Sabbia Trappola: Liquefazione, Densità e il Ballo Sismico Nascosto Sotto i Nostri Piedi

Ciao a tutti! Oggi voglio parlarvi di un argomento che, lo ammetto, mi affascina da morire e rappresenta una delle sfide più grandi nel mio campo, l’ingegneria geotecnica e sismica: la liquefazione dei terreni. Immaginate il terreno sotto i vostri piedi che, durante un terremoto, perde improvvisamente la sua solidità e inizia a comportarsi quasi come un liquido. Spaventoso, vero? Ma anche incredibilmente interessante da studiare!

In particolare, c’è uno scenario che stuzzica la mia curiosità: cosa succede quando uno strato di sabbia, potenzialmente liquefacibile, si trova “intrappolato” tra strati di argilla, che invece non liquefanno? E come cambia il tutto a seconda di quanto quella sabbia sia “compatta”, ovvero della sua densità relativa? È un po’ come chiedersi come si comporterà il ripieno di un sandwich (la sabbia) quando tutto il panino (il profilo del suolo) viene scosso violentemente, e se un ripieno più denso reagisce diversamente da uno più soffice.

Per capirci qualcosa di più, ci siamo tuffati in una serie di simulazioni numeriche molto avanzate. Abbiamo ricostruito al computer un profilo di terreno con strati di sabbia a diverse densità relative (dal 35%, piuttosto sciolta, al 75%, decisamente più compatta) confinati tra strati di argilla. Poi, abbiamo “scatenato” su questi modelli virtuali diverse registrazioni di terremoti reali, con caratteristiche differenti, per vedere cosa succedeva. Lo strumento che abbiamo usato si chiama PLAXIS 2D, insieme a un modello matematico sofisticato specifico per la sabbia, il PM4Sand, che è bravissimo a simulare proprio questi fenomeni di liquefazione.

Ma cos’è esattamente la liquefazione? Un ripasso veloce

Prima di addentrarci nei risultati, rinfreschiamoci la memoria. La liquefazione colpisce tipicamente terreni sabbiosi saturi d’acqua (cioè con tutti gli spazi tra i granelli pieni d’acqua) e non molto compatti. Durante un terremoto, le onde sismiche scuotono il terreno. Questo scuotimento tende a far “riassestare” i granelli di sabbia, riducendo gli spazi tra loro. Ma se l’acqua non ha modo di scappare via velocemente (condizioni non drenate), la pressione dell’acqua stessa (la famosa pressione interstiziale) aumenta a dismisura. Quando questa pressione arriva ad eguagliare il peso del terreno sovrastante, i granelli di sabbia si trovano praticamente a “galleggiare” nell’acqua, perdendo il contatto reciproco. Ed ecco che il terreno perde la sua resistenza e la sua rigidità, comportandosi come un fluido denso. Un bel pasticcio per qualsiasi cosa ci sia costruita sopra!

Il verdetto delle simulazioni: la densità è la regina

Allora, cosa abbiamo scoperto dalle nostre simulazioni? Beh, la prima conferma, forte e chiara, è che la densità relativa della sabbia gioca un ruolo cruciale.

• Nei modelli con sabbia più sciolta (densità relativa del 35%), la pressione dell’acqua è schizzata alle stelle molto rapidamente sotto l’effetto delle scosse sismiche simulate. In pochi secondi (il tempo variava a seconda del terremoto usato, da circa 5 a 30 secondi), la pressione interstiziale raggiungeva livelli tali da indicare l’inizio della liquefazione quasi completa.
• Con una densità intermedia (55%), il terreno resisteva un po’ di più, ma alla fine cedeva anche lui, liquefacendosi dopo qualche secondo in più rispetto al caso precedente.
• E la sabbia più densa (75%)? Qui la musica cambiava radicalmente. Anche con gli scuotimenti più forti, la pressione dell’acqua aumentava, sì, ma rimaneva ben al di sotto della soglia di liquefazione. In pratica, questo terreno si dimostrava molto più resistente.

Questo ci dice una cosa fondamentale: più la sabbia è densa e compatta, minore è il rischio che liquefaccia. Sembra ovvio, ma quantificare questa differenza è essenziale per valutare la sicurezza di un sito.

L’effetto “sandwich”: l’argilla che confina

Un altro aspetto affascinante è l’effetto dello strato di argilla superiore. Abbiamo confrontato i modelli “sandwich” (sabbia tra due strati di argilla) con modelli in cui lo strato di argilla superiore era assente (sabbia “scoperta”). Ebbene, la presenza dello strato di argilla superiore sembra aumentare la pressione interstiziale nella sabbia sottostante. È come se l’argilla facesse da “tappo”, impedendo all’acqua sotto pressione di sfogare verso l’alto, favorendo così la liquefazione dell’intero strato sabbioso.

Questa differenza ha conseguenze importanti. Ad esempio, abbiamo notato che l’accelerazione massima registrata in superficie (Peak Ground Acceleration o PGA) era inferiore nei modelli con lo strato di argilla superiore rispetto a quelli senza. Sembra quasi che la liquefazione più diffusa, favorita dall’argilla, smorzi maggiormente le scosse. Interessante, no?

Inoltre, un’altra osservazione curiosa riguarda gli spostamenti finali del terreno dopo il terremoto. I modelli senza lo strato di argilla superiore mostravano spostamenti orizzontali finali minori rispetto a quelli con l’argilla. Questo si collega all’aumento della pressione interstiziale: più pressione, più liquefazione, potenzialmente più movimento complessivo, anche se magari meno picchi di accelerazione.

