Geotechnical Characterisation of Subgrade and Sub-Base Materials for Road Pavement Design in Kasese District, Western Uganda

Le strade sono molto più di semplici strisce di asfalto; sono strutture complesse costruite su una fondazione di terra viva e pulsante. Nel mondo dell'ingegneria civile, il terreno sotto una strada è noto come subgrade (sottofondo), e lo strato di materiale posto direttamente sopra di esso è chiamato sub-base (sottofondo di base). Questi strati agiscono come la roccia madre dell'intero sistema pavimentale, distribuendo il pesante carico dei veicoli affinché la superficie non si crepi o affondi. Tuttavia, la terra non è uniforme. In alcuni luoghi, il suolo è asciutto e resistente, mentre in altri è umido, morbido e incline a gonfiarsi quando viene inzuppato. Se gli ingegneri costruiscono una strada senza comprendere il comportamento specifico del suolo locale, la strada fallirà prematuramente, trasformandosi in un percorso sconnesso e pericoloso che richiede riparazioni costanti ed esose. Questo è particolarmente critico nelle regioni con forti piogge e inondazioni stagionali, dove l'acqua può trasformare il terreno solido in una massa debole e instabile.

Nel distretto di Kasese, nell'Uganda occidentale, un team di ricercatori si è posto l'obiettivo di capire esattamente cosa si trovi sotto le strade che collegano questa vibrante regione. Kasese è un centro di attività, che attira turisti verso le vicine montagne del Rwenzori e il Parco Nazionale della Regina Elisabetta, fungendo anche da vitale corridoio per l'attività mineraria e il commercio transfrontaliero con la Repubblica Democratica del Congo. Nonostante la sua importanza, le strade qui soffrono frequentemente di cedimenti precoci. Il distretto sperimenta piogge significative ed è soggetto ad inondazioni causate da fiumi come il Nyamwamba e il Mubuku, che spesso sommergono le fondamenta stradali. Per risolvere questo problema, i ricercatori dovevano andare oltre le supposizioni e le generalizzazioni. Hanno condotto un'indagine dettagliata per mappare il profilo del suolo e misurarne la resistenza, con l'obiettivo di fornire una guida chiara e basata sulla scienza per progettare strade in grado di resistere all'ambiente locale.

Il team ha iniziato il proprio lavoro scavando trenta buche di prova in tutto il distretto, raggiungendo profondità di due metri per vedere quali materiali giacessero sotto la superficie. Hanno raccolto campioni di suolo a intervalli regolari e li hanno portati in laboratorio per eseguire una serie di test. Questi test misuravano quanta acqua tratteneva il suolo, quanto fosse pesante e come si comportava quando veniva schiacciato o inzuppato. Hanno anche esaminato la dimensione delle particelle del suolo, distinguendo tra argilla fine, limo, sabbia e ghiaia. Questo processo ha permesso loro di costruire un quadro chiaro della composizione del terreno. Hanno scoperto che lo strato superiore, che si estende dalla superficie fino a circa 0,45 metri, consisteva in argilla organica marrone scuro. Questo strato non è adatto alla costruzione di strade perché è troppo morbido e instabile. Sotto di esso, da 0,45 metri a 1,2 metri, hanno incontrato uno strato di argilla limosa con plasticità da bassa a media. Infine, da 1,2 metri a 2,0 metri, il suolo cambiava in una sabbia scarsamente graduata mescolata a ghiaia, che drena bene l'acqua ma manca della viscosità necessaria per tenere insieme la strada.

L'analisi di questi materiali ha rivelato alcuni dettagli preoccupanti riguardo al subgrade, lo strato che sostiene direttamente la strada. Il suolo in quest'area è prevalentemente argilla limosa e trattiene una quantità sorprendentemente elevata di umidità naturale, con una media del 28,1 percento. Per una costruzione stradale stabile, gli ingegneri preferiscono tipicamente livelli di umidità compresi tra il 5 e il 15 percento. Poiché il suolo è così umido, è più debole rispetto all'ideale. I ricercatori hanno classificato il suolo utilizzando sistemi ingegneristici standard e hanno scoperto che il 62 percento dei campioni era classificato come povero o mediocre, il che significa che farebbero fatica a sostenere il traffico pesante senza aiuto. Solo il 38 percento era classificato come buono o eccellente. Un fattore chiave di questa debolezza è la presenza di argille espansive. Queste sono argille che si gonfiano significatamente quando assorbono acqua e si restringono quando si asciugano, causando crepe e rigonfiamenti nel terreno. Lo studio ha rilevato che la capacità di rigonfiamento del suolo era piuttosto alta, con alcuni campioni che mostravano un potenziale di espansione che potrebbe facilmente danneggiare una strada costruita direttamente sopra di essa.

