Pendii Traditori: Svelato l’Effetto Viscoso degli Strati Morbidi e Cosa Conta Davvero per la Stabilità!

Ciao a tutti! Oggi voglio parlarvi di un argomento che mi affascina moltissimo e che ha implicazioni enormi nel mondo reale, specialmente quando parliamo di sicurezza e infrastrutture: la stabilità dei pendii, ma con un *twist* particolare. Avete presente quelle montagne o colline che sembrano solide come la roccia, ma che nascondono delle “trappole”? Mi riferisco ai pendii che contengono al loro interno degli interstrati soffici.

Immaginate un panino geologico: due strati di roccia dura e resistente che ne racchiudono uno molto più morbido, magari argilloso o scistoso. Cosa succede lì dentro? Beh, le cose si complicano parecchio rispetto a un pendio omogeneo. L’esperienza sul campo ci dice una cosa interessante: più questo strato morbido è spesso, più tende a “fluire” plasticamente verso l’esterno, verso la superficie libera del pendio, spinto dalla compressione delle rocce circostanti. È un po’ come premere un tubetto di dentifricio quasi vuoto: il contenuto tende a uscire dove trova meno resistenza.

Ma cos’è questo “Effetto Viscoso”?

Proprio per spiegare meglio questo comportamento, nel nostro studio abbiamo introdotto un concetto chiave: l’effetto viscoso deformativo (o “deformation viscosity effect”, se preferite l’inglese tecnico). Cerchiamo di capire insieme di cosa si tratta, senza troppi tecnicismi.

Quando il pendio si forma o subisce alterazioni (come scavi o semplicemente per effetto della gravità nel tempo), le tensioni al suo interno cambiano. Lo strato morbido, essendo meno resistente, tende a deformarsi e a spostarsi verso l’esterno più velocemente rispetto agli strati duri sopra e sotto. Pensate a particelle di roccia al confine tra lo strato morbido e quello duro: non si muovono all’unisono! Quelle dello strato morbido “scappano” in avanti, mentre quelle dello strato duro restano più indietro.

Questo “sfalsamento” crea due forze importanti:

• Una sorta di forza di coesione che agisce come un legame, cercando di tenere unite le particelle (una forza di vincolo inverso).
• Un attrito vero e proprio all’interfaccia, che si oppone allo scorrimento dello strato morbido.

Queste due forze, che abbiamo chiamato nel complesso “effetto viscoso”, agiscono in direzione opposta allo spostamento dello strato morbido, frenandolo. È come se ci fosse una sorta di “melassa” tra gli strati che ne rallenta il movimento relativo.

L’analogia che mi piace usare è quella di un fluido che scorre in un tubo rigido. C’è sempre un effetto viscoso tra il fluido e le pareti del tubo. Se il tubo è molto stretto (diametro piccolo), l’effetto frenante delle pareti è forte e il fluido fa fatica a scorrere. Se il tubo è largo, l’effetto è minore. Allo stesso modo, se l’interstrato soffice è sottile, l’effetto viscoso dovuto alle interfacce con le rocce dure è più pronunciato e aiuta a “tenere fermo” lo strato, migliorando la stabilità. Se invece l’interstrato è spesso, questo effetto si attenua molto, perché le particelle al centro dello strato morbido sono “lontane” dall’influenza frenante delle interfacce.

Il Caso Studio: Il Pendio del Ponte Huayudong

Per verificare queste idee e capire meglio come funzionano le cose nella realtà, abbiamo preso in esame un caso specifico: il pendio sulla sponda di Guiyang del ponte Huayudong, nella provincia di Guizhou, in Cina. Si tratta di un pendio ripido, con roccia affiorante (principalmente calcari dolomitici duri), ma che presenta al suo interno proprio uno di questi interstrati soffici: uno scisto carbonioso, geologicamente meno competente, con uno spessore di circa 2,46 metri e un’inclinazione di 8,6°.

Abbiamo costruito un modello numerico bidimensionale di questo pendio utilizzando un software di analisi agli elementi finiti (ABAQUS). Abbiamo inserito le caratteristiche geomeccaniche dei diversi strati (ricavate dalle indagini geologiche) e abbiamo simulato il comportamento del pendio sotto l’effetto del proprio peso, applicando il criterio di rottura di Mohr-Coulomb, un classico in geotecnica.

Cosa ci hanno detto le Simulazioni?

I risultati delle simulazioni sono stati illuminanti! Abbiamo visualizzato lo spostamento orizzontale (U1) e la deformazione plastica (PEEQ). È emerso chiaramente che:

• Il punto di uscita della potenziale superficie di scivolamento si trova proprio in corrispondenza dell’interstrato soffice sulla superficie libera del pendio.
• Lo spostamento orizzontale massimo (circa 13,7 cm nel nostro caso!) avviene lì, dove l’interstrato “sbuca” all’aperto.
• La superficie superiore dell’interstrato soffice agisce come la principale superficie di scorrimento potenziale per l’intero pendio. Se si arriva a rottura, è lungo quell’interfaccia che avviene lo scivolamento.

