Incontro Annuale dei Ricercatori di Geotecnica 2011 - IARG 2011 Torino, 4-6 Luglio 2011

Duca S., Occhiena C., Pirulli M., Scavia C.

VARIAZIONE DEL REGIME TERMICO ED EMISSIONI ACUSTICHE IN UN PROVINO DI MATERIALE ROCCIOSO SATURO

Duca Silvia, Cristina Occhiena, Marina Pirulli, Claudio Scavia Dipartimento di Ingegneria Strutturale e Geotecnica, Politecnico di Torino, Italia

e-mail: silvia.duca@polito.it, cristina.occhiena@polito.it, marina.pirulli@polito.it, claudio.scavia@polito.it

Sommario

Il presente lavoro descrive i primi risultati ottenuti nell'ambito di una campagna sperimentale volta

all'analisi dell’influenza del degrado del permafrost sul comportamento meccanico degli ammassi

rocciosi e del materiale roccioso, al fine di valutare la stabilità dei pendii in alta quota. Nel suo

complesso l'attività di ricerca prevede sia lo studio del fenomeno alla scala del sito, che a quella di

laboratorio: l'obiettivo generale è infatti quello di indagare la possibile correlazione fra la distribuzione

spazio-temporale delle temperature e gli eventi microsismici (o emissioni acustiche).

Obiettivi dell'attività di ricerca Il crescente numero di crolli in roccia, osservato nell'ultimo decennio in ambiente alpino di alta quota, rientra tra i fenomeni oggi riconosciuti come conseguenze del cambiamento climatico in atto. L'aumento delle temperature sta alterando il delicato equilibrio termico del permafrost alpino, definito come la porzione di ammasso roccioso che per almeno due anni rimane con una temperatura media annua della superficie (MAST) inferiore a 0 °C (Gruber & Haeberli 2007). La mutazione dell’assetto criotico dei pendii in roccia e conseguentemente delle loro caratteristiche termiche, di resistenza meccanica e di permeabilità, comportano l'aumento dell'approfondimento dello strato attivo che causa lo scongelamento e il congelamento stagionali di porzioni di ammasso roccioso a profondità sempre maggiori. Numerosi studi indicano che l'apertura dei crack in sito è molto attiva se la roccia viene raffreddata intorno al suo punto crioscopico. Questo può avvenire sia a livello superficiale, in seguito a cicli diurni di gelo e disgelo, ma anche alla base del permafrost, in seguito a cicli di temperatura stagionali (in questo caso si parla di meccanismi di segregazione del ghiaccio) (Matsuoka 2001). Il sito di riferimento per la presente attività di ricerca è il tratto della Cresta del Leone (cresta SW del Cervino) in cui è ubicata la Capanna Carrel (3830 m s.l.m.): numerosi crolli hanno infatti caratterizzato la piramide del Cervino nell'agosto 2003, dopo due mesi di temperature anomalmente elevate anche in alta montagna (il 4 agosto 2003 si è registrato un crollo di alcune decine di metri cubi a monte del rifugio, sulla Gran Torre poco oltre la “Corda della Sveglia”; il 18 agosto 2003 un crollo di alcune centinaia di metri cubi ha interessato il fianco sinistro del grande diedro denominato la “Cheminée", con la comparsa di ghiaccio massivo nella zona di distacco; nello stesso periodo si è inoltre evidenziato il fenomeno di instabilità dell’ammasso roccioso su cui poggia la capanna stessa, con piccoli crolli e apertura di evidenti fratture). In questo contesto sono state installate una rete di monitoraggio dell'attività microsismica (geofoni triassiali) dal CNR-IRPI di Torino, nell'ambito del Progetto Interreg IIIA Alcotra PERMAdataROC n°196 ed una rete di monitoraggio delle temperature dall'Arpa Valle d'Aosta (Amitrano et al. 2010, Occhiena 2011).

