COMUNICAZIONE PER IL GEOFLUID PIACENZA 4 OTTOBRE 2000 CONSOLIDAMENTO E RECUPERO DI CEDIMENTI DI TERRENI COESIVI MEDIANTE ELETTROSMOSI

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1 1 COMUNICAZIONE PER IL GEOFLUID PIACENZA 4 OTTOBRE 2000 CONSOLIDAMENTO E RECUPERO DI CEDIMENTI DI TERRENI COESIVI MEDIANTE ELETTROSMOSI CONSOLIDATION AND SUBSIDIND S RECOVERY IN COHESIVE SOILS BY ELECTROSMOSIS Dott. Geol. Pasquale Armillotta (libero professionista) Riassunto: applicando il processo elettrosmotico in terreni coesivi senza drenaggio catodico, in due campi sperimentali sono stati registrati sia il recupero parziale dei cedimenti differenziali, che la stabilizzazione delle argille attive. Introduzione Il processo elettrosmotico, scoperto e studiato fin dalla metà dell 800, consiste nell ottenere la migrazione dell acqua e dei sali sciolti in un mezzo poroso, attivandone il flusso con l applicazione di un campo elettrico continuo. Il processo elettrosmotico è stato applicato ai terreni coesivi e studiato sistematicamente per la prima volta da Casagrande nel La migrazione nei terreni coesivi riguarda l acqua libera e quella debolmente legata. Il modello qui adottato per l interpretazione dei fenomeni prevede tre tipi di acqua : acqua rigida (legata direttamente ai siti attivi e/o localizzata nell interstrato dei fillosilicati), acqua debole

2 2 (legata più debolmente alla superficie fillosilicati, suscettibile di una certa mobilità), ed acqua libera (può ancora risentire in maniera molto debole delle forze elettrostatiche). Il processo elettrosmotico avviene quando il grado di saturazione del terreno coesivo è elevato (almeno pari all 85% secondo alcuni autori), mentre l efficienza osmotica è inversamente proporzionale alla porosità ed alla concentrazione salina, e direttamente proporzionale al contenuto di argille attive. Il passaggio di corrente nel terreno coesivo consiste essenzialmente nella migrazione di ioni disciolti nel fluido interstiziale. In particolare, i cationi coordinano molecola d acqua e migrano verso il catodo [EVANGELISTA, 1995]. La diffusione dei sali agisce prevalentemente sugli elettroliti dei fluidi nei pori e quindi sull impalcatura delle particelle d argilla, mentre l elettrosmosi genera delle trasformazioni nell interstrato dei minerali argillosi attivi bloccandone la reattività [VENIALE, 1978]. La reversibilità o l irreversibilità dei processi dipende anche dal tipo di sale disciolto o immesso nel terreno. In natura, il processo avviene spontaneamente quando materiali coesivi di diversa natura ed umidità sono a contatto: si genera in tal caso una differenza di potenziale che tende a far migrare l acqua dal materiale a d.d.p. più alto a quello con d.d.p. più basso [FINZI VEDER]. La novità di quanto sotto esposto sta nell utilizzo del processo elettrosmotico in assenza di tubo catodico drenante, il che permette, a determinate condizioni, la stabilizzazione irreversibile delle argille attive e/o il definitivo recupero parziale dei cedimenti differenziali attraverso l acqua naturalmente presente nel terreno o artificialmente fornita. La metodologia dell intervento non è invasiva e permette la salvaguardia e il rispetto degli ambienti presenti.

3 3 Ambito d applicazione In geotecnica, il processo è applicato quasi esclusivamente ai terreni coesivi come argille, limi argillosi e argille limose. I risultati migliori sono stati ottenuti sui limi argillosi [LANCIERI]. Modalità d applicazione La sperimentazione qui descritta prevedeva l infissione nel terreno di elettrodi positivi ed elettrodi negativi, senza pozzi catodici drenanti, instaurando un campo elettrico continuo. Esperienze precedenti In situ, l uso finora fatto del processo elettrosmotico è stato finalizzato al consolidamento dei materiali coesivi, quindi con diminuzione di volume, mediante drenaggio dell acqua al pozzo catodico e modifica della struttura intima dei fillosilicati che, in casi estremi, arriva fino a quella granulare [VENIALE, 1978]. In laboratorio è stato osservato il comportamento dei terreni coesivi sottoposti a campo elettrico costante, sia con drenaggio con o senza aggiunta d acqua, che senza drenaggio, tutte prove, però, che permettevano l eventuale diminuzione di volume del terreno, ma ne impedivano l eventuale espansione. Condizioni ed ipotesi per l effettuazione delle due sperimentazioni Condizioni a contorno: 1. saturazione del terreno coesivo Sr > 85%; 2. esclusione dell immissione di sali nel terreno; 3. applicazione del processo non più ad un sistema chiuso come il laboratorio, ma ad un sistema aperto; 4. esclusione del drenaggio catodico, con controllo dell interazione con la falda; 5. presenza della componente attiva delle argille.

