ESTRATTO DA
ARBORICOLTURA LA RESISTENZA AL TAGLIO DEI TERRENI RADICATI
ACER
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MILANO
Prova di forza
Che la vegetazione fornisca
un contributo importante alla
stabilità del terreno è cosa nota.
Meno scontata è l’entità di tale
apporto. Una ricerca condotta
presso il Boscoincittà di Milano
su specie arboree e arbustive,
largamente impiegate
negli interventi di ingegneria
naturalistica, ha cercato di
misurare l’incremento fornito dalle
radici alla resistenza del terreno
e tecniche dell’ingegneria naturalistica vengono utilizzate con frequenza in
diversi ambiti, tra i quali la stabilizzazione di versanti naturali e artificiali in terra
già soggetti a movimenti franosi non profondi, oppure potenzialmente in frana. In ogni
caso è evidente come, nell’ambito dello studio
del pendio, sia indispensabile, tra l’altro,
calcolare le condizioni di stabilità dello stesso, in accordo con la normativa vigente (DM
11/03/1988)(6). Che la vegetazione fornisca un
contributo alle forze stabilizzanti è noto (2, 5);
meno nota è l’entità di tale apporto. L’articolo
ha appunto lo scopo di presentare i risultati
Alcuni esemplari
di carpino sono stati
oggetto di una
sperimentazione
più approfondita.
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▼
L
Carlo Galimberti
Testo e foto di Silvio Anderloni, Boscoincittà,
Alberto Clerici, Dipartimento di Ingegneria
Civile, Università degli Studi di Brescia,
Giorgio Pietro Borroni, dottore in Scienze
Geologiche, Maurizio Visconti, dottore in
Scienze Geologiche
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GRAFICO 1 - ANDAMENTO DELLA RESISTENZA AL TAGLIO DEL TERRENO
RADICATO E NUDO IN FUNZIONE DELLA SUA UMIDITÀ
160
Resistenza al taglio (kPa)
▼
di una sperimentazione svolta in sito che ha
avuto l’obiettivo di misurare l’incremento della
resistenza al taglio di un terreno conseguente
allo sviluppo in piena terra degli apparati radicali di alcune specie di piante.
In particolare, e a differenza di quanto viene
più spesso realizzato (3, 7, 9), si è studiata la resistenza al taglio in quanto si può considerare
il parametro più utile nelle analisi di stabilità
sulle terre (1, 10, 11, 12). Lo studio è stato condotto presso il Boscoincittà di Milano, eseguendo
prove in sito, durante la fase di riposo vegetativo (tra ottobre 2002 e gennaio 2003), su zolle
di terreno radicate con specie arboree e arbustive largamente impiegate negli interventi di
ingegneria naturalistica e previste dal “Quaderno delle opere tipo di ingegneria naturalistica”
(8)
(DGR Lombardia n. 6/48740 del febbraio
2000). Sono state utilizzate piante di tre anni
di età coltivate in vaso o fitocella e trapiantate
in piena terra all’età di un anno, appartenenti
a cinque specie arboree: frassino (Fraxinus
oxyphilla), olmo (Ulmus campestris), carpino
(Carpinus betulus), pado (Prunus padus) e
tiglio (Tilia cordata); e a sei specie arbustive:
sambuco (Sambucus nigra), viburno (Viburnum opulus), nocciolo (Corylus avellana),
sanguinella (Cornus sanguinea), evonimo
(Euonymus europaeus) e pruno spino (Prunus
spinosa); inoltre si sono impiegate due specie
arboree in talea, in piena terra da due anni:
pioppo (Populus nigra) e salice (Salix purpurea). Per ognuna delle 13 specie vegetali scel-
140
120
100
80
60
40
20
15
18
20
23
25
28
Umidità (%)
Legenda
= Resistenza al taglio dei terreni radicati
te per lo studio, sono state effettuate tre o
quattro prove, per un totale di 42 test su zolle
radicate, altre otto sono state effettuate su
terreno non radicato, testato in diversi punti
del campo di prova per misurarne la resistenza al taglio in assenza di vegetazione. Il terreno, da un punto di vista granulometrico costituito da limo con sabbia argillosa, debolmente ghiaioso, ha mostrato caratteristiche
tecniche costanti su tutta l’area di studio.
