Monitoraggio e analisi di alcune colate attive in Argille Varicolori e
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Monitoraggio e analisi di alcune colate attive in Argille Varicolori e
Intervento in sito di aumento della concentrazione ionica del fluido interstiziale: campo sperimentale di colonne di KCl sulla frana di Costa della Gaveta Sommario Sia per la parte stabile che per quella in frana del versante di Costa della Gaveta, con continuità lungo alcune verticali è stata valutata la composizione chimica del fluido interstiziale. I risultati mostrano che questo è una soluzione salina la cui composizione alle maggiori profondità è simile a quella dell’acqua marina, e la cui concentrazione si riduce molto negli strati superficiali e nel corpo di frana (Di Maio et al., 2015b). Tale riduzione può essere considerata una delle cause dell’evidente decadimento meccanico dei terreni in esame. Sulla base dei risultati di prove di laboratorio e di esperienze di sito condotte anche in altre formazioni argillose di altre parti del pianeta, è ragionevole ipotizzare che invertendo il processo naturale di riduzione della concentrazione ionica, inducendone cioè un incremento in zone e con modi opportuni, si possano ottenere forti incrementi di resistenza a taglio e, conseguentemente, riduzioni della velocità di scorrimento (Di Maio et al., 2015b; Di Maio e Scaringi, 2016; Di Maio et al., 2016). Per individuare le procedure più adatte per ottenere questo risultato in tempi ragionevoli, è stato realizzato un campo prove in prossimità della testa della colata, nel quale sono stati realizzati numerosi fori che intersecano la superficie di scorrimento. I fori sono stati inizialmente utilizzati per prove di permeabilità; successivamente, in alcuni di essi è stato immesso KCl granulare e altri fori sono stati utilizzati per il monitoraggio della propagazione ionica nel sottosuolo. I risultati mostrano che, nella zona indagata, tale propagazione è abbastanza veloce, essenzialmente a causa della maggiore permeabilità della fascia di scorrimento rispetto al corpo di frana e al materiale in posto. 4.1 Composizione del fluido interstiziale nel sottosuolo di Costa della Gaveta La composizione del fluido interstiziale è stata determinata in numerosi campioni di terreno estratti da diversi fori di sondaggio, con la seguente procedura: per ognuno dei campioni, una quantità prefissata di terreno disidratato in stufa a 105°C e finemente pestellato è stata re-idratata con una quantità nota di acqua distillata, realizzando una sospensione. Dopo circa due settimane, a sedimentazione avvenuta, la soluzione supernatante è stata analizzata per determinare la concentrazione degli ioni presenti. Conoscendo il contenuto di “acqua” naturale dei campioni indisturbati, è stato quindi possibile risalire alla concentrazione ionica della soluzione interstiziale. La Fig. 4.1 mostra i risultati ottenuti con uno spettrometro ad emissione atomica per il materiale proveniente da I9b, I9c e I12 e con elettrodi iono-selettivi per il materiale proveniente dagli altri fori. La figura mostra come la concentrazione del catione Na+ sia nettamente prevalente rispetto a quelle dei cationi K+, Ca2+ e Mg2+ che pure si presentano in quantità significative, mentre altri cationi sono risultati presenti solo in tracce. La figura mostra che la concentrazione di Na+ diminuisce significativamente dalla massima profondità investigata (circa 30 m in I9b) fino al piano campagna. Soltanto nei primi metri di profondità, le concentrazioni di Ca2+ sono confrontabili a quelle di Na+. In particolare, il fluido interstiziale del materiale estratto dal foro I9b a circa 30 m è caratterizzato dalle seguenti concentrazioni ioniche: 0.44 mol/l Na+, 0.01 mol/l K+, 0.02 mol/l Ca2+, 0.02 mol/l Mg2+. Questi valori sono molto vicini ai valori medi riportati da Pilson (2013) per l’acqua di mare (all’incirca pari a 0.047 mol/l, 0.01 mol/l, 0.01 mol/l, 0.05 mol/l rispettivamente). La Fig. 4.1 mostra anche che, nella parte alta della frana (nei fori I12 e Ki), le concentrazioni ioniche del materiale in frana