Deformazioni del terreno dovute all’azione del gelo
Sotto l’azione del gelo, l’acqua libera stagnante gela a 0°C e in tal modo si espande del 9% del suo volume. Tuttavia l’acqua nei sottili tubi capillari non gela a 0°C, ma a temperature più basse, comprese tra -1°C e -78°C. Quest’ultima temperatura di congelamento è stata stabilita da prove di laboratorio in America. Più il tubo capillare è stretto, più bassa è la temperatura di congelamento.
Nel terreno esistono pori collegati tra loro in tutte le direzioni e che formano capillari. Nella sabbia i pori sono grandi e formano ampi capillari, nei quali l’acqua gela a 0°C o a una temperatura leggermente inferiore. L’acqua gela uniformemente, formando nei pori cristalli di ghiaccio, la cui espansione volumetrica di 9% non provoca deformazioni significative del terreno. Nei terreni a granulometria fine i pori sono più piccoli e formano capillari stretti nei quali l’acqua gela a temperature inferiori a 0°C. Tuttavia, nello strato superficiale il terreno è sempre più sciolto e con pori più grandi, nei quali l’acqua gela a 0°C e forma cristalli di ghiaccio. Questi cristalli attirano a sé con grande forza l’acqua raffreddata dai pori stretti, la cosiddetta forza di cristallizzazione. Quando l’acqua così attirata entra in contatto con i cristalli di ghiaccio e congela a sua volta, aumentando il volume dei cristalli di ghiaccio, questi diventano lenti di ghiaccio, il cui spessore può essere di circa 0,1 fino a 10 mm. Le lenti di ghiaccio formate provocano una notevole deformazione del terreno durante l’azione del gelo, che in condizioni particolarmente sfavorevoli può arrivare a 30 e 50 cm.
La comparsa e l’entità della deformazione del terreno dovuta all’azione del gelo dipendono principalmente dai seguenti 3 fattori:
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Livello della falda freatica
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Durata del gelo.
Ad 1) Per quanto riguarda la composizione granulometrica, il massimo effetto del gelo si ha nei terreni a grana fine, i cui pori sono sufficientemente piccoli da formare stretti capillari, e che al tempo stesso hanno una permeabilità sufficientemente elevata, che consente una rapida circolazione dell’acqua durante l’azione del gelo. Un terreno di questo tipo è il più sensibile al gelo, sia per quanto riguarda la rapidità di insorgenza sia per quanto riguarda l’entità delle deformazioni. Si tratta di terreni limosi, costituiti prevalentemente da granuli di dimensioni 0,02-0,002 mm. Granuli di dimensioni >0,02 mm hanno una bassa altezza di risalita capillare, mentre granuli di dimensioni < 0,002 mm hanno una lenta risalita capillare, cosicché in entrambi i casi, durante il periodo del gelo, può raggiungere la zona di azione del gelo solo una quantità minore d’acqua. Se il terreno argilloso contiene oltre 25% di particelle di dimensioni < 0,002 mm, la permeabilità del terreno è molto bassa e la circolazione dell’acqua nei pori è così lenta che essa gela nei pori prima che possano essere richiamate le lenti di ghiaccio.
Ad 2) Oltre alle condizioni relative alla composizione granulometrica del terreno, deve essere soddisfatta un’altra condizione affinché si verifichino deformazioni del terreno per gelo. Si tratta della possibilità di alimentazione dell’acqua nella zona di azione del gelo. Se questa condizione non fosse soddisfatta, cioè se i capillari del terreno non fossero in connessione con l’acqua che scorre continuamente attraverso di essi durante l’azione del gelo, non si verificheranno deformazioni da gelo, qualunque sia la composizione granulometrica del terreno.
Quanto più alto è il livello della falda freatica, tanto maggiore è la possibilità di deformazioni del terreno dovute all’azione del gelo. Se il livello della falda freatica si trova a una profondità maggiore rispetto all’altezza di risalita capillare dell’acqua del terreno dato, le deformazioni dovute all’azione del gelo sono trascurabili.
Ad 3) Se il periodo di durata continua del gelo è più lungo, tanto maggiori sono le deformazioni dovute al gelo, per la formazione di lenti di ghiaccio più grandi e numerose. Un gelo intenso e di breve durata provoca deformazioni minori, perché in tal caso si verifica un rapido congelamento dell’acqua nei pori e l’interruzione del flusso capillare dell’acqua. Al contrario, un gelo moderato e di lunga durata provoca deformazioni maggiori a causa della formazione indisturbata di lenti di ghiaccio.
Effetto di disgaggio
Durante il disgelo, dapprima si sciolgono le lenti di ghiaccio nella parte superiore del terreno superficiale, mentre subito sotto rimane uno strato gelato e quindi impermeabile. Poiché le lenti di ghiaccio sciolte rilasciano una grande quantità di acqua, che non può penetrare attraverso lo strato inferiore gelato, questa maggiore quantità di acqua nello strato superficiale satura il terreno e lo trasforma in una massa fluida, che non ha alcuna resistenza, ma viene espulsa lateralmente sotto pressione. Le deformazioni del terreno dovute all’azione del disgelo possono essere notevoli e, in alcuni casi, pericolose. Queste deformazioni sono frequenti negli scavi per linee ferroviarie e strade, dove in primavera si verificano scivolamenti parziali dei pendii a causa della saturazione del terreno con l’acqua proveniente dalle lenti di ghiaccio sciolte, così come sulle strade, i cui manti stradali si deformano sotto il traffico su un terreno che ha perso la capacità portante a causa della saturazione d’acqua.
