82) La liquefazione dei terreni

Riassunto / Abstract

In Italia, così come in altri paesi ad alto rischio sismico, è importante conoscere i fenomeni che sono legati direttamente o indirettamente ai terremoti. Tra questi, un fenomeno di particolare interesse è la liquefazione dei terreni. 

La liquefazione è uno dei fenomeni più evidenti che possono essere innescati da un terremoto in zone con terreni caratterizzati da depositi sabbiosi e/o sabbioso-limosi  (come ad esempio le pianure alluvionali o le aree costiere). In questi depositi, generalmente non consolidati e saturi di acqua (che è incomprimibile), lo scuotimento legato al verificarsi di un terremoto può causare il passaggio del terreno dallo stato solido a quello liquido, con gravi conseguenze in caso di presenza di fabbricati al di sopra di esso.

Scheda sintetica delle attività

Si usa un contenitore pieno d’acqua, lo si riempie con della sabbia finché l’insieme appare come un terreno solido (ma saturo di acqua). Si pone al di sopra di esso un sasso (che simula la presenza di un edificio) ed eventualmente una pallina da ping pong all’interno della sabbia (che simula un serbatoio sotterrato) e si prova a premere verticalmente con le mani, simulando la pressione di un edificio sul terreno e si osserva cosa succede. Successivamente si impongono ripetute  sollecitazioni orizzontali che riproducono un evento sismico e si osserva il fenomeno.

Risorse necessarie

  • 1 contenitore in plastica (o secchiello), non rigido;
  • 1 paletta;
  • sabbia monogranulare;
  • 1 sasso di almeno 4-5 cm di diametro (con base piatta);
  • 1 sottovaso grande;
  • acqua;
  • una pallina da ping-pong (facoltativa).
Figura 1: materiale necessario

Prerequisiti necessari

Nessuno

Obiettivi di apprendimento

L’obiettivo di questo esperimento è quello di spiegare il concetto di liquefazione con un’esperienza immediata e semplice da realizzare. Capire il concetto di liquefazione dei suoli è importante per comprendere le conseguenze di eventi sismici in particolari condizioni. 

Dotazioni di sicurezza

Nessuna

Svolgimento

Per scaricare il video dell’esperimento clicca qui

  • Disporre il contenitore di plastica sul sottovaso, in modo da arginare un’eventuale fuoriuscita di acqua in eccesso dal contenitore durante l’esperimento.
  • Riempire il contenitore di acqua per almeno la metà (figura 2)
Figura 2
  • Versare la sabbia nell’acqua gradualmente (figura 3)
Figura 3
  • Procedere in questo modo (aggiungendo altra acqua se necessaria) fino a otteere una sabbia completamente satura (l’acqua non deve fuoriuscire dalla sabbia ma al tempo stesso la sabbia deve essere completamente bagnata e satura) (Figura 4)
Figura 4
  • Inserire la pallina da ping pong all’interno della sabbia satura (simula la presenza di un serbatoio nel terreno), (figura 5)
Figura 5
  • Livellare la superficie della sabbia con le mani fino a renderla piana e quindi adagiare il sasso sulla superficie.
  • Provare a spingere il sasso verso il basso con entrambe le mani e osservare e descrivere il comportamento  della sabbia (figura 6).
Figura 6
  • Sollecitare ora il terreno orizzontalmente, colpendo il contenitore con la mano ripetutamente. Osservare cosa accade al sasso posto sulla superficie e alla pallina da ping pong ubicata nella sabbia (figura 7).
Figura 7

La sabbia immersa in acqua, dal punto di vista statico, è compatta e si comporta come se fosse un solido o quasi, quindi anche spingendo il sasso verso il basso, questo non affonda.

Se vengono prodotte delle sollecitazioni di taglio cicliche, si azzera la resistenza al taglio. Il terreno non è più in grado di sorreggere il sasso (la casa) sovrastante che ‘affonda’. Al tempo stesso la pallina da ping pong (serbatoio) non è più tenuta dal carico della sabbia sovrastante e può risalire attraverso la sabbia ‘liquida’.