Per misurare quanto sia forte il terreno, il team ha eseguito un test noto come rapporto di portanza California (California Bearing Ratio), che simula quanta pressione il suolo può sopportare prima di cedere. Hanno testato il suolo sia nel suo stato naturale che dopo averlo immerso in acqua per 48 ore per simulare le condizioni di inondazione. I risultati hanno mostrato che il suolo inzuppato era piuttosto debole, con valori di resistenza compresi tra il 5 e il 32 percento, con una media di appena l'8,6 percento. Questo è ben al di sotto della soglia solitamente richiesta per le strade non asfaltate, indicando che, senza intervento, la strada probabilmente affonderebbe o presenterebbe solchi sotto il peso dei veicoli. I ricercatori hanno anche calcolato la rigidità del terreno, scoprendo che era relativamente morbido, il che conferma ulteriormente la necessità di un design robusto.

Tuttavia, la storia non è fatta solo di debolezza. Il team ha anche cercato materiali che potessero essere utilizzati per costruire la sub-base, lo strato posto sopra il debole subgrade per distribuire il carico. Hanno esaminato il suolo proveniente da cave approvate in aree come Kilembe e Hima. Questi materiali si sono rivelati molto più adatti alla costruzione. Erano composti principalmente da sabbia con un po' di ghiaia e una quantità moderata di fini, classificandoli come eccellenti o buoni per la costruzione stradale. Quando testati, questi materiali hanno mostrato una resistenza a stato inzuppato compresa tra il 18 e il 42 percento, il che soddisfa i requisiti minimi per una sub-base. Eppure, anche questi buoni materiali avevano una vulnerabilità: quando inzuppati, perdevano tra il 12 e il 58 percento della loro forza. Ciò evidenzia un punto cruciale: anche i migliori materiali locali falliranno se l'acqua è lasciata ristagnare in essi troppo a lungo.

Sulla base di queste scoperte, i ricercatori hanno proposto un design specifico per le future strade nel distretto. Hanno raccomandato uno spessore totale della pavimentazione compreso tra 350 e 400 millimetri. Questa struttura includerebbe un sottile strato di asfalto in cima, seguito da un consistente strato di pietra frantumata e poi una sub-base granulare composta dai migliori materiali locali. Fondamentalmente, hanno consigliato di rimuovere completamente lo strato superiore di 0,45 metri di terreno organico e di sostituirlo con uno strato di riempimento selezionato per garantire che la strada poggi su una fondazione stabile. Per gestire l'alto rischio di piogge e inondazioni, il design pone l'accento sul drenaggio. La sub-base dovrebbe essere composta da materiali granulari grossolani che permettano all'acqua di fluire attraverso di essi rapidamente invece di rimanervi intrappolata. I ricercatori hanno anche suggerito l'installazione di drenaggi laterali e condotti trasversali a intervalli regolari per mantenere l'acqua lontana dalla fondazione stradale. Per le aree più deboli dove il suolo è troppo morbido o troppo espansivo, hanno raccomandato di trattare il terreno con calce o cemento per rafforzarlo e ridurne la tendenza al rigonfiamento.

Lo studio conclude che le strade nel distretto di Kasese sono fallite in passato non per mancanza di impegno, ma per mancanza di conoscenze specifiche sul suolo locale. Caratterizzando il terreno in dettaglio, i ricercatori hanno fornito una via chiara da seguire. I dati dimostrano che, sebbene il terreno naturale sia spesso troppo debole e umido per sostenere direttamente una strada, esso può essere gestito con la giusta combinazione di spessore, drenaggio e selezione dei materiali. L'approccio raccomandato di utilizzare una pavimentazione più spessa con strati granulari grossolani e sistemi di drenaggio potenziati offre una soluzione pratica alle sfide di inondazione della regione. Questo lavoro assicura che le future strade siano costruite su una fondazione che comprenda il terreno su cui poggia, portando a infrastrutture più sicure e durature per la popolazione dell'Uganda occidentale.