ArgilleRigonfianti

Dott. ANGELO ANGELI – geologo Studio Geologia Tecnica – Impresa Geotecnica
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CONSIDERAZIONI SUI PROBLEMI LEGATI AI
TERRENI DI FONDAZIONE
COSTITUITI DA ARGILLE RIGONFIANTI
Cesena, 2014
Argille rigonfianti come terreno di fondazione
1.Premessa
Molti dei dissesti nei fabbricati sono attribuibili ai fenomeni legati alle variazioni di volume che i
terreni argillosi subiscono in conseguenza delle variazioni di umidità. Eppure nelle relazioni
geologiche e geotecniche quasi mai viene considerato il problema delle variazioni di volume del
terreno di fondazione, quale conseguenza delle variazioni di umidità. Anche i manuali di geotecnica
per la maggior parte non considerano il problema o vi accennano appena. Solo recentemente si è
iniziato a porre attenzione al problema sia a livello pratico che a livello accademico.
Nel seguito con il termine “argille rigonfianti” si intendono tutti quei terreni prevalentemente
argillosi che possono dare luogo a rilevanti variazioni di volume, sia positive, per assorbimento di
acqua, sia negative, per essiccamento.
E' opportuno considerare separatamente il caso delle argille alluvionali di pianura ed il caso delle
argille fortemente sovraconsolidate affioranti nelle zone collinari (principalmente formazioni
argillose mio-plioceniche e del quaternario marino).
2. Dissesti dovuti alle variazioni di volume delle argille alluvionali.
Nelle zone di pianura il terreno superficiale è in prevalenza argilloso-limoso e quindi soggetto a
variazioni stagionali di volume dovute alle variazioni di umidità. I terreni sono tanto più soggetti a
variazioni di volume conseguenti a variazioni di umidità quanto più elevato è l’Indice di Plasticità.
Tavola 1 - Correlazione tra proprietà del terreno e potenziale di rigonfiamento
Potenziale di rigonfiamento
molto basso basso
medio
alto
molto alto
Indice di rigonfiameto (*)
0-20
20-50
50-90
90-130
>130
Contenuto in argilla
0-10%
10-15% 15-25%
25-35%
35-100%
Indice di Plasticità
0-10
10-15
15-25
25-35
>35
% di rigonfiamento alla pressione di 0.028 kg/cmq
0-3%
3-5%
5-10%
10-15%
>15%
% di rigonfiamento alla pressione di 0.069 kg/cmq
0-2%
2-4%
4-7%
7-12%
>12%
% di rigonfiamento alla pressione di 0.31 kg/cmq
0%
0-1%
1-4%
4-6%
>6%
(*) : secondo: "Uniform Building Code Standard 18-2, Expansion Index Test" (1998).
Il contenuto in argilla (particelle con dimensione inferiore a 2mm) è un indicatore meno affidabile dell’Indice
Di Plasticità (Ip). Questo perché il potenziale di rigonfiamento dipende non solo dalla percentuale di argilla,
ma anche dal tipo di minerale argilloso presente. L’Indice di Plasticità dipende anch’esso sia dalla percentuale di
argilla, sia dal tipo di minerale argilloso, per cui è più strettamente correlato con il potenziale di rigonfiamento.
Da: Day R. W.,(2000) modificato
Lo spessore di terreno interessato dalle variazioni stagionali di umidità e volume è in genere di
alcuni metri ed è condizionato da vari fattori (oltre ovviamente all’andamento delle piogge) quali:
profondità e oscillazioni della falda, presenza di alberi e tipo di colture agricole in genere,
esposizione al sole, tipo di minerali argillosi presenti.
In Figura 1 sono riportati due esempi della variazione di umidità con la profondità rilevati in terreno
argilloso di media e di alta plasticità. In Figura 2 è riportato un esempio di variazioni di volume in
relazione all’andamento delle piogge con conseguenti sollevamenti ed abbassamenti.
La presenza di piante può aumentare notevolmente sia la profondità a cui si risente l’essiccamento
estivo, sia l’entità dell’essiccamento e quindi del fenomeno di ritiro. In Figura 3 è riportato un
esempio di essiccamento del terreno in terreni argillosi di pianura in zona con falda bassa (entro lo
strato di ghiaia in cui si è fermata la prova) e con una fila di piante a circa 10 m di distanza.
Le variazioni di volume dei terreni argillosi inducono dissesti nei fabbricato con fondazioni
superficiali, soprattutto nel caso di fabbricati leggeri.
