Imp.Meisina& PROBLEMATICHE GEOLOGICO-TECNICHE DI FORMAZIONI SUPERFICIALI SOGGETTE A VARIAZIONI DI VOLUME Claudia Meisina1 & Laura Rolandi1 1Dipartimento di Scienze della Terra, Università degli Studi di Pavia – cmeisina@manhattan.unipv.it RIASSUNTO: C. Meisina & L. Rolandi, Problematiche geologico-tecniche di formazione superficiali soggette a variazioni di volume. IT ISSN 0394-3356, 2004. Le variazioni di volume dei terreni argillosi (ritiro nei periodi secchi e rigonfiamento in quelli umidi) sono all’origine di numerosi danni a fondazioni di edifici ed infrastrutture (strade). Negli ultimi anni i cambiamenti climatici globali hanno determinato il ripetersi di periodi particolarmente siccitosi che hanno amplificato il fenomeno anche nei nostri climi temperati. I terreni argillosi soggetti a variazioni di volume sono costituiti da depositi quaternari, quali i depositi alluvionali e le coltri eluvio-colluviali, spesso indicati con il termine di “for- mazioni superficiali”. La finalità di questo lavoro è illustrare e discutere le problematiche geologico-tecniche che emergono nello stu- dio delle formazioni superficiali soggette a variazioni di volume. L’area studiata è costituita dal centro urbano di Varzi (Italia Settentrionale, Appennino Pavese), impostato su depositi alluvionali ed eluvio-colluviali. L’approccio adottato è di tipo multidisciplina- re; al fine di ricostruire il modello geologico-tecnico dell’area sono stati raccolti dati riguardanti la geologia, la geomorfologia, l’evolu- zione del reticolato idrografico, nonché informazioni storiche relative allo sviluppo urbano del paese di Varzi. In una prima fase sono state identificate, tramite fotointerpretazione, le unità morfologiche (terrazzi e conoidi alluvionali, frane, ecc.). Nella seconda fase tali unità sono state caratterizzate dal punto di vista litostratigrafico, idrogeologico e geotecnico in modo da definire delle unità morfo-lito- tecniche omogenee in base a: genesi (alluvionale, di versante, antropica), condizioni topografiche (acclività e drenaggio), litofacies, geometria dei terreni (spessore, variazioni laterali), condizioni idrogeologiche (soggiacenza falda, permeabilità) e geotecniche (poten- ziale di ritiro-rigonfiamento e spessore della zona attiva). Le unità marfo-litotecniche individuate sono state classificate in funzione del loro potenziale di ritiro-rigonfiamento. ABSTRACT: C. Meisina & L. Rolandi, Engineering geological problems related to swelling-shrinking superficial deposits. IT ISSN 0394-3356, 2004. The volume changes of clayey soils (shrinking in the drought periods, swelling in the periods of rainfalls) are the cause of many pro- blems in engineered structures. Global climatic changes as prolonged period of dry weather, influence soil moisture content and are the primary cause of volume changes of clayey soils in temperate regions. In Italy most of these soils are associated with alluvial depo- sits and eluvial-colluvial soils derived from sedimentary rocks by weathering (superficial deposits). The aim of the work is to underline the engineering geological problems related to the study of the superficial deposits characterized by volume changes. The test site is the urbanized area of the town of Varzi (Northern Italy, Pavese Appennines) built on the alluvial and eluvial-colluvial deposits. The litho- logical setting and geotechnical characteristics of these deposits are poorly defined, due to the lack of outcrops and the intrinsic hete- rogeneity of the sediments. Engineering geological mapping was carried out to provide engineering geological information as an aid in planning land use. The adopted approach has been multidisciplinary, such that data regarding the geology, geomorphology, hydro- graphic network, urban development and history of the town area have been used to develop a geological/geotechnical model of the area. In the first step the landforms (alluvial terraces, landslides, alluvial fans, etc.) were mapped from aerial photographs. In the second step for each landforms the nature of surface materials (lithostratigraphic, hydrogeological and geotechnical characteristics) was deter- mined. The datasets included boreholes, trial pits and penetrometer tests. Geotechnical and lithological profiles have been construc- ted. The geotechnical site investigations had the aim of characterising the soil conditions within each homogeneous zone and consi- sted of pits with a maximum depth of 3 m for the shallow soil exploration, the soil profile description and the collection of samples in the areas representative of the engineering geological terrain units. In addition to the classical mineralogical and geotechnical tests (index properties and volumetric characteristic determination) the samples were submitted to the methylene blue adsorption test, to the swelling pressure and swell strain tests and to the determination of the suction with the filter paper technique. Engineering geologi- cal zoning was carried out by assessing main attribute groups: genesis, topographic conditions (slope angle and drainage), lithologies, geometries, hydrogeological (depth to the water table, hydraulic conductivity) and geotechnical characteristics. The area was divided into 13 morpho-engineering geological units (areas that may be regarded as homogeneous from the geomorphological and enginee- ring geological point of view) analyzed in terms of swelling-shrinking susceptibility. . Parole chiave: terreni rigonfianti, unità