sono molto minori di quelle rilevate nel terreno stabile sottostante. Al contrario, negli altri fori del corpo di frana, le variazioni di concentrazione sembrano più graduali. In effetti, la sensibile differenza di concentrazione osservata in testa alla colata si può spiegare con l’origine del materiale presente. La zona della testa di frana rappresenta infatti l’impluvio dell’anfiteatro di alimentazione, recapito naturale del terreno eroso dalla scarpata principale, delle piccole colate di terra e/o di detrito che si originano nella corona della zona di alimentazione e delle acque piovane di ruscellamento. Si tratta pertanto di un accumulo di terreno venuto a contatto 1 diretto con acqua a concentrazioni ioniche molto basse che pertanto può differenziarsi notevolmente dal sottostante materiale in posto. La più graduale variazione di concentrazione nella parte medio-bassa del corpo di frana è invece probabilmente dovuta a una maggiore permeabilità di questo, a sua volta acquisita per effetto della maggiore porosità raggiunta dal materiale in frana per effetto di deformazioni, scorrimenti, scarico tensionale. La maggiore permeabilità facilita il trasporto ionico da parte dell’ acqua e quindi la più “veloce” riduzione di concentrazione ionica. Per una veloce caratterizzazione del fluido interstiziale, è stata determinata anche la conducibilità elettrica delle soluzioni supernatanti mediante una sonda di conducibilità a 4 elettrodi con sensore di temperatura integrato. Dati gli ioni presenti in soluzione, la forza ionica e la conducibilità elettrica sono strettamente correlate (tra gli altri: Christian, 1994). Infatti la Fig. 4.2 mostra che l’andamento della conducibilità elettrica è qualitativamente simile a quello della forza ionica che, a sua volta, è prevalentemente determinata dalla concentrazione di Na+. I profili osservati di concentrazione ionica delineano una situazione lontana dall’equilibrio. In prossimità del piano campagna, l’advezione dovuta al moto di filtrazione, l’esposizione ad acqua piovana ed altri fenomeni di trasporto hanno probabilmente provocato una diminuzione della concentrazione ionica del fluido interstiziale, determinando così valori di potenziale chimico minori di quelli del terreno più profondo. I gradienti chimici inducono a loro volta diffusione di ioni verso la superficie e/o flussi di acqua verso il basso. Entrambi i processi provocano una riduzione di concentrazione del fluido interstiziale e pertanto anche una diminuzione di resistenza a taglio (Di Maio, 1996a). Concentrazione ionica nel fluido interstiziale (mol/l) 0 0.25 0.5 0 0.5 0 0.25 0.25 0.5 0 I9b I12 I9c 5 Na+ K+ profondità (m) 10 Ca2+ 15 Mg2+ 20 25 30 0 profondità (m) 0 0.25 Ca2+ (mol/l) K+ (mol/l) Na+ nel fluido interstiziale (mol/l) 0.5 0 0.1 0 0.05 0.1 K1 Ca2+ K1bis (mmol/l) 0 5 10 K2 K3 K4 K5 K5bis 15 K6 Fig. 4.1: Concentrazione dei principali cationi nel fluido interstiziale dei campioni estratti da diversi fori di sondaggio (Di Maio et al., 2015b; Di Maio et al., 2016). 2 concentrazione di Na+ e forza ionica della soluzione supernatante (mmol/l) 0 5 10 0 I9b 5 profondità (m) 10 + c(Na+) Na Electric conductivity forza ionicaForce I9b - Ionic c(Na+) conducibilità elettrica Electric conductivity I9b - Ionic Force 15 20 25 30 0 400 800 conducibilità elettrica (μS/cm) Fig. 4.2: Concentrazione di Na+, forza ionica e conducibilità elettrica della soluzione supernatante relativa alle analisi del materiale estratto dal foro I9b (Di Maio et al., 2015b). 