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La presenza di una doppia rete di monitoraggio, per il suddetto sito, ha portato l'interesse all'approfondimento dell’importanza di un’analisi accoppiata termica e meccanica per lo studio di stabilità di versanti rocciosi alpini in alta quota, in modo da ottenere una migliore comprensione dei meccanismi di innesco dei crolli e delle variabili che mettono in relazione il riscaldamento dei versanti rocciosi e la conseguente instabilità locale. In accordo con tale dinamica è stata avviata una campagna di prove sperimentali (presso il Laboratoire de Geophysique Interne et Tecnophysique, Université Joseph Fourier, Grenoble) di cui vengono qui presentati i primi risultati. Tali prove sono in particolare volte a simulare la microgelivazione attraverso cicli di gelo e disgelo e ad indagare la possibile correlazione tra la distribuzione spazio-temporale delle temperature e degli eventi microsismici (o emissioni acustiche). Infatti la generazione e la propagazione di un’onda elastica all’interno del volume indagato, prodotta da un improvviso rilascio tensionale a seguito di un accumulo degli sforzi lungo superfici di debolezza del materiale, sono fonte di attività miscrosismica (o di emissioni acustiche) (Occhiena 2011).

Descrizione delle prove di laboratorio La roccia intatta contiene una diversa percentuale di ghiaccio, acqua liquida e aria, in funzione del grado di saturazione e della temperatura. Il danneggiamento del materiale roccioso avviene in seguito all'espansione volumetrica dell'acqua nella porosità idraulicamente connessa, o per la migrazione dell’acqua verso il criofronte che porta alla formazione di lenti di ghiaccio; i gradienti di temperatura sembrano giocare un ruolo fondamentale nella determinazione spaziale dell'acqua liquida o del ghiaccio. Attrezzatura di laboratorio e preparazione del campione Le prove sono state effettuate su campioni di gneiss d'Arolla prelevati in Val Pelline (Valle d'Aosta) le cui caratteristiche sono paragonabili da punto di vista litologico, all'insieme di ortogneiss granitoidi che caratterizzano la cresta SW del Cervino e in particolare il tratto della Cresta del Leone in cui è ubicata la Capanna Carrel. Questo materiale è caratterizzato da: porosità aperta P0=1,03%, densità ρ=2774.46kg/m3, conducibilità termica k=2.711W/mK, capacità termica Cp=800J/kgK e diffusività termica λ=1.3*10-6m2/s. Il provino di gneiss (cubico, con lato 15cm), saturato seguendo la procedura UNI EN 1936-2007, è stato posto all'interno di una camera fredda, a temperatura controllata pari a -15°C (Figura 1a, 1b), e sottoposto a diversi cicli termici di congelamento e scongelamento, seguendo patterns di temperatura che oscillassero sopra e sotto gli 0°C. Quattro delle sei facce del provino sono state isolate con polistirene espanso dello spessore di 10cm, in modo da ottenere isoterme parallele alla superficie superiore del provino, la quale è invece libera e a contatto con la temperatura dell’aria della camera fredda (Figura 1d). Questa faccia è stata sottoposta a riscaldamento ciclico ottenuto con l’accensione di una lampada RI posta a 55cm: è stato calcolato che questa distanza assicura un flusso di 800W/m2, riproducendo quindi il contributo della radiazione solare in condizioni naturali (Figura 1d). La superficie inferiore del campione è stata posta a contatto con una piastra di acciaio di 10cm di spessore, in modo che la conducibilità del metallo garantisse la coincidenza tra temperatura della roccia a contatto, e quella dell'aria della camera fredda (Figura 1d). La distribuzione delle temperature nel provino è stata registrata utilizzando un set di sette sensori termici Pt100 (TC Direct s.r.l.), cinque dei quali posti su una delle superfici laterali (a 1,3,6,9,12 cm, come mostrato in Figura 1e, 1f), uno sulla superficie superiore del campione e l'ultimo sul quella inferiore. Il processo di danneggiamento è stato seguito grazie a sei sensori di emissioni acustiche (Physical Acoustic Sensors, NANO 30 FN 55-61), uno posizionato su ogni faccia del cubetto, e grazie ai quali è possibile registrare l'attività microsismica.

