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

Nas paisagens áridas do noroeste da China, o solo é frequentemente composto por um sedimento único, soprado pelo vento, conhecido como loess. Este solo é leve, poroso e mantém bem a sua forma quando seco, permitindo que se sustente em penhascos íngremes e forme a base de muitos assentamentos antigos. No entanto, este mesmo solo possui um segredo perigoso: é altamente sensível à água. Quando o loess fica molhado, pode perder a sua estrutura interna, colapsando sob o seu próprio peso ou desintegrando-se numa lama viscosa. Embora os cientistas estudem há muito tempo como a água faz com que estes solos afundem, uma forma mais súbita e violenta de falha tem sido frequentemente negligenciada. Ao contrário da subsidência lenta e gradual que racha fundações ao longo de anos, este outro fenómeno envolve o solo cedendo subitamente, criando buracos profundos e abertos que engolem estradas e veículos. Compreender exatamente como estes colapsos rápidos acontecem, e quais as condições específicas que os desencadeiam, é vital para proteger as cidades construídas sobre esta terra frágil.

Na cidade de Xining, localizada na Província de Qinghai, esta ameaça tornou-se tragicamente real em 13 de janeiro de 2020. Um enorme buraco abriu-se no meio de uma rua movimentada, fazendo com que um autocarro da cidade mergulhasse na terra. O desastre vitimou dez pessoas e feriu outras dezassete. No rescaldo, uma equipa de investigadores do Departamento de Exploração de Geologia Ambiental de Qinghai e de várias universidades partiu para compreender não apenas a tragédia, mas a mecânica precisa por trás dela. Eles focaram-se no local específico do colapso, um local onde o solo era composto por solo loessiano, uma variante do sedimento soprado pelo vento encontrado em toda a região. Ao combinar perfurações profundas, observação cuidadosa de campo e experiências laboratoriais, a equipa reconstruiu a história oculta de como o solo falhou, revelando uma cadeia de eventos que começou muito antes de o pavimento rachar.

A investigação começou por observar o que jazia abaixo da superfície. Os investigadores perfuraram quatro furos ao redor da margem do fosso do colapso, que media cerca de oito metros de largura e atingia uma profundidade de mais de onze metros. O que encontraram foi uma história estratificada do solo. A camada superior era a própria estrada, seguida por uma secção espessa de solo loessiano colapsável. Mais abaixo, descobriram uma cavidade artificial, um vazio feito pelo homem de cerca de dois metros de altura, provavelmente uma antiga câmara de manutenção ou um espaço deixado para trás pela construção. Crucialmente, também encontraram tubagens de água de ferro fundido partidas, enterradas a apenas dois metros abaixo da superfície. O solo que rodeava estas tubagens não estava apenas húmido; estava saturado, e as próprias tubagens mostravam sinais de fuga. A equipa percebeu que o solo não tinha simplesmente colapsado devido à chuva; tinha sido lentamente corroído de dentro para fora.

O processo desta erosão oculta baseia-se em dois comportamentos específicos do solo. Primeiro, o loess é colapsável, o que significa que, quando fica molhado sob pressão, encolhe e assenta. Segundo, e mais importante para este desastre, o solo é propenso à desintegração. Isto acontece quando as partículas do solo, mantidas unidas por minerais naturais, perdem subitamente a sua aderência quando encharcadas. Os investigadores descobriram que o solo nesta área continha uma quantidade significativa de um mineral chamado ilite, que expande quando toca na água, e calcite, que se dissolve. Quando a água de uma tubagem com fuga infiltrou-se no solo, estes minerais reagiram, fazendo com que a estrutura do solo se desfizesse e se transformasse num lodo fluido e solto. Este lodo foi então lavado para as tubagens próximas e para a cavidade artificial abaixo, criando um túnel oculto de espaço vazio.

Esta erosão não aconteceu de uma só vez. Os investigadores traçaram uma sequência clara de eventos que levou ao desastre. Começou com a interação da água e do solo no aterro solto ao redor das tubagens e valas. À medida que a água vazava das tubagens, amolecia o solo, fazendo com que este colapsasse verticalmente e formasse pequenas fissuras. Com o tempo, estas fissuras cresceram e o solo começou a desintegrar-se, sendo levado para os vazios abaixo. Isto criou uma cavidade oculta, um espaço oco escondido sob a estrada. À medida que mais solo era lavado, a cavidade expandia-se e o teto de solo acima dela tornava-se mais fino e fraco. O gatilho final foi o peso da própria cidade. A estrada acima da cavidade era uma via principal, suportando constantemente o peso estático de veículos estacionados e a vibração dinâmica do tráfego em movimento. Quando o autocarro passou sobre o teto enfraquecido, o solo não conseguiu suportar a carga e o chão cedeu instantaneamente.

Para determinar exatamente quando este solo se torna perigoso, a equipa realizou uma série de experiências em laboratório. Eles pegaram em amostras do solo do local e testaram como este reagia à água em diferentes níveis de humidade. Queriam encontrar um ponto de viragem específico, um limiar onde o solo deixaria de se manter unido e começaria a desintegrar-se. Prepararam amostras com quantidades variáveis de água, desde muito secas até bastante húmidas, e lançaram-nas na água para ver quão rapidamente se desfariam. Os resultados foram precisos. Descobriram que, quando o conteúdo de humidade do solo estava abaixo de um determinado nível, este se desintegrava rapidamente ao ser exposto à água. Especificamente, estabeleceram que um limiar de humidade para desastres de colapso de solo é fixado em 27%. Quando o conteúdo de humidade cai abaixo deste valor de limiar durante a exposição a condições de água, o solo loessiano pode sofrer uma desintegração rápida, criando vazios ocultos e subsequente expansão ou falha total. Este valor de 27 por cento tornou-se o sinal de alerta crítico para este tipo de solo.

O estudo conclui que o colapso em Xining não foi um ato aleatório da natureza, mas o resultado de uma cadeia previsível de falhas. A combinação de uma tubagem de água com fuga, a composição mineral específica do loess e a presença de um vazio oculto criaram as condições perfeitas para o desastre. A vibração e o peso do autocarro foram meramente o empurrão final que quebrou uma estrutura já comprometida. Os investigadores enfatizam que, embora a cidade tenha frequentemente respondido a tais colapsos simplesmente preenchendo os buracos com betão, esta abordagem trata o sintoma e não a causa. Sem compreender a erosão oculta e o limiar de humidade específico que a desencadeia, o solo permanece vulnerável. Ao identificar o limite de humidade de 27 por cento e a sequência de erosão, a equipa forneceu uma nova forma de monitorizar estas áreas. Se a humidade no solo perto de tubagens e estradas puder ser medida e mantida abaixo deste limiar crítico, ou se os vazios ocultos puderem ser detetados antes de crescerem demasiado, futuros colapsos podem ser evitados, salvando vidas e infraestruturas da fome súbita e silenciosa da terra.