Durante la stagione secca il terreno di appoggio delle fondazioni poste alla periferia del fabbricato
subisce un maggior essiccamento rispetto al terreno sottostante la parte centrale del fabbricato e
questo determina assestamenti differenziati. Le zone dove maggiormente è sensibile l’abbassamento sono in genere in corrispondenza degli angoli del fabbricato e soprattutto nella parte esposta
a Sud o nelle zone con alberi vicini.
La presenza del fabbricato ostacola l’evaporazione naturale, soprattutto nella parte più interna e, se
il terreno argilloso di fondazione è nettamente sovraconsolidato, sotto la parte centrale del
fabbricato si ha nel corso degli anni un aumento di umidità ed il terreno tende a rigonfiare
aumentando l’assestamento differenziale fra centro e periferie.
Se al momento della costruzione il terreno di fondazione era fortemente sovraconsolidato per
essiccamento nei primi metri, i fenomeni di rigonfiamento sono i più rilevanti e gli effetti si
manifestano generalmente dopo molti anni (spesso 10-15 anni). Gli effetti sono vistosi soprattutto in
fabbricati leggeri, le cui fondazioni applicano una pressione sul terreno di appoggio modesta e
quindi non efficace nel contrastare il rigonfiamento. In genere per impedire il rigonfiamento dei
terreni argillosi di media ed alta plasticità è necessaria una pressione di oltre 2 kg/cmq.
I fabbricati con pianta irregolare, altezza molto variabile e parte con piano interrato e parte no, sono
maggiormente soggetti ai dissesti.
La zona interessata dalle variazioni stagionali di umidità e volume può essere evidenziata dalle
prove penetrometriche, soprattutto se si confrontano prove fatte nella stagione estiva ed autunnale
con prove fatte nella stagione invernale e primaverile.
Per quanto riguarda i rimedi si accenna di seguito ad essi senza entrare nei particolari esecutivi e
distinguendo il caso di un nuovo fabbricato ed il caso di un fabbricato esistente che ha subito
dissesti.
Nel caso di un nuovo fabbricato una misura certamente efficace è quella di ricorrere ad una
fondazione su pali. In questo caso tuttavia bisogna isolare le travi o la platea di collegamento dei
pali dal terreno sottostante con l’interposizione di uno strato di materiale compressibile, per
esempio, un foglio di polistirolo di alcuni centimetri di spessore.
L’adozione di un piano interrato esteso a tutto il fabbricato riduce il pericolo di dissesti per ritiro del
terreno di appoggio, ma è opportuno che la platea di fondazione e tutta la struttura dell’interrato
siano di elevata rigidità.
Quando la falda non è molto profonda, una soluzione può essere rappresentata dalla sostituzione del
terreno argilloso con terreno inerte (sabbia o sabbia e ghiaia) fino alla profondità a cui si risentono
le variazioni stagionali di umidità. In tal caso è necessaria una accurata compattazione del materiale
della bonifica che va estesa per alcuni metri oltre il perimetro del fabbricato e protetta in superficie
con una pavimentazione impermeabile.
Una soluzione utilizzata negli Stati Uniti consiste nell’adottare una fondazione costituita da un
reticolo di travi molto rigide (alte e strette) aumentando, nel caso di fabbricati leggeri, la pressione
sul terreno di appoggio interponendo a tratti uno strato di materiale compressibile fra trave e terreno
in modo di concentrare il carico su tratti limitati.
Nel caso di fabbricati esistenti che hanno subito lesioni gli interventi sono più difficili e
generalmente di esito incerto. Gli interventi più in uso sono il ricorso a consolidamento delle
fondazioni con micropali ed il consolidamento del terreno mediante resine espansive. Entrambi
questi tipi di intervento hanno delle controindicazioni e non sempre raggiungono lo scopo.
Recentemente è stato utilizzato anche un procedimento che tende a mantenere uniforme e costante
l’umidità del terreno sotto i fabbricati con un impianto elettrosmotico permanente. Il fatto che si
tratti di un impianto che deve rimanere attivo in modo permanente può essere un inconveniente. In
compenso l’intervento è poco invasivo e moderatamente costoso ed anche i costi di esercizio sono
modesti. Inoltre l’effetto può essere regolato a seconda dei risultati variando l’intensità di corrente.
3. Dissesti dovuti a variazioni di volume delle argille delle formazioni marine fortemente
sovraconsolidate ed affioranti nelle zone collinari.
In collina si deve tenere presente un altro fenomeno. Nella stagione secca il terreno argilloso si ritira
e si fessura, spesso fino ad una profondità di un paio dimetri. L’ampiezza delle fessure è massima in
superficie e si riduce in profondità fino ad annullarsi. Col ritorno della stagione piovosa il terreno
superficiale assorbe acqua e rigonfia. Se la superficie topografica è in pendenza, per effetto della
gravità, le fessure si richiudono verso valle e ciò determina un piccolo movimento del terreno verso
valle con spostamenti che sono massimi in superficie e si riducono a zero ad una profondità
generalmente di un paio di metri. Gli spostamenti si sommano ad ogni ciclo stagionale e così si
determina un lento movimento del terreno (reptazione) con velocità media massima in superficie e
progressivamente minore con la profondità, fino ad annullarsi.