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Figura 1. Apparecchiatura di laboratorio

disposizione del tavolo di prova all'interno della camera fredda; c)

preparazione del campione: : s=15cm, p=1

delle emissioni acustiche nell'isolante posto sulla superficie laterale del campione; f) schema della superficie

laterale strumentata del campione: in rosso il sensore di emissioni acustic

Caratteristiche delle prime prove sperimentaliLe prime analisi condotte hanno previsto l'esecuzione diprovino: durante il ciclo 1 il campione è stato portato da una temperatura un valore di temperatura di Durante il ciclo 2 e 3, il campione ha subito invece fasi di scongelamento e ricongelamento: la superficie superiore è stata riscaldata grazsuperficie inferiore è stata mantenuta ad una temperatura grazie al contatto con la piastra di acciaio. Quando a 3cm di profondità è stata raggiunta la temperatura di 3°C, si è fermato il riscaldamento e il provino ha ricominciato a congelare, fino a raggiungere nuovamente la temperatura di Nel corso del ciclo 3 è stata montata intorno al tavolo di prcercare di ridurre il disturbo provocato dai moti convettivi della pompa di raffreddamento.

Analisi dei primi risultati sperimentaliSebbene le prove realizzate, e qui descritte, abbiano evidenziato la necessità di apportare delle modifiche strutturali alla appfare alcune prime considerazioni.Il grafico dell'andamento delle temperature del ciclo 1pendenza delle curve in corrispondenza dei di cristallizzazione e di consumo di calore latente (Gruber 2007).incremento delle emissioni acustiche (visualizzato in Figura numero degli eventi registrati nel ciclo 1),parte degli eventi e di conseguenza della propagazione dei microcrack, avvenga durante la

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Apparecchiatura di laboratorio e preparazione del campione: a) camera fredda; b) schema della

disposizione del tavolo di prova all'interno della camera fredda; c) scambiatore termico;

: s=15cm, p=10cm, i=10cm, d=55cm; e) posizionamento dei sensori di temperatura e

delle emissioni acustiche nell'isolante posto sulla superficie laterale del campione; f) schema della superficie

: in rosso il sensore di emissioni acustiche (ch2), in grigio i sensori termici.

Caratteristiche delle prime prove sperimentali Le prime analisi condotte hanno previsto l'esecuzione di tre cicli termici su

: durante il ciclo 1 il campione è stato portato da una temperatura uniforme di 18°C a -15°C, fino ad essere in equilibrio termico con la camera fredda.

Durante il ciclo 2 e 3, il campione ha subito invece fasi di scongelamento e ricongelamento: la superficie superiore è stata riscaldata grazie all'accensione della lampada superficie inferiore è stata mantenuta ad una temperatura minore del punto di congelamento, grazie al contatto con la piastra di acciaio. Quando a 3cm di profondità è stata raggiunta la

fermato il riscaldamento e il provino ha ricominciato a congelare, fino a raggiungere nuovamente la temperatura di -15°C uniformemente distribuita nel volume.Nel corso del ciclo 3 è stata montata intorno al tavolo di prova una scatola isolante,

re di ridurre il disturbo provocato dai moti convettivi della pompa di raffreddamento.

