Ricerca teorica ed applicazione di correnti elettriche continue a basso potenziale nei terreni coesivi per la stabilizzazione di movimenti gravitativi.

Abstract

Nelle Langhe piemontesi sono stati registrati anche negli ultimi decenni centinaia di fenomeni gravitativi classificati come rock slip e soil slip. La rilevante instabilità meteorologica dell’autunno 1994 e dei successivi ha attivato e riattivato numerosi fenomeni di instabilità geomorfologica che hanno avuto notevoli ripercussioni sul territorio dal punto di vista sociale ed economico. Le back – analisys dei movimenti gravitativi traslativi evidenziano incongruenze tra le forze agenti e quelle resistenti pre e post precipitazioni lungo le superfici di scivolamento poco inclinate (8° – 15°). Dagli studi condotti, è emerso che la superficie di scivolamento ha uno spessore di pochi millimetri, che rispetto ai volumi di roccia o di terreno limitrofi a tale superficie è presente un basso contenuto di carbonati, e che è avvenuta la trasformazione dei minerali illitici in minerali smectitici in percentuale rilevante, il loro isoorientamento, l’ossidazione della pirite con la formazione di jarosite, la solfatazione dei carbonati con formazione di gesso, la formazione di cristalli micritici di carbonati. Queste evidenze sono state messe in relazione con l’infiltrazione, percolazione, circolazione e ristagno di acqua proveniente dalle precipitazioni. Queste rilevazioni forniscono una valida causa predisponente all’innesco, in presenza di acqua, di fenomeni gravitativi traslativi tipici di questo territorio ed inducono la variazione di volume dei minerali non solo argillosi e la variabilità dei valori delle caratteristiche meccaniche dei terreni in cui detti minerali sono contenuti, in funzione dei cicli di idratazione – essiccamento. L’ipotesi della decalcificazione ed arricchimento relativo smectitico lungo le superfici di discontinuità e di scivolamento, giustificherebbe gli alti valori di resistenza al taglio in condizioni anidre, ed i bassissimi valori di resistenza al taglio in presenza di acqua. È noto in letteratura scientifica che la compressibilità delle argille diminuisce all’aumentare della concentrazione degli elettroliti, e che le smectiti saturate in acqua distillata con K+ e Ca2+ (raggio ionico molto simile) riducono la loro attività e la propensione alla sostituzione cationica, ed incrementano i valori di resistenza al taglio, sia di picco che residua. La presenza di precipitato di CaCO3 aumenta i valori di resistenza meccanica dei terreni. Applicando correnti elettriche continue ad un terreno coesivo saturo, si generano diversi fenomeni: l’elettrosmosi, l’elettrocinesi (elettromigrazione), i fenomeni di dissoluzione e precipitazione, l’elettroforesi, l’idrolisi. L’elettrosmosi consiste nello spostamento del fluido di permeazione verso una delle due polarità. L’elettrocinesi (elettromigrazione) consiste nello spostamento degli ioni verso la polarità opposta per mezzo della soluzione salina. Tra gli ioni spostati verso le polarità opposte ci sono lo ione idrogeno (H+) e l’ossidrile (OHˉ), ovvero si assiste rispettivamente alla migrazione del fronte acido e di quello basico verso la polarità opposta. Il fronte che si sposta più rapidamente è quello acido, per cui, il volume di terreno ove i due fronti si compensano è, in generale, più vicino al catodo. Si assiste ad un’ampia variabilità di pH nel terreno dall’anodo (pH anche molto acido) al catodo (pH anche molto alcalino). Ciò comporta fenomeni di dissoluzione e di precipitazione di specie mineralogiche in funzione del pH stesso. È possibile utilizzare l’elettrocinesi per diffondere nel terreno ioni come il Ca2+ per stabilizzare le smectiti e quindi migliorarne le caratteristiche tecniche. L’aggiunta all’anodo di soluzioni di calcio (CaCl, CaOH, acqua della rete domestica con durezza molto elevata), grazie alla loro funzione tampone, aumenta il volume alcalinizzato fino all’80% del totale, e favorisce la precipitazione di agenti cementificanti. È stato notato che il processo elettrocinetico e quelli ad esso correlati sono reversibili e poco significativi per brevi periodi di trattamento (poche ore), mentre si rilevano risultati significativi per periodi di trattamento superiori ai 15 giorni. L’elettroforesi consiste nello spostamento della fase colloidale argillosa verso la polarità positiva. La fase colloidale, essendo