Effetto della dissoluzione del grano su terreni in pendenza

Sep 08, 2023

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 22203 (2022) Citare questo articolo

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La stabilità statica e dinamica dei pendii naturali o costruiti può essere influenzata da fenomeni di dissoluzione o simili. I loro meccanismi sottostanti, tuttavia, rimangono poco chiari. Nuovi risultati sperimentali e simulazioni di elementi discreti forniscono informazioni a livello di particelle e su macroscala sulle conseguenze della dissoluzione dei minerali sul comportamento dei pendii. Su scala microscopica, gli archi di grano che trasportano il carico si sviluppano attorno alle particelle che si dissolvono, la porosità aumenta e le catene di forze di contatto si evolvono per formare una topologia a nido d'ape. Alla macroscala, mentre gli assestamenti verticali sono il modello di deformazione prevalente, i movimenti granulari laterali che creano spreco di massa sono prominenti nei terreni in pendenza, anche in condizioni di perdita granulare quasi statica. Lo spostamento orizzontale dei granuli è massimo in superficie e diminuisce linearmente con la distanza dalla superficie del pendio per diventare zero ai confini inferiori, proprio come lo spostamento granulare verticale lungo la profondità. I sedimenti con angoli di attrito più piccoli e pendii più ripidi subiscono uno spostamento maggiore, sia verticalmente che orizzontalmente. I pendii diventano più piatti dopo lo scioglimento, con la riduzione dell'angolo di pendenza direttamente correlata alla perdita di elevazione del terreno, ΔH/Ho. Tuttavia, a causa del tessuto poroso che risulta dalla dissoluzione, l’accorciamento verticale è inferiore al limite superiore, stimato dalla perdita nella frazione di massa solida, ΔH/Ho≈SF. In condizioni sature d'acqua, il tessuto post-dissoluzione può provocare un improvviso taglio non drenato e uno scivolamento del pendio.

La dissoluzione e la riprecipitazione sono processi diagenetici prevalenti e persistenti. La scala temporale dei processi chimici è in genere piuttosto lunga e il "presupposto inerte dei suoli" si applica a molte applicazioni ingegneristiche. Tuttavia, la dissoluzione e la precipitazione possono anche avvenire in tempi relativamente brevi in ​​regimi di avvezione come la dissoluzione del carbonato indotta dall'infiltrazione e quando i sistemi sono lontani dall'equilibrio in sistemi giovani come le fondazioni di dighe, sterili di miniere, ceneri volanti, ceneri vulcaniche e Iniezione di CO21,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13.

I rifiuti sono particolarmente vulnerabili alla dissoluzione e al degrado perché i loro componenti sono improvvisamente esposti a nuove condizioni ambientali fuori equilibrio. I metalli pesanti e il drenaggio degli acidi dagli sterili delle miniere e dagli stagni di ceneri volanti sono i primi segni di processi di dissoluzione in corso14,15. Allo stesso modo, alcuni componenti delle ceneri volanti, inclusi CaO e CaSO4, sono altamente solubili16,17. La dissoluzione dei granelli di ceneri di carbone contribuisce all’instabilità e al collasso18; possono invece precipitare nuovi minerali come la zeolite e la phillipsite19,20. La dissoluzione e la riprecipitazione portano a sedimenti porosi ma cementati che sono fragili e contrattivi e sono vulnerabili alla liquefazione una volta perturbati. La potenziale instabilità dei pendii dovuta alla perdita della fase solida potrebbe influenzare lo smaltimento dei rifiuti (compresi rifiuti organici, sterili di miniera e ceneri di carbone).

Molti movimenti naturali del terreno comportano una qualche forma di perdita di fase solida, anche se non necessariamente di dissoluzione del minerale. Il congelamento-disgelo ripetuto diurno o stagionale che comporta lo scioglimento degli aghi di ghiaccio e del ghiaccio segregato provoca un movimento a cricchetto verso il basso, chiamato solifluzione21,22,23,24. Il cedimento della diga di Carsington è avvenuto lungo un piano di taglio di solifluzione preesistente all'interno dello strato di fondazione25,26. Negli ultimi decenni, la diminuzione del permafrost in alta montagna e nelle regioni polari ha causato sempre più frane27,28,29,30 e ha contribuito alla destabilizzazione delle strutture rocciose31,32.

Allo stesso modo, la dissociazione degli idrati di gas è una delle principali cause delle frane sottomarine su larga scala33,34,35,36,37, osservate nello Storegga Slide38,39 e nel Trænadjupet Slide40,41. La dissociazione degli idrati non comporta solo la perdita di massa solida, ma accompagna anche la generazione e l’espansione del gas, che si traduce in una marcata generazione di pressione interstiziale eccessiva e in un’effettiva perdita di stress33,42. La dissociazione degli idrati di gas può essere innescata naturalmente dalle fluttuazioni del livello del mare43 e dall'aumento della temperatura dell'oceano44 ed è inevitabile in prossimità delle fondazioni delle piattaforme34,45. Inoltre, lo scioglimento può essere provocato appositamente per la produzione di gas46.