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IL CONSOLIDAMENTO ELETTROSMOTICO: UNA POCO
CONOSCIUTA MA VALIDA E SPERIMENTATA TECNICA
la natura delle cause - un possibile modello di soluzione - la tecnica più in particolare - descrizione sintetica pratica

La Situazione:
Il continuo e disuniforme abbassamento della falda, talvolta alternato da innalzamenti di origine meteorica locale, sta provocando da molto tempo una continua serie di danni alle infrastrutture sia ad uso privato o industriale, sia agli edifici di pregio architettonico o di grande rilevanza storica.

Il problema delle fondazioni cedevoli, in generale, non è che un aspetto della più vasta problematica del dissesto idrogeologico che affligge, ormai in modo cronico, la nostra penisola.

Strutture antiche, chiese e palazzi di grande valore storico sono minacciati dalle fondamenta ed i fenomeni di cedimento, una volta innescatisi, sono progressivi, irreversibili ed inarrestabili se non vengono bloccati con interventi di consolidamento dall'esterno.


Gli interventi che usualmente vengono messi in opera sono delle tipologie più diverse e di differente grado di efficacia ed affidabilità nel tempo.

Tutti gli interventi tradizionali, comunque, possiedono un denominatore comune: curano l'effetto ma non la causa, sono assai invasivi e generalmente costosi.

Il costo e l'invasività degli interventi tradizionali è insita nel fatto che essi sono mirati, concettualmente, all'estensione delle fondazioni con il fine di compensare in tal modo la diminuita portanza locale del terreno. In altri casi essi sono mirati alla creazione di sacche o “noccioli duri” di compensazione o di altri generi di strutture atte ad impedire scivolamenti o smottamenti locali.


L'effetto finale di questo tipo di interventi, anche quando non sono risolutivi è, in ogni caso, quello di lasciare profondi mutamenti nella fondazione o sulla muratura e di essere talvolta persino di ostacolo alla messa in opera di successivi interventi.

Le iniezioni di resine poliuretaniche ad espansione o di malte cementizie nel terreno, non costituiscono un intervento visibile ma sono di difficilissimo controllo dal punto di vista della loro collocazione in situ.


L'insieme di queste tecniche costituisce, talvolta, l'unica risorsa in termini di scelta della migliore procedura da adottare anche se, negli ultimi vent'anni, ci si è quasi completamente adagiati su di esse.

Le tecniche di consolidamento elettrosmotico sono note da quasi un secolo ed in Italia i primi esperimenti risalgono agli anni '30 !!!

Il grande periodo di studio e di affinamento delle tecniche si è avuto tra la fine degli anni 50' e l'inizio degli anni 70'.




La natura delle cause:
I terreni di natura argillosa possiedono una particolare e complessa struttura cristallina che li rende singolari dal punto di vista delle proprietà chimico-fisiche e, soprattutto, dal punto di vista della loro risposta al carico in relazione alla presenza di acqua.

I minerali argillosi sono fillosilicati idrati con strutture a fogli sovrapposti e legati a loro volta basati sulla ripetizione bidimensionale di unità tetraedriche (T), aventi al centro un atomo di Si o di unità ottaedriche (O), aventi al centro un atomo di Al.

La sovrapposizione alternata di strati O e di strati T dà origine ai vari gruppi di minerali argillosi: minerali con pacchetti a 2 strati (T/O) come la caolinite, minerali con pacchetti a 3 strati (T/O/T) come le smectiti e minerali con pacchetti a 3 strati più 1. La possibilità di sostituzioni isomorfe di atomi di Si con atomi di Al produce nel sistema pacchetto un eccesso di cariche negative che viene compensato da molecole di acqua e ioni metallici positivi, generalmente alcalini e alcalino terrosi oltre a ioni idrogeno e ammonio.

L'energia di coesione tra i pacchetti degli strati non è sufficiente a contrastare quella di idratazione degli ioni sicché, come compensazione, i pacchetti si circondano di un numero elevato e variabile di strati di acqua, presentandosi come delle strutture di forma lenticolare contenuti in "sacchetti" di molecole d'acqua pellicolare e ioni positivi, aventi un diametro medio <= 2µm.

La descrizione testé data rende conto sia delle proprietà plastiche e coesive dei minerali argillosi che della loro tendenza al rigonfiamento (smectiti).

