Lo sapevano già gli antichi greci: le piante proteggono i pendii da frane ed erosioni. Sino ad oggi, però, non è mai stato possibile dimostrare con cifre affidabili l'entità di questo effetto protettivo, perché i metodi di ricerca tradizionali si sono dovuti scontrare con i propri limiti, sia sul campo che in laboratorio. Il WSL e l'SLF hanno quindi sviluppato un nuovo apparecchio per prove a sollecitazione di taglio. L'obiettivo dei ricercatori è quantificare l'effetto protettivo della vegetazione sul terreno in modo che in futuro gli ingegneri possano includerlo nei loro calcoli di sicurezza per le aree esposte al pericolo di frane.

La natura entra in laboratorio

Il nuovo apparecchio per prove a sollecitazione di taglio (Fig. 1) riunisce i vantaggi dei tradizionali metodi sul campo e in laboratorio, perché consente da un lato di controllare in modo ottimale e riprodurre a piacere gli esperimenti e, dall'altro, di testare grandi campioni di terreno, in grado di rappresentare in maniera adeguata le condizioni naturali.

Fig. 1 – Durante gli esperimenti nell'apparecchio per prove a sollecitazione di taglio, i campioni vengono sollecitati con una forza normale predefinita. Nel corso del cosiddetto "taglio", i due telai della cassetta portacampioni vengono fatti scorrere parallelamente l'uno contro l'altro: a muoversi è quello superiore mentre quello inferiore è fisso oppure viceversa. Il carico e la resistenza dei campioni vengono rilevati con una risoluzione molto alta. La massima resistenza del campione corrisponde alla spinta che deve essere applicata per causarne il cedimento.

Per analizzare la stabilità dei campioni di terreno con o senza copertura vegetale, gli scienziati li sollecitano con precise forze predefinite: non solo in posizione orizzontale, ma anche con un'inclinazione sino a 45°. Questo apparecchio permette per la prima volta di analizzare all'interno di un laboratorio campioni di terreno in condizioni simili a quelle presenti sul pendio. Un ulteriore vantaggio del nuovo dispositivo è rappresentato dalle misure della cassetta portacampioni: con una dimensione di 50 x 50 x 40 cm, essa può contenere campioni nettamente più grandi di quelli usati nelle prove di laboratorio tradizionali (Fig. 2). I ricercatori sono così in grado di riprodurre terreni con una composizione naturale, con pietre sino a 10 cm. Inoltre, all'interno delle cassette portacampioni le piante dispongono dello spazio sufficiente per sviluppare il proprio apparato radicale, proprio come avviene in natura. Le cassette non offrono solo l'habitat ideale per singole varietà vegetali, ma anche per combinazioni variabili di diverse varietà in quantità sufficiente. Affinché la vegetazione e le sue radici possano svilupparsi come sul pendio, le cassette portacampioni vengono conservate in posizione inclinata già durante la fase di crescita. I risultati ottenuti da questi esperimenti contribuiscono a scegliere la vegetazione ottimale quando si tratta di consolidare un pendio franoso. Gli scienziati prevedono inoltre di svolgere esperimenti con microrganismi, come p.es. i funghi micorrizici, per analizzare i loro effetti consolidanti sul terreno.

Fig. 2 – Le cassette portacampioni utilizzate nell'apparecchio per prove a sollecitazione di taglio sono formate da due telai sovrapposti (cassetta di taglio).

Utilizzabile anche sotto al simulatore di pioggia

Le frane sono spesso la conseguenza di piogge intense. Per poter studiare gli effetti delle precipitazioni sulla stabilità del terreno, l'apparecchio per prove a sollecitazione di taglio ideato dall'SLF è impermeabile. Sia l'apparecchio che la relativa cassetta portacampioni possono pertanto essere sistemati senza problemi sotto a un simulatore di pioggia. A seconda del materiale da cui è composto il terreno e della vegetazione, la pioggia torrenziale simulata causa – senza ulteriori sollecitazioni – una soliflussione simile a quelle che ricorrono spesso anche in natura. Se il campione supera il test della pioggia, subito dopo i ricercatori misurano la sua resistenza residua con una prova a sollecitazione di taglio.

Possibili anche prove su neve e ghiaccio

Il nuovo apparecchio per prove a sollecitazione di taglio è una pietra miliare nella ricerca della stabilità del suolo svolta dagli istituti WSL ed SLF. Gli scienziati si aspettano enormi vantaggi anche a livello pratico: se l'effetto protettivo della vegetazione diventa prevedibile, gli ingegneri potranno farlo confluire in modo molto più mirato di prima nel calcolo della stabilità di aree esposte al pericolo di frane, sia a completamento che in sostituzione delle opere di difesa tradizionali.

Con il nuovo apparecchio è possibile sperimentare anche altri materiali come neve e ghiaccio, aprendo così nuovi orizzonti pure nel settore delle ricerca su valanghe e permafrost.