morfo-litotecniche, formazioni superficiali, Varzi. Keywords: swelling soils, morpho-engineering geological units, superficial deposits, Varzi. Il Quaternario Italian Journal of Quaternary Sciences 17(2/2), 2004, 597-612 1. INTRODUZIONE Il termine “terreni argillosi rigonfianti” definisce terreni caratterizzati da variazioni di volume (rigonfia- mento e ritiro) dovute a cause naturali (precipitazioni, risalita della falda, ecc.) o antropiche (irrigazioni, rotture di condotte, ecc.). Essi fanno parte dei terreni proble- matici, in quanto sono all’origine di numerosi danni a fondazioni di edifici ed infrastrutture (strade) (MOUROUX et al., 1988; BELL & BRUYN, 1997; PAGE, 2003). Il poten- ziale di ritiro-rigonfiamento di un terreno argilloso dipende dal tipo e dalla quantità di minerali argillosi presenti, dalla sua struttura e soprattutto dal suo conte- nuto in acqua e grado di saturazione (CHEN, 1988). Negli ultimi anni i cambiamenti climatici globali hanno deter- minato il ripetersi di periodi particolarmente siccitosi che hanno amplificato il fenomeno anche nei nostri climi temperati. Le variazioni di volume generalmente si 598 C. Meisina & L. Rolandi manifestano nello spessore di terreno che costituisce la zona attiva (zona che risente delle variazioni di contenu- to d’acqua in risposta alle condizioni climatiche) (BRE, 1996). Dal punto di vista geotecnico tali terreni vengono definiti come non saturi ed essi sono costituiti da depo- siti quaternari, quali i depositi alluvionali e le coltri elu- vio-colluviali, spesso indicati con il termine di “forma- zioni superficiali” (MCMILLAN & POWELL, 1999). Nelle aree appenniniche le coltri eluvio-colluviali, di natura preva- lentemente argillosa, ricoprono in modo diffuso i ver- santi con spessori variabili da pochi decimetri ad alcuni metri, derivano dall’alterazione del substrato ad opera degli agenti atmosferici e dal successivo trasporto ad opera delle acque superficiali e/o della gravità e costi- tuiscono il terreno di fondazione della maggior parte degli edifici. I danni associati alle variazioni di volume delle coltri eluvio-colluviali sottolineano la necessità di identificare e classificare tali terreni, valutando anche la loro pericolosità al ritiro-rigonfiamento ai fini di una cor- retta pianificazione territoriale, in particolar modo a scala di dettaglio (Piani Regolatori Comunali). Il ritiro-rigonfiamento dei terreni argillosi è un fenomeno complesso, il cui studio necessita di un approccio di tipo integrato che si dovrebbe avvalere, oltre che dell’analisi geologica e mineralogica, delle metodologie e dei presupposti teorici propri della mec- canica delle terre, anche della conoscenza, propria della geologia del quaternario, dell’ambiente di forma- zione, del meccanismo deposizionale, e dei caratteri sedimentologici. La finalità di questo lavoro è illustrare e discutere le problematiche geologico-tecniche che emergono nello studio delle formazioni superficiali soggette a variazioni di volume. A tale scopo viene presentato un esempio di redazione di una carta delle unità morfo- litotecniche (unità litologiche omogenee dal punto di vista geomorfologico e geologico-tecnico) ai fini della valutazione della pericolosità al ritiro-rigonfiamento dei terreni argillosi in un’area appenninica. L’area studiata è costituita dal centro urbano di Varzi (provincia di Pavia) situato nella parte meridionale dell’Oltrepo Pavese (Italia Settentrionale), nell’alta valle del T. Staffora, tribu- tario di destra del F. Po. 2. INQUADRAMENTO GEOLOGICO DELL’AREA STUDIATA Il territorio comunale di Varzi, classificato come sismico (zona 2, Ordinanza P.C.M. n° 3274 del 20/03/2003), è attraversato dal T. Staffora, che in que- sta zona presenta un andamento EW, parallelo alla Linea Villalvernia-Varzi, struttura tettonica di importanza regionale, definita da studi recenti come un sistema transpressivo destro (CERRINA FERONI et al., 2002). Tale struttura giustappone due “mondi” paleogeografico- strutturali ben differenziabili: l’estrema propaggine orientale del bacino Terziario Ligure-Piemontese a Sud, caratterizzata da una relativa tranquillità giaciturale con una successione stratigrafica dall’Eocene superiore al Miocene inferiore, e l’Appennino Pavese a nord con successioni sedimentarie discontinue dal Cretaceo inferiore al Miocene ed intensamente deformate (BEA- TRIZZOTTI et al., 1969) (Fig. 1). Il fondovalle presenta forme di terrazzamento (terrazzi convergenti e poligeni- ci) e conoidi per lo più fossili dei principali affluenti del T. Staffora (il T. Reganzo, il Rio Reponte superiore e inferiore in destra idrografica ed il T. Lella in sinistra). La morfologia dei versanti è contrassegnata dalla presenza di numerosi fenomeni franosi di tipo complesso (scivo- lamenti traslazionali e rotazionali che evolvono in cola- menti) (BRAGA et al., 1985). Il regime pluviometrico è di tipo appenninico con la presenza di due massimi (novembre e maggio) e minimi stagionali ben marcati che caratterizzano l’anno medio. Il centro urbano del comune di Varzi, dove si è concentrato lo studio, ha un’estensione di 4,5 km2 e occupa la fascia di fondovalle in destra idrografica del T. Staffora terrazzata e modellata prevalentemente nei depositi di tipo alluvionale e di tipo eluvio-colluviale provenienti dagli adiacenti versanti. Sul ripiano più alto si è sviluppato il borgo antico, mentre le successive espansioni fino ai tempi più recenti hanno progressivamente occupato anche parte del ripiano inferiore. In