Studio sull'energia della roccia e il cedimento microscopico in diversi stati di sforzo

Perché le rocce profonde sono importanti per la sicurezza dei tunnel

Man mano che le città scavano sempre più in profondità per metropolitane, bacini e stoccaggio energetico, le rocce che circondano questi spazi sotterranei devono contenere in sicurezza forze enormi. Quando quella roccia cede inaspettatamente, possono verificarsi scoppî di roccia, cedimenti e ritardi costosi. Questo studio esplora un tipo di roccia comune — il marmo — per capire come immagazzina, utilizza e rilascia improvvisamente energia in diverse condizioni di compressione, dalla pressione lieve agli intensi sforzi tridimensionali presenti a chilometri di profondità.

Come il marmo viene compresso nella realtà

Nel sottosuolo profondo la roccia è compressa da tutti i lati, non solo dall'alto. Per riprodurre questo comportamento, i ricercatori hanno condotto due tipi di prove di laboratorio su blocchi di marmo preparati con cura. Nei test triaxiali “convenzionali”, la roccia veniva compressa maggiormente in una direzione mentre la pressione laterale restava uniforme. Nei test triaxiali “veri”, le tre direzioni di pressione sono state controllate indipendentemente, riproducendo meglio i modelli di sforzo non uniformi che si incontrano attorno a tunnel e cavità reali. Parallelamente agli esperimenti, il team ha costruito modelli numerici dettagliati in cui il marmo era rappresentato come innumerevoli piccole particelle legate fra loro, permettendo di osservare come si formano e si propagano le microfessure all'interno della roccia.

Dai pori microscopici alla frattura improvvisa

I test hanno mostrato che il marmo sottoposto a compressione attraversa una sequenza di stadi ben definita. All'inizio piccoli pori e difetti si chiudono e la roccia si deforma elasticamente — ritorna alla forma iniziale se il carico viene rimosso. Con l'aumento del carico insorge deformazione permanente e infine la roccia raggiunge una resistenza massima e si rompe. Con bassa pressione confinante, il cedimento è repentino e fragile, dominato da fratture da trazione che aprono spaccature lungo la lunghezza del provino. All'aumentare della pressione di confinamento aumentano sia la resistenza sia la duttilità: la roccia sopporta carichi maggiori e si deforma di più prima di rompersi, e la caduta di resistenza dopo il picco diventa più graduale. Le simulazioni al computer hanno riprodotto questi comportamenti, confermando che i parametri microscopici scelti catturano la risposta del marmo reale.

Energia in ingresso, energia immagazzinata, energia rilasciata

Per capire perché cambia lo stile di cedimento, gli autori hanno seguito come il lavoro meccanico sulla roccia viene convertito in diverse forme di energia. Durante il caricamento iniziale, la maggior parte dell'energia immessa viene immagazzinata come energia elastica e nelle piccole connessioni tra particelle. Vicino al cedimento, l'energia immagazzinata viene rapidamente convertita in nuove superfici di frattura, riscaldamento per attrito e smorzamento quando le particelle scorrono e si separano. A basso confinamento questo rilascio è netto e improvviso, coerente con la scissione fragile. Un confinamento più elevato aumenta notevolmente la quantità di energia che il marmo può immagazzinare e sposta una quota maggiore verso canali legati all'attrito e allo smorzamento mentre si formano zone di taglio. Il risultato è una transizione da fratture dominate dalla trazione a una modalità mista e infine a un cedimento più guidato da taglio, di tipo plastico, che assorbe energia su un intervallo temporale più lungo.

Il ruolo nascosto della compressione laterale

Un punto chiave dello studio è lo sforzo “intermedio” — la compressione laterale che non è né la massima né la minima. I test triaxiali veri e le simulazioni hanno rivelato che questo sforzo ha un'influenza non lineare e a doppio taglio. Un aumento moderato rende il marmo più resistente: rinforza la roccia, ritarda il punto in cui la dissipazione di energia raggiunge il picco e favorisce la formazione di bande di taglio localizzate piuttosto che la frammentazione fragile generalizzata. Ma se questo sforzo intermedio diventa troppo elevato rispetto allo sforzo più basso, il sistema torna instabile. Il rilascio di energia diventa più brusco, compaiono nuove zone di trazione e il comportamento complessivo cicla dalla fragilità al dominio del taglio e di nuovo verso uno stile di cedimento più fragile.

Cosa significa per la sicurezza sotterranea

Visto attraverso la lente dell'energia, lo studio dimostra che il modo in cui il marmo cede è governato non solo dalla intensità della compressione, ma dall'equilibrio tra le tre direzioni di sforzo e dalle vie disponibili per immagazzinare e dissipare energia. Nelle formazioni di marmo profonde, una pressione confinante maggiore può essere stabilizzante, consentendo alle rocce di assorbire più energia prima di cedere — ma solo fino a un certo punto. Oltre quella soglia, certe combinazioni di sforzo possono innescare fratture improvvise e violente. Queste intuizioni forniscono agli ingegneri una base più fisica per valutare quando tunnel e cavità profonde nel marmo si avvicinano a condizioni pericolose e indicano la direzione per futuri strumenti di monitoraggio che seguano le variazioni di energia, non solo gli sforzi, per anticipare l'instabilità.

Citazione: Xie, L., Li, B., Sun, J. et al. Study on rock energy and microscopic failure under different stress states. Sci Rep 16, 12286 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-41844-1

Parole chiave: meccanica delle rocce, scavo sotterraneo, marmo, dissipazione di energia, sforzo triaxiale