FALDE ACQUIFERE E SCAVI PROFONDI: UN’ANALISI PUNTUALE PER PROTEGGERE GLI EDIFICI VICINI

Ciao a tutti! Oggi voglio parlarvi di un argomento che, per chi si occupa di ingegneria e costruzioni, è pane quotidiano, ma che nasconde delle complessità affascinanti: la gestione dell’acqua sotterranea quando si scava vicino a strutture esistenti. Immaginatevi la scena: siamo in una metropoli, densa di edifici, e dobbiamo realizzare uno scavo per le fondazioni di un nuovo palazzo. Un’operazione delicata, perché smuovere il terreno e, soprattutto, alterare il regime delle acque sotterranee può essere un bel grattacapo.

Il Problema: L’Acqua che Non si Vede ma si Sente

Quando si realizza uno scavo profondo, una delle prime cose da fare è spesso “drenare” l’area, ovvero abbassare il livello della falda acquifera. Questo processo, chiamato dewatering, è fondamentale per lavorare all’asciutto, ma può avere effetti collaterali non trascurabili. La diminuzione della pressione dell’acqua nel terreno può causare la sua consolidazione, un po’ come strizzare una spugna. Se vicino al nostro scavo c’è un altro edificio, queste variazioni di pressione e i movimenti del terreno possono metterlo a dura prova.

Ma non è finita qui. La differenza di livello idraulico tra l’esterno e l’interno dello scavo innesca un fenomeno chiamato filtrazione (o seepage in inglese): l’acqua tende a muoversi attraverso il terreno, cercando di “entrare” nello scavo. Questo flusso può erodere il terreno (fenomeni come il sifonamento o piping), causare cedimenti e, nei casi peggiori, inclinare o danneggiare le strutture adiacenti. Un vero incubo per ingegneri e costruttori!

Per anni, abbiamo cercato modi per prevedere e controllare questi fenomeni. Sono stati fatti studi su studi, test fisici, simulazioni numeriche. Si è analizzato l’effetto della profondità dei muri di contenimento, della distanza tra questi e i pozzi di pompaggio, della larghezza dello scavo, delle caratteristiche dei diversi strati di terreno. Recentemente, si sono affacciate anche le metodologie basate sull’intelligenza artificiale, che però richiedono una marea di dati per essere “addestrate”.

Il punto è che molte di queste ricerche, pur validissime, si concentrano su fattori specifici o su condizioni di filtrazione transitoria (cioè che cambiano nel tempo), e spesso i modelli matematici usati sono semplificazioni che non colgono appieno la realtà, specialmente quando c’è una struttura vicina con un muro di contenimento in comune con lo scavo. Mancava, insomma, un tassello per capire a fondo il comportamento della filtrazione stazionaria (cioè che ha raggiunto un equilibrio) in questi scenari complessi.

La Nostra Soluzione Analitica: Un Passo Avanti

Ed è qui che entra in gioco il nostro studio. Ci siamo chiesti: è possibile sviluppare un metodo analitico, cioè basato su equazioni matematiche precise, per descrivere la filtrazione stazionaria in uno scavo di fondazione adiacente a una struttura, tenendo conto dello spessore del muro di contenimento e dell’interazione con la struttura stessa? La risposta, dopo un bel po’ di lavoro, è sì!

Abbiamo formulato un’equazione di continuità per il campo di filtrazione stazionario, “dividendo” idealmente l’area di interesse in diverse regioni rettangolari. Questo approccio, chiamato region dividing, ci permette di gestire geometrie complesse. Poi, usando le magiche serie di Fourier e il buon vecchio principio di Bernoulli, siamo riusciti a calcolare il carico idraulico e la pressione dell’acqua in ogni punto.

Per darvi un’idea più concreta, immaginate di avere uno scavo e, accanto, un edificio (come una stazione della metropolitana, per esempio). Il nostro modello considera:

• La profondità dello scavo e della struttura adiacente.
• Lo spessore dei muri di contenimento.
• La larghezza della struttura adiacente.
• Lo spessore dello strato permeabile sotto i muri.
• La permeabilità dei diversi strati di terreno (superiore e inferiore).

Abbiamo preso l’equazione di Laplace, che governa questi fenomeni, e l’abbiamo risolta per ciascuna delle 8 regioni in cui abbiamo suddiviso il nostro campo di filtrazione ideale. Certo, le condizioni al contorno e di continuità tra le regioni hanno richiesto un bel po’ di calcoli per determinare tutti i coefficienti, ma alla fine siamo arrivati a una soluzione analitica esplicita.

