Contenuti archivistici esperti e rischio grave: l’articolo conserva il resoconto storico della stabilità dei pendii, simboli, formule e diagrammi del testo originale. Non è uno studio geotecnico, un progetto di scavo o di rilevato, un calcolo di stabilità, un piano di drenaggio, una valutazione di frana o istruzioni di lavoro. Un pendio instabile può improvvisamente seppellire persone, edifici e strade; crepe, rigonfiamenti, acqua torbida, cedimenti o spostamenti improvvisi devono essere trattati come motivo per allontanarsi dalla zona pericolosa e per una valutazione professionale urgente.
Savo Kusić oggi si concentra su finestre in legno, finestre in legno-alluminio, finestre su misura, porte e richieste di preventivo. Questo articolo rimane un archivio tecnico e non rappresenta un’offerta di progettazione geotecnica, supervisione o esecuzione di lavori in terra.
Per i lavori in terra costruiti quali tagli, argini e canali, le pendenze finali talvolta crollano. Ed un pendio naturale, senza opere artificiali, può muoversi improvvisamente e con grande forza oppure molto lentamente. Questi fenomeni sono da tempo oggetto di studi geologici e geomeccanici, con l’obiettivo di valutarne la stabilità a partire dalle caratteristiche fisiche del terreno e dalle condizioni di ogni singolo caso.
Cause del movimento delle masse terrestri
La condizione per la stabilità di qualsiasi terreno, sia esso un oggetto di terra artificiale o un terreno naturale, è che vi sia un equilibrio tra le forze esterne e la resistenza interna del suolo. Le forze esterne sono principalmente il peso proprio del terreno, che solitamente è l’unica forza esterna, seguito da qualsiasi altro carico esterno agente sul pendio, permanente o in movimento. La resistenza interna consiste nella coesione e nell’attrito nel terreno legato e solo nell’attrito nel terreno non legato.
Fig. 1. Pendenza rilevato in terreno sciolto
Se osserviamo un terrapieno di altezza h costituito da terreno completamente sciolto, ad esempio sabbia asciutta e compattata, determineremo che la pendenza di quel terrapieno è inclinata di un angolo β rispetto all’orizzontale (fig. 1). La dimensione dell’angolo β dipende da diversi fattori come la dimensione dei grani, la forma dei grani e la compattazione. Se aumentiamo l’altezza del rilevato h a h1, h2, ecc. con lo stesso materiale non legato della stessa compattazione, l’angolo β non cambierà, la pendenza del rilevato rimarrà alla stessa pendenza fino ad un’altezza illimitata h. Per un dato terreno sciolto, l’angolo di pendenza naturale β è indipendente dall’altezza del pendio h. La dimensione dell’angolo β per il terreno non legato dipende dall’angolo di attrito interno del terreno φ e si presume che sia leggermente inferiore o uguale ad esso, β ≤ φ.
Fig. 2. Pendenza di taglio in terreno legato
Se osserviamo un taglio effettuato nel terreno legato, troveremo che la pendenza del taglio è mantenuta sotto una pendenza maggiore 1:m, cioè con un angolo β maggiore, dovuto al fatto che la resistenza interna del terreno legato è aumentata dalla coesione, che non esiste nella sabbia asciutta (fig. 2). In alcuni tipi di terreno, come il loess secco, la coesione può aumentare la resistenza interna a tal punto che il terreno può essere trattenuto con un lato tagliato verticalmente, cioè con un angolo β = 90°. Tuttavia, se aumentiamo l’altezza di taglio h nel terreno legato a h1, h2, ecc., l’angolo di inclinazione della pendenza del taglio β deve essere ridotto per mantenere la pendenza stabile. Per ogni angolo di pendenza β della pendenza del taglio in un dato terreno delimitato esiste un’altezza critica hc. Se superiamo questa altezza, la pendenza AB non sarà mantenuta in equilibrio e scivolerà su un piano di scorrimento CD (fig. 3). Lo scivolamento è avvenuto a causa di una perturbazione dell’equilibrio tra la forza esterna, il peso proprio della massa terrestre e la resistenza interna, che non era più sufficiente ad opporsi all’aumento della forza esterna, cioè all’aumento del peso della massa terrestre causato dall’aumento dell’altezza del pendio h.