formata da sospensione non agglomerata di minerali argillosi, smectiti in gran parte, ha un deficit di carica positiva strutturale permanente che le porta a migrare verso l’anodo. Gli studi e le applicazioni con alte densità di campo (1 V/cm) interessano l’infissione di pali metallici entro terreni coesivi, l’induzione della consolidazione nei terreni coesivi, la riduzione dell’inquinante polare nei fanghi di lavorazione, la bonifica di terreni coesivi inquinati con metalli pesanti. In passato, le correnti continue sono state utilizzate per la stabilizzazione dei movimenti gravitativi, ma con densità di campo dell’ordine di 100 V / metro. Questa tecnologia è stata sempre meno impiegata a causa del degrado dei materiali utilizzati nell’impiantistica, dell’alto costo di realizzazione e gestione degli impianti per ottenere risultati apprezzabili, della conoscenza non approfondita dei fenomeni che si innescano, e degli effetti collaterali all’applicazione con alte tensioni come il riscaldamento del terreno e riduzione della frazione colloidale a favore della sua agglomerazione e quindi aumento della permeabilità. Sono emerse inoltre differenti rilevazioni su campioni di terreno coesivo saturo sottoposti ad alte densità di campo elettrico rispetto quelli sottoposti a basse differenze di potenziale. Le applicazioni con bassa densità di campo sono correntemente utilizzate anche per la reidratazione e stabilizzazione di terreni coesivi insaturi che manifestano il fenomeno ciclico del rigonfiamento / collasso al variare dei cicli stagionali. In tale applicazione, non sono stati rilevati gli effetti collaterali negativi registrati nelle applicazioni con alte densità di campo. Da quanto riportato, è stato formulato l’obiettivo di questa ricerca: l’applicazione di correnti elettriche continue a bassa densità di campo (0,1 – 0,2 V/cm) ad un terreno coesivo per indurre la riduzione dell’attività delle smectiti con l’elettrocinesi, la riduzione del contenuto in acqua in un terreno coesivo saturo con l’elettrosmosi, la precipitazione di carbonati nel volume di terreno in cui è stato indotto un ambiente alcalino. Il raggiungimento di questi obiettivi potrebbe portare all’aumento dei valori della resistenza al taglio dei terreni coesivi trattati ed alla riduzione del loro potenziale di rigonfiamento, e quindi al miglioramento della stabilità del versante costituito da terreni coesivi, interessato da movimenti gravitativi. Per la verifica dell’obiettivo, sono state effettuate due sperimentazioni: una in laboratorio su campioni di terreno coesivo saturo, ed una su modello fisico di versante costituito dal medesimo terreno insaturo. Dai risultati della prima sperimentazione, è emerso che nei terreni coesivi saturati con acqua dura della rete domestica, trattati con i campi elettrici a basse intensità di campo aumenta il contenuto di carbonati nel terreno trattato, diminuisce il potenziale di rigonfiamento dei minerali argillosi (VB) ed il contenuto d’acqua, migliora il valore dell’angolo di attrito interno del terreno coesivo (φ). La diminuzione ed il mantenimento della costanza nel tempo del contenuto d’acqua permette il protrarsi nel tempo del trattamento, e favorisce la stabilità del terreno anche di fronte a potenziali eccessi di acqua. Il trattamento del terreno coesivo saturo con basse intensità di campo oltre i 30 – 40 giorni di trattamento favorisce il miglioramento delle caratteristiche meccaniche dei terreni e quindi la stabilizzazione di un movimento gravitativo in terreni coesivi (soil slip). Dai risultati della procedura sperimentale su modello fisico durata 60 giorni, è emerso che anche in un terreno insaturo è possibile applicare correnti elettriche continue con bassa densità di campo, i consumi in termini di energia elettrica sono bassi e quindi è ipotizzabile un’alimentazione in sito con pannelli fotovoltaici, l’attività delle smectiti diminuisce, il contenuto in carbonati aumenta nel volume di terreno in cui è stato indotto un ambiente alcalino, la pressione di collasso media del modello fisico trattato è risultata essere maggiore di più del 18% rispetto a quella del modello fisico non trattato. Si è registrato quindi il miglioramento della stabilità del versante artificiale omogeneo insaturo. L’applicazione in sito mostrerebbe evidenti vantaggi rispetto ad altre tecniche, in termini di costi, di praticità, e dei tempi di realizzazione.

