Predicting geotechnical properties of stabilized clayey soils by waste tyre powder and kota stone powder using Regression Analysis Model

Sintesi Tecnica: Predizione delle Proprietà Geotecniche di Suoli Argillosi Stabilizzati mediante Analisi di Regressione

Problematica
I suoli argillosi espansivi presentano sfide significative per le costruzioni in ingegneria civile a causa della loro bassa capacità portante, alta comprimibilità e suscettibilità al cedimento e al taglio quando esposti all'acqua. Sebbene la stabilizzazione del suolo mediante l'uso di additivi (come calce, ceneri volanti o cemento) sia una soluzione standard, determinare il dosaggio ottimale di tali materiali richiede tipicamente test di laboratorio estesi e dispendiosi in termini di tempo. Gli autori identificano la necessità urgente di modelli matematici affidabili che possano snellire la progettazione e l'ottimizzazione della stabilizzazione del suolo, riducendo la dipendenza da procedure sperimentali ripetitive pur mantenendo l'accuratezza.

Metodologia
Lo studio si concentra sulla stabilizzazione di un suolo argilloso raccolto nei pressi del lago Puzhal, Chennai, utilizzando una combinazione di due additivi derivati da scarti: Polvere di Pneumatici Esausti (WTP) e Polvere di Pietra Kota (KSP).

1. Caratterizzazione dei Materiali:

   • Suolo: Il suolo nativo è stato identificato come un'argilla altamente plastica (Limite Liquido: 64%, Indice di Plasticità: 30%, Indice di Rigonfiamento Libero: 68%).
   • Additivi: La WTP (derivata da pneumatici triturati, contenente materiali polimerici e nero di carbonio) e la KSP (proveniente da scarti di lavorazione della pietra, contenente calce e silice) sono state caratterizzate chimicamente.

2. Ottimizzazione del Dosaggio:

   • È stata condotta un'indagine di laboratorio sistematica per determinare la miscela ottimale.
   • In primo luogo, la WTP è stata aggiunta al suolo vergine in percentuali variabili (dal 4% al 14%). Il dosaggio del 12% è stato identificato come ottimale in base ai miglioramenti nel Limite Liquido (LL), Limite Plastico (PL), Indice di Rigonfiamento Libero e Resistenza alla Compressione Unica (UCS).
   • Successivamente, la KSP è stata aggiunta al mix suolo-WTP (al 12% di WTP) in percentuali variabili (dal 2% al 10%). La combinazione finale ottimale è stata determinata essere 12% WTP e 8% KSP.

3. Test Sperimentali:

   • Il suolo stabilizzato è stato sottoposto a vari test geotecnici, tra cui la compattazione Proctor Standard, test del doppio idrometro per la dispersione del suolo, cicli di umidificazione e asciugatura per la durabilità, e test UCS a periodi di maturazione di 0, 7, 14, 28, 56 e 90 giorni.
   • È stato condotto un esperimento specifico di "palo di fango" (slurry pile) in cui la miscela ottimale è stata incorporata in campioni di suolo all'interno di un serbatoio circolare per analizzare le variazioni spaziali (zone interne vs esterne, profondità top vs bottom) dopo 28 giorni di maturazione.

4. Modellazione di Regressione:

   • Regressione Lineare Multipla (MLR): Sviluppata per predire la UCS basandosi su molteplici variabili indipendenti: Limite Liquido (LL), Limite Plastico (PL), Indice di Plasticità (PI), Rigonfiamento Libero (FS), Dispersione del Suolo (SD) e Durabilità (D).
   • Regressione Lineare Semplice: Applicata per analizzare la relazione tra il tempo di maturazione e le variazioni dell'Indice di Plasticità e della UCS all'interno dell'esperimento del palo di fango.

Risultati Chiave

• Prestazioni di Stabilizzazione:

  • La miscela ottimale (12% WTP + 8% KSP) ha migliorato significativamente le proprietà del suolo.
  • UCS: La resistenza alla compressione unica è aumentata fino al 41% rispetto al suolo vergine.
  • Plasticità: Sia il Limite Liquido che il Limite Plastico sono diminuiti, portando a una riduzione dell'Indice di Plasticità.
  • Durabilità: Il suolo stabilizzato ha sostenuto con successo 14 cicli di umidificazione e asciugatura, indicando una migliore stabilità.
  • Dispersione: I valori di dispersione del suolo sono diminuiti gradualmente, suggerendo una ridotta suscettibilità alla disintegrazione.

• Prestazioni del Modello di Regressione:

  • Regressione Lineare Multipla: Ha generato un'equazione per predire la UCS basata sulle proprietà del suolo. Il coefficiente di determinazione ($R^2$) per questo modello è stato di 0,3876 ($R^2$ corretto: 0,3806). Gli autori osservano un contrasto tra questo valore e l'adattamento complessivo del modello, suggerendo che la relazione sia complessa.
  • Regressione Lineare (Palo di Fango): I modelli che analizzano la variazione di PI e UCS durante i 28 giorni hanno mostrato correlazioni più forti.
    • I tassi di riduzione del PI sono stati approssimativamente di 0,34–0,39 al giorno, con valori di $R^2$ di 0,9426 (interno) e 0,8896 (esterno).
    • I tassi di aumento della UCS variavano in base alla profondità, con valori di $R^2$ compresi tra 0,7292 e 0,9379, indicando una forte correlazione tra il tempo di maturazione e l'aumento della resistenza in zone specifiche.

Significatività e Rivendicazioni
L'articolo sostiene che i modelli di regressione sviluppati offrono un'alternativa valida agli esaustivi test di laboratorio per le considerazioni iniziali di progettazione. Nello specifico:

• L'equazione di Regressione Lineare Multipla può essere utilizzata per stimare i valori di UCS basandosi su altri parametri geotecnici, risparmiando potenzialmente tempo nella fase di ottimizzazione.
• I risultati della Regressione Lineare dimostrano una forte correlazione tra i valori misurati e quelli predetti nel contesto del palo di fango, validando l'uso di questi strumenti matematici per predire il comportamento del suolo nelle specifiche condizioni dello studio.
• Lo studio dimostra con successo che l'utilizzo di materiali di scarto (polvere di pneumatici e di pietra) è un metodo efficace per stabilizzare l'argilla espansiva, fornendo sia una soluzione ambientale (utilizzo di scarti) che un miglioramento geotecnico.

Limitazioni e Ambito
Gli autori mantengono un tono modesto riguardo al potere predittivo dei modelli. Mentre la regressione lineare per l'esperimento del palo di fango ha mostrato alti valori di $R^2$ (fino a 0,9704 nell'abstract, sebbene i valori specifici delle tabelle siano inferiori), il modello di regressione multipla per la predizione generale della UCS ha prodotto un $R^2$ più basso (0,3876). Il documento pone queste equazioni come strumenti per "considerazioni iniziali di progettazione" piuttosto che come un sostituto completo di tutte le verifiche di laboratorio. Lo studio è limitato al tipo specifico di suolo di Chennai e al rapporto di additivi specifico di 12%/8%.