sinistra idrografica le forme di terrazzamento sono meno marcate essendo presente un solo terrazzo modellato nelle alluvioni recenti. Le coltri eluvio-collu- viali si sviluppano sui versanti e ricoprono parzialmente i terrazzi alluvionali. Nonostante esse corrispondano al 30 % dell’area studiata sono cartografate solo in parte nella carta geologica ufficiale. Nel centro urbano gli interventi antropici hanno comportato notevoli modifiche alla morfologia e all’idro- grafia dell’area. L’alveo del T. Staffora, che in tempi storici (inizio XX secolo) si estendeva fino a ridosso del borgo antico, risulta ora delimitato in sponda destra da opere di difesa (muri e gabbionate) erette in tempi suc- cessivi per contrastare i fenomeni di alluvionamento. Ciò ha comportato un sensibile restringimento della sua ampiezza negli ultimi 50 anni (MEISINA, 1998). Nelle zone di confluenza di alcuni corsi d’acqua l’urbanizzazione ha portato alla canalizzazione dell’asta terminale, con contestuale riduzione delle sezioni idrauliche (Rio Reganzo, Rio Lazzuola). Nei Rii Reponte inferiore e Reponte superiore la tombinatura dei corsi d’acqua costituisce un ulteriore elemento critico. Il paese è attraversato inoltre da un canale artifi- ciale, il Canale Lagozzo, costruito alla fine del XIII seco- lo per alimentare un mulino. 3. METODOLOGIA DI LAVORO L’approccio adottato è di tipo multidisciplinare; al fine di ricostruire il modello geologico-tecnico dell’area sono stati utilizzati dati riguardanti la geologia, la geo- morfologia, l’evoluzione del reticolato idrografico ed informazioni storiche sullo sviluppo urbano del paese di Varzi. Lo studio è stato articolato in due fasi (Fig. 2): 1° fase: definizione delle unità morfologiche; 2° fase: definizione di unità geologico-tecniche di det- taglio (unità morfo-litotecniche). Nella prima fase sono state identificati, tramite fotointerpretazione, i principali elementi morfologici del- l’area sia naturali (terrazzi e conoidi alluvionali, frane) che antropici (scavi, riporti). La consultazione di docu- menti storici e l’analisi multitemporale di foto aeree hanno permesso inoltre di identificare l’evoluzione del reticolato idrografico. Alla fine di tale fase il territorio studiato è stato suddiviso in diverse unità morfologiche. Successivamente, nella seconda fase, tali unità sono state caratterizzate dal punto di vista geologico- tecnico in modo da definire delle unità morfo-litotecni- 599Problematiche geologico-tecniche ... che, omogenee in base a: genesi (alluvionale, di versan- te, antropica), condizioni topografiche (acclività e dre- naggio), litofacies, geometria dei terreni (spessore, variazioni laterali), condizioni idrogeologiche (soggia- cenza falda, condizioni di drenaggio) e geotecniche (potenziale di ritiro-rigonfiamento e spessore della zona Fig. 1 - Carta geologica (BEATRIZZOTTI et al., 1969). f: frana; dt: eluvio, colluvio e detriti; a3: alluvioni attuali degli alvei attivi dei corsi d’acqua; a2-1: alluvioni post-glaciali; fl3: Fluviale Recente; M4-3: Arenarie di M. Vallassa (Tortoniano-Serravalliano); M2-1: Marne di M. Lumello (Langhiano – Miocene pre-Langhiano); M1 c: Formazione di Castagnola (Miocene pre-Langhiano); M1-O3: Marne di Rigoroso (Miocene inferiore – Oligocene superiore); M1-E3: Marne di Antognola (Miocene pre-Langhiano – Eocene superiore); O3-E3: Arenarie di Ranzano (Oligocene superiore – Eocene superiore); E3-1: Marne di M. Piano (Eocene superiore – Eocene inferiore); Pc-c7 cs: Calcari di M. Cassio (Paleocene – Turoniano); c: Complesso Caotico; i: Complesso Indifferenziato; VVL: Linea Villalvernia-Varzi. Geological map (BEATRIZZOTTI et al., 1969). f: landslide; dt: eluvium, colluvium and debris; a3: Holocenic Alluvium; a2-1: post-glacial Alluvium; fl3: Upper Pleistocene Alluvium; M4-3: M. Vallassa Sandstones (Tortonian-Serravallian); M2-1: M. Lumello Marls (Langhian – Miocene pre-Langhian); M1 c: Castagnola Formation (Miocene pre-Langhian); M1-O3: Rigoroso Marls (Lower Miocene – Upper Oligocene); M1-E3: Antognola Marls (Miocene pre-Langhian – Upper Eocene); O3-E3: Ranzano Sandstones (Upper Oligocene – Upper Eocene); E3-1: M. Piano Marls (Upper Eocene – Lower Eocene); Pc-c7 cs: M. Cassio Limestones (Paleocene – Turonian); c: Chaotic Complex; i: Undifferentiated Complex; VVL: Villalvernia-Varzi Line. 600 attiva). L’individuazione delle unità morfo-litotecniche è avvenuta tramite l’analisi dei dati geologici e geotecnici del sottosuolo del centro abitato di Varzi. Questi sono stati raccolti presso lo STER (Regione Lombardia - Servizio Territoriale di Pavia) e fanno parte degli studi geologici riguardanti gli interventi edilizi nei territori classificati sismici. La disponibilità di tali dati ha per- messo di presentare un quadro sintetico di informazioni integrate sulle caratteristiche geologiche, sedimentolo- giche, idrogeologiche e geotecniche dei depositi allu- vionali ed in particolare di quelli eluvio-colluviali. Le indagini sono costituite da 132 trincee esplorative (profondità variabili da 1 a 5 m), 27 sondaggi (da 5 a 15 m) e 139 prove penetrometriche (da 4 a 12 m). Le trin- cee esplorative hanno messo in evidenza le caratteristi- che delle formazioni superficiali (coltri alluvionali ed elu- vio-colluviali), i sondaggi e le prove penetrometriche hanno raggiunto il substrato e hanno permesso di rico- struire lo spessore dei terreni di copertura. Le prove penetrometriche risultano l’elemento principale di caratterizzazione geotecnica dei terreni (n° di colpi