Quando l'acqua di falda si allontana libera spazi all'acqua interstiziale che defluisce e non svolge più la sua funzione di sostegno e contorno a quella pellicolare.
L'acqua pellicolare, non più trattenuta, tende a sfuggire, seppur lentamente (drenaggio) riducendo le capacità portanti ed il volume del terreno. Si aggiunga che le fondazioni stesse dell'immobile, non più immerse nell'acqua di falda, perdono la spinta idrostatica e gravano sul terreno di fondazione con un carico che diventa doppio rispetto al precedente.

Risulta quindi evidente che per interrompere il fenomeno, che di per sé è lento ma non tende ad arrestarsi, bisogna trattenere l'acqua nelle fondazioni e dato che una parte di essa è già stata drenata, occorre anche fornirne dalla superficie al fine di compensarne la quantità perduta.




Un possibile modello di soluzione:
Come già accennato, è necessario ricostituire la falda o costruire una falda sospesa o artificiale, in modo che il fenomeno del drenaggio venga a cessare e che anzi l'acqua e la portanza perdute vengano richiamate.

Tutto questo può essere fatto, per i terreni a preponderanza argillosa, con un metodo efficace e poco invasivo, già utilizzato in altri settori o in altri modi: L'ELETTROSMOSI.

La metodica ELETTROSMOTICA si basa essenzialmente sull'applicazione al terreno di sottofondazione di un campo elettrico appropriato che trattenga l'acqua nel terreno stesso.

Questa possibilità di induzione di un flusso di acqua viene offerta dalla struttura intima stessa dell'argilla che può essere assimilata ad una rete di innumerevoli capillari ottenuti dalle superfici silicatiche delle lenticole di argilla.

Benché nel complesso il terreno sia, ovviamente, elettricamente neutro, nel suo interno l'acqua interstiziale è nelle condizioni di possedere un potenziale elettrico superiore a quello della superficie delle lenticole cosi che l'applicazione di un campo elettrico esterno ne induce la migrazione verso l'elettrodo negativo.

Al contrario, se per uno dei motivi esposti nel precedente paragrafo l'acqua interstiziale ha la possibilità di fluire, verrà a crearsi uno scompenso di cariche ed un conseguente campo elettrico misurabile come differenza di potenziale tra diversi punti del terreno.

La tecnica che proponiamo consiste nel collocare una serie di elettrodi negativi nel terreno immediatamente sottostante le fondazioni ed una seconda serie di elettrodi positivi nel terreno circostante l'edificio, ad alcuni metri da esso. Gli elettrodi vengono successivamente collegati ad una centralina dl alimentazione che eroga una differenza di potenziale contraria a quella prodotta dal deflusso dell'acqua, interrompendolo od invertendolo, seppur parzialmente.
Qualora nel terreno circostante l'edificio non dovesse esserci acqua a sufficienza quest'ultima verrà fornita da una fonte esterna direttamente agli elettrodi positivi (pozzi anodici).


Questo sistema, economico, non invasivo e reversibile ha il grande vantaggio di bloccare i cedimenti mettendo, quindi, in sicurezza l'immobile.

Nel momento in cui il terreno sottostante la fondazione subisce una contrazione per mancanza di acqua interstiziale esso manifesta un cedimento che può essere bloccato ma, spesso, non del tutto recuperato.

La tecnologia elettrosmotica, pertanto, non si ripropone di ripristinare lo status quo ante ma di METTERE IN SICUREZZA il terreno per un intervallo di tempo indefinito in modo da concedere sufficiente spazio allo studio ed alla pianificazioni di altri interventi di restauro e di eventuale consolidamento.




La tecnica più in particolare:
Applicazioni dell'elettrosmosi per lo spostamento di acqua nelle argille sono frequentissimi nei lavori di preconsolidamento dei terreni destinati a sedi stradali o ferroviaria o nei lavori di correzione di effetti di dissesto idrogeologico.

La maggior parte della grande quantità di interventi descritti in letteratura e comunemente messi in opera riguarda la sottrazione dell'acqua in eccesso e l'ottenimento di effetti di preconsolidamento ma non il mantenimento dell'acqua esistente entro un terreno già caricato e consolidato. Ciò si spiega con il fatto che, in genere, il mercato richiedeva di riassestare terreni per grandi opere pubbliche che risultavano trovarsi in posizioni praticamente irrinunciabili.

La tecnica elettrosmotica può anche condurre ad un aumento di resistenza dei terreni attraverso una variazione “granulometrica” di parte della argilla fine (circa 2µm ) esistente in fondazione.