Recent studies on translational gravitational movements in Langhe, Piemonte Region (Italy) have shown the presence of an higher percentage of smectitic minerals along the sliding surface than anywhere else in the involved material. It is well known the property to adsorb ions and water of these minerals, either on the their external surface, and within their crystal lattice, thus increasing in volume (swelling) and reducing their shearing resistance. Recent studies on the interaction between the pore saturation saline solution of the cohesive soil and the smectitic minerals behavior, have shown that, when the smectitic minerals are brought into contact with a saline solution, containing potassium and / or calcium, it is apparent that the cohesive soils undergo a reduction in their swelling behavior, and showed a marked improvement in values of geotechnical properties. Recent studies on the interaction between the pH level of the saturating saline solution of the cohesive soil and the smectitic minerals, have shown that in an alkaline environment, there was the precipitation of cementing substances between the micelles of clay minerals which led to an improvement of the values of their geotechnical features. It is also known that the excess water on the clayey slide surface and his very low drainage rate are the main causes of the gravitational movements. Thanks to the application of a potential difference between electrodes in a saturated porous medium, it is possible to move, from an electrode to the other: water (electrosmosis), ions present in the solution that saturates the porous medium (electrokinetics), and/or the colloidal particles (electrophoresis). This physical principle can be applied to any cohesive soil having the pores saturated with a water solution. It was formulated the aim of this research: the application of direct current with low field density (0.1 - 0.2 V / cm) to a cohesive soil to induce the reduction of the smectites activity by means of electrokinetics, the reduction of the water content in a cohesive soil saturated by means of electroosmosis, the precipitation of carbonates in the volume of soil in which has been induced an alkaline environment. Achieving these goals could lead to higher values of shear strength of cohesive soils treated and reducing their swelling potential, and thus improving the stability of the slope in cohesive soils, affected by gravitational movements. Two trials were carried out: the first in the laboratory on samples of saturated cohesive soil, the second on a physical model of the slope formed from the same unsaturated soil. From the results of the first trial, it emerged that in cohesive soils saturated with hard water in the home network, treated with electric fields at low field intensity increases the carbonate content in the treated soil, decreases the swelling potential of clay minerals and the content of water, improves the value of the internal angle friction of cohesive soil (φ). The decrease and maintain the constancy in time of the water content allows the continuation in time of the treatment, and also favors the stability of the ground in front of potential excesses of water. The treatment of the cohesive soil saturated with low field strength over the 30 - 40 days of treatment promotes the improvement of the mechanical characteristics of soil and therefore the stabilization of a gravitational movement in cohesive soils (soil slip). From the results of the experimental procedure on physical model lasted 60 days, it founds that even in an unsaturated soil can be applied direct current with low field density, consumption in terms of electricity are low and therefore it is conceivable power in site with photovoltaic panels, the activity of the smectite decreases, the carbonate content increases in the soil volume in which it has been induced an alkaline environment, the average collapse pressure of the treaty physical model was found to be higher of more than 18% compared to untreated physical model. It has improved the stability of the artificial homogeneous unsaturated slope. The in situ application would show clear advantages advantages compared to other techniques, in terms of cost, convenience, and realization times.