Una nuova classificazione del suolo, e gli strumenti per implementarlo, aiuta a comprendere le proprietà del terreno alla base dei progetti di geoingegneria.

Sebbene la maggior parte di noi dia per scontato il suolo, i ricercatori dell'Energy Geo-Engineering Laboratory di KAUST conoscono letteralmente i suoli a fondo. La loro ricerca ha importanti implicazioni per diversi progetti geotecnici, compresa l'estrazione mineraria, estrazione dell'olio, fondamenta di ponti e torri, strutture costiere e offshore, analizzare gallerie e doline, e la progettazione di infrastrutture antisismiche.

Professor J. Carlos Santamarina, Il postdoc Junbong Jang (ora presso l'United States Geological Survey) e lo studente di dottorato Junghee Park hanno progettato un nuovo sistema di classificazione per i suoli del mondo che consentirà agli ingegneri di prevedere in modo più accurato le loro proprietà e il loro comportamento sulla base di semplici metriche.

Attualmente, la maggior parte degli studi geotecnici del mondo utilizza il Sistema di classificazione unificato del suolo (USCS), che affonda le sue radici nella costruzione degli aeroporti della seconda guerra mondiale. Da allora, è stato affinato, ma non completamente aggiornato. Nel frattempo, i dati sul suolo si sono accumulati ampiamente e, Santamarina spiega, "ha portato a una comprensione più profonda delle proprietà e del comportamento dei sedimenti, " suggerendo la necessità di una profonda rivalutazione del sistema.

Un nuovo stato della materia

Tendiamo a considerare la materia solida, liquido o gas. Però, materiali particolati, come i terreni, può agire in modo diverso da uno qualsiasi di questi stati. Santamarina descrive suoli, enigmaticamente, come "intrinsecamente non lineare, non elastico, poroso, permeabile ed effettivamente dipendente dallo stress."

L'USCS definisce i tipi di suolo in base alla dimensione delle particelle e alla plasticità, o come si deformano quando vengono mischiati con l'acqua. Però, i suoli possono comprendere miscele complesse di particelle di dimensioni diverse, e inoltre gli spazi tra le particelle non sono vuoti ma pieni di liquido, gas o entrambi. Santamarina entusiasma, "La coesistenza di questi materiali dà luogo ad affascinanti fenomeni emergenti e risposte sconcertanti, come la liquefazione".

Il nuovo sistema di classificazione del suolo rivisto1, 2 tiene conto non solo della dimensione dei grani, ma anche della forma e fornisce una rappresentazione più accurata delle zone di transizione tra i tipi di suolo. Dà più importanza al ruolo delle particelle più piccole del suolo, noto come multe, e la chimica del fluido circostante, che influenza molti fenomeni geotecnici. In modo cruciale, il nuovo sistema di classificazione consente agli ingegneri di distinguere la frazione del suolo che è principalmente responsabile del carico di qualsiasi peso posto su di loro e la frazione del suolo che controlla il flusso del fluido.

La classificazione del suolo è un processo relativamente semplice per determinare una serie di parametri utilizzando dispositivi da banco prontamente disponibili nei laboratori del suolo di tutto il mondo. Questi possono quindi essere inseriti nelle equazioni dettagliate nelle pubblicazioni del team KAUST, o analizzato utilizzando un foglio di calcolo o un'app per telefono cellulare, entrambi disponibili sul loro sito web. Il risultato, per ogni dato terreno, è una descrizione in due parti che incorpora proprietà meccaniche e di flusso del fluido; Per esempio, 'S(F)' indica un terreno con proprietà meccaniche controllate dalla sabbia, ma con permeabilità determinata dalla sua componente fini.

Uno sforzo continuo

La risposta alla pubblicazione della classificazione rivista è stata incoraggiante e collaborativa. Quando il team ha pubblicato la prima parte, copertura delle multe, "ricercatori di tutto il mondo hanno reagito e fornito dati eccezionali per rafforzare la classificazione, "dice Santamarina. "Ci aspettiamo una risposta simile per la seconda parte".

Lui continua, "La realtà dei suoli è più complessa dei sistemi idealizzati creati in laboratorio o su un computer". Un database del suolo complementare costruito presso KAUST consente agli utenti di effettuare stime affidabili delle proprietà idromeccaniche dei terreni naturali. Infatti, il ricercatore nel laboratorio di Santamarina è orientato verso un insieme in continua evoluzione di analisi ingegneristiche e strumenti di progettazione. La classificazione, dice Santamarina, è solo "un primo passo verso un sistema integrato laboratorio-database-IT in fase di sviluppo con collaboratori in tutto il mondo".

Nessuna classificazione può essere esaustiva:suoli formati da grani non comuni, come diatomee o ceneri volanti, presenterà sempre sfide speciali di cui gli ingegneri devono essere consapevoli. Però, la classificazione mira ad essere sufficientemente robusta da essere utilizzata con successo anche da chi non ha esperienza sul campo.

Il team sta attualmente lavorando a una pubblicazione che estenderà l'applicazione e l'interpretazione della classificazione nella pratica.

Questo lavoro multidisciplinare, attingendo a concetti di geologia, fisica e chimica e orientato a discipline dalla geoingegneria civile a ambientale ed energetica, beneficia di ciò che Santamarina chiama l'eccezionale ambiente di ricerca e le competenze disponibili presso KAUST per generare strumenti con applicazioni molto più lontane.