti dovuta agli effetti dell’acqua.

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Oggi, lo studio delle frane non può essere portato avanti se non impiegando strumenti, che vanno da quelli semplici di carattere meccanico e idraulico, a strumentazioni più sofisticate che impiegano apparecchiature elettroniche, sensori per rilevare eventi o misurare spostamenti, reti di comunicazione e preallarme per preannunciare eventi calamitosi, e così via.

Argomenti del corso

Le rocce sciolte

La prima parte del corso sarà dedicata ad approfondimento nel campo della meccanica dei terreni, che è la condizione essenziale per affrontare la questione di stabilità dei pendii, in termini di geologia tecnica e non in termini naturalistici. Partiamo con l’esame prima generale e poi sempre più particolareggiato delle rocce sciolte, che in meccanica dei terreni si preferisce chiamare terre o terreni.

Questi materiali sono prodotti della degradazione chimica e fisica delle rocce lapidee e ricoprono la superficie della Terra, per cui quasi tutte le opere da edificare vengono costruite su queste formazioni.

Le terre e i terreni sono formate da granuli solidi cristalli di forma, dimensione e composizione mineralogica molto varia, e talvolta da sostanze organiche.

• Si dice terra il materiale formato da granuli o da particelle di roccia non legati tra loro o, se apparentemente legati, separabili per mezzo di modeste azioni o dopo una prolungata immersione in acqua. Viene definito anche roccia sciolta in quanto si disgrega.
• Il terreno è la terra nella sua sede naturale, quindi ritrovata in posto. Se rimosso per farne un rilevato, viene chiamato terra.

I due termini sono però confusi tra loro, ad esempio nei termini di spinta di terra/di terreno sui muri di sostegno.

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L’insieme dei granuli viene spesso detto “scheletro solido”, termine proprio della Geotecnica.

I granuli sono separati tra loro da vuoti intergranulari, riempiti da aria, acqua o entrambe e spesso l’aria contiene vapore acqueo. In generale, i granuli di una terra non sono legati tra loro o cementati: se ci sono questi legami, parliamo di rocce lapidee. Queste considerazioni sono specifiche dell’ingegneria civile e ambientale e non coincidono con quelle che si danno in altre discipline teoriche e applicate.

I materiali della geotecnica

I materiali della geotecnica: le ghiaie, le sabbie, il limo, l’argilla e i terreni organici.

• La ghiaia ha dimensioni superiori a 2 mm e inferiori di 6 cm. I granuli in foto hanno subito un trasporto, che ha smussato le asperità e li ha resi di forma grossolanamente sferica. Sono composti da minerali e rocce di vario tipo, da quarzo, gneiss, granito, calcare o altre rocce.
• Se questo materiale subisce una frantumazione, quindi i granuli si riducono di dimensione, diventano una sabbia, con diametro inferiore ai 2 mm fino a sabbie più sottili di diametro di 62 micron. Le sabbie sono in genere composte prevalentemente da quarzo, per il fatto che nelle vicissitudini che hanno subito, gli altri materiali ad eccezione del quarzo, hanno subito processi di alterazione che li hanno fatti scomparire. Ci sono però delle eccezioni:
  • Sulla costa tirrenica calabrese, dove le sabbie si sono formate ad opera di fiumi che hanno avuto un breve percorso e quindi una ridotta capacità di rielaborazione delle sabbie, queste sulla costa contengono frammenti di gneiss, filladi e in misura minore quarzo.
  • Ci sono poi le sabbie calcaree che provengono dalla disgregazione di ammassi calcarei come la sabbia nella foto.
• Se la sabbia subisce un’ulteriore frammentazione forma il limo, che ha diametro minore di 62 micron fino a 4/5 micron. Da un punto di vista mineralogico, non c’è molta differenza tra sabbie e limi, tuttavia questi ultimi per le loro dimensioni alquanto minori rispetto alle sabbie, posseggono proprietà differenti e hanno un aspetto saponoso.
• Con dimensioni minori vi sono le argille, che però non provengono dalla frammentazione del limo, ma hanno tutta altra origine, in quanto costituite da minerali di fillosilicati.
• Ci sono poi i terreni organici, torbe, molto ricchi di materia organica e con la capacità di assumere e trattenere grandi quantitativi di acqua e risultano molto cedevoli, riducendosi anche del 50% quando viene sottoposta a carico. Da un punto di vista applicativo e della costruzione di opere civili, le torbe sono materiali complessi e pericolosi.

