ESPOSIZIONE A SOLUZIONI DI KCL PER LA RIDUZIONE DEL CREEP DELLE ARGILLE

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1 ESPOSIZIONE A SOLUZIONI DI KCL PER LA RIDUZIONE DEL CREEP DELLE ARGILLE Dario Michele Pontolillo, Jacopo De Rosa, Caterina Di Maio, Vincenzo Caputo Università degli Studi della Basilicata dario.pontolillo@unibas.it Sommario I risultati sperimentali presenti nella letteratura geotecnica mostrano che la riduzione di concentrazione di sodio nella soluzione interstiziale dei terreni argillosi di origine marina produce riduzione di resistenza a taglio e aumento di velocità di scorrimento sotto azioni orizzontali costanti, a tensioni efficaci normali anch'esse costanti. E' altresì noto che l'esposizione a soluzioni concentrate di KCl delle argille sodiche con soluzioni interstiziali diluite produce un veloce, notevole e permanente aumento di resistenza a taglio. In questo lavoro si indaga l'influenza dell'esposizione a KCl sull'evoluzione temporale degli scorrimenti che si verificano nella fase terziaria di creep da taglio. L indagine è stata eseguita su provini dell'argilla di Costa della Gaveta (PZ) ricostituiti con soluzioni di NaCl e portati al residuo mentre immersi nella stessa soluzione. Successivamente, dopo l esposizione ad acqua distillata, alcuni provini hanno continuato a subire il taglio a velocità di scorrimento controllata e, raggiunta la resistenza residua in acqua, sono stati esposti a soluzioni di KCl; altri provini sono stati sottoposti ad azioni di taglio costanti, prossimi alla resistenza del materiale, provocando così una fase di creep secondario o terziario. In questa fase, l'esposizione a soluzioni concentrate di KCl ha ridotto la velocità di scorrimento orizzontale fino ad annullarla. 1. Introduzione L unità di ricerca dell Università della Basilicata studia da molti anni il comportamento idro-chemomeccanico della colata di Costa della Gaveta (PZ); i principali risultati sono stati recentemente sintetizzati da Di Maio et al. (17). Gli studi sulla composizione del fluido interstiziale dell argilla hanno mostrato che questo è una soluzione salina a concentrazione variabile lungo la verticale da quella tipica dell acqua marina, che si rinviene a profondità più o meno elevate, a valori trascurabili negli orizzonti superficiali. Di Maio et al. (15) hanno discusso la possibilità che la riduzione di concentrazione ionica rispetto a quella originaria e il relativo gradiente chimico possano essere fra le cause del decadimento meccanico dei terreni in frana e anche delle lente deformazioni a tensioni efficaci praticamente costanti che si registrano, con velocità diverse, sia nel corpo di frana che sulla superficie di scorrimento. I risultati sperimentali mostrano che l esposizione ad acqua di provini preparati con soluzioni concentrate di cloruro di sodio porta ad una evoluzione degli spostamenti simile a quella delle tre fasi del creep: primaria, secondaria e terziaria fino a rottura. Il fenomeno è stato studiato da Di Maio e Scaringi (16) per il caso di una montmorillonite sodica. Gli Autori hanno evidenziato gli effetti provocati da variazioni di composizione del fluido interstiziale sugli scorrimenti lungo una superficie di rottura in condizioni residue. I materiali erano stati ricostituiti con soluzioni di NaCl a diverse concentrazioni e tagliati a velocità costante fino al residuo in assenza di gradienti chimici. Raggiunta la resistenza residua τ r, i provini in soluzione sono stati sottoposti a sforzi di taglio τ<τ r, inducendo così trascurabili spostamenti di tipo primario. Al termine di questa fase, i provini sono stati esposti ad acqua distillata, inducendo così scorrimenti con velocità crescente nel tempo fino a