sperimentali Sebbene le prove realizzate, e qui descritte, abbiano evidenziato la necessità di apportare delle modifiche strutturali alla apparecchiatura di laboratorio utilizzata, esse permettono tuttavia di fare alcune prime considerazioni. l grafico dell'andamento delle temperature del ciclo 1 (Figura 2), presenta un cambiamento di

pendenza delle curve in corrispondenza dei -10°C (punto 1), evidenziando la fine dei processi azione e di consumo di calore latente (Gruber 2007). Si è osservato delle emissioni acustiche (visualizzato in Figura 2b attraverso la cumulata del

nti registrati nel ciclo 1), che potrebbe confermare l'ipotesi che la maggior e di conseguenza della propagazione dei microcrack, avvenga durante la

: a) camera fredda; b) schema della

scambiatore termico; d) schema della

; e) posizionamento dei sensori di temperatura e

delle emissioni acustiche nell'isolante posto sulla superficie laterale del campione; f) schema della superficie

, in grigio i sensori termici.

tre cicli termici su uno stesso uniforme di 18°C a

in equilibrio termico con la camera fredda. Durante il ciclo 2 e 3, il campione ha subito invece fasi di scongelamento e ricongelamento: la

ie all'accensione della lampada RI, mentre la punto di congelamento,

grazie al contatto con la piastra di acciaio. Quando a 3cm di profondità è stata raggiunta la fermato il riscaldamento e il provino ha ricominciato a congelare,

15°C uniformemente distribuita nel volume. ova una scatola isolante, per

re di ridurre il disturbo provocato dai moti convettivi della pompa di raffreddamento.

Sebbene le prove realizzate, e qui descritte, abbiano evidenziato la necessità di apportare delle arecchiatura di laboratorio utilizzata, esse permettono tuttavia di

un cambiamento di la fine dei processi

i è osservato inoltre un b attraverso la cumulata del

che potrebbe confermare l'ipotesi che la maggior e di conseguenza della propagazione dei microcrack, avvenga durante la

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fase di cristallizzazione che comporta l'espansione volumetrica dell'acqua che ghiaccia pori. Durante i cicli 2 e 3 sono stati effettuati numerosi controlli della strumentazione e sopralluoghi all'interno della camera fredda.subito notevoli disturbi e non si ritengono materiale. Tuttavia il ciclo 2 ha evidenziato come il fronte di scongelamento procedeva dalla superficie superiore verso il basso; al contrario, durante il ricongelamento, si è osservato che il criofronte era doppio e procedeva sia inferiore verso l'alto, riproducendo abbastanza fedelmente il comportamento dello strato attivo del permafrost. Figura 2. Ciclo 1: confronto tra

sensori: ch1 superficie superiore, ch6 superficie inferiore, ch2, ch3, ch4 superfici laterali, ch5: non funzionante)

Sviluppi futuri Durante l'attività di laboratorio presentata,

• analizzando l'andamento della temperatura superficiale, si è riscontrato il forte impatto della convezione indotta dalla pompa di raffredda

• la superficie inferiore del campione non ha mantenuto una temperatura costanuguale a quella della camera fredda;

• il sensore termico posto sulla superficie superiore del campione, ha misurato la temperatura dell'aria piuttosto che quella della roccia stessa.

Nel corso delle prossime sperimentazioni, dovranno essere prese risolvere i problemi riscontrati

• si sta procedendo alla progettazione di una scatola isolante che impedisca l'influenza dei moti convettivi sul campione;

• il sensore termico superficiale sarà albedo della roccia, in modo da garantire la registrazione della temperatura superficiale effettiva del campione e non dell'aria esterna;

• il campione sarà posto su una piastra a controllo di temperatura, affincmantenuta la superficie inferiore a temperature di congelamentocriofronte in profondità controllato con precisione.

