Formation Mechanism of Loessial Soil Surface Collapse and its Threshold Disaster-Inducing Parameters in Xining City

Nelle aride zone del nord-ovest della Cina, il terreno è spesso composto da un sedimento unico, trasportato dal vento, noto come loess. Questo suolo è leggero, poroso e mantiene bene la sua forma quando è asciutto, permettendogli di erigersi in ripide scogliere e costituire la base di molti antichi insediamenti. Tuttavia, questo stesso suolo possiede un segreto pericoloso: è altamente sensibile all'acqua. Quando il loess si bagna, può perdere la sua struttura interna, collassando sotto il proprio peso o disintegrandosi in una melma fangosa. Sebbene gli scienziati studino da tempo come l'acqua causi il cedimento di questi suoli, un tipo di fallimento più improvviso e violento è stato spesso trascurato. A differenza del lento e strisciante sussulto che provoca crepe nelle fondamenta nel corso degli anni, questo altro fenomeno comporta il cedimento improvviso del terreno, creando buchi profondi e spalancati che inghiottono strade e veicoli. Comprendere esattamente come avvengano questi rapidi crolli, e quali condizioni specifiche li inneschino, è vitale per proteggere le città costruite su questa fragile terra.

Nella città di Xining, situata nella provincia di Qinghai, questa minaccia è diventata tragicamente reale il 13 gennaio 2020. Un enorme buco si è aperto nel mezzo di una strada trafficata, causando il precipitare di un autobus cittadino nel terreno. Il disastro ha causato dieci morti e diciassette feriti. In seguito all'evento, un team di ricercatori dell'Ufficio di Esplorazione Geologica Ambientale di Qinghai e di diverse università si è messo al lavoro per comprendere non solo la tragedia, ma anche la meccanica precisa dietro di essa. Si sono concentrati sul sito specifico del crollo, un luogo dove il terreno era composto da suolo loessico, una variante del sedimento trasportato dal vento presente in tutta la regione. Combinando carotaggi profondi, attenta osservazione sul campo e sperimentazioni di laboratorio, il team ha ricostruito la storia nascosta di come il terreno sia venuto meno, rivelando una catena di eventi iniziata molto prima che l'asfalto si crepasse.

L'indagine è iniziata esaminando ciò che giaceva sotto la superficie. I ricercatori hanno perforato quattro buchi attorno al bordo della fossa del crollo, che misurava circa otto metri di diametro e raggiungeva una profondità di oltre undici metri. Ciò che hanno trovato era una storia stratificata del terreno. Lo strato superiore era la strada stessa, seguito da una spessa sezione di suolo loessico collassabile. Più in profondità, hanno scoperto una cavità artificiale, un vuoto creato dall'uomo alto circa due metri, probabilmente una vecchia camera di manutenzione o uno spazio lasciato in seguito a lavori di costruzione. Fondamentalmente, hanno anche trovato tubature idriche in ghisa interrotte, sepolte a soli due metri sotto la superficie. Il suolo circostante queste tubature non era solo umido; era saturo, e le tubature stesse mostravano segni di perdite. Il team si è reso conto che il terreno non era semplicemente crollato a causa della pioggia; era stato lentamente eroso dall'interno verso l'esterno.

Il processo di questa erosione nascosta si basa su due comportamenti specifici del suolo. Primo, il loess è collassabile, il che significa che quando si bagna sotto pressione, si restringe e si assesta. Secondo, e più importante per questo disastro, il suolo è incline alla disintegrazione. Ciò accade quando le particelle del suolo, tenute insieme da minerali naturali, perdono improvvisamente la loro presa quando vengono imbevute d'acqua. I ricercatori hanno scoperto che il suolo in quest'area conteneva una quantità significativa di un minerale chiamato illite, che si gonfia a contatto con l'acqua, e calcite, che si dissolve. Quando l'acqua proveniente da una tubatura che perdeva è filtrata nel suolo, questi minerali hanno reagito, causando la rottura della struttura del suolo e trasformandolo in un fango fluido e sciolto. Questo fango è poi stato lavato via nelle tubature vicine e nella cavità artificiale sottostante, creando un tunnel nascosto di spazio vuoto.

Questa erosione non è avvenuta tutta in una volta. I ricercatori hanno tracciato una chiara sequenza di eventi che ha portato al disastro. È iniziata con l'interazione tra acqua e suolo nel materiale di riempimento sciolto attorno alle tubature e ai fossi. Mentre l'acqua perdeva dalle tubature, ha ammorbidito il suolo, causandone il collasso verticale e la formazione di piccole crepe. Nel tempo, queste crepe sono cresciute e il suolo ha iniziato a disintegrarsi, venendo trascinato via nei vuoti sottostanti. Ciò ha creato una cavità celata, uno spazio vuoto nascosto sotto la strada. Man mano che il suolo veniva lavato via, la cavità si espandeva e il tetto di suolo sovrastante diventava più sottile e debole. L'innesco finale è stato il peso della città stessa. La strada sopra la cavità era una via principale, che sosteneva costantemente il peso statico dei veicoli parcheggiati e la vibrazione dinamica del traffico in movimento. Quando l'autobus è passato sopra il tetto indebolito, il suolo non è più stato in grado di sostenere il carico e il terreno è ceduto istantaneamente.

Per determinare esattamente quando questo suolo diventa pericoloso, il team ha condotto una serie di esperimenti in laboratorio. Hanno preso campioni di suolo dal sito e hanno testato come reagivano all'acqua a diversi livelli di umidità. Volevano trovare un punto di svolta specifico, una soglia in cui il suolo smette di stare insieme e inizia a disintegrarsi. Hanno preparato campioni con varie quantità d'acqua, da molto secchi a piuttosto umidi, e li hanno immersi nell'acqua per vedere quanto velocemente si sarebbero decomposti. I risultati sono stati precisi. Hanno scoperto che quando il contenuto di umidità del suolo era al di sotto di un certo livello, esso si disintegrava rapidamente all'esposizione all'acqua. Nello specifico, hanno stabilito che una soglia di umidità per potenziali disastri da crollo del terreno è fissata al 27%. Quando il contenuto di umidità scende al di sotto di questo valore soglia durante l'esposizione a condizioni acquose, il suolo loessico può subire una rapida disintegrazione, creando vuoti nascosti e la conseguente espansione o il cedimento totale. Questa cifra del 27 percento è diventata il segnale di avvertimento critico per questo tipo di suolo.

Lo studio conclude che il crollo a Xining non è stato un atto casuale della natura, ma il risultato di una prevedibile catena di guasti. La combinazione di una tubatura che perdeva, la specifica composizione minerale del loess e la presenza di un vuoto nascosto hanno creato le condizioni perfette per il disastro. La vibrazione e il peso dell'autobus sono stati solo l'ultima spinta che ha spezzato una struttura già compromessa. I ricercatori sottolineano che, sebbene la città abbia spesso risposto a tali crolli semplicemente riempiendo i buchi con il cemento, questo approccio tratta il sintomo piuttosto che la causa. Senza comprendere l'erosione nascosta e la specifica soglia di umidità che la innesca, il terreno rimane vulnerabile. Identificando il limite di umidità del 27 percento e la sequenza di erosione, il team ha fornito un nuovo modo per monitorare queste aree. Se l'umidità nel suolo vicino a tubature e strade può essere misurata e mantenuta al di sotto di questa soglia critica, o se i vuoti nascosti possono essere rilevati prima che diventino troppo grandi, i futuri crolli possono essere prevenuti, salvando vite umane e infrastrutture dalla fame improvvisa e silenziosa della terra.