= Resistenza al taglio del terreno nudo
La procedura seguita
Per l’esecuzione delle prove è stata applicata
una procedura già nota (4) che prevede l’isolamento di una zolla di terreno e l’applicazione di
una forza di taglio mediante un martinetto. Le
zolle avevano una dimensione di 40 cm di
lunghezza, 50 cm di larghezza e 30 cm di altezza, con un volume quindi pari a 60 dm3; le
dimensioni sono state scelte in base a una stima
della crescita media degli apparati radicali e in
Ecco come si misura la deformazione della zolla
Attrezzatura utilizzata per misurare la
resistenza al taglio: il telaio fisso e il sistema
di contrasto alla spinta del martinetto.
Nello scavo anteriore si mette il martinetto
di spinta con la sua piastra metallica e i
due comparatori vincolati al telaio fisso.
Nello scavo posteriore, il comparatore,
vincolato al telaio metallico, misura
la deformazione sulla faccia della zolla.
Visione d’insieme del telaio fisso in
alluminio appoggiato all’esterno dell’area
di prova con i tre comparatori.
Zolla di terreno radicato ottenuta al termine
della prova. Sono visibili lo scavo anteriore,
quello posteriore e i due tagli laterali.
Nella sperimentazione sono state
condotte prove di resistenza al taglio
anche su terreno non radicato.
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GRAFICO 2 - RELAZIONE TRA RESISTENZA AL TAGLIO DEL TERRENO RADICATO
E NUDO E SPOSTAMENTO DELLA ZOLLA MISURATO A ROTTURA
Resistenza al taglio (kPa)
160
140
120
100
80
60
Carlo Galimberti
40
20
Legenda
50
60
40
30
Deformazione (mm)
= Resistenza al taglio dei terreni radicati
= Resistenza al taglio del terreno nudo
10
20
modo che le prove interessassero quanto più
possibile le radici delle piante e, nello stesso
tempo, un volume di terreno significativo. Le
zolle si sono ottenute attraverso due scavi, uno
anteriore e uno posteriore alla porzione di terreno di interesse, mentre le superfici di taglio,
quella di base e quelle laterali, si sono formate
autonomamente durante le prove. Lo scavo
anteriore è necessario per inserire il martinetto
idraulico orizzontale, la piastra di spinta e la
piastra di contrasto; lo scavo posteriore serve per
permettere il movimento della zolla che trasla
sotto la spinta del martinetto.
Per misurare gli spostamenti della zolla di
terreno sono stati utilizzati tre comparatori di
precisione Mitutoyo a stelo lungo posizionati
su un telaio in alluminio indipendente rispetto
alla zolla. I comparatori hanno misurato lo
spostamento della piastra di spinta (ovvero della
parete anteriore della zolla), lo spostamento
I carpini, tra le specie esaminate, hanno
fornito risultati interessanti.
della parete posteriore della zolla di terreno e la
dilatazione verticale della zolla. È stato particolarmente curato il sistema di contrasto alla
spinta del martinetto, realizzando una struttura
in acciaio e in legno che garantisse l’assoluta
assenza di movimenti a ritroso della scatola di
taglio. Per quanto riguarda l’esecuzione delle
prove si è proceduto per incrementi di pressione attraverso una pompa idraulica, fino a giungere alla rottura del terreno.
▼
0
Differenze e similitudini dei carpini sotto esame
P
ur non potendo entrare nel dettaglio dei risultati di ogni singola specie sottoposta a prova, è interessante riportare lo studio svolto sui carpini che ha cercato di chiarire le cause che stanno alla base delle differenze registrate tra i vari individui della specie. A tale scopo, l’apparato radicale di ciascun esemplare rimosso è stato pulito dai residui di terreno mediante getti d’acqua ad alta pressione e successivamente
analizzato (tabella 1) tramite la misurazione del numero e delle dimensioni delle radici. Da
questo punto di vista si sono considerate solo le radici aventi diametro superiore a 5 mm,
rappresentanti circa il 90% in volume degli apparati radicali degli esemplari prelevati.