In taluni casi tale possibilità è preziosa perché accade (es.: chiesa di Bazzano) che coesistano cedimenti dovuti ad eccessi di carico all'origine, aggravati dall'abbassamento della falda ed altri dovuti esclusivamente all'abbassamento della falda.

Nel caso degli eccessi di carico all'origine un intervento per interrompere il fenomeno di cedimento è necessariamente composto da una fase di aumento della portanza del terreno e da una fase di ricreazione della falda scomparsa. In tutti i casi il costo di un intervento di emergenza per la messa in sicurezza dell'immobile é di circa un ordine di grandezza inferiore al costo di un classico intervento di stabilizzazione (micropali, jet growting, ecc.).


Per quanto riguarda le potenze elettriche da installare e i tempi necessari per la stabilizzazione si può affermare che essi sono compatibili con le potenze e con i tempi tipici di un comune cantiere di ristrutturazione.

Per quanto riguarda il cantiere di Bazzano, in prima istanza, si può dire l'impianto di ricostituzione della falda avrà la necessità di assorbire una corrente continua dell'ordine di grandezza di un ampère, ad una tensione di circa 10-15 Volt. Per quanto riguarda la fornitura di acqua attraverso i pozzi anodici, si può prevedere un fabbisogno di alcune decine di litri per ogni metro cubo di fondazione. Nel corso del processo, in ogni caso, il passaggio di corrente si riduce, fino ad annullarsi, con legge asintotica a causa delle variazioni di conducibilità che intervengono nel terreno, mentre la richiesta di acqua nel sistema si riduce con andamento irregolare.

Per quanto concerne la fase di "consolidamento per agglomerazione" delle argille della sottofondazione, si tratta di applicare tensioni in DC di qualche decina di Volt e con intensità di corrente di poche centinaia di mA per ogni metro cubo di sottofondazione interessato. Globalmente si può stimare un consumo massimo globale di circa 3000 KWh in un mese e mezzo.

Nelle condizioni prima descritte, ogni metro cubo di sottofondazione, considerato come beneficiario di tutta la corrente circolata, avrebbe assorbito circa 30 KWh, valore sufficiente per ridurre, ad esempio dal 25% al 15%, la presenza di argille fini, ottenendo praticamente un raddoppio della capacità portante.


In pratica le valutazioni su esposte devono essere considerate di massima perché ogni singolo cantiere, ovviamente, deve essere valutato e programmato nella sua specificità.


Maggiori ragguagli sui calcoli effettuati per i consumi energetici, le quantità di corrente circolanti, e le relazioni tra le proprietà indici del terreno si vedano anche i saggi e gli studi, reperibili in letteratura e citati nelle appendici, degli autori:
Alfonso Franceschini (studioso Italiano di Geofisica Mineraria, Piacenza);
F. Soggetti ( Istituto di Mineralogia e Petrografia, Cattedra di Petrografia Sedimentaria e Laboratorio di Mineralogia delle Argille, Università di Pavia);
Dott. Ing. Paolo Mancini ( Direttore Tecnico di GEOELEURICA S.p.a., Roma) in: I processi elettrosmotici e la loro applicazione nei problemi di Ingegneria Geotecnica - Tempo Tecnico, anno II, n. 4, Dicembre (1965);
Casagrande L. (1953) - Review of Past and Current work on Electro-Osmotic Stabilization of Soils - Harvard Soil Mech. Series n. 45, Harvard Univ., Cambridge, Mass.
G. Calabresi (Dipartimento di Ingegneria Strutturale e Geotecnica, Università degli Studi di Roma "La Sapienza");
Dott. Ing. Fausto Lancieri (assistente ordinario presso l'istituto di Costruzioni Stradali e Trasporti dell'Università di Pisa);
R. Cigna (Dip. ICMMPM, Università La Sapienza, Roma).




Descrizione sintetica pratica della procedura da adottare:

1. Foratura fino a 50 - 70 cm sotto il piano inferiore della sottofondazione e dissalazione accuratissima della zona di diffusione.
2. Immissione di materiale di contatto ed inserimento di elettrodo metallico apposito.
3. Applicazione, eventualmente alternata, dei sistemi di reidratazione e di disidratazione del bulbo delle pressioni fino a risultato ottenuto.
4. Rifornimento acqua esterna.
5. Monitoraggio settimanale acqua immessa, livelli piezometrici e monitoraggio portanza.

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