4 4 Ipotesi: 1. attesa di un aumento di volume del terreno con leggera diminuzione dei valori di alcune caratteristiche geotecniche a causa del richiamo d acqua; 2. osservazione del comportamento del terreno per la verifica dell irreversibilità del fenomeno.

5 5 Descrizione della prima sperimentazione Larghezza fondazioni: 60 cm; profondità piano delle fondazioni: 100 cm nella zona 2, e 150 cm nella zona 1; nella zona 1 era presente un forno artigianale per la cottura dei mattoni. CPT 2 SCALA 1 : 100 ZONA 2 Zona in cui si sono manifestati i cedimenti differenziali, mediante una crepa madre suborizzontale, con una famiglia di crepe secondarie perpendicolari, a circa 20 cm dal p.c., di ampiezza di circa 1.5 cm alla corda massima in prossimità del vertice della palazzina, prima dell intervento. ZONA 1 < 10 metri > < 5 metri > < 5 metri > < 6.3 metri > < 15 metri > Abitazione AGHIFOGLIE CPT 1 Terreno: argilla limosa, determinazione in sito. Prima della costruzione della palazzina non è stata svolta alcuna indagine geognostica.

6 6 Per 6-8 anni, la costruzione non ha dato nessuna evidenza (fessure) che poi all improvviso, hanno iniziato a manifestarsi lentamente e continuamente, circa 10 anni fa. Il fenomeno rallentava fino, a volte, ad arrestarsi in concomitanza dei periodi piovosi. Prima dell intervento, sono state eseguite due prove penetrometriche statiche (CPT 1 e CPT 2) che hanno dato i seguenti risultati: CPT 1: dal piano campagna fino a quasi 4 metri di profondità, il terreno presenta caratteristiche geotecniche buone, omogenee e costanti; oltre tale profondità queste scadono a valori decisamente bassi. CPT 2: dal piano campagna fino a quasi 3 metri di profondità, il terreno presenta caratteristiche geotecniche buone, ma con discrete variazioni nei valori che oltre tale profondità scadono decisamente. La falda, prima, durante e dopo l intervento, si trovava ad una profondità media di circa 5 metri dal piano campagna, in entrambi i piezometri posti nei fori prodottisi durante le prove penetrometriche. Lo stato dei materiali coesivi aderenti le aste penetrometriche hanno evidenziato la saturazione dei terreni attraversati. Gli elettrodi in alluminio sono stati posti circa un metro sotto il piano di fondazione, interessando il bulbo degli sforzi. Come da bibliografia sull argomento, il movimento della soluzione acquosa in terreni coesivi saturi (Sr > 85%) sottoposti a campo elettrico, riguarda l acqua libera e quella debolmente legata, secondo linee di flusso analoghe a quelle del campo elettrico. Non è stato registrato alcun innalzamento della falda nei piezometri. Per questa serie di motivi è del tutto improbabile che l intervento abbia causato un richiamo d acqua dalla falda, se non forse in lieve misura per quella capillare.

7 7 Disegno non in scala macrofessura Piano campagna Piano di fondazione CPT 1 CPT 2-3 metri Cu -4 metri Gli elettrodi sono stati posti per un estensione pari alla lunghezza della macrofessura, come da immagini sottostanti. Pianta Sezione Accumulo temporaneo d acqua Elettrodi negativi Elettrodi positivi Gli effetti dell elettrosmosi si sono verificati in circa cinque giorni saturando il terreno (acqua libera, debolmente legata e acqua rigidamente legata) e i reticoli cristallini dei fillosilicati attivi. Si è proceduto ad una breve inversione del campo elettrico motivata dall intenzione di eliminare la possibile presenza di zone d ombra [VENIALE, 1978] e di diminuire la resistività del terreno dovuta ad un ph neutro tra gli elettrodi [VENIALE, 1978].