Confronto con la Realtà (Simulata): I Numeri Parlano Chiaro

“Bello sulla carta,” direte voi, “ma funziona davvero?” Per verificarlo, abbiamo costruito un modello numerico con un software specializzato, FLAC3D, basandoci sui dati di un progetto reale a Guangzhou, in Cina: uno scavo di fondazione vicino a una stazione della metropolitana. Abbiamo confrontato i risultati del nostro metodo analitico con quelli della simulazione numerica e anche con un metodo alle differenze finite.

I risultati? Davvero incoraggianti! La deviazione massima tra la nostra soluzione analitica e quella numerica è stata di appena il 2.76%. Pensate che il metodo alle differenze finite, in condizioni di grande differenza di permeabilità del suolo, arrivava a deviazioni del 15.26%! E non è tutto: il tempo di calcolo per la nostra soluzione analitica è stato circa duemillesimi di quello richiesto dalla simulazione numerica. Parliamo di 15 secondi contro ore di elaborazione! Questo significa poter fare analisi parametriche molto più velocemente, testando l’effetto di diverse variabili in un lampo.

Cosa Influenza Davvero la Filtrazione? Un’Analisi Dettagliata

Una volta validato il modello, ci siamo divertiti (si fa per dire, è stato un lavoro certosino!) a vedere come diversi parametri ingegneristici influenzano la distribuzione della pressione dell’acqua, la risultante della pressione e il gradiente di uscita (un indicatore critico per la stabilità del fondo scavo).

Ecco cosa abbiamo scoperto:

• Spessore dei muri di contenimento (c ed e): Aumentare lo spessore dei muri ha un effetto frenante sulla filtrazione. Più sono spessi, più ostacolano il flusso d’acqua. La pressione a monte del muro aumenta (l’acqua “spinge” di più perché trova più resistenza), mentre a valle diminuisce perché arriva meno acqua.
• Larghezza della struttura adiacente (d): Anche una struttura adiacente più larga aumenta la resistenza al flusso, perché l’acqua deve fare un percorso orizzontale più lungo. Quindi, effetto inibitorio sulla filtrazione.
• Rapporto di permeabilità tra strato superiore e inferiore del terreno (K1/K2): Se lo strato inferiore è meno permeabile di quello superiore (K1/K2 alto), l’acqua, che inevitabilmente deve passare dallo strato superiore a quello inferiore, incontra più resistenza. Anche questo frena la filtrazione.
• Spessore dello strato permeabile sotto il muro di contenimento (a): Qui la storia cambia. Uno strato permeabile più spesso sotto il muro offre un percorso più facile all’acqua. Quindi, questo parametro ha un effetto promotore sulla filtrazione, la facilita.
• Profondità della struttura adiacente (h2): Sorprendentemente, questo parametro ha mostrato un’influenza trascurabile sulla filtrazione. Le variazioni di pressione osservate erano dovute principalmente all’energia potenziale di posizione.

Fattori come il livello della falda a monte (h1) e il livello di drenaggio nello scavo (h3) hanno un’influenza ben nota e positiva sulla pressione dell’acqua, quindi non li abbiamo inclusi nell’analisi di sensibilità dettagliata, ma il nostro modello li considera eccome.

Abbiamo anche analizzato come questi parametri influenzano la risultante delle forze di pressione sui muri di contenimento e il gradiente di uscita nel punto più critico dello scavo. Quest’ultimo è fondamentale: se è troppo alto, il fondo dello scavo può “rompersi” a causa della spinta dell’acqua. Il nostro metodo analitico permette di calcolare un gradiente di uscita più realistico, considerando il flusso bidimensionale, rispetto alle formule tradizionali che spesso sovrastimano o sottostimano il rischio perché assumono percorsi di filtrazione semplificati.

Perché Tutto Questo è Importante?

Capirete bene che avere uno strumento analitico così preciso ed efficiente è un enorme vantaggio. Permette agli ingegneri geotecnici di:

• Valutare rapidamente i rischi associati al dewatering in scenari complessi.
• Identificare la necessità di interventi specifici, come sistemi di drenaggio esterni, barriere impermeabili aggiuntive (diaframmi, palancole) o rinforzi passivi del terreno.
• Ottimizzare il progetto dei sistemi di contenimento e dewatering.

In pratica, il nostro studio fornisce una base scientifica solida per prendere decisioni più informate e sicure, soprattutto quando si costruisce in contesti urbani congestionati, dove ogni errore può costare caro, sia in termini economici che di sicurezza. È fondamentale, ad esempio, prestare particolare attenzione agli scavi con strutture adiacenti di larghezza ridotta, o quando la permeabilità e lo spessore dello strato di terreno o roccia sotto il muro di contenimento sono elevati.

Insomma, anche se l’acqua sotterranea può sembrare un nemico invisibile, con gli strumenti giusti possiamo capirne il comportamento e trasformare una potenziale minaccia in una sfida ingegneristica gestibile. E il nostro metodo analitico, speriamo, darà un contributo significativo in questa direzione!

Fonte: Springer