A Hybrid Geophysical–Geotechnical Approach for Landslide Stability Assessment

Negli altipiani dell'Etiopia, dove la terra si innalza ripida e le strade tagliano attraverso le montagne, il suolo non è sempre solido come appare. Per ingegneri e geologi, la stabilità di un versante è un delicato equilibrio tra due forze opposte: il peso del suolo e della roccia che tira verso il basso, e la forza interna dello stesso materiale che lo tiene insieme. Questa forza non è un numero fisso; cambia con il meteo. Quando le piogge intense inzuppano il terreno, l'acqua riempie i minuscoli spazi tra le particelle del suolo, allontanandole e rendendo la terra più pesante e debole. Questa è la sfida fondamentale della scienza delle frane: capire come l'acqua, il tipo di suolo e la forma di un pendio interagiscano per resistere fermamente o cedere. Quando una strada viene costruita in una collina, spesso rimuove il supporto naturale alla base del pendio, e se il suolo è già debole o la falda acquifera è alta, l'intero versante può scivolare, bloccando il traffico e minacciando vite umane.

Un team di ricercatori si è messo in viaggio per risolvere un problema persistente su un tratto di strada nella città di Bonga, nel sud-ovest dell'Etiopia. Questa sezione dell'autostrada, che collega Addis Abeba alla città di Mizan, ha subito frane ripetute, particolarmente durante la stagione delle piogge da giugno a settembre. Nonostante i precedenti tentativi di riparare la strada utilizzando riempimenti di roccia, il terreno continuava a muoversi. Il team, guidato da ingegneri dell'Università di Bahir Dar e collaboratori provenienti dall'India e dalla Polonia, ha deciso di guardare sotto la superficie per capire esattamente cosa stesse accadendo. Hanno combinato tre diversi modi di osservare la terra: hanno scavato fori profondi per estrarre campioni di suolo, hanno usato onde sonore e correnti elettriche per mappare il terreno senza scavare e hanno costruito un modello digitale del pendio per testare come si sarebbe comportato sotto stress. Il loro obiettivo non era solo vedere perché la strada fosse fallita, ma trovare una soluzione che la mantenesse sicura per il futuro.

L'indagine è iniziata ascoltando la terra e percependo la sua resistenza elettrica. I ricercatori hanno utilizzato una tecnica chiamata rifrazione sismica, che consiste nell'inviare onde sonore attraverso il terreno per misurare la velocità con cui viaggiano. Onde più veloci indicano solitamente roccia dura, mentre onde più lente indicano suolo tenero o roccia fratturata. Hanno anche utilizzato la tomografia di resistività elettrica, che misura quanto facilmente l'elettricità fluisce attraverso il terreno. Il suolo umido e l'argilla conducono l'elettricità molto meglio della roccia secca, quindi questo metodo li ha aiutati a localizzare sacche d'acqua e strati deboli e saturi. Questi test non invasivi sono stati combinati con i dati di quattro pozzi profondi scavati lungo la strada. Da questi fori, hanno estratto campioni di suolo per testarli in laboratorio, misurando quanto pesasse il suolo, quanta acqua contenesse e quanta forza fosse necessaria per farlo scivolare.

I risultati hanno dipinto un quadro chiaro di un paesaggio vulnerabile. Il terreno sotto la strada è un complesso mix di strati. In cima, c'è uno strato di materiale di riempimento importato utilizzato per costruire la strada, che poggia su un limo rosso-brunastro compatto. Sotto di esso giace uno strato di argilla mescolata a frammenti di roccia trachitica, e in fondo, uno strato di basalto alterato. La scoperta critica è che la tavola d'acqua sotterranea si trova molto vicino alla superficie, spesso a soli un metro dal suolo. Durante la stagione delle piogge, questo livello dell'acqua si alza, inzuppando il suolo e trasformando gli strati superiori in una massa pesante e scivolosa. I test di laboratorio hanno confermato che il suolo ha un alto contenuto di umidità naturale, specialmente durante le piogge estive, il che riduce significativamente la sua capacità di tenersi insieme.

Per vedere come queste condizioni influenzassero la sicurezza della strada, i ricercatori hanno costruito una simulazione al computer del pendio. Hanno inserito i dati del mondo reale — il peso del suolo, gli angoli di attrito e i livelli dell'acqua — in software specializzati per calcolare un "fattore di sicurezza". Questo numero è un semplice rapporto che dice agli ingegneri quanto sia stabile un pendio. Un numero di 1,5 o superiore è generalmente considerato sicuro per una strada, il che significa che le forze che tengono su la collina sono una volta e mezza più forti delle forze che cercano di tirarla giù. La simulazione ha mostrato che, nelle attuali condizioni di umidità, il fattore di sicurezza per questa strada era solo di 1,347. Questo è al di sotto della soglia di sicurezza richiesta, confermando che il pendio è instabile e incline a scivolare. Il modello ha anche mostrato che il luogo più probabile in cui una frana potrebbe iniziare è a circa 5,5 metri sotto la superficie della strada, tagliando attraverso gli strati di suolo deboli e umidi.

I ricercatori hanno poi testato diversi modi per risolvere il problema all'interno del loro modello al computer. Hanno esaminato l'idea di costruire un muro di contenimento, una struttura progettata per trattenere la terra. La simulazione ha mostato che l'aggiunta di un muro aumenterebbe significativamente il fattore di sicurezza, fornendo la resistenza extra necessaria per fermare lo scivolamento del suolo. Hanno anche esplorato l'uso di materiali geosintetici, come geocelle e geotessili. Questi sono materiali a rete che possono essere posizionati all'interno del suolo per rinforzarlo, agendo come una rete che tiene insieme le particelle e impedisce loro di separarsi. Lo studio suggerisce che una combinazione di queste misure, insieme a migliori sistemi di drenaggio per abbassare il livello dell'acqua, offre la migliore strada da seguire. Rimuovendo l'acqua in eccesso e rinforzando il suolo, la strada potrebbe essere stabilizzata senza la necessità di ricostruire l'intero versante.

Questo studio evidenzia che le frane ricorrenti sulla strada Bonga-Mizan non sono solo il risultato del terreno scosceso, ma di una specifica interazione tra le proprietà del suolo e le piogge stagionali. La ricerca esclude l'idea che le attuali riparazioni con riempimento di roccia siano sufficienti, poiché il movimento continua al di sotto di esse. Al contrario, le prove indicano la necessità di un approccio più completo che affronti direttamente l'acqua e la forza del suolo. Sebbene lo studio si sia concentrato su una sezione specifica della strada, i metodi utilizzati forniscono un modello per comprendere problemi simili in altre regioni montuose dell'Etiopia. Gli autori riconoscono che i vincoli di tempo e di budget hanno impedito loro di investigare l'intero tratto di 100 chilometri dell'autostrada, ma le loro scoperte offrono una guida chiara e basata sull'evidenza per gli ingegneri per riabilitare questo pezzo critico di infrastruttura e garantire che rimanga aperto al transito, anche quando arrivano le piogge.