4.2 Campo sperimentale di colonne di KCl I risultati ottenuti in laboratorio, che mostrano l’influenza della concentrazione ionica del fluido interstiziale sulla resistenza a taglio dei terreni argillosi di Costa della Gaveta (Fig. 4.3) suggeriscono l’idea di migliorare il comportamento meccanico dei terreni in frana mediante un aumento, indotto in modo opportuno, della concentrazione ionica nella soluzione di porosità. σ'v = 150 kPa 50 exposure to natural pore solution τ (kPa) 40 30 20 10 0 0 20 40 60 80 100 displacement (mm) Figura 4.3. Resistenza a taglio in funzione dello scorrimento per un provino del terreno estratto dal foro S9 di Costa della Gaveta (S9B) ricostituito con acqua distillata, inizialmente immerso in acqua distillata ed esposto nel corso della prova a una soluzione salina che riproduce quella naturale alle maggiori profondità (Di Maio et al., 2015b). Allo scopo di valutare gli effetti e l’applicabilità in situ di tale metodo di miglioramento chemomeccanico, è stato realizzato un campo prove sperimentale in corrispondenza della testa della frana di Costa della Gaveta (Fig. 4.4), laddove sono state osservate le maggiori velocità di scorrimento. Il campo sperimentale, posto a monte di un’abitazione sottoposta ad ordinanza di sgombero, interessa un’area di circa 600 m2. Sono stati realizzati 11 fori, disposti su due file, ad interasse di circa 5 m, di profondità variabile fra 11 m e 15 m (fori Ki in Fig. 4.4). Tali fori, incamiciati con tubi sfinestrati in PVC atossico (diametro interno 80 mm, spessore 5 mm), sono destinati all’immissione di cloruro di potassio (KCl) granulare, largamente utilizzato come fertilizzante in 3 agricoltura. Data la presenza d’acqua nei fori fino ad almeno 3 m dal p.c., si produce una soluzione satura dalla quale, per diffusione e per altri tipi di trasporto, gli ioni si propagano nel terreno circostante, producendo un aumento di concentrazione ionica e quindi anche un aumento di resistenza a taglio (Di Maio et al., 2015b; Di Maio et al., 2016). Per l’estensione molto limitata del campo sperimentale rispetto a quella della frana, è molto improbabile che si possa assistere ad una riduzione della velocità di scorrimento, pertanto il campo prove viene al momento utilizzato fondamentalmente per individuare le procedure più adatte per aumentare la velocità di propagazione ionica. Per il monitoraggio del campo prove (Fig. 4.4), a monte dei fori Ki, sono stati installati un tubo piezometrico di piccolo diametro con presa localizzata a 5,5 m di profondità dal piano campagna e una cella piezometrica con presa localizzata a 4,2 m Due tensiometri, TM e TV, posti rispettivamente a monte ed a valle dei fori Ki, permettono la misura della suzione a circa 2 m di profondità. Gli scorrimenti di questa parte della frana vengono monitorati grazie a misure inclinometriche in un tubo profondo 20 m (I12b), nel quale la superficie di scorrimento è stata individuata a circa 8 m di profondità. Nell’ambito di una collaborazione con i ricercatori del CNR-IMAA di Tito (PZ), è stato possibile realizzare tomografie di resistività elettrica del terreno (ERT) sia di superficie che cross-hole, fra due fori, E1 ed E2 in Fig. 4.4, strumentati con elettrodi fissi. Attualmente il cloruro di potassio viene immesso nei fori K3bis, K5, K5bis e K6. I restanti fori vengono utilizzati per una duplice funzione. Da una parte si procede al prelievo periodico di campioni di acqua che vengono analizzati in laboratorio per verificare eventuali variazioni di composizione e, in particolare, eventuali aumenti di concentrazione dello ione K+, dall’altro si eseguono prove idrauliche. Queste ultime, a loro volta, vengono eseguite con due scopi principali: i) indurre maggiori gradienti idraulici e quindi maggiore trasporto ionico, e ii) condurre prove di permeabilità in varie condizioni di carico idraulico e di composizione del fluido filtrante. Le figure 4.6 e 4.7 riportano alcuni risultati sperimentali. La Figura 4.6 riporta l’andamento nel tempo della profondità dal p.c. del pelo libero dell’acqua nei fori K2bis e K3bis, rilevato prima che venisse immesso il cloruro di potassio, durante una prova nel corso della quale, mediante una pompa ad immersione, il pelo libero del foro K3bis è stato abbassato di circa 8 m. Raggiunta questa profondità, l’emungimento è stato bloccato e si è monitorata la risalita dell’acqua. Contemporaneamente si è monitorato anche il pelo libero nel foro K2bis che, come mostra la Fig. 4.6, ha risentito velocemente della perturbazione indotta nel foro vicino. Nell’ipotesi di terreno omogeneo ed isotropo dal punto di vista della conducibilità idraulica k, l’interpretazione delle prove porta ad una stima di k nell’ordine di 10-7 m/s – 10-6 m/s. Questo valore è due - tre ordini di grandezza maggiore di quello stimato nel corpo di frana con prove da piezometro Casagrande (Di Maio et al., 2013b; Vassallo et al., 2015b). 