cor- relato con la resistenza del terreno ed il suo potenziale di rigonfiamento). Si tratta per lo più di prove dinamiche DCPT ed in minor quantità di CPT (n°19) e SPT (n°2). Il primo problema relativo alle prove dinamiche continue è stato quello di uniformare e validare i dati in posses- so, infatti le prove sono state eseguite con tipi di pene- trometri differenti (DPHS Meardi-AGI e medio-leggero DL30) che si differenziano per spinta di infissione, maglio, altezza di caduta e penetrazione standard (uguale a 30 cm nella maggioranza dei casi, ma anche a 10 o 20 cm). La disponibilità di alcune misure SPT effettuate in foro di sondaggio ha permesso indicativa- mente di trovare la seguente correlazione tra NDP e NSPT: NSPT ≈ 2NDP. Il censimento degli edifici lesionati ha permesso di individuare le unità morfo-litotecniche che presentano particolari problematiche geologico-tecniche. Il censi- mento é avvenuto mediante la consultazione presso lo STER delle richieste di finanziamento nel periodo 1980- 1999 per interventi di ripristino di fabbricati privati e pubblici lesionati (contributi in conto capitale regolati dalle leggi statali/regionali:L.R. n°59/1978, M.per coord. Prot. Civile n°942 – 31.03.1987, DGR n°23463 23.12.1996, DGR n°43777 18.06.1999). I dati raccolti sono stati successivamente verificati sul terreno, questo ha permesso anche di identificare ulteriori edifici che non risultavano nelle pratiche consultate. Per ogni fab- bricato è stata compilata una scheda riportante le carat- teristiche del terreno di fondazione, le caratteristiche costruttive dell’edificio stesso e il quadro fessurativo. Le unità morfo-litotecniche argillose sono state caratterizzate anche mediante prove geotecniche di laboratorio. I campioni sono stati prelevati manualmen- te in corrispondenza di scarpate naturali o artificiali (scavi realizzati per fondazioni, tagli lungo la sede stra- dale). Le profondità raggiunte, rispetto al piano campa- gna, sono comprese tra 1,5 e 3 m. Nella descrizione C. Meisina & L. Rolandi Fig. 2 - Flow-chart illustrante la metodologia di studio. Flow-chart showing the methodology of study. 601 litostratigrafia è stata posta particolare attenzione alle caratteristiche diagnostiche del fenomeno di ritiro- rigonfiamento, quali la presenza di fessure di ritiro, superfici di pressione e di scivolamento (slickensides) (AHMAD & MERMUT, 1996). In aggiunta alle tradizionali prove geotecniche di classificazione (limiti di Atterberg, analisi granulometriche, ecc.), i campioni sono stati sot- toposti ad analisi più specifiche, quali il test del blu di metilene (AFNOR, 1998), la misura della suzione matricia- le con il metodo della carta da filtro (CHANDLER & GUTIER- REZ, 1986) e la prova di rigonfiamento in parallelo (AFNOR, 1995). La prova del blu di metilene, consiste nel quantificare la capacità d’assorbimento ionico dei suoli, misurando la quantità di blu di metilene necessaria per ricoprire la superficie totale delle particelle costituenti il terreno. Tale prova permette di avere indicazioni quali- tative (tipi di minerali argillosi in funzione della misura della loro superficie attiva) e quantitative sulla frazione argillosa e quindi risulta di grande utilità nello studio delle problematiche connesse alle variazioni volumetri- che dei terreni argillosi (MAGNAN & YOUSSEFIAN, 1989; TOURENQ & TRAN NGOC LAN, 1989; FYTIUS et al, 2000). La prova di rigonfiamento in parallelo all’edometro consi- ste nell’applicare a provini di uno stesso campione cari- chi diversi per la misura della variazione percentuale di volume (deformazione dovuta al rigonfiamento) e della pressione di rigonfiamento (pressione necessaria per impedire la deformazione di volume) (Fig. 3). Tra le numerose prove di laboratorio esistenti per la misura della pressione di rigonfiamento essa viene considerata come la più attendibile (SERRATRICE & SOYEZ, 1996). Il metodo della carta da filtro consiste nel misurare il con- tenuto in acqua di una carta da fi ltro standard (Whatman n°42) a contatto con il terreno e si basa sul- l’ipotesi che all’equilibrio la suzione matriciale della carta da filtro e del campione siano gli stessi. La varia- zione della suzione con la profondità permette di deter- minare lo spessore della zona attiva. 4. UNITA’ MORFOLOGICHE L’analisi degli aspetti geomorfologici (forme e pro- cessi) dell’area studiata, avvenuta tramite fotointerpre- tazione, ha permesso di identificare sei unità morfologi- che preliminari, che sono il risultato di processi morfo- genetici fluviali, di versante e antropici. Le unità morfologiche di tipo fluviale sono rappre- sentate dall’alveo attivo del T. Staffora, dai terrazzi dello stesso torrente visibili soprattutto in destra idrografica e dai conoidi degli affluenti. L’identificazione di tali unità ha comportato talora alcune difficoltà, connesse soprattutto all’intensa antropizzazione del nucleo urba- no, che ha causato la parziale modificazione e/o scom- parsa della loro forma. In questo contesto lo studio del- l’evoluzione del reticolato idrografico ha fornito un vali- do strumento di identificazione delle unità morfologi- che, permettendo, per esempio di tracciare il limite del conoide fossile del Rio Reponte superiore (Fig. 4). Accurate ricerche storiche dal XIV secolo ad oggi, hanno infatti messo in evidenza che tale Rio ha subito nel tempo due spostamenti verso Est. Si suppone che nei secoli XIV-XV l’alveo del torrente, corrispondente all’attuale strada “Vicolo del Pozzo”, sia stato