2 valori tipici di rottura. Il fenomeno è stato attribuito alla riduzione di resistenza causata dalla diminuzione della concentrazione ionica nel fluido interstiziale, a sua volta provocata dalla diffusione ionica dai pori verso il fluido di cella. Le prove di creep sono state condotte su provini pretagliati al residuo non soltanto per indagare il comportamento viscoso delle frane attive ma anche perché lo stato residuo è la condizione ideale per valutare l influenza di qualsiasi parametro sul comportamento a taglio. Il residuo può infatti essere considerato uno stato stazionario in cui il terreno si può ipotizzare scorrere in modo continuo, a volume costante, senza variazioni di struttura e sotto forze interparticellari normali e tangenziali medie costanti. Da alcuni mesi sono in corso prove su materiali intatti che mostrano comportamenti simili a quelli in condizioni residue (Pontolillo et al., 16). Si sta anche analizzando la possibilità di arrestare un processo di creep in atto mediante esposizione a soluzioni concentrate di KCl. Per valutare questa possibilità, sono state eseguite le prove descritte nel prosieguo. 2. Materiali e metodi La sperimentazione è stata effettuata sui terreni campionati nella zona di testa della frana di Costa della Gaveta. Questi sono caratterizzati da una frazione argillosa compresa fra 35% e % e costituita da illite-muscovite, caolinite e smectite. Il materiale presenta valori del limite di liquidità w L = 71% con acqua distillata e w L = 66% con soluzione 1M NaCl. Per la determinazione della resistenza residua e del creep da taglio sono state utilizzate apparecchiature tipo Casagrande in modo convenzionale per le prove a velocità controllata (v = 5 µm/min) e opportunamente modificate per le prove di creep. Le prove sono state eseguite sul materiale preparato con, e inizialmente immerso in, soluzione 1 M di NaCl. Il fluido di cella è stato sostituito nel corso della prove con acqua distillata e con soluzione concentrata di KCl per valutare gli effetti del fluido interstiziale sulla resistenza e sulla velocità di scorrimento sotto azioni costanti. 3. Risultati 3.1 Prove di taglio a velocità controllata Due provini, preparati con soluzione 1 M di NaCl ed inizialmente immersi nella stessa soluzione, sono stati consolidati a due differenti livelli tensionali (σ' n = kpa e σ' n = kpa) e sottoposti a cicli continui di taglio in apparecchiatura Casagrande reversal, fino al raggiungimento delle condizioni residue (Fig. 1). Sono stati quindi esposti ad acqua distillata, favorendo così un processo di diffusione ionica dal provino verso l'esterno. La riduzione di concentrazione del fluido interstiziale ha prodotto un notevole decadimento di resistenza. Nelle Figg. 1 e 2 si riportano i risultati nel piano τ-scorrimento e nel piano di Mohr. Come si può osservare, i risultati possono essere interpretati in termini di angolo di attrito residuo ϕ r che diminuisce da 12 in soluzione a circa 8 in acqua distillata. Per invertire il processo di decadimento meccanico, l'acqua di cella è stata sostituita con una soluzione 1 M di KCl. L'esposizione ha provocato un rapido incremento di resistenza, portando a un valore di angolo d'attrito residuo di circa, molto maggiore di quello precedentemente ottenuto con la soluzione di NaCl. 3.2 Prove miste a velocità controllata e a forza di taglio controllata Due provini sono stati sottoposti a taglio nell apparecchiatura Casagrande, conducendo alternativamente prove a velocità di scorrimento controllata e a forze di taglio controllate. Nella prima modalità, si è adottata una velocità costante (v = 5 µm/min), pertanto i risultati possono essere rappresentati anche con riferimento ai tempi, permettendo così di analizzare unitariamente le due condizioni di taglio, come mostrato in Fig. 3.

3 1 1 M NaCl acqua distillata taglio manuale a) I12-A1 ; σ'n = kpa M NaCl acqua distillata taglio manuale σ'n= kpa I12-R1 ; σ' n = kpa Fig. 1. Diagrammi τ-scorrimento di provini ricostituiti con, e inizialmente immersi in, soluzione 1 M NaCl, esposti ad acqua e poi a soluzione. b) I12 (prof m) 1 M NaCl ϕ' r = 12 acqua distillata esposizione a. acqua distillata.. ϕ' r = 8, σ' n (kpa) ϕ' r = acqua distillata esposizione a.. ϕ' r = 8, σ'n (kpa) Fig. 2. Resistenza residua a taglio τ r in funzione della tensione normale efficace σ n con diversi fluidi interstiziali.