Fig. 3. Pendio che scivola su terreno coeso
Da quanto sopra segue che l’angolo di pendenza naturale del terreno non può essere adottato come valore costante per un dato terreno, poiché il suo valore in tutte le altre condizioni dipende dall’altezza del pendio e diminuisce con l’aumento di questa altezza. Tuttavia, viene spesso adottato per pendii di piccola altezza come valore costante, dipendente dall’angolo di attrito interno del terreno φ.
Il disturbo dell’equilibrio può verificarsi anche senza aumentare l’altezza di taglio h, ad esempio quando diminuisce la resistenza interna del terreno. Gli elementi di resistenza interna del terreno legato, coesione e attrito, sono molto variabili e dipendenti dalla quantità di acqua presente nel terreno. Pertanto, in molti casi, la causa dello scivolamento è l’eccessiva saturazione del terreno ricco d’acqua, che può essere così grande che il terreno non è più in grado di sostenersi sotto qualsiasi pendenza, ma scivola a causa del proprio peso.
Fig. 4. Scorrimento del terreno per formazione di superfici di scorrimento
Esistono vari casi di scivolamento del terreno dovuti alla diminuzione della resistenza interna, di cui ne citeremo qui alcuni caratteristici.
Educazione alle superfici di scorrimento
Se su un pendio al di sotto dello strato superficiale di terreno permeabile è presente uno strato impermeabile di argilla (fig. 4a), o se nello strato di argilla è presente uno strato inclinato di sabbia (fig. 4b), nel quale può penetrare acqua atmosferica o superficiale (ad esempio da un canale di scolo trascurato), possono verificarsi frane. Una maggiore quantità di acqua passa attraverso lo strato permeabile fino allo strato di argilla, che bagna fortemente, diminuendo la sua resistenza in superficie, dove scivola lo strato superiore.
Disturbo dell’equilibrio causato da un taglio
I tagli di taglio durante la costruzione di ferrovie e strade sconvolgono il precedente stato di equilibrio, perché nel profilo di taglio il terreno rimane senza sostegno e tende a spostarsi verso il basso a causa della gravità. Uno stato di equilibrio può essere mantenuto se la resistenza interna del terreno è sufficientemente grande da contrastare questa tendenza, cosa possibile anche quando il terreno tagliato è costituito da strati fortemente inclinati verso il taglio.
Fig. 5. Scivolamento del terreno dovuto al taglio in terreno stratificato
Tuttavia, se gli strati di terreno impermeabile e permeabile vengono tagliati alternativamente (Fig. 5), esiste la possibilità di lisciviazione del terreno permeabile e bagnatura del terreno impermeabile, su cui può verificarsi scivolamento.
Disomogeneità del suolo
Sottili strati di materiale impermeabile in un rilevato di terreno permeabile, le cosiddette lenti di argilla (fig. 6), possono anche causare scivolamenti se una grande quantità di acqua li raggiunge e forma una superficie di scorrimento.
Fig. 6. Caso di scorrimento del rilevato per composizione disomogenea
Effetto del gelo
Sotto l’effetto del gelo, l’acqua si accumula nello strato superficiale sotto forma di lenti di ghiaccio. Durante lo scongelamento, le lenti del ghiaccio si trasformano in acqua, che sovrasatura il terreno fino alla profondità dell’azione del gelo, a seguito della quale diventa una massa liquida e perde la sua stabilità.
Questo caso si verifica solo in terreni pericolosi dal gelo e con una durata del gelo più lunga, perché impiega molto tempo per la formazione di lenti di ghiaccio.
Abbassamento del livello delle acque sotterranee
Quando il livello della falda freatica si abbassa permanentemente, ad esempio a causa di lavori nel terreno, il terreno si secca e, se è argilloso e presenta un forte rigonfiamento, compaiono delle crepe. Maggiori quantità di acqua superficiale e atmosferica entrano in essi, bagnando il suolo e riducendone la resistenza interna, il che può portare anche a frane.
Ci sono anche molti altri casi di scivolamento del terreno, quindi si può considerare che qualsiasi terreno coerente può, in determinate circostanze, perdere la sua resistenza interna in misura maggiore o minore e, sotto l’influenza di forze esterne, essere messo in movimento.
