Variazioni di porosità indotte dalla stratificazione in impaccamenti granulari – Parte I: Dalla misurazione di laboratorio alla modellazione numerica

Effetti della stratificazione sulla porosità dei sedimenti granulari: un nuovo approccio tra misura sperimentale e modellazione numerica

La porosità dei sedimenti fluviali rappresenta un parametro critico per numerose applicazioni geotecniche e idrogeologiche. I modelli attualmente disponibili sono stati sviluppati prevalentemente per strutture granulari omogenee e ben mescolate. Tuttavia, i sedimenti naturali dei letti fluviali presentano spesso una marcata stratificazione, con layer di particelle di dimensioni differenti sovrapposti. Questa condizione, trascurata nella maggior parte dei modelli previsionali, può generare deviazioni significative nel calcolo della porosità effettiva.

Misura non distruttiva della porosità verticale nei campioni stratificati

Per colmare questa lacuna conoscitiva è stato sviluppato un metodo di laboratorio economico e non distruttivo. Utilizzando biglie di vetro come materiale granulare di prova, i ricercatori hanno potuto misurare la distribuzione verticale della porosità in campioni stratificati artificialmente. I risultati sperimentali hanno confermato l’esistenza di strati di transizione all’interfaccia tra sedimenti grossolani e fini.

In corrispondenza di queste interfacce, la porosità segue un andamento caratteristico: una diminuzione iniziale seguita da un successivo recupero. Questo comportamento non è catturato dai modelli classici per miscele omogenee e richiede pertanto una modellazione specifica.

Calibrazione del modello numerico tramite approccio DEM

Parallelamente alla sperimentazione, è stato calibrato e validato un modello basato sul metodo degli elementi discreti (DEM). Il codice di simulazione utilizzato consente di estendere l’analisi parametrica ben oltre i limiti delle prove fisiche. I ricercatori hanno introdotto un algoritmo migliorato basato su una soglia di densità per determinare in modo efficiente e oggettivo l’estensione dello strato di transizione all’interno delle simulazioni numeriche.

Questo strumento consente di superare l’arbitrarietà delle valutazioni manuali, fornendo un criterio riproducibile per l’identificazione dei limiti della zona di transizione.

Relazioni empiriche per il dimensionamento degli strati di transizione

Dall’analisi combinata dei dati sperimentali e numerici sono state derivate formule empiriche che correlano lo spessore dello strato di transizione e le metriche di porosità al rapporto di dimensione tra i granuli. Tali relazioni consentono di calcolare la porosità media di un campione stratificato a partire dalla conoscenza del rapporto di taglia tra le due frazioni granulari.

La prima parte dello studio, qui descritta, si concentra sull’allestimento sperimentale, sulla validazione del modello numerico e sulle evidenze fondamentali relative alla formazione delle zone di transizione. Un articolo successivo presenterà lo sviluppo di modelli predittivi per la porosità in sedimenti stratificati, basati proprio sui risultati ottenuti in questa fase.

Per i tecnici che operano nel settore delle fondazioni e delle opere geotecniche in ambienti fluviali, questi risultati offrono strumenti per affinare le stime di porosità laddove la semplice ipotesi di miscela omogenea non risulta sufficiente. La possibilità di determinare lo spessore degli strati di transizione e la porosità media attraverso relazioni empiriche basate sul rapporto di granulometria rappresenta un avanzamento operativo concreto per la modellazione dei terreni stratificati.