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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).
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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. |
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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:
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Alfonso
Franceschini (studioso Italiano di Geofisica Mineraria,
Piacenza); |
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F.
Soggetti ( Istituto di Mineralogia e Petrografia, Cattedra
di Petrografia Sedimentaria e Laboratorio di Mineralogia delle
Argille, Università di Pavia); |
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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); |
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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. |
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G.
Calabresi (Dipartimento di Ingegneria Strutturale e Geotecnica,
Università degli Studi di Roma "La Sapienza"); |
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Dott.
Ing. Fausto Lancieri (assistente ordinario presso l'istituto
di Costruzioni Stradali e Trasporti dell'Università di
Pisa); |
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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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