Il terreno incoerente è stabile finché l’angolo di inclinazione del pendio è inferiore all’angolo di attrito interno del terreno. Con questo tipo di terreno lo scivolamento avviene solo se l’angolo di pendenza è maggiore dell’angolo di attrito interno. Tuttavia, se un rilevato è costituito da materiale non legato su terreno argilloso, il terreno argilloso può scivolare e il rilevato crollare ed è necessario verificarne la stabilità.
Testare la stabilità dei pendii del terreno
Forma della superficie scorrevole
La condizione di equilibrio tra le forze esterne e la resistenza interna del terreno fu fissata da Coulomb con la sua equazione
τ ≤ c + σ tgϕ
dove τ è lo sforzo di taglio del terreno, c è la coesione, σ è lo sforzo normale sulla superficie di scorrimento, ϕ è l’angolo di attrito interno.
Se la resistenza interna del terreno, la coesione c e l’attrito σ tgϕ non sono sufficienti ad opporsi allo sforzo di taglio del terreno, lo scorrimento avviene su una superficie di scorrimento interna al terreno. Esistono diverse forme di superfici di scorrimento, che dipendono dalle proprietà fisiche del terreno, stratificazione, umidità, carico esterno e altri fattori.
I seguenti casi tipici di scorrimento differiscono a seconda della posizione:
Fig. 7. Casi tipici di frane
a) Scorrimento dei lati verticali del taglio. Nel caso di canali per l’approvvigionamento idrico, fognario, ecc., che vengono scavati con i lati verticali (fig. 7a), se viene superata l’altezza critica hc, che dipende dalle proprietà fisiche del terreno, si verifica uno scorrimento sulla superficie ADC. Questi scivolamenti di solito non si verificano lungo l’intera lunghezza del canale, ma sono localizzati, il che si spiega con la resistenza al taglio irregolare del terreno.
b) Scivolamenti parziali (fig. 7b). Queste frane compaiono spesso in primavera sui tagli ferroviari e stradali e sono il risultato di un’eccessiva saturazione del terreno con acqua.
c) Scorrimento notturno (fig. 7c). È lo scorrimento dell’intera pendenza del taglio o del rilevato fino al ramo C.
d) Pista scorrevole sotto i piedi (Fig. 7d). Si tratta dello scivolamento dell’intero pendio del trinceo o del rilevato e del terreno sottostante il plinto. Questa frattura è chiamata anche frattura del sottofondo o frattura svedese, dal nome degli svedesi che per primi la descrissero.
Per quanto riguarda la forma della superficie di scorrimento si può solo affermare che la superficie di scorrimento in terreno legato non è diritta, ma che è una superficie curva. Alcuni autori adottano un arco circolare (Fellenius), una spirale logaritmica (Rendulić) o una combinazione di queste linee curve (Brinch Hansen) come forma della superficie di scorrimento.
Effetto della filtrazione dell’acqua sulla stabilità dei pendii
Se c’è acqua esterna con livello N1 (fig. 8) davanti al pendio, il flusso d’acqua avviene nel terreno dietro il pendio, che provoca la pressione interna dell’acqua nei pori, di conseguenza diminuisce l’attrito tra le particelle solide e aumenta lo stress di taglio nel terreno.
Se il livello dell’acqua N1 davanti al pendio è costante, la colonna d’acqua H*γW provoca una pressione dell’acqua nei pori del terreno, che riduce l’attrito tra le particelle solide, con conseguente aumento del pericolo di scivolamento del pendio. Tuttavia, quando il livello N1 è costante, la pressione della colonna d’acqua H*γW spinge le particelle solide verso l’interno del terreno, per cui il pericolo di scivolamento dei pendii è in una certa misura ridotto. In questo caso, con un livello dell’acqua costante N1 davanti al pendio, c’è il pericolo di scivolamento del pendio a valle, perché l’azione di filtrazione dell’acqua nel terreno provoca la spinta delle particelle solide verso l’esterno del pendio a valle.
Fig. 8. L’effetto della filtrazione sulla stabilità del pendio del terreno
Se il livello dell’acqua esterna scende bruscamente dal livello di N1 a N2, la stabilità del pendio a monte è minacciata. In tal caso, l’acqua interna scorre nei pori verso il lato esterno del pendio a monte, spingendo le particelle solide verso quel lato.
Per questo motivo, se il pendio del terreno è sommerso dall’acqua, quando si testa la stabilità del pendio si dovrebbe tenere conto anche dell’effetto della filtrazione dell’acqua.