Criterio per la valutazione dell’azione del gelo sul terreno
Studiando l’azione del gelo su vari tipi di terreno si è giunti alla conclusione che, per quanto riguarda il comportamento al gelo, occorre distinguere due tipi di terreno: sicuro e sensibile al gelo.
I terreni insensibili al gelo sono quelli nei quali non si formano lenti di ghiaccio, per quanto lunga sia la durata del gelo. In questo tipo di terreno si verifica soltanto il congelamento dell’acqua nei suoi pori e la formazione di cristalli di ghiaccio, con deformazioni minime sotto l’azione del gelo. A questo gruppo appartengono ghiaia, sabbia e terreni simili.
I terreni pericolosi per il gelo sono quelli in cui si formano lenti di ghiaccio, con conseguenti deformazioni maggiori. L’acqua accumulata nello strato superficiale sotto forma di lenti di ghiaccio, durante l’azione del gelo, produce anche l’effetto di disgelo. A questo gruppo appartengono alcuni terreni limoso-argillosi e, in particolare, i terreni limosi.
Esistono vari criteri per la valutazione della resistenza al gelo del terreno, tra i quali i più noti sono i criteri di Arthur Casagrande e di Rukli, che descriveremo qui.
Criterio di A. Casagrande
Questo criterio si basa sulla composizione granulometrica del terreno e recita:
a) Nel caso di terreno a composizione uniforme, il cui coefficiente di non uniformità U < 5, il terreno è soggetto a gelo se contiene più del 10% di granuli di dimensione inferiore a 0,02 mm.
b) Nel terreno a composizione non uniforme, il cui grado di non uniformità U > 15, il terreno è pericoloso al gelo se contiene più di 3% di granuli di dimensione inferiore a 0,02 mm.
Anche se questo criterio è stato applicato per lungo tempo e ha sempre dato risultati affidabili, il suo difetto è che si basa soltanto sulla granulometria del terreno e non prende in considerazione altri fattori che influiscono sull’azione del gelo nel terreno. Per questo oggi si ritiene che questo criterio sia troppo severo e antieconomico.
Criterio di Rukliev
Con questo metodo il terreno viene suddiviso in due frazioni in base alla rigidità delle particelle solide, cioè in una frazione a grana grossa, con granuli di diametro d > 2 mm, e in una frazione a grana fine, con granuli di diametro d < 2 mm. Per valutare la resistenza del terreno al gelo si stabilisce la dipendenza della quantità della frazione a grana fine dalla quantità della frazione a grana grossa e tale dipendenza è data dal limite inferiore e superiore (fig. 1).
Il limite inferiore rappresenta la massima percentuale ammessa di particelle solide di diametro d < 0,02 mm rispetto al peso secco del riempimento, ossia della frazione 0-2 mm, alla quale non si verificano praticamente danni da gelo in condizioni sfavorevoli, quali elevato livello della falda freatica, condizioni climatiche sfavorevoli (geli prolungati) e alta umidità naturale del terreno.
Il limite superiore rappresenta la percentuale massima consentita di particelle d < 0,02 mm del peso secco della frazione a grana fine, al di sotto della quale non si verificano praticamente danni da gelo in condizioni favorevoli, quali un basso livello della falda freatica, condizioni climatiche favorevoli (gelate di breve durata) e bassa umidità naturale del terreno.
Fig. 1 Limiti inferiore e superiore per la valutazione del pericolo di gelo del terreno secondo il criterio di Ruklie
Protezione contro l’azione del gelo nel terreno
La profondità di penetrazione del gelo nel terreno dipende dalle condizioni climatiche della zona. Nel nostro Paese essa è prevalentemente da 0,8 a 1,0 m sotto la superficie del terreno. Pertanto, le strutture fondate a una profondità uguale o superiore a 1,0 m non saranno soggette all’azione del gelo.
Le strutture a fondazione superficiale, come le pavimentazioni stradali, sono esposte all’azione del gelo, che può provocare maggiori deformazioni e danni alla pavimentazione, sia in fase di gelo sia in fase di disgelo. Perciò, nella realizzazione di pavimentazioni stradali e piste di decollo e atterraggio negli aeroporti, è necessario esaminare il terreno per quanto riguarda l’azione del gelo e, nel caso in cui il terreno di fondazione sia sensibile al gelo, adottare misure di protezione. Nelle pavimentazioni stradali e aeroportuali la misura più efficace è la realizzazione dello strato di sottofondo, il cui spessore si determina in modo che lo spessore complessivo della pavimentazione e dello strato di sottofondo sia 0,80 m per traffico pesante fino a 0,60 m per traffico leggero. Di solito uno spessore dello strato di sottofondo di 0,30 m sotto la pavimentazione è una protezione sufficiente contro l’azione del gelo.
Il materiale per la realizzazione dello strato di sottofondo è di solito sabbia o ghiaia sabbiosa, che deve soddisfare i seguenti requisiti:
Indice di plasticità IP < 5
Contenuto della frazione d < 0,02 mm inferiore a 3%
Grado di disuniformità U > 7.
La parte superiore dello strato di sottofondo, con spessore di 20 cm, non deve essere costituita da sabbia uniforme e a grana fine, a causa della compattazione insufficiente e della capacità portante limitata. In questa parte lo strato di sottofondo deve essere ghiaia sabbiosa con 30-70% di granuli di dimensione 2-30 mm. I granuli più grandi di 30 mm non sono raccomandati.
Anche i muri di recinzione con fondazione superficiale sono soggetti al gelo nel terreno, per effetto del quale si inclinano, e ciò porta, con il ripetersi dell’azione del gelo nel tempo, al loro rovesciamento e crollo. Per questo motivo questi muri devono essere fondati a 1,0 m di profondità, se il terreno è soggetto a gelo.