Il terreno liquefatto come filtro sismico: un gioco di frequenze

Qui le cose si fanno ancora più intriganti. Abbiamo analizzato come le onde sismiche venivano modificate attraversando i nostri strati di terreno. È emerso un chiaro effetto filtro dipendente dalla frequenza, e ancora una volta, la densità relativa della sabbia era la protagonista.

• Con la sabbia più sciolta (35%), una volta liquefatta, tendeva a smorzare (de-amplificare) le onde sismiche su quasi tutte le frequenze, tranne quelle bassissime (sotto 0.5 Hz). È come se il terreno liquefatto assorbisse l’energia delle scosse.
• Con la densità intermedia (55%), l’effetto di smorzamento diventava più selettivo, concentrandosi su una specifica banda di frequenze (tra 4 e 8 Hz circa).
• Con la sabbia più densa (75%), che resisteva alla liquefazione, la storia si ribaltava! Invece di smorzare, questo strato tendeva ad amplificare le onde sismiche su quasi tutte le frequenze. E più la sabbia era densa, maggiore era questa amplificazione.

Questo significa che uno strato di sabbia liquefacibile può comportarsi in modi radicalmente diversi a seconda della sua densità: da “cuscinetto” che attutisce le scosse (se poco denso e liquefatto) a “trampolino” che le amplifica (se denso e non liquefatto). Un vero rompicapo per chi progetta in zone sismiche!

Cosa significa per gli edifici? L’accelerazione spettrale

Tutto questo come si traduce in termini di scuotimento percepito da un eventuale edificio costruito sopra? Abbiamo guardato l’accelerazione spettrale, che ci dà un’idea dell’intensità dello scuotimento a diverse frequenze (importante per capire come risponderanno strutture diverse).

I risultati sono coerenti con quanto visto finora. Nei casi con sabbia confinata a bassa densità (35% e 55%), le accelerazioni spettrali in superficie erano significativamente più basse rispetto al caso di riferimento senza liquefazione (solo argilla). Questo conferma l’idea che la liquefazione, in questi casi, possa agire come una sorta di isolatore sismico naturale, riducendo le sollecitazioni sulla struttura.

Ma attenzione: questo effetto benefico diminuiva all’aumentare della densità. Nel caso della sabbia al 75% di densità, le accelerazioni spettrali erano molto più alte, avvicinandosi (e per alcuni terremoti superando) quelle del caso non liquefacibile. Quindi, un terreno denso, anche se potenzialmente liquefacibile ma che non raggiunge la liquefazione completa, non offre lo stesso “sconto” sismico, anzi!

Anche qui, l’assenza dello strato di argilla superiore tendeva ad aumentare leggermente le accelerazioni spettrali massime rispetto ai casi confinati, supportando l’idea che l’argilla sovrastante, favorendo la liquefazione, contribuisca a mitigare l’intensità dello scuotimento in superficie.

Spostamenti e Oscillazioni: un quadro complesso

Infine, abbiamo dato un’occhiata agli spostamenti orizzontali e alle oscillazioni del terreno in superficie.
La sabbia più sciolta (35%) mostrava gli spostamenti finali maggiori (circa 10 cm nel nostro caso studio), superando anche il terreno argilloso non liquefatto. Però, le oscillazioni durante il terremoto erano molto smorzate rispetto all’argilla. Quindi: più spostamento permanente, ma meno “tremarella” ad alta frequenza.
Le sabbie più dense (55% e 75%) avevano spostamenti finali minori (circa 6 cm), ma potevano mostrare oscillazioni più pronunciate o amplificazione a certe frequenze, come già discusso.

Confrontando i coefficienti di amplificazione (rapporto tra il valore in superficie nei profili liquefacibili e quello nel profilo non liquefacibile), abbiamo visto che l’amplificazione di accelerazione e velocità diminuiva al diminuire della densità relativa (massima de-amplificazione per DR=35%). Per lo spostamento orizzontale, invece, la tendenza era meno marcata: anche a basse densità, la liquefazione poteva indurre deformazioni significative.

Tirando le somme: cosa ci portiamo a casa?

Questa immersione nel comportamento della sabbia “in trappola” ci ha regalato parecchi spunti interessanti:

• La densità relativa è la variabile chiave che controlla la suscettibilità alla liquefazione e come il terreno modifica le onde sismiche.
• La sabbia sciolta liquefà facilmente, smorza gran parte delle frequenze sismiche, ma può portare a grandi spostamenti.
• La sabbia densa resiste meglio alla liquefazione e può amplificare selettivamente le onde sismiche.
• Lo strato di argilla confinante superiore favorisce la liquefazione nello strato sabbioso, riduce i picchi di accelerazione in superficie ma può aumentare gli spostamenti finali rispetto a un caso non confinato.
• La liquefazione (soprattutto a basse densità) può agire come un filtro e potenziale isolatore sismico, ma questo effetto dipende fortemente dalla densità e dalle caratteristiche del terremoto.

Capire queste dinamiche è fondamentale. Ci aiuta a valutare meglio i rischi in zone sismiche dove esistono questi profili di terreno complessi e, potenzialmente, a pensare a strategie di mitigazione più efficaci o a sfruttare, con cautela, gli effetti “benefici” della liquefazione in certi scenari. Certo, la liquefazione rimane un fenomeno complesso e potenzialmente distruttivo, ma studiarla così nel dettaglio ci permette di affrontarla con più consapevolezza. E per me, questa è la parte più bella della sfida!

Fonte: Springer