8 8 Nell ambito dell inversione del campo elettrico si è applicata per breve tempo una tensione cinque volte maggiore di quella originaria non registrando alcuna diminuzione di volume del terreno. La prova di ciò risiede nel fatto che le tagliole metalliche poste dal committente all interno delle fessure non hanno manifestato alcun segno di mancanza di adesione alla muratura, rispondendo con suoni spiccatamente metallici ai colpi di martello. Dopo circa quindici giorni di osservazione l impianto è stato disattivato e su tutte le fessure è stato apposto del gesso e dei vetrini fessurimetri, per verificare il comportamento nel tempo di quanto avvenuto. Il recupero del cedimento è quantificabile pessimisticamente in non meno di un centimetro, pari al 66% del cedimento totale. Per problemi logistici, non è stato possibile eseguire delle penetrometrie statiche di controllo post intervento, cosa che invece è avvenuta per la seconda sperimentazione. A distanza di otto mesi, i fessurimetri non evidenziano alcun movimento relativo, ed il gesso, posto come imperdonabile controllore, non mostra cavillature di alcun genere. Sono riportati i grafici dell andamento delle precipitazioni registrate negli ultimi due anni e dei livelli della falda nei due piezometri durante l intervento. 180,00 160,00 140,00 120,00 100,00 80,00 60,00 40,00 20,00 0,00 mm'98 mm'99 gen mar mag lug set nov

9 9 Andamento falda dal22/12/99 al 19/02/2000 0,00 m -1,00-2,00-3,00-4,00 22/12/00 29/12/00 05/01/01 12/01/01 19/01/01 26/01/01 02/02/01 09/02/01 16/02/01 P1 (m) P2 (m) -5,00-6,00 gg. Descrizione della seconda sperimentazione Analoga situazione in un altra piccola palazzina. Qui una serie di plinti sopportanti una copertura esterna e poggianti su una trave rovescia di fondazione ha subito un cedimento differente alle due estremità, comportando la comparsa di una fessura suborizzontale cuneiforme della lunghezza di circa sei metri e con una apertura massima di circa dodici millimetri. Le prime manifestazioni sembrano essere avvenute circa sei anni fa. Qui è stato però possibile svolgere due prove penetrometriche statiche (una prima ed una dopo il trattamento), omogenee quanto a stratigrafia, ma diverse quanto a caratteristiche geotecniche. Dal piano campagna fino a circa 2.2 metri di profondità è presente del rilevato, poggiante su terreno coesivo di spessore di circa 4 metri. Sotto tale terreno sono presenti alcuni metri di sabbia. Le caratteristiche geotecniche desunte dalle prove penetrometriche statiche (Cu, OCR) hanno rivelato un lieve calo dopo il trattamento quantificabile in un 10% circa, evidente soprattutto nei diagrammi della resistenza di punta.