4 TP K3bis K6 K2 E2 E1 I12b K2bis K1 K1bis TV K5 K4bis K3 K5bis K4 CP TM Fig. 4.4. Campo prove sperimentale Fig. 4.5. Tomografie elettriche di superficie (Di Maio et al., 2016) 5 Per valutare la capacità di trasporto ionico dell’acqua di porosità, è stata eseguita un’ulteriore sperimentazione. Il foro K3bis è stato riempito di KCl in quantità tale da portare il livello del residuo insolubile del sale al di sopra della superficie di scorrimento. Quindi il foro K2bis è stato svuotato e nella seguente fase di risalita del pelo libero sono stati prelevati alcuni campioni di acqua. L'analisi chimica di questi campioni ha evidenziato un veloce e notevole incremento della concentrazione di K+ (Fig. 4.7). Si tratta di una prima evidenza della possibilità di indurre una propagazione ionica nel terreno circostante in tempi brevi. 23/12/15 9.30 23/12/15 9.58 23/12/15 10.27 23/12/15 10.56 23/12/15 11.25 23/12/15 11.54 23/12/15 12.22 23/12/15 12.51 0.0 profondità pelo libero [m ] 2.0 K2bis 4.0 6.0 8.0 K3bis 10.0 12.0 Fig. 4.6. Prove di permeabilità. Abbassamenti del pelo libero dell’acqua nel foro K2bis provocati dallo svuotamento del foro K3bis. Fig. 4.7. Concentrazione del catione K+ nel foro K2bis durante il suo artificiale riempimento susseguente ad un rapido svuotamento dopo l'immissione di granuli di KCl in K3bis in quantità sufficiente a generare una soluzione satura. 4.3 Conclusioni e raccomandazioni I risultati di laboratorio e le osservazioni di sito hanno suggerito di realizzare in corrispondenza della testa della frana di Costa della Gaveta un intervento di miglioramento chimico delle caratteristiche meccaniche dei terreni argillosi. E’ stato realizzato un campo prove finalizzato allo studio di una delle possibili tecniche di intervento che prevede la realizzazione di colonne di KCl e l’induzione di gradienti idraulici che favoriscano il trasporto ionico all'interno del corpo di frana. La sperimentazione, tuttora in corso, ha mostrato come dal punto di vista idraulico esistano delle vie preferenziali di filtrazione che connettono alcuni fori, che rendono il trasporto ionico più veloce rispetto a quello ipotizzabile sulla base dei valori di permeabilità determinati mediante prove da piezometro. La realizzazione di questo genere di sperimentazione richiede che vengano preventivamente eseguite: determinazioni degli effetti sulle proprietà meccaniche dell’incremento della concentrazione dello ione K+ nella soluzione interstiziale dei terreni in esame (vedi paragrafo 3), misure inclinometriche per la determinazione della profondità della superficie di scorrimento e 6 prove di permeabilità della fascia di terreno intorno alla superficie di scorrimento. Il monitoraggio della propagazione ionica può essere eseguito mediante prelievo di campioni d’acqua dal sottosuolo in opportuni punti di controllo. Attualmente è in corso una sperimentazione per valutare la possibilità di monitoraggio della propagazione ionica mediante controllo della resistività elettrica del sottosuolo tramite cross-hole ERT. 4.4 Pubblicazioni di riferimento Di Maio C., Scaringi G., Vassallo R. (2015b). Residual strength and creep behaviour on the slip surface of specimens of a landslide in marine origin clay shales: influence of pore fluid composition. Landslides: vol 12 (4), 657-667. Di Maio C., Scaringi G. (2016). Shear displacements induced by decrease in pore solution concentration on a pre-existing slip surface. Engineering Geology 200, 1-9. Di Maio, C., Scaringi, G., Vassallo, R., Rizzo, E., Perrone, A. (2016). Pore fluid composition in a clayey landslide of marine origin and its influence on shear strength along the slip surface. 12th International Symposium on Landslides, 12-19 June 2016, Naples, Italy (accepted for publication). Bibliografia generale Anson R. W. W., Hawkins A. B. (1998). 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