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azione che comporta l'espansione volumetrica dell'acqua che ghiaccia 2 e 3 sono stati effettuati numerosi controlli della strumentazione e

all'interno della camera fredda. Le registrazioni delle emissioni acustichee non si ritengono quindi rappresentative del comportamento del

Tuttavia il ciclo 2 ha evidenziato come il fronte di scongelamento procedeva dalla superficie superiore verso il basso; al contrario, durante il ricongelamento, si è osservato che il criofronte era doppio e procedeva sia dalla superficie superiore verso il basso, sia da quella inferiore verso l'alto, riproducendo abbastanza fedelmente il comportamento dello strato

onfronto tra a) l'andamento delle temperature e b) le emissioni acustiche

sensori: ch1 superficie superiore, ch6 superficie inferiore, ch2, ch3, ch4 superfici laterali, ch5: non funzionante)

Durante l'attività di laboratorio presentata, sono emerse alcune problematiche:analizzando l'andamento della temperatura superficiale, si è riscontrato il forte impatto della convezione indotta dalla pompa di raffreddamento; la superficie inferiore del campione non ha mantenuto una temperatura costanuguale a quella della camera fredda; il sensore termico posto sulla superficie superiore del campione, ha misurato la temperatura dell'aria piuttosto che quella della roccia stessa.

Nel corso delle prossime sperimentazioni, dovranno essere prese alcune misure per cercare di riscontrati ed aumentare la bontà dei risultati:

si sta procedendo alla progettazione di una scatola isolante che impedisca l'influenza dei moti convettivi sul campione; il sensore termico superficiale sarà cementato con della malta che abbia la stessa albedo della roccia, in modo da garantire la registrazione della temperatura superficiale effettiva del campione e non dell'aria esterna; il campione sarà posto su una piastra a controllo di temperatura, affincmantenuta la superficie inferiore a temperature di congelamento predefinite

in profondità (che dovrebbe simulare la tavola del permafrost), sia con precisione.

azione che comporta l'espansione volumetrica dell'acqua che ghiaccia nei 2 e 3 sono stati effettuati numerosi controlli della strumentazione e

registrazioni delle emissioni acustiche hanno e del comportamento del

Tuttavia il ciclo 2 ha evidenziato come il fronte di scongelamento procedeva dalla superficie superiore verso il basso; al contrario, durante il ricongelamento, si è osservato che

dalla superficie superiore verso il basso, sia da quella inferiore verso l'alto, riproducendo abbastanza fedelmente il comportamento dello strato

le emissioni acustiche (posizione dei

sensori: ch1 superficie superiore, ch6 superficie inferiore, ch2, ch3, ch4 superfici laterali, ch5: non funzionante).

sono emerse alcune problematiche: analizzando l'andamento della temperatura superficiale, si è riscontrato il forte

la superficie inferiore del campione non ha mantenuto una temperatura costante

il sensore termico posto sulla superficie superiore del campione, ha misurato la

misure per cercare di

si sta procedendo alla progettazione di una scatola isolante che impedisca l'influenza

cementato con della malta che abbia la stessa albedo della roccia, in modo da garantire la registrazione della temperatura

il campione sarà posto su una piastra a controllo di temperatura, affinché sia predefinite, ed il

che dovrebbe simulare la tavola del permafrost), sia

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Ringraziamenti Gli autori desiderano ringraziare il Prof. D. Amitrano per la disponibilità e per il supporto fornito durante i test di laboratorio descritti nel presente articolo e svolti presso l'università J.Fourier di Genoble.

Bibliografia

Amitrano D., Arattano M., Chiarle M., Mortara G., Occhiena C., Pirulli M. & Scavia C. (2010). Microseismic activity analysis for the study of the rupture mechanisms in unstable rock masses. Natural Hazards and Earth System Sciences, 10, 831-841

Gruber S., Haeberli W. (2007). Permafrost in steep bedrock slopes and its temperature related destabilization following climate change. J. Geophys. Res., 112: F02S18.

Matsuoka N. (2001). Microgelivation versus macrogelivation: towards bridging the gap between laboratory and field frost weathering. Permafrost Periglacial Processes, 12: 299–313.

Occhiena C. (2011). Microseismic activity analysis in rock masses: identification, analysis and interretation. PhD thesis, Politecnico di Torino, Torino, Italy.