spostato ad Est sul tracciato della via oggi conosciuta come “Via Reponte Vecchio”. A riprova di ciò, durante i lavori di scavo eseguiti nelle cantine di un edificio del centro storico, è stato rinvenuto un muro di difesa spondale proprio lungo il tracciato presunto del Rio. L’ultimo spostamento (da via Reponte Vecchio all’attuale sede) è avvenuto intorno al 1873. A quell’epoca il canale scorreva interamente a cielo aperto e solo durante la seconda metà del 1900 è stato progressivamente tom- binato (DEBATTISTI, 1996). Le unità legate a processi di versante sono deri- vate da fenomeni franosi e da fenomeni di erosione e di deposizione da parte delle acque non incanalate, che hanno portato alla formazioni di estese coltri eluvio-col- luviali che coprono talora anche i terrazzi alluvionali più antichi. Gli interventi antropici hanno prodotto notevoli modifiche dell’originaria morfologia dell’area, con pre- valenza dei riporti a struttura lineare (rilevati stradali – ferroviari) e areale (fascia a ridosso delle difese di spon- da destra). Essi danno origine ad un’unità morfologica, definibile come made ground dalla classificazione dei terreni artificiali proposta dal British Geological Survey (ELLISON et al., 2002; ROSENBAUM et al., 2003). 5. UNITA’ MORFO-LITOTECNICHE Le unità morfologiche precedentemente descritte sono state successivamente analizzate in base alle caratteristiche litostratigrafiche, idrogeologiche e geo- tecniche, che predispongono i terreni al fenomeno di ritiro-rigonfiamento. A tal fine la fotointerpretazione è stata integrata con i dati di sottosuolo derivanti sia dai logs di sondaggi geognostici e di trincee esplorative che dall’analisi dei dati geofisici disponibili. L’insieme dei dati ha permesso di definire in dettaglio le litofacies, l’andamento e la distribuzione geometrica dei vari corpi litostratigrafici più superficiali, con particolare riguardo a quelli argillosi, sede delle variazioni di volume. Successivamente sono state studiate le condizioni idro- geologiche (tipo di falda, soggiacenza della superficie piezometrica). I terreni sono stati, infine, caratterizzati sulla base delle proprietà geotecniche (potenziale di riti- ro-rigonfiamento, spessore zona attiva). Durante l’analisi dei dati sono emerse, anche in Problematiche geologico-tecniche ... Fig. 3 - Metodologia per la determinazione della pressione di rigonfiamento SP e della variazione percentuale di volume S. ∆h: variazione di altezza del campione dovuta al rigonfiamen- to, hi: altezza iniziale del campione. Method used for the determination of SP and S. ∆h: height of swell due to saturation, hi: original height of the soil specimen. 602 questo caso, alcune difficoltà, connesse alla grande variabilità/eterogeneità dei depositi alluvionali ed eluvio- colluviali, che ha talora reso difficile l’individuazione di zone omogenee, soprattutto nella zona urbana dove sono frequenti i materiali di riporto. Sulla base dei criteri applicati (caratteristiche lito- stratigrafiche, idrogeologiche e geotecniche) le sei unità morfologiche sono state ulteriormente suddivise, otte- nendo 13 unità, definite come morfo-litotecniche (Fig. 5 e Tab. 1), il cui scopo è quello di fornire informazioni riguardanti la suscettibilità al ritiro-rigonfiamento dell’a- rea in esame. 5.1. Caratteristiche litostratigrafiche Le unità 1, 2, 4, 5 e 6 derivano dalle unità morfolo- giche di tipo fluviale. L’unità 1 è costituita dalle alluvioni attuali del T. Staffora, che occupano la fascia di alveo attivo; esse risultano gradate e a composizione ghiaio- so-ciottolosa con matrice fine (d = 10÷20 cm). Nelle aree laterali, in destra ed in sinistra idrografi- ca, si riconoscono situazioni differenti. Stendimenti sismici a rifrazione eseguiti in sinistra idrografica nell’u- nità 2 hanno evidenziato uno spessore dei depositi allu- vionali ghiaiosi fino a 8÷10 m, che porta ad ipotizzare l’esistenza in tale fascia di un paleoalveo sviluppato su una lunghezza di 400÷500 m e sede dell’acquifero che alimenta i pozzi dell’acquedotto. Sulla sponda opposta tale unità ha una minore potenza ed inoltre é differen- ziata per composizione e grado di addensamento (livelli argillosi giallastri consolidati e ghiaiosi). La copertura limosa presenta uno spessore ridotto ed irregolare (<= 0,5÷1 m), e non è significativa ai fini geotecnici (Fig. 6, profili n°1 e n°2): lo strato ghiaioso sottostante rappre- senta infatti il principale riferimento per le fondazioni ricorrenti nell’area. In destra idrografica i ripiani alluvionali sono caratterizzati da terreni limoso-argillosi di spessore variabile da 0,5 a 5 m, che ricoprono in genere orizzonti C. Meisina & L. Rolandi Fig. 4 - Evoluzione dell’alveo del Rio Reponte Superiore. Channel evolution of the Upper Reponte stream. 603Problematiche geologico-tecniche ... Fi g. 5 - C ar ta d el le u ni tà m or fo -l ito te cn ic he . 1- 9: u ni tà m or fo -l ito te cn ic he ( ta b el la 1 ); 10 : p ro fil i ge ot ec ni ci ; 11 : tr in ce e es p lo ra tiv e; 1 2: s on d ag gi m ec ca ni ci ; 13 : p ro ve p en et ro m et ric he ; 14 : p oz zi ; 1 5: e d ifi ci le si on at i; 16 : s tr ad e; 1 7: C an al e La go zz o. M or p ho -e ng in ee rin g ge ol og ic al t er ra in u ni t m ap . 1 -9 : m or p ho -e ng in ee rin g ge ol og ic al t er ra in u ni ts (t ab le 1 ); 10 : g eo te ch ni ca l p ro fil es ; 1 1: t re nc h p its ; 1 2: b or eh ol es ; 1 3: p en et ro m et er t es ts ; 1 4: w el ls ; 1 5: d am ag ed b ui ld in gs ; 1 6: r oa d s; 1 7: L ag oz zo C ha nn el . 