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La meccanica dei terreni multifase per la protezione del territorio: dalle evidenze sperimentali alla modellazione
La stabilità delle strutture geotecniche è spesso influenzata dallo strato superficiale dei terreni soggetti a cicli di essiccamento, imbibizione e variazioni di temperatura. Tale strato superficiale, interagendo con l’atmosfera, è spesso in condizioni di parziale saturazione a causa della profondità della falda e della variazione del contenuto di acqua dovuto alle variazioni climatiche. I terreni parzialmente saturi sono composti almeno da tre fasi: le particelle solide, la fase fluida e la fase gassosa. Per comprendere il comportamento di questi mezzi multifase, la meccanica delle terre classica deve essere opportunamente generalizzata, tenendo conto delle diverse fasi che compongono il mezzo poroso e dell’interazione tra di esse. In quest’articolo, sono dapprima presentate le evidenze sperimentali sui terreni parzialmente saturi, poi sono definite le variabili tensionali adottate per descrivere il comportamento osservato. In seguito, viene presentata una sintesi delle diverse tipologie di modelli costitutivi sviluppati. Il ruolo della curva di ritenzione idrica (WRC), che lega la quantità di acqua presente in un terreno con la suzione, è discusso con particolare enfasi sulla sua dipendenza dall’indice dei vuoti e dalla microstruttura. Inoltre, viene illustrata una recente estensione della meccanica dei terreni parzialmente saturi per descrivere il comportamento dei terreni congelati. Infine, adottando la meccanica dei terreni parzialmente saturi, sono illustrate le analisi a ritroso di diverse applicazioni geotecniche che vanno dalle frane superficiali indotte dalle piogge al crisollevamento dei terreni artificialmente congelati.
The stability of geotechnical structures is often driven by the superficial layer of soils subject to cycles of drying, wetting, and temperature variation. This shallow layer, interacting with the atmosphere, is often in unsaturated conditions due to the depth of the water table and the change in water content with climate loading. The unsaturated soils comprise at least three phases: the soil particles, the wetting phase, and the non-wetting phase. To tackle this multiphase system, the classical soil mechanics must be generalised, accounting for different phases and the interaction between them. In this study, a review of the principal experimental evidence on unsaturated soils is first presented, followed by a definition of the stress variables used to describe the observed behaviour. Later, a summary of the different classes of constitutive models is depicted. The role of the water retention curve (WRC), linking the amount of water to the suction, is discussed with an emphasis on its dependence on void ratio and microstructure. Further, an extension of the unsaturated soil mechanics to describe the behaviour of frozen soils is treated. Finally, using the framework of unsaturated soil mechanics, a back analysis of different engineering applications spanning from shallow landslides induced by rainfall to frost heave is performed.
Keywords: multiphase soils, water retention curve, experimental evidence, modelling.
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