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Entriamo nel dettaglio: contatto tra i granuli

Il quarzo costituisce gran parte delle sabbie: nell’immagine è illustrata la superficie di contatto tra due granuli, di dimensioni molte ridotte. Le forze che si scambiano avvengono quindi su superfici piccole, il che determina delle notevoli pressioni che a volte superano la resistenza a rottura del materiale: le asperità vengono quindi tranciate e i granuli assumono rapidamente forma rotondeggiante, che li ripara da ulteriori rotture.

Nell’immagine a sinistra vediamo invece delle particelle di caolino, fillosilicato che si origina per alterazione dell’ortoclasio, formato da foglietti di spessore di 0.7 nm, ognuno costituito da uno strato di ottaedri ed uno di tetraedri. I foglietti sono disposti in pacchetti dello spessore di 1/10 di micron e la larghezza di 0.5-1 micron, fino anche a 5 micron.

Anche l’illite è un fillosilicato, le cui particelle sono più sottili, così come lo sono le particelle di montmorillonite, che appartengono alle smectiti e che sono originate da ceneri vulcaniche alterate da fenomeni idrotermali, oppure dal disfacimento di rocce eruttive povere di silice.

L’acqua

Nel terreno è quasi sempre presente l’acqua, formata da molecole composte da due atomi di idrogeno e da uno di ossigeno. Gli atomi di idrogeno si dispongono in modo tale che le loro congiungenti con l’atomo di ossigeno formino un angolo di circa 104°.

La molecola dell’acqua è elettricamente neutra, ma poiché l’ossigeno è maggiormente elettronegativo rispetto all’idrogeno, gli elettroni si spostano dalla parte di O, venendo a formare un dipolo, in cui la carica elettrica positiva è spostata dalla parte degli idrogeni e quella negativa dalla parte dell’ossigeno. Di conseguenza, la molecola d’acqua viene schematizzata come un dipolo, ossia un corpo in cui la carica −/+ è su un capo della molecola, la carica al capo opposto.

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Differenti vesti dell’acqua nel sottosuolo

Consideriamo un granulo di terreno costituito da un frammento di roccia, ad esempio ghiaia, sabbia o limo.

• Sulla sua superficie vi è sempre una distribuzione, seppur tenue, di cariche elettriche. A queste cariche, si legano le molecole dipolari di acqua, formando uno strato dello spessore di circa 0.1 micron, che dipende dalla densità di carica superficiale del granulo e dal grado di umidità dell’aria. Quest’acqua, che si chiama acqua igroscopica o di adsorbimento è legata a granuli con tensioni medie di 50/100 kg/cm², ma che possono arrivare anche ad alcune centinaia di migliaia di kg/cm². L’acqua di adsorbimento, pertanto, non può essere spostata allo stato liquido e, per essere eliminata, deve essere sottoposta a riscaldamento, trasformandola in vapore.
• Lo strato igroscopico è circondato da uno strato di acqua pellicolare, dello spessore di 1-2 micron. Le molecole di questo strato sono più lontane dalla superficie del granulo e perciò sono legate meno saldamente e possono scorrere sulla superficie del granulo, ad esempio per attrazione di altre molecole dello strato pellicolare. Tale strato pellicolare non può essere rimosso dalla gravità, ma può essere eliminato per centrifugazione, come se si applicasse una forza di gravità molto maggiore rispetto quella reale.

Lo strato di adsorbimento o igroscopico e quello pellicolare, insieme sono definiti acqua di ritenzione, che è quella parte di acqua non rimovibile e che non consente di trasmettere tensioni idrostatiche. L’acqua di ritenzione non è biologicamente utilizzabile dall’apparato radicale della vegetazione.

• Se consideriamo un insieme di grani vicini tra loro, vediamo che in prossimità dei punti di contatto si stabilisce l’acqua capillare, che occupa le fessure di spessore da 1-2 micron fino a circa 2,5 mm, ed è trattenuta da forze di natura elettrica dovute alla tensione superficiale. Tale acqua, pur non risentendo delle forze gravitazionali, trasmette le pressioni idrostatiche all’interno del mezzo poroso. Può inoltre evaporare per riscaldamento e parzialmente essere assorbita dagli apparati radicali delle piante.
• All’aumentare del diametro dei micropori, diminuiscono le forze di tensione superficiale, per cui l’acqua non viene trattenuta per capillarità ma risulta soggetta alla forza di gravità: tale volume d’acqua viene chiamata acqua gravifica e può essere liberata per sgocciolamento, rappresentano l’acqua mobilizzabile che circola negli acquiferi sotto l’azione dei carichi piezometrici.