604 C. Meisina & L. Rolandi Tabella 1 - Descrizione e principali proprietà geotecniche delle unità morfo-litotecniche. S: spessore; P: acclività; K: permeabilità; D: condizioni di drenaggio; h: spessore della zona attiva. Description and main geotechnical properties of the morpho-engineering terrain units. S: thickness; P: slope angle; K: permeability; D: drainage conditions; h: thickness of the active zone. UNITA' DESCRIZIONE FALDA ACQUIFERA P K D h 1 ghiaia eterometrica con locali intercalazioni alveo attivo media sabbioso-limose. S: da 0 a 6-8 m del T. Staffora subalvea <5° e alta buono 2 ghiaia e sabbia in matrice limosa con Alluvioni recenti, falda superficiale copertura limoso-sabbiosa (S < 0,75 m), rilevate di circa a carattere stagionale da talora lenti limoso-sabbiose (S = 1-2 m). 2 m rispetto con soggiacenza < 2m; <5° media mediocre <0,5 Spessori dell’unità variabili in destra all'alveo falda principale (> 3 m) a bassa e sinistra idrografica. sfruttata a scopo potabile 3 materiale risulta scavi e demolizioni (S = 1-2 m), talora con intercalazioni made ground variabile <5° molto variabile - di argilla e limo. Rilevati stradali e ferroviari variabile (ghiaie prevalenti). terrazzi alluvionali: alluvioni recenti falda acquifera alimentata limo argilloso con spessore da 1-2,6 m (superficie dal flusso subalveo del 4A fino a 5 m in prossimità dei versanti modificata da Torrente Staffora, <5° bassa mediocre 0,8 (apporti colluviali), talora misto a ghiaia. interventi soggiacenza < 4 m. antropici) ghiaie grosse frammiste ad argille (S <5 m) terrazzi alluvionali: falda alimentata soprastanti ghiaie medie in matrice alluvioni recenti, dal flusso subalveo 4B sabbioso-limoso. (S: 6-10 m). conoidi alluvionali dei Torrenti <5° media buona - Presenza di strati di riporto (Rio Reponte sup.) Staffora e Reganzo, e alta con composizione eterogenea. soggiacenza < 3 m. limo argilloso con variazioni laterali a terrazzi alluvionali: 4C limo-sabbioso/sabbie fini soprastante alluvioni recenti soggiacenza < 4 m <5° bassa basso 1 ghiaia, presenza di strati di riporto. 5 limo argilloso con frazione detritica modeste percolazioni nei (apporti dai versanti) e/o ghiaiosa sparsa terrazzi alluvionali: livelli a componente <5° bassa mediocre 0,8 o concentratra ( S = 1 - 5 m) in lenti/livelletti alluvioni antiche ghiaiosa prevalente ed al appoggiante su ghiaia. (S= 10 m). contatto alluvione/substrato 6 clasti calcarei e limo argilloso giallastro conoidi circolazione idrica nei <5° media mediocre - in alternanza o commisti. alluvionali livelli più permeabili limi argillosi e argille con detrito sparso di depositi colluviali possibile circolazione 7 spessore da 2 a 6 m, crescente da SE a NO. al piede idrica di modesta entità 5°-8° bassa basso 1,8 dei versanti nei livelli più permeabili argille e limi argillosi con detrito sparso accumuli possibile circolazione 8 e di spessore 2-4 m. di frana idrica di modesta entità 10°-15° bassa basso nei livelli più permeabili copertura localmente l'eterogeneità argilla con inclusi litoidi di varia eluvio-colluviale litologica e strutturale 9a-b dimensione e copertura di alterazione su bedrock può favorire la 10°-20° bassa mediocre 0,8 di spessore ridotto e irregolare (< 2 m). (Complesso concentrazione di acqua Caotico) (falde sospese) 9c alternanze di argille e calcari marnosi con copertura flussi idrici temporanei coltre di alterazione a componente eluvio-colluviale nella coltre argilloso-detritica (S = 3-4 m). La parte su bedrock argilloso-detritica 10°-20° media mediocre 0,8 superiore (1,2-1,5 m) è soggetta alle (Calcari di fessurata per variazioni stagionali del contenuto in acqua M. Cassio) essiccamento copertura eluvio-colluviale 9d marne e marne argillose su bedrock >15° bassa mediocre - (Marne di M. Piano) alluvionali ghiaiosi (unità 4 con relative sottoclassi e 5 – Fig. 6, profili n° 1 e 3). Essi hanno distribuzione areale e spessore diversi, influenti sulle caratteristiche geotecni- che. L’eterogeneità stratigrafica e geotecnica è compli- cata dalla presenza di conoidi fossili (unità 6) limitate al ripiano delle alluvioni antiche o estese anche alle allu- vioni recenti (Rii Reponte superiore ed inferiore), non- ché da depositi colluviali nella fascia di transizione al versante soprastante. Negli strati argillosi consolidati sono spesso anche presenti superfici di scivolamento e di pressione (“slickensides”), caratteristiche di terreni che hanno subito variazioni di volume. Il substrato impermeabile si trova ad una profondità media di circa 10 m. Nell’unità 4B la coltre alluvionale raggiunge spes- sori di 10÷14 m. I sondaggi eseguiti hanno rilevato al di sotto della copertura vegetale (0,5 m) e fino a 4÷5 m di profondità un orizzonte eterogeneo, costituito da argilla limosa, con ghiaia talora dominante il cui spessore aumenta procedendo verso valle. Seguono quindi ghiaie e sabbie ad elementi poligenici poco arrotondati con subordinata matrice limoso-argillosa diffusa o in lenti (Fig. 6, profilo n° 3). Nell’ambito dell’unità 4C si differenziano due strati (Fig. 6, profilo n° 4): il superiore (la) essenzialmente limoso-argilloso di colore grigio-azzurro o grigio-bruno, saturo e di bassa consistenza, con variazioni laterali a limo sabbioso/sabbie fini (ls); l’inferiore (gh) costituito da ghiaia con ciottoli e limo addensati, di media per- meabilità. L’unità 5, che interessa il terrazzo più elevato, comprende una copertura limosa argillosa con frazione detritica (apporti