L’effetto della filtrazione dell’acqua nel suolo dipende da diversi fattori, i più importanti dei quali sono permeabilità del suolo, pressione idrostatica dell’acqua esterna, velocità di diminuzione del livello dell’acqua esterna e omogeneità del suolo.
Se assumiamo che il rilevato di fig. 8 di massa omogeneamente isotropa, sotto l’effetto della pressione idrostatica dell’acqua esterna di livello N1, l’acqua scorrerà nei pori dell’argine in direzione del pendio a valle, per cui il livello delle acque sotterranee nell’argine diminuirà con la lunghezza della strada percorsa. Se introduciamo i tubi piezometrici AA’, BB’ e CC’ nel rilevato (fig. 9), l’acqua interstiziale sotto l’effetto della pressione idrostatica entrerà in questi tubi e salirà al livello N1, che può essere lo stesso in tutti i tubi, se i punti A, B e C sono selezionati in modo che le altezze della colonna d’acqua nei tubi siano h1, h2 e h3.
Fig. 9. Linee equipotenziali e correnti
Se indichiamo con h l’elevazione del livello dell’acqua N1 rispetto ad un piano scelto arbitrariamente O-O, allora il potenziale h per tutti i punti 3, A, B e C è lo stesso. La linea che collega questi tre punti è la linea equipotenziale. Le acque sotterranee nel suolo non possono scorrere lungo quella linea, ma solo in direzione dei punti con potenziale inferiore.
In modo simile possiamo selezionare nella stessa massa i punti D, E e F con potenziale minore h ― Δh. La linea che unisce questi tre punti è la linea equipotenziale del potenziale h ― Δh. Il flusso d’acqua dal punto A della linea equipotenziale ABC a un punto infinitamente vicino D della linea equipotenziale DEF esiste nella direzione della caduta idraulica più grande imax, cioè nella direzione della distanza più piccola Δlmin = AD. Ciò significa che la linea AD lungo la quale scorre l’acqua è perpendicolare ad entrambe le linee equipotenziali, perché
imax = Δh / Δlmin
dove Δlmin è normale a entrambe le linee equipotenziali. Quelle normali alle linee equipotenziali sono le direzioni del flusso dell’acqua nella massa permeabile e sono chiamate linee di corrente. La comunità di linee equipotenziali e di corrente, reciprocamente perpendicolari tra loro, forma una rete di flusso.
Le reti di flusso hanno forme diverse a seconda della permeabilità di massa. Il caso più comune è quello di un rilevato costituito da massa permeabile su terreno impermeabile, cioè su terreno che può essere reso impermeabile (fig. 10). In questo caso, se il livello dell’acqua esterno è costante, le linee di corrente si trovano nella parte centrale della parabola.
Fig. 10. Rete di flusso in un rilevato permeabile su terreno impermeabile
Nel pendio a monte, le parabole si collegano con le linee perpendicolari al pendio, che rappresenta la linea equipotenziale, perché a livello costante N1 l’acqua non scorre lungo il pendio. Con la pendenza a valle le parabole terminano tangenzialmente alla pendenza, che non è né una linea equipotenziale né una linea di corrente. La superficie del terreno impermeabile al di sotto del terrapieno è una linea d’acqua, perché l’acqua sul fondo del terrapieno scorre parallela a questa superficie. Nella parte superiore, la rete di flusso termina con una parabola fondamentale chiamata linea di infiltrazione, che rappresenta il confine del terreno sotto l’azione di filtrazione. Al di sotto di questo limite il terreno è sotto l’effetto di filtrazione dovuta alla pressione idrostatica dell’acqua esterna H*γW, mentre al di sopra non vi è alcuna filtrazione. La linea di infiltrazione è detta anche linea di saturazione, poiché si presuppone che il terreno sottostante sia completamente saturo d’acqua, mentre sopra sia parzialmente saturo.
La valutazione effettiva del pendio deve includere indagine, stratificazione, parametri di resistenza, acque sotterranee e superficiali, variazioni di livello, drenaggio, fasi sismiche, di scavo o di riempimento, strutture adiacenti e condizioni temporanee. Lo scavo senza un’adeguata protezione e l’ingresso nella zona di possibile frana non sono sicuri in base al testo generale o alla forma del pendio stesso.