Note e storia

Note generali

Il fenomeno della liquefazione si verifica in terreni sabbiosi (o sabbioso-limosi) saturi, sciolti (poco compattati e poco densi). Questo perché una sabbia sciolta ha la tendenza a comprimersi se viene applicato un carico (mentre le sabbie compatte tendono a espandere il proprio volume, dilatandosi). Se il suolo è saturo di acqua (una condizione che esiste spesso quando il terreno è ubicato al di sotto della superficie piezometrica o al di sotto del livello del mare), l’acqua riempie gli spazi tra i singoli granelli costituenti il terreno. Se il terreno viene compresso lentamente (per esempio dalla presenza di un edificio) l’acqua tende progressivamente a migrare e il terreno piano piano si consolida. Se la compressione avviene rapidamente o è applicata più volte (per esempio durante un’oscillazione legata alla propagazione delle onde di un terremoto), la pressione dell’acqua (interstiziale) può aumentare drammaticamente e superare la resistenza al taglio che tiene insieme (a contatto) i granelli di sabbia. La resistenza al taglio della sabbia è quella che permette agli edifici sovrastanti di trasferire il proprio carico in profondità. Venendo a mancare questa ‘impalcatura’ si ha una perdita di resistenza del suolo che si comporta come un vero e proprio liquido (da qui il termine ‘liquefazione’).

Note per la realizzazione

La quantità di sabbia deve essere sufficiente a colmare tutto il contenitore. Occorre quindi valutare le proporzioni dell’acqua e della sabbia prima di effettuare l’esperimento.

Il termine “liquefazione” identifica una diminuzione della resistenza al taglio che si verifica in un terreno saturo (generalmente sabbioso o sabbioso/limoso), monogranulare e non coesivo, a seguito di vibrazioni del suolo prodotte da un terremoto. Lo scopo di questa esperienza è comprensione diretta di questo processo. Questo fenomeno si osserva comunemente in terreni sciolti, poco profondi, saturi e soggetti a scuotimenti del terreno prodotti da terremoti di forte magnitudo. Chiaramente nei terreni insaturi, tale fenomeno non sussiste in quanto la compressione del volume di terreno non produce un eccesso di pressione nei pori occupati, in questo caso, dall’aria. Si raccomanda quindi di verificare che la sabbia sia interamente satura di acqua.

Note storiche

Probabilmente, la maggior parte delle persone ha sentito parlare per la prima volta del fenomeno della liquefazione delle sabbie a seguito del sisma che ha sconvolto i territori dell’Emilia e del Veneto nel maggio del 2012.

Le aree maggiormente interessate da fenomeni di liquefazione sono le zone alluvionali fluviali, le zone costiere, le valli fluviali, le conche intermontane. In Italia, per esempio, zone particolarmente a rischio sono la Pianura Padana (piana alluvionale del Po e di tutti i suoi affluenti), la Piana del Fucino e tantissime altre sparse sull’intero territorio italiano.

Il fenomeno della liquefazione è ben documentato nella storia d’Italia. Si hanno notizie del fenomeno a partire dal terremoto del 1570 proprio a Ferrara, le cui fonti indicano l’insorgenza di liquefazione del terreno nell’area urbana e nelle aree limitrofe con fenomeni di fuoriuscita di ‘sabbie bollenti e schiuma nera’. Fenomeni di liquefazione sono documentati anche in Calabria nella zona sud-orientale della Piana di Gioia Tauro (1783), e a Rossano (1836) nella zona di S. Angelo, in Friuli (1976) nelle vicinanze di Majano a 8 km da San Daniele del Friuli, nel Montenegro (1979), e in tanti altri luoghi sino ad arrivare a quello più recente dell’Emilia dove si sono registrati numerosissimi casi e dove la diffusione delle immagini e dei video del fenomeno ha permesso di conoscere meglio il fenomeno.

Bibliografia

Autori

Botticelli Giulia 
Cifelli Francesca 

Prove di verifica

Specifiche esperimento


Materia
Scienze della Terra
Classi a cui è rivolto
2° biennio
Tipologia di laboratorio
Povero
Reperibilità del materiale
Uso quotidiano, negozi specializzati, siti web
Materiale specifico
Contenitore in plastica, paletta, sabbia monogranulare,sasso con base piatta, sottovaso grande, acqua, pallina da ping pong
Durata esperimento in classe
1 h
Capacità di bricolage/assemblaggio
No
Necessità lavorazioni meccaniche/elettroniche
No
Necessità PC per acqusizione/analisi dati
No
Necessità di uno smartphone
No
Parole chiave
Scienze della Terra
Tettonica delle placche
Terremoti
Liquefazione

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