colluviali dalle incisioni del versante soprastante) (Fig. 7) e uno strato ghiaioso-ciottoloso (gh1) di colore biancastro, interessato da una modesta circolazione idrica. Sulle scarpate di raccordo dei ripiani alluvionali e al piede dei versanti è presente una copertura eluvio- colluviale a matrice limoso-argillosa (unità 7) in parte derivata da frane antiche (unità 8) con spessore variabi- le da 2 a 4÷6 m (unità morfologiche di versante). L’unità 7 è costituita da terreni di medio-alta plasticità distinti in tre livelli: argilla con detrito di spessore 0,7÷1,8 m influenzata dalle variazioni stagionali di umidità (NSPT<8) (c1 e c2), argilla con frammenti litoidi sparsi, struttura poliedrica e fessurata (9=25%) riflettono l’elevata predisposizione al rigonfiamento (Fig. 10). La variazione delle proprietà fisiche e meccaniche nello strato argilloso superiore, campionato ed esami- nato in laboratorio, presenta una buona correlazione con il diagramma di resistenza alla penetrazione misurato 609 Tabella 2 - Principali parametri fisico-meccanici delle unità morfo-litotecniche argillose unità 4C, 5, 7, 8, 9. Wl: limite di liquidità; IP: indice plastico; C: frazione argillosa; VB: valore al blu; w: contenuto in acqua naturale; γd: densità secca; Sr: grado di saturazione. Main physical-mechanical parameters of the morpho-engineering geological units. Wl: liquid limit; IP: plasticità index; C: clay content; VB: value of blue; w: natural water content; γd: dry density; Sr: saturation degree. UNITA' Wl IP C (%) VB (g/100g) w (%) γd (kN/m3) Sr (%) 4C 69 48 - 25,9 1,58 98,8 5 33-84 18-61 34-58 2,58-8,98 21,9-35,7 1,32-1,66 88-100 8 59-64 34-43 29-63 - - 1,19-1,67 65-98 9a-9b 57-69 37-49 32-56 5,6-6,08 - 1,5-1,68 80-100 Fig. 9 - Carta di attività modificata (WILLIAMS & DOLDSON, 1980). Activity modified chart. Fig. 10 - Variazione percentuale di volume. Swelling strain. Problematiche geologico-tecniche ... per lo stesso deposito con prove penetrometriche dina- miche e statiche. In particolare queste ultime mostrano un maggiore grado di definizione e di dettaglio nel rile- vare orizzonti differenziati, alla pari dei risultati speri- mentali puntuali distribuiti sulla verticale (Fig. 7). 6. VALUTAZIONE DELLA SUSCETTIBILITA’ AL RITIRO-RIGONFIAMENTO Ogni unità morfo-litotecnica, precedentemente descritta, è individuata da specifiche caratteristiche lito- stratigrafiche, idrogeologiche e geotecniche, che rap- presentano i fattori predisponenti il fenomeno di ritiro- rigonfiamento nell’area di studio (Tab. 3). Al fine della valutazione della suscettibilità alle variazioni di volume, ad ogni fattore è stato assegnato un peso in funzione della sua importanza nel determinare il ritiro e/o il rigon- fiamento del terreno. La suscettibilità è stata calcolata come sommatoria dei pesi dei vari fattori. I valori otte- nuti sono stati successivamente riclassificati in quattro classi qualitative (suscettibilità bassa, media, alta, molto alta) (Tab. 3). Presentano una suscettibilità alta e molto alta al ritiro-rigonfiamento le unità caratterizzate da una coper- tura alluvionale o eluvio-colluviale prevalentemente argillosa sovrastante strati ghiaiosi (unità 4A, 5) o diret- tamente a contatto con il substrato marnoso-argilloso (unità 7, 8 e 9a-b). In questa associazione di unità morfo-litotecniche, che interessa il 52% dell’area stu- diata, può rientrare anche l’unità 4C, nelle situazioni in cui lo spessore del riporto é inferiore allo spessore della zona attiva. La suscettibilità di tali depositi al ritiro-rigonfia- mento è confermata, oltre che dai risultati sperimentali di laboratorio, dalle strutture presenti nel terreno (fessu- re subverticali da ritiro, superfici di pressione e di scivo- lamento), che testimoniano lo sviluppo del fenomeno anche in tempi geologici, e dalla distribuzione degli edi- fici lesionati. I fabbricati dissestati sono ubicati su pendio con quote diverse di fondazione, in relazione alla forma in pianta, alla presenza di cantinati e di riporti sul lato valle. Le strutture portanti sono prevalentemente in muratura. Gli edifici hanno due o più piani fuori terra, con presenza di cantina o di seminterrati. Le fondazioni sono di tipo diretto continuo, generalmente in muratura (meno frequentemente in calcestruzzo), con profondità di posa variabile da 0,5 a 3 m in funzione della morfolo- gia del pendio e della presenza o meno di piani interrati totali o parziali. La maggior parte degli edifici ricadono nelle unità 7 e 8 (17 e 24 edifici/km2 rispettivamente). Nel primo caso le lesioni, registrate in evoluzione nel 1989-1991, appaiono connesse prevalentemente a fenomeni di ritiro del terreno argilloso. Nel secondo caso il dissesto sembrerebbe connesso per lo più a frane. Tuttavia il fenomeno di ritiro-rigonfiamento inte- ressa anche le coperture argillose coinvolte da movi- menti di versante. In questi terreni, normalmente poco permeabili o impermeabili, la fessurazione indotta dal- 610 Tabella 3 - Fattori e pesi scelti per la valutazione della suscettibilità SC al ritiro-rigonfiamento dei terreni argillosi. Classi di suscettibi- lità: B: bassa; M: media; A: alta; MA: molto alta. Factors and weights used for the swelling-shrinking soil susceptibility (SC) assessment. Susceptibility classes: B: low; M: medium; A: high; MA: very high. 1 1 1,5 1 2 1 - 2 1 1,5 1,7 1,6 1,5 1 3 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 4A 2 2 2 1,6 2 4B 1,3 1 1 1,6 1 - 4C 2 2 2 1,6 2 5 1,5 2 2 1,6 2 6 1,3 1 1,3 - - - 1,5 - 7 1,5 2 2 - - - 