L’analisi ha messo in evidenza che:
• c’è proporzionalità diretta tra lo sforzo di taglio a rottura e il diametro del colletto delle piante;
• a una media più elevata dei diametri delle radici di ogni singola pianta può non corrispondere
un maggiore valore di resistenza al taglio;
• la percentuale di radici di diametro maggiore di 10 mm non è direttamente proporzionale alla
resistenza al taglio delle zolle;
• l’inclinazione delle radici rispetto al piano di taglio è un fattore importante per quanto riguarda
l’incremento di resistenza al taglio dei terreni;
Le prove di resistenza al taglio sono state
• i carpini più resistenti al taglio mostrano un gran numero di radici cresciute ortogonalmente
effettuate, in loco, su alcune piante messe
rispetto ai piani di taglio, mentre nelle altre piante le radici con i diametri maggiori sono in posia dimora presso il Boscoincittà di Milano.
zione orizzontale e disposte in modo da non attraversare le superfici di taglio laterali.
TABELLA 1 - PRINCIPALI PARAMETRI VALUTATI SUI CARPINI
ESEMPLARE
Carpino 1
Carpino 2
Carpino 3
Carpino 4
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RESISTENZA
AL TAGLIO
τ (kPa)
DIAMETRO
COLLETTO
(cm)
PERCENTUALI
DI RADICI
CON Ø > 10 (mm)
MEDIA
DEI DIAMETRI
DELLE RADICI (mm)
83,08
74,59
118,78
118,99
3,70
3,70
6,00
5,50
72,7 %
63,6 %
90,0 %
69,2 %
12,3
12,3
21,1
13,7
Il carpino che ha fornito il valore di
resistenza al taglio più elevato mostra
molte radici ortogonali ai piani di taglio.
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Le misure effettuate in ogni punto di prova
hanno riguardato: il diametro del colletto
delle piante (d) misurato all’altezza di 10 cm
dal suolo; l’altezza delle piante (h), la forza
spingente esercitata dal martinetto (F); lo
spostamento della piastra di spinta (S1); lo
spostamento della parete posteriore della
zolla (S2) e la deformazione verticale (dh). Si
sono quindi calcolati la superficie di taglio
della zolla (Az), cioè l’area data dalla somma
delle tre superfici di taglio (quella basale e le
due laterali) che si formano quando la zolla
di terreno trasla a causa della spinta, e lo sforzo applicato, definito dal rapporto tra la forza
applicata dal martinetto e l’area totale delle
superfici di taglio Az.
Risultati inequivocabili
I grafici 1 e 2 rappresentano rispettivamente le relazioni tra la resistenza al taglio e l’umidità del terreno e tra la resistenza al taglio e lo
spostamento della zolla a rottura, riferiti agli
esemplari arborei e arbustivi esaminati. Dai
grafici si può calcolare la resistenza al taglio
media del terreno radicato (96 kPa), risultata
superiore rispetto a quella del terreno naturale
non radicato (60 kPa) con un incremento del
60% circa, e la deformazione media a rottura
delle zolle radicate (15 mm) che è molto
maggiore di quella delle zolle non radicate (4
mm, con un incremento del 240%).
Il grafico 1 mostra anche come la resistenza al taglio dei terreni radicati diminuisca limi-
TABELLA 2 - VALORI MEDI DELLE PROVE DI RESISTENZA AL TAGLIO
DEI TERRENI RADICATI CON LE DIVERSE SPECIE ESAMINATE
SPECIE
d (cm)
h (cm)
τ (kPa)
ε (mm)
w (%)
∆ (%)
CV
Frassino
Olmo
Carpino
Pado
Tiglio
Sambuco
Viburno
Nocciolo
Sanguinello
Evonimo
Pruno spino
Pioppo
Salice
7,60
5,83
4,68
9,33
4,00
4,13
10,33
7,50
7,33
1,95
4,33
6,73
8,00
493,33
490,00
343,00
416,67
260,00
246,67
226,67
299,33
200,00
150,25
208,33
436,67
542,50
148,68
111,04
98,86
80,76
80,22
104,88
104,79
102,23
91,74
74,04
68,89
94,58
91,02
21,17
10,00
11,75
5,67
18,33
12,33
9,67
32,33
7,00
19,13
8,67
13,67
17,38
21,20
21,33
21,30
24,37
22,80
18,50
22,60
23,00
21,87
19,70
20,50
22,23
23,35
47
84
64
34
33
74
74
69
52
23
14
57
51
0,13
0,19
0,24
0,12
0,09
0,16
0,09
0,01
0,07
0,18
0,08
0,09
0,18
Legenda: d= diametro al colletto della pianta; h= altezza della pianta; τ= resistenza al taglio; ε= misura della
deformazione orizzontale della zolla misurata al momento della rottura; w= umidità naturale del terreno durante
la prova; ∆= variazioni percentuali rispetto al terreno nudo; CV= coefficiente di variazione calcolato su alcuni
esemplari di ogni singola specie che misura la dispersione dei risultati rispetto a un valore medio.