Ma la cosa più interessante è stata variare lo spessore dell’interstrato soffice nelle simulazioni e vedere come cambiava lo spostamento massimo. Abbiamo scoperto una relazione quasi esponenziale: all’aumentare dello spessore dell’interstrato, lo spostamento massimo cresce sempre più rapidamente. Per spessori molto piccoli (1-2 metri nel nostro caso), lo spostamento era quasi costante e contenuto. Man mano che lo spessore aumentava, lo spostamento schizzava verso l’alto.

Questa è una prova numerica dell’esistenza dell’effetto viscoso! Quando lo strato è sottile, l’effetto frenante delle interfacce è forte e limita lo spostamento. Quando lo strato si ispessisce, l’effetto si riduce e il pendio si deforma molto di più, avvicinandosi pericolosamente all’instabilità.

Ma quali Fattori Contano di Più per la Stabilità? Analisi di Sensibilità

Ok, abbiamo capito che l’interstrato soffice è un punto debole e che il suo spessore gioca un ruolo tramite l’effetto viscoso. Ma quali sono i parametri *più critici* che influenzano la stabilità complessiva di questi pendii? È più importante l’inclinazione dello strato, la sua coesione (quanto sta “incollato”), il suo angolo di attrito interno (la resistenza allo scorrimento), il suo spessore o il suo peso specifico?

Per rispondere a questa domanda, abbiamo usato un approccio combinato, molto potente. Abbiamo impostato un “test ortogonale”: un modo intelligente per pianificare una serie limitata di simulazioni variando sistematicamente questi cinque parametri (peso γ, coesione c, angolo di attrito φ, spessore H, angolo di inclinazione α) a diversi livelli (4 livelli per ciascun parametro). Per ogni combinazione, abbiamo calcolato il fattore di sicurezza (Fs) del pendio usando il metodo della riduzione della resistenza (un classico per valutare la stabilità).

Poi, abbiamo analizzato i risultati di questi test ortogonali con tre metodi diversi per essere sicuri della robustezza delle conclusioni:

1. Analisi del Range (Range Analysis): Un metodo semplice per vedere quale fattore provoca la maggiore variazione nel fattore di sicurezza quando si passa da un livello all’altro.
2. Analisi della Correlazione Grigia (Grey Relational Analysis – GRA): Una tecnica che valuta quanto le “sequenze” dei fattori influenzanti (es. i diversi valori di coesione testati) siano correlate alla “sequenza” del risultato (i fattori di sicurezza ottenuti). Misura il grado di interrelazione.
3. Processo Gerarchico Analitico (Analytic Hierarchy Process – AHP): Un metodo strutturato che permette di pesare l’importanza relativa di ciascun fattore e di ciascun livello di quel fattore sull’indice finale (il fattore di sicurezza).

Il Verdetto Finale: La Gerarchia dei Fattori Critici

Ebbene, tutti e tre i metodi hanno dato risultati consistenti, il che ci dà grande fiducia nelle conclusioni! La classifica di sensibilità dei fattori che influenzano la stabilità del pendio del ponte Huayudong (e verosimilmente di molti pendii simili) è risultata essere la seguente, dal più influente al meno influente:

Angolo di inclinazione (α) > Coesione (c) > Angolo di attrito interno (φ) > Spessore (H) > Peso specifico (γ)

Cosa significa questo in pratica? Che l’inclinazione dell’interstrato soffice è il fattore assolutamente più critico. Un piccolo aumento dell’inclinazione può ridurre drasticamente la stabilità. Subito dopo vengono le proprietà meccaniche intrinseche dello strato: la sua coesione e il suo angolo di attrito. Lo spessore, pur essendo legato all’effetto viscoso che abbiamo discusso, risulta leggermente meno influente di questi primi tre. Infine, il peso specifico dello strato ha l’impatto minore sulla stabilità complessiva, almeno in questo contesto.

Questi risultati sono preziosissimi! Ci dicono su cosa concentrare maggiormente l’attenzione durante le indagini geologiche e geotecniche, e quali parametri sono più importanti da considerare nella progettazione di opere di prevenzione e controllo (come ancoraggi, drenaggi, o rimodellamenti del pendio). Capire questa gerarchia ci permette di intervenire in modo più mirato ed efficace.

La ricerca sull’effetto viscoso e sulla sensibilità dei fattori di stabilità nei pendii con interstrati soffici è fondamentale per migliorare la nostra capacità di prevedere e mitigare i rischi di frana in contesti geologici complessi, che sono molto comuni in tante aree del mondo, dall’ingegneria dei trasporti a quella mineraria, dall’ingegneria geologica a quella idraulica. Spero che questa chiacchierata vi abbia incuriosito e vi abbia fatto apprezzare un po’ di più la complessità e la bellezza nascosta (a volte insidiosa!) del nostro pianeta.

Fonte: Springer