2 1,5 8 1,5 2 2 - - - 2 - 9a 1,5 2 1,7 - - - 1,5 9b 1,5 2 1,7 - - - 1,5 9c 1,5 2 2 - - - 1,5 9d 2 1 1,3 - - - 1,5 - - - B M - - - 1,3 MA - - - B 1,6 MA 1,3 A - - - B 1,6 MA - - - MA 1,3 A 1,3 A 1,3 MA - - - M U N IT À ar gi lla e li m o < = 5 0 50 -1 00 10 0- 20 0 > 20 0 > 10 4 < d < = 1 0 2 < d < = 4 d < 2 b as so m ed io cr e b uo no < 0 ,5 0, 5 - 1 1 - 2. > 2 m S C gh ia ia e s ab b ia ar gi lla e li m o co n in cl us i l ap id ei gh ia ia in m at ric e ar gi llo so -l im os a ar gi lla e li m o co nt in ui ar gi lla e li m o in in te rc al az io ni (n on p re d om in an ti) ar gi lla e li m o in in te rc al az io ni (p re d om in an ti) CRITERI UTILIZZATI PER LA VALUTAZIONE DELLA SUSCETTIBILITÀ AL RITIRO-RIGONFIAMENTO CONDIZIONI SPESSORE SOGGiACENZA ZONA ATTIVALITOLOGIA GEOMETRICHE ARGILLA DELLA FALDA DRENAGGIO (m)LIMO (cm) (m) C. Meisina & L. Rolandi l’essiccamento (ritiro) favorisce all’arrivo delle piogge, dopo un periodo siccitoso prolungato, un elevato assorbimento di acqua nello strato superficiale. Tale fenomeno, ripetuto nel tempo con cicli stagionali, determina la deformazione e l’instabilità per scivola- mento della massa argillosa (rigonfiamento per satura- zione, formazione di superfici di taglio e instaurazione di pressioni neutre elevate nelle fessure e nei pori). Ai fini delle problematiche di fondazione si indivi- dua anche un secondo gruppo di unità morfo-litotecni- che costituito dalle unità 2 e 4B, con un’estensione pari al 8 % della superficie di indagine, non soggetto al fenomeno di ritiro-rigonfiamento. Esso è caratterizzato da un orizzonte superiore ghiaioso piuttosto eterogeneo e di spessore 2 – 2,5 m, giacente su strati limoso-argil- losi compatti, sotto una debole copertura limoso-argil- losa o di riporto. 7. CONCLUSIONI La disponibilità di una cospicua mole di dati, ha permesso in un’area urbana a geologia complessa con prevalenza di coperture quaternarie (“formazioni super- ficiali”), la definizione di un quadro conoscitivo di detta- glio dei depositi alluvionali, eluvio-colluviali ed antropici, generalmente descritti in maniera indifferenziata. L’indagine geologico-tecnica, rappresentata nelle diverse fasi operative, ha consentito di individuare più unità morfo-litotecniche, ciascuna delle quali definite da caratteristiche geomorfologiche, litostratigrafiche, idro- geologiche e geotecniche relativamente omogenee. Un ulteriore sintesi ha permesso di raggruppare le suddette unità in associazioni caratterizzate da specifiche pro- blematiche geologico-tecniche riconducibili ai seguenti schemi: 1. strato argilloso di spessore 3-5 m con elevata suscettibilità al ritiro-rigonfiamento su orizzonte ghiaioso addensato o sullo stesso substrato marno- so (unità 4A, 5, 7, 8, 9a e 4C). Le proprietà geotecni- che sono generalmente crescenti con la profondità, pur presentando locali riduzioni riferibili a livelletti meno consolidati o a composizione limoso sabbiosa ed incrementi in livelli induriti da essiccamento o da oscillazione della falda acquifera o contenenti una frazione detritica nella matrice argillosa; 2. strato ghiaioso eterogeneo di spessore 2-2,5 m, su orizzonte limoso-argilloso, talora con ghiaia, com- patto e di spessore da 2 a 6 m (unità 2 e 4B). La carta delle unità morfo-litotecniche costituisce il supporto preliminare per affrontare problematiche applicative, tra le quali anche lo studio della suscettibi- lità al ritiro-rigonfiamento dei terreni argillosi, causa di numerose lesioni agli edifici dell’area. Essa è utile anche per identificare le aree problematiche che richie- dono studi di dettaglio (es. unità 4A, 4C, 5 e 7). Lo studio, condotto nell’abitato di Varzi, ha evi- denziato le seguenti problematiche: • assenza di carte delle “formazioni superficiali” (gene- ralmente non rilevate nelle carte geologiche di “vec- chia generazione”), con terminologie (nomenclature stratigrafiche standard) e classificazioni facilmente comprensibili anche per i non addetti ai lavori; • nelle aree urbane le “formazioni superficiali” sono soggette alle trasformazioni antropiche e di conse- guenza sarebbe auspicabile poter disporre anche di una classificazione dei depositi di natura antropica; • i processi genetici (geologici e geomorfologici), che sono causa della formazione di terreni problematici, quali quelli soggetti a variazione di volume, possono modificare ed influenzare le caratteristiche geologico- tecniche degli stessi; il loro studio appare di conse- guenza di primaria importanza per le applicazioni geologico-tecniche. RINGRAZIAMENTI Gli autori ringraziano la Regione Lombardia – Sede Territoriale di Pavia (STER), in particolar modo l’Ing. Malaspina e il Geom. Bartilucci, per i dati messi a disposizione relativi alle indagini geognostiche effettua- te (studi geologici riguardanti gli interventi edilizi in terri- torio classificato sismico) e agli edifici lesionati nel comune di Varzi. BIBLIOGRAFIA AFNOR (1995) - Essai de gonflement a l’oedometre - Norme française homologuée, XP P94-060-1. AFNOR (1998) - Mesure de la quantité et de l’activité de la fraction argileuse) determination de la valeur de bleu de méthylène d’un sol par l’essai a la tache - Norme française homologuée, NF P94-068. AHMAD N. & MERMUT A. (eds.) (1996) – Vertisols and technologies for their management - Deve- lopments in soil science, 24, 566, Elsevier Science Ltd. BEATRIZZOTTI G., BELLINZONA G., BELTRAMI G., BONI A., BRAGA G., MARCHETTI G., MOSNA, S. 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