4 La Fig. 3 riporta i risultati relativi a un provino (C2) ricostituito con soluzione 1M NaCl, tagliato fino al residuo mentre era immerso nella stessa soluzione e quindi sottoposto ad azione orizzontale costante, modificando ad hoc l apparecchiatura. E stata applicata una tensione orizzontale media τ = 3 kpa successivamente incrementata a 35 kpa e la soluzione di cella è stata sostituita con acqua distillata rinnovata frequentemente. La conseguente diffusione ionica dall interno del provino verso l esterno ha favorito gli scorrimenti riportati in figura. A circa 5 giorni dall inizio della prova, l acqua distillata di cella è stata sostituita con soluzione. Con questa operazione, la velocità di scorrimento si è ridotta a valori trascurabili. Il successivo passaggio al taglio a velocità controllata ha mostrato che in effetti l'esposizione al sale aveva fatto molto aumentare la resistenza a taglio I fase II fase III fase 1 M NaCl τ app = 3 kpa acqua distillata τ app = 35 kpa I12-C2 ; σ'n = kpa Fig. 3. Evoluzione temporale di tre fasi di una prova di taglio: I fase: resistenza residua in una prova di taglio diretto a velocità di scorrimento controllata (v=5 µm/min) dell argilla ricostituita con soluzione 1M NaCl e immersa nella stessa soluzione; II fase: taglio a forza orizzontale controllata e contemporanea esposizione a acqua distillata prima e poi a soluzione 1 M di KCl; III fase: taglio a velocità controllata con esposizione a KCl. L effetto dell aumento di concentrazione ionica sulla velocità di scorrimento è più evidente nella Fig. 4 che si riferisce a un altro provino dell'argilla di Costa della Gaveta (C3) che è stato pretagliato al residuo mentre era in soluzione e sottoposto a successivi incrementi di τ durante la successiva esposizione ad acqua distillata per circa giorni. In corrispondenza di una tensione orizzontale τ = 38 kpa, l'acqua di cella è stata sostituita con una soluzione molto diluita di un polisaccaride secreto dalle radici della pianta Salvia Hispanica che è in fase di studio per il miglioramento bio-chimico del terreno. Per valutare gli effetti di questa soluzione, dopo circa 15 giorni il provino è stato portato in modalità di taglio a velocità controllata e sono state registrate le resistenze riportate in figura. Si è quindi ritornati alla modalità a forze controllate, applicando uno sforzo orizzontale medio inizialmente pari alla resistenza registrata e successivamente incrementato progressivamente. Questo ha provocato un fenomeno molto veloce che rappresenta la parte finale della curva di Fig. 4 e viene ripreso in Fig. 5 per una descrizione più dettagliata. La figura mostra gli effetti dei successivi incrementi di forza orizzontale corrispondenti a tensioni medie τ = 3 kpa, 35 kpa e kpa fino alla fase terziaria del creep. Come mostra la Fig. 5, in corrispondenza dell'applicazione dell'ultimo stato tensionale, si è registrata una brusca accelerazione degli scorrimenti orizzontali. Nell'istante indicato dalla freccia, l'acqua di cella è stata sostituita con una soluzione 1 M di KCl. Si è registrata dapprima una leggera riduzione di velocità e successivamente, immettendo una soluzione satura, una rapida decelerazione degli spostamenti. Anche l'andamento dei cedimenti in funzione del tempo segnala gli effetti molto veloci dell'esposizione al sale. La Fig. 6, che riporta i risultati dei due tipi di taglio in funzione del tempo, mostra il confronto fra le fasi finali delle prove di Fig. 1a e Fig. 3, relative all'esposizione alla