GRAFICO 3 - RESISTENZA MEDIA AL TAGLIO DEI TERRENI RADICATI CON
LE DIVERSE SPECIE ESAMINATE E DEL TERRENO NUDO
Resistenza al taglio media (kPa)
160
140
120
100
80
60
40
20
0
Legenda
o no po ice do
o no do lio co no lo llo
no
ssi OlmCarpi Pa Tig mbu ibur occioguine vonimo spi Piop Sal o nu
a
r
V
a
F
N an
E run
S
ren
S
P
Ter
= Alberi
= Arbusti
= Talee
tatamente con l’aumento dell’umidità del terreno, mentre il grafico 2 indica una tendenza
lineare positiva tra la resistenza al taglio e la
deformazione a rottura. In entrambi i diagrammi si può anche chiaramente apprezzare come
il comportamento del terreno nudo sia ben
diverso da quello radicato. Il terreno nudo
mostra valori di resistenza uniformi (il coefficiente di variazione CV calcolato sulle otto
prove eseguite è pari a 0,04), significativamente minori di quelli radicati, oltre a un comportamento più rigido rispetto a quello radicato.
I valori medi di resistenza al taglio di ogni
singola specie sono riportati in tabella 2 e
rappresentati graficamente nel grafico 3. Qui
si possono osservare significative differenze
tra le diverse specie: i valori medi più bassi
si hanno con il pruno spino (69 kPa), superiori solo del 15% rispetto al terreno nudo,
mentre i valori più alti si hanno con i frassini
(149 kPa; + 47%), gli olmi (111 kPa; + 84%),
il sambuco e il viburno (105 kPa; + 74%) e il
nocciolo (102 kPa; + 69%).
Analizzando più in dettaglio i risultati, si
osservano differenze limitate (14%) tra la
media delle resistenze a rottura delle specie
arboree (104 kPa), delle specie arbustive (91
kPa) e delle talee (93 kPa). Infine, anche se il
numero di esemplari testati per ogni specie è
limitato, si nota comunque un valore del coefficiente di variazione più ridotto per il gruppo
degli arbusti (CV = 0,10) rispetto alle altre due
categorie a indicare una maggiore costanza di
risultati nel contributo di queste specie all’incremento della resistenza al taglio del terreno.
Considerazioni finali
La sperimentazione eseguita permette di
svolgere alcune considerazioni quantitative
sull’incremento della resistenza al taglio di un
terreno grazie alla presenza degli apparati
radicali di giovani piante, appartenenti a
specie diverse, di tre anni trapiantate in piena
terra da due stagioni vegetative.
Nel complesso, si misura un aumento del
60% tra la resistenza al taglio dei terreni radicati e quella del terreno nudo. I tre gruppi considerati (arboreo, arbustivo, in talea) contribuiscono in maniera simile a tale incremento. Le
singole specie mostrano invece comportamenti tra loro differenti, tanto che tra le resistenze
massime e minime ottenute si registrano differenze superiori al 100%: per il frassino si ha
una resistenza al taglio di quasi 150 kPa,
mentre per il pruno spino questa vale meno di
70 kPa. I terreni radicati, se sottoposti a sforzi
di taglio, hanno un comportamento più duttile
rispetto a quello del terreno nudo. Lo studio
di dettaglio sui carpini, di cui alcuni risultati
sono riportati nel box di pagina 53, ha mostrato inoltre l’influenza della direzione di crescita delle radici rispetto alla direzione di applicazione dello sforzo di taglio.