10 10 Le prove hanno raggiunto la profondità di metri dal piano campagna senza mai incontrare la falda. I quattro elettrodi negativi sono stati posti lungo la trave ed inclinati verso di essa fin sotto il piano di fondazione, raggiungendo la profondità di 2.6 metri, interessando il bulbo degli sforzi. I quattro elettrodi positivi sono stati posti a circa un metro di distanza dai negativi in superficie, circa 2.5 metri in profondità. Tale disposizione era funzionale alla stabilizzazione dei fillosilicati attivi e al recupero dei cedimenti differenziali, in misura via via maggiore dal vertice della fessura verso l apertura massima. L ipotizzata saturazione inferiore all 85%, ha portato al tentativo di saturare il terreno interessato al trattamento per mezzo, in un primo tempo, di piccoli canali disperdenti larghi circa 30 cm praticati fino alla profondità di circa 50 cm dal piano campagna, ed in un secondo tempo, di fori poi destinati ad accogliere gli elettrodi. Alla luce dei risultati ottenuti, il tentativo sembra aver avuto esito positivo. Gli effetti dell elettrosmosi si sono verificati in circa dieci giorni: recupero di poco più del 15% dei cedimenti differenziali totali massimi lungo tutta la trave di fondazione, interessando il terreno in posto solo per cm. L intenzione era quella di intervenire su una porzione ridotta di terreno in posto per evitare rigonfiamenti eccessivi che avrebbero creato altri tipi di problemi. Successivamente, tra i due plinti esterni poggianti sulla trave ove il cedimento è stato più rilevante, si è proceduto con l infissione di un ulteriore elettrodo negativo che ha raggiunto la profondità di 4.2 metri dal piano campagna, abbinato a quelli positivi già infissi nell intorno. Questa volta, lo spessore di terreno in posto interessato dal trattamento è stato di due metri circa. Gli effetti dell elettrosmosi si sono verificati in circa quindici giorni: recupero di poco inferiore al 10% dei cedimenti differenziali totali massimi, solo dove il cedimento differenziale ha avuto maggiore rilevanza. È stato così effettuato un intervento su misura, recuperando e stabilizzando in funzione dell entità del cedimento. Il tempo maggiore registrato per la manifestazione degli effetti del trattamento sembrano essere dovuti all inerzia posta dal terreno in prossimità degli elettrodi positivi, già interessato dall intervento precedente. Durante il secondo intervento, si è sempre provveduto all alimentazione del terreno con acqua dispersa attraverso i canali precedentemente costruiti.

11 11 L intenzione era quella di intervenire su una porzione ridotta di terreno in posto per recuperare e stabilizzare laddove il bisogno era maggiore. Triplicando la profondità d infissione, con un solo elettrodo si è ottenuto quasi il 10% del recupero dei cedimenti differenziali totali, il 50% di quelli ottenuti con quattro elettrodi distribuiti uniformemente. Anche in questo caso, si è proceduto ad una breve inversione del campo elettrico motivata dall intenzione di eliminare la possibile presenza di zone d ombra [VENIALE, 1978] e di diminuire la resistività del terreno dovuta ad un ph neutro tra gli elettrodi [VENIALE, 1978]. A conferma ulteriore di quanto descritto, è stato prelevato un campione di terreno trattato ed uno di terreno non trattato, alla profondità di 2.4 metri dal piano campagna. Sono stati entrambi sottoposti ad analisi mineralogica XRD semiquantitativa (TQ + FFnat.+gli., metodo Biscaye) con analisi chimica XRF. I campioni esaminati sono da ritenersi dal punto di vista chimico-mineralogico del tutto simili. I tracciati diffrattometrici mostrano infatti poche differenze essenzialmente riguardanti i plagioclasi e i fillosilicati, ma tutte riconducibili a differenze di orientamento preferenziale dei campioni analitici. Anche i valori dell analisi chimica sono assolutamente identici, a parte la L.O.I.. Per quest ultimo valore, infatti, nell identicità dei due campioni, si registra un incremento del campione di terreno trattato pari al 2.5% rispetto a quello non trattato di acqua totale ottenuta portando i campioni a Il tipo di analisi non ha permesso di individuare la localizzazione dei metalli alcalini ed alcalino-terrosi (cationi del fluido interstiziale o cationi assorbiti nell interstrato). A distanza di un mese dalla disattivazione dell impianto, i fessurimetri non evidenziano alcun movimento relativo.