5 soluzione concentrata di KCl. E' interessante osservare che a circa due settimane dall esposizione alla soluzione si è ottenuto lo stesso incremento di resistenza sia nella prova a velocità di scorrimento controllata che in quella a forza di taglio controllata. Questo induce a ipotizzare che nel corso della prova di creep sul provino C2 si sia verificato un aumento di resistenza a taglio analogo a quello registrato per il provino A1 e che questo incremento abbia progressivamente ridotto la velocità di scorrimento I fase 1 M NaCl acqua distillata mucillagine τ = 3 kpa II fase I12-C3 ; σ'n = kpa τ = 35 kpa τ = 38 kpa III IV fase KCl Fig. 4. Evoluzione temporale di quattro fasi di una prova di taglio: I fase: resistenza residua in una prova di taglio diretto a velocità di scorrimento controllata (v=5 µm/min) dell argilla ricostituita con soluzione 1M NaCl e immersa nella stessa soluzione; II fase: taglio a forza orizzontale controllata e contemporanea esposizione a acqua distillata; III fase: taglio a velocità controllata con esposizione ad una soluzione diluita di un polisaccaride; IV fase: taglio a forza controllata e esposizione a KCl scorrimento orizzontale (mm).. cedimenti (mm) I12 - C3 ; σ'n = kpa τ = kpa τ = 35 kpa acqua distillata τ = 3 kpa acqua distillata τ = 3 kpa τ = 35 kpa τ = kpa sol. sol. satura di KCl sol. sol. satura di KCl Fig. 5. Scorrimenti orizzontali e cedimenti verticali del provino C3 durante la fase di creep indotto per esposizione ad acqua distillata e successivamente a soluzioni di KCl.

6 τ (kpa) acqua distillata esposizione a provino A1 v = 5 µm/min provino C2 τ=35 kpa provino C2 τ dopo creep σ'n = kpa Fig. 6. Risposta in termini di variazioni di resistenza e riduzione di velocità di scorrimento dell argilla di Costa della Gaveta all esposizione a soluzione concentrata di KCl. Le curve continue si riferiscono al provino C2, quelle tratteggiate al provino A1. 4. Conclusioni I risultati sperimentali mostrati in questa nota mostrano che l'esposizione a soluzioni concentrate di KCl di provini con una soluzione interstiziale a basse concentrazioni ioniche produce non soltanto un forte aumento di resistenza a taglio ma è capace anche di rallentare gli spostamenti di una fase di creep terziario. Questo risultato, qualitativamente atteso sulla base dei risultati precedenti, in particolare quelli relativi agli effetti sulla resistenza a taglio, ha sorpreso per la velocità con cui si è verificato sui provini di laboratorio e può essere considerato incoraggiante ai fini della ricerca che contemporaneamente viene condotta in sito ai fini della riduzione del rischio da frana nelle colate in terreni argillosi (De Rosa et al., 17) Ringraziamenti Gli Autori ringraziano il Signor Maurizio Belvedere che ha collaborato all esecuzione delle prove di laboratorio. Questa ricerca è finanziata dal MIUR (PRIN bando 15 Innovative monitoring and Design Strategies for Sustainable Landslide Risk Mitigation) Bibliografia De Rosa J., Pontolillo D.M., Grimaldi G.M., Di Maio C., Caputo V. (17). Flussi di acqua e ioni in un campo sperimentale di colonne di KCl. Incontro Annuale dei Ricercatori di Geotecnica 17 - IARG17, Matera. Di Maio C., Scaringi G., Vassallo R. (15). Residual strength and creep behaviour on the slip surface of specimens of a landslide in marine origin clay shales: influence of pore fluid composition. Landslides, 12, n. 4, pp Di Maio C., Scaringi G. (16). Shear displacements induced by decrease in pore solution concentration on a pre-existing slip surface. Engineering Geology,, 1-9. Di Maio C., Vassallo R., Scaringi G., De Rosa J., Pontolillo D. M., Grimaldi G. M. (17). Monitoring and analysis of an earthflow in tectonized clay shales and study of a remedial intervention by KCl wells. Rivista Italiana di Geotecnica, in stampa. Pontolillo D.M., De Rosa J., Scaringi G., Di Maio C. (16). Clay creep and displacements: influence of pore fluid composition. Procedia Engineering, 158, pp