In sintesi, si misura un apprezzabile contributo alla stabilizzazione di un terreno da parte
delle specie vegetali considerate, espresso sia
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in termini di superiore resistenza al taglio, che
in termini di maggiore duttilità del terreno, il
quale può quindi meglio assecondare eventuali modeste deformazioni lungo un versante. Va da sé che la sperimentazione qui illustrata dovrà essere accompagnata da molte
altre misure perché nei calcoli di stabilità si
possa introdurre, accanto alle forze che si
oppongono al movimento del terreno lungo
un pendio, una forza resistente fornita dall’azione degli apparati radicali.
■
Gli autori desiderano ringraziare Sergio Pellizzoni, direttore del centro Boscoincittà, per l’ospitalità concessa e Gian Battista Bischetti, della Facoltà di Agraria dell’Università di Milano, per i
suggerimenti forniti.
Bibliografia
(1) ABE K., ZIEMER R.R., 1991. Effects of
tree roots on a shear zone: modeling
reinforced shear stress. Can. J. For. Res.,
vol. 21, pagg. 1012-1019.
(2) BISCHETTI G.B., 2000. Quantificazione
dell’effetto dell’apparato radicale sulla
stabilità dei versanti. Rivista di Ingegneria Agraria, n. 2, pagg. 70-81.
(3) BISCHETTI G.B., GREPPI M., APUANI T.,
CANCELLI A., 2000. Sperimentazioni sulla valutazione dell’incremento di resistenza al taglio indotta dalla presenza di
apparati radicali. In: atti del XXVII
convegno di idraulica e costruzioni
idrauliche, volume III. Pagg. 313-320,
Genova, 12-15/09/2000.
(4) CLERICI A., ANDERLONI S., FRONTINI D.,
SOLER M., 2003. La misura di alcuni parametri del terreno influenzati dallo sviluppo della vegetazione. Geologia Tecnica ed Ambientale, n. 4.
(5) GREENWAY D.R., 1987. Vegetation and
slope stability. Slope stability. cap. 6,
pagg. 187-229.
(6) MINISTERO DEI LAVORI PUBBLICI, 1988.
Norme tecniche riguardanti le indagini
sui terreni e sulle rocce, la stabilità dei
pendii naturali e delle scarpate, i criteri
generali e la progettazione, l’esecuzione
e il collaudo delle opere di sostegno delle
terre e delle opere di fondazione. DM 11
marzo 1988; Gazzetta Ufficiale suppl.
ord. n. 127, 1 giugno 1988.
(7) NILAWEERA N.S., NUTALAYA P., 1999. Role of tree roots in slope stabilisation. Bulletin of Engineering Geology Environments, n. 57, pagg. 337-342.
(8) REGIONE LOMBARDIA, 2000. Quaderno
Opere tipo di ingegneria naturalistica.
Deliberazione 29 febbraio 2000 n.
6/48740, Burl n. 19, 1° suppl. straord.
(9) SCHUPPENER B., 2000. Stabilisation of
steep slopes by plants. In: atti del congresso Aipin “Efficacia e costi degli interventi di ingegneria naturalistica”,
Trieste, pagg. 73-78.
(10) TOBIAS S., 1994. Shear strength of the soil
root system: in situ shear tests. Conserving
soil resources, cap. 37, pagg. 405-412.
(11) WALDRON L.J., 1977. The shear resistence of root-permeated homogeneous and
stratified soil. Soil Science Society American Journal, vol. 41, pagg. 843-849.
(12) WU T.H., BEAL P.E., LAN C., 1988. In
situ shear test of soil roots systems. Journal of Geotechnical Engineering, vol.
114, n. 12, pagg. 1376-1394.
Abstract
Arm wrestling
That plants provide a significant contribution
to soil stability is well known to everyone. The
entity of this contribution is less known. A
survey carried out at Boscoincittà, Milan, on
tree and shrub species widely used in bioengineering projects has measured the increase in
ground resistance provided by their roots. Differences among some hornbeam trees turned out
to be particularly interesting. Those more resistant to cutting showed a great number of roots
perpendicular to the cutting plane.