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La superficie specifica

L’acqua di ritenzione si posiziona, dunque, sulla superficie del granello. Ovviamente, terreni con maggiore superficie a parità di volume, hanno una maggiore quantità di acqua di ritenzione. Possiamo quindi fare riferimento alla superficie specifica, rapporto tra la superficie S ed il volume del granulo V.

Facendo riferimento ad una sfera e sostituendo ad S e V le sue espressioni, dove r è il raggio del granulo, avremo che s = 6/D dove D è il diametro del granulo.

La superficie specifica è quindi inversamente proporzionale al diametro della particella: da qui anche l’acqua di ritenzione è inversamente proporzionale al diametro del granulo.

Se passiamo da un D = 10 mm, che corrisponde a una ghiaia, a uno di D = 10 micron, corrispondente a un limo, possiamo dire che la superficie specifica e, quindi, l’acqua di ritenzione aumenta di 1000 volte. Ne consegue che le forze elettriche di superficie derivanti dalla presenza dell’acqua di ritenzione influenzano molto fortemente il comportamento delle terre a grana fine, come limi e argille, con granuli di dimensioni microscopiche, mentre sono generalmente trascurabili nelle terre a grana grossa, ghiaie e sabbie.

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I minerali argillosi

Per i minerali argillosi, l’acqua di ritenzione che avvolge le particelle di terreno gioca un ruolo estremamente importante. Contrariamente a ghiaia, sabbia e limo i cui granuli hanno una forma grossolanamente sferica o ellissoidale, i minerali argillosi hanno una forma appiattita, con spessori variabili da qualche decimo ad alcuni centesimi della dimensione media del piano di sviluppo.

Se consideriamo una singola particella di argilla, rileviamo che la disposizione geometrica dei vari ioni che compongono i pacchetti di argilla conferisce una forte carica negativa alla sua superficie. Infatti, i piani reticolari sono costituiti da ioni O o ossidrili OH, mentre gli ioni metallici Silicio e Alluminio carichi positivamente occupano posizioni interne. Inoltre, in alcuni minerali argillosi si possono avere sostituzioni isomorfe di ioni metallici con altri a più bassa valenza: le più frequenti sono Al al posto di Si ed Mg al posto di Al. Ciò determina un aumento della carica negativa. Al contrario, i bordi della particella, dove vi è un’interruzione del reticolo cristallino, sono carichi positivamente.

Le cariche elettriche esistenti sulla superficie e sui bordi delle particelle conferiscono alle particelle stesse la capacità di interagire sia fra loro che con l’acqua interstiziale e con gli ioni in essa disciolti. Tutto questo ha come conseguenza importanti modi di aggregazione tra particelle e si riflette sulle caratteristiche meccaniche dei minerali argillosi.

Complessi di ritenzione delle argille

Lo spessore dell’acqua di ritenzione che avvolge le particelle di argille è approssimativamente lo stesso per tutti i minerali argillosi. Tuttavia, a causa delle dimensioni dei vari cristalli di fillosilicati, l’effetto è completamente diverso. Nello schema vediamo una particella di caolinite, che tipicamente possiede una larghezza di 1000 nm e uno spessore di circa 100 nm, avvolta dal suo strato di acqua di ritenzione e una particella di montmorillonite che mediamente ha una larghezza di 100 nm e uno spessore di 1 nm, anch’essa avvolta nel suo strato di acqua di ritenzione.

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A sinistra in basso abbiamo uno schema di assembramento di particelle di caolinite e a destra un analogo assembramento di montmorillonite.

Come è evidente, nel caso della montmorillonite le particelle sono mantenute a maggiore distanza tra loro, per la presenza dei complessi di ritenzione che, in questo caso, assumono maggiore rilevanza relativa: come conseguenza, la montmorillonite risulta maggiormente compressibile rispetto alla caolinite, si gonfia maggiormente e ha un minore angolo di attrito, in quanto le particelle hanno maggiore facilità a scorrere tra di loro.

Strutture elementari delle argille

Nella formazione della microstruttura di un’argilla, l’aggregazione dei granuli dipende non tanto dalle dimensioni, ma soprattutto dalle mutuazioni di natura chimica e, quindi, dalle caratteristiche dell’ambiente.

Durante la deposizione, i granuli argillosi si scambiano delle azioni repulsive, la cui entità dipende dalla quantità di carica negativa diffusa sulla superficie e in vicinanza di essa. Forti azioni repulsive determinano la formazione di una struttura dispersa, in cui le particelle non sono in contatto ed interagiscono solo tramite i complessi di adsorbimento. La struttura dispersa è tipica delle argille che si formano per deposizione.