12 12 Conclusioni Il processo è iniziato una volta superata la soglia di attivazione, ed ha avuto termine quando la conduttività elettrica ha raggiunto valori bassi e costanti (circa 200 ma). Quindi una volta raggiunto il nuovo equilibrio nel sistema terreno, il passaggio di corrente, indice del processo, tende a calare asintoticamente senza che si registrino modificazioni significative, in accordo con la sperimentazione in base alla quale si è notato che l umidità tende ad avere un valore costante tra i due elettrodi [LANCIERI]. In prossimità del polo positivo, ovviamente, c è la tendenza del terreno all essiccamento fintanto che l impianto è in funzione. È da notare che nel rispetto dell ambiente naturale, le tensioni indotte hanno avuto un valore molto basso in confronto a quelle registrate dagli autori in bibliografia, e che non c è stato bisogno di additivare il fluido interstiziale con sali. Le due sperimentazioni hanno dimostrato che il processo elettrosmotico applicato a terreni coesivi alle condizioni riportate in precedenza ha portato alla stabilizzazione delle argille attive presenti nel terreno ed al recupero definitivo di parte del cedimento differenziale in assenza di tubo catodico drenante, nel rispetto e nella salvaguardia dell ambiente. È stato anche possibile verificare che sono possibili interventi ad hoc e non solo riguardanti alcune tipologie specifiche. Il processo elettrosmotico ha probabilmente portato ad una trasformazione aggradativa dei componenti argillosi verso termini a struttura gradualmente più stabile dell interstrato dei fillosilicati, ed ha probabilmente prodotto anche una diminuzione della capacità di scambio cationico con conseguente diminuzione dei siti attivi in seguito all inserimento nell interstrato dei cationi idrati, rendendo i minerali argillosi più stabili. Tali trasformazioni non sono state rilevate in maniera evidente dalle analisi di laboratorio. Conseguenza di ciò è un progressivo distanziamento dei pacchetti molecolari che si manifesta macroscopicamente col rigonfiamento del terreno. Tali manifestazioni post trattamento sono irreversibili e stabilizzanti i fillosilicati [FRANCESCHINI]. Una serie di interventi effettuati in zone diverse della Pianura Padana ha confermato qualitativamente quanto sopra controllato nelle due sperimentazioni illustrate. Esperienze documentate avute da altri professionisti confermano che l effetto nel tempo dell intervento è da considerarsi definitivo.

13 13 Confermandosi quindi questi risultati in ulteriori prove e sperimentazioni, augurabilmente orientate a definire parametri quantitativi riferiti a diverse situazioni del terreno, si potrebbe individuare un modello su cui basare interventi di recupero e consolidamento che influenzano e modificano il comportamento dei materiali coesivi naturalmente esistenti nel terreno. Dott. Geol Pasquale Armillotta Via S.Fermo 5/A Traversetolo (PR) Loc. Bannone info@thesis-srl.it

14 14 BIBLIOGRAFIA Chisari S., Conte G., Cigna R. Sul trattamento elettroosmotico dei terreni argillosi Di Maio C., Fenelli G.B. Miglioramento delle proprietà meccaniche di alcune argille naturali per diffusione di sali nel fluido interstiziale Atti del XIX Convegno Nazionale di Geotecnica A.G.I., Pavia 19/21 settembre 1995, Vol. I Il miglioramento e il rinforzo dei terreni e delle rocce Evangelista A. Valutazioni teoriche e osservazioni sperimentali sui processi di trattamento dei terreni sulle modifiche indotte Atti del XIX Convegno Nazionale di Geotecnica A.G.I., Pavia 19/21 settembre 1995, Vol. II Il miglioramento e il rinforzo dei terreni e delle rocce Fava G., Sani D., Pasqualini E. Misure di permeabilità elettrosmotica in laboratorio Atti del XX Convegno Nazionale di Geotecnica A.G.I., Parma 22/25 settembre 1999 Sviluppi nell esecuzione e nell impiego delle indagini geotecniche PÀTRON Editore, Bologna Finzi D., Veder C. Stabilizzazione di una frana mediante infissione di elettrodi nel piano di scivolamento Franceschini A. Consolidamento e trasformazione irreversibile delle argille con applicazione del metodo elettrosmotico Lancieri F. Comportamento di terre argillose sotto l azione di un campo elettrico Mancini P. Stabilizzazione elettrochimica dei terreni interessati dallo scavo di una trincea autostradale Meisina C. Applicazione di un metodo di valutazione preventiva del rigonfiamento in terreni argillosi Atti del XIX Convegno Nazionale di Geotecnica A.G.I., Pavia 19/21 settembre 1995, Vol. I Il miglioramento e il rinforzo dei terreni e delle rocce Soggetti F., Veniale F. Alcuni risultati di trattamenti elettro-osmotici con catodo-anodo di alluminio su materiali argillosi Tamagnini C., Calabresi G. Esperienze sul consolidamento elettrosmotico di terreni argillosi teneri Veniale F. Consolidazione elettrosmotica e chimica Atti del Seminario su Consolidamento di terreni e rocce in posto nell ingegneria civile, Stresa, maggio 1978 Veniale F. Elettro-osmosi e consolidamento elettro-chimico di terreni argillosi, applicazioni e ricerche sperimentali S.C.P. Roma, Via Panama 12