Questi movimenti del terreno superficiale possono arrivare ad interessare il terreno di appoggio
delle fondazione dei fabbricati sul lato valle degli stessi, con conseguenti dissesti.
Nel caso di fabbricati poggianti su spesse coltri detritiche a questa causa di dissesto si aggiungono
quelle già considerate per i fabbricati posti in pianura su alluvioni argillose.
Il rimedio tipico nel caso di nuovi fabbricato è rappresentato da fondazioni su pali sufficientemente
profondi, con l’avvertenza di isolare le travi o la platea di collegamento dal terreno mediante uno
strato di materiale compressibile.
Nel caso di fabbricati esistenti, che hanno subito dissesti, si può ricorrere a consolidamento delle
fondazioni con micropali.
Qualora sia affiorante un substrato di argille fortemente sovraconsolidate e fessurate (per es., argille
mioplioceniche e calabriane) la causa prevalente dei dissesti risiede in genere nell’elevato potere di
rigonfiamento di queste argille quando sono in condizione di assorbire acqua e sono decompresse.
Nella zona superficiale queste argille hanno già subito una decompressione per il fatto che
l’erosione ha in genere asportato rilevanti spessori di terreno. La decompressione ha comportato una
riduzione della coesione, accompagnata dalla formazione di un fitto reticolo di fessure. Il
rigonfiamento dovuto alla decompressione è massimo in superficie e si riduce con la profondità
annullandosi non oltre i 10-15 metri di profondità. Dove queste argille non hanno subito movimenti
per instabilità del versante, la resistenza alla punta nelle prove penetrometriche cresce circa
linearmente con la profondità nella zona interessata dal rigonfiamento per poi tendere ad un valore
circa costante. Non sempre queste argille sono in equilibrio e spesso il rigonfiamento dovuto alla
decompressione è ancora in atto e può provocare dissesti diffusi in fabbricato poggianti su queste
argille. La tendenza al rigonfiamento è favorita se l’edificazione ha comportato uno sbancamento. Il
rigonfiamento avviene con assorbimento di acqua, per cui può essere favorito da dispersione di
acqua nel terreno.
La pressione di rigonfiamento di queste argille è molto elevata ed è in grado di sollevare anche
fabbricati di parecchi piani.
In Fig.4 è riportata una prova penetrometrica eseguita in argille plioceniche di media plasticità, dove
il rigonfiamento ed allentamento dell’argilla si spinge fino ad 8 metri circa di profondità. La
resistenza alla punta cresce circa linearmente da 10 kg/cmq circa ad 1.5 metri di profondità a 50
kg/cmq circa ad 8 metri di profondità, per poi rimanere circa costante. Dai valori di resistenza alla
punta dell’argilla non allentata oltre gli 8 metri di profondità si può ricavare un ordine di grandezza
dello spessore di terreno asportato dall’erosione. In genere nei terreni argillosi vale con buona
approssimazione la seguente relazione fra Rp e profondità (Z):
Rp(kg/cmq) = K x 0.4 Z(m) con K=2 per terreno sopra la falda e =1 per terreno sotto la falda.
Considerando la falda vicina al piano campagna si ha: Z(m) = Rp/0.4
Se consideriamo Rp=50 kg/cmq, quale si è registrato negli strati argillosi meno resistenti oltre gli 8
metri di profondità, si ottiene: Z = 50/0.4 = 125 m
Si può quindi ritenere che nel sito in esame l’erosione abbia asportato uno spessore di terreno
superiore ai 100 metri.
Il fatto che la retta che estrapola la Rp nel tratto allentato passi circa per l’origine degli assi è
un’indicazione che il processo di allentamento e rigonfiamento per decompressione è ormai
esaurito, almeno negli strati con valori minimi locali della Rp.
Il fenomeno di rigonfiamento delle argille fortemente sovraconsolidate e fessurate è molto lento per
il fatto che il rigonfiamento richiede assorbimento di acqua e che l’argilla ha una permeabilità molto
bassa. L’assorbimento di acqua avviene soprattutto attraverso le fessure ed attraverso eventuali
livelli limoso-sabbiosi, spesso presenti nelle argille mioplioceniche. Si ha quindi che il
rigonfiamento ed il rammollimento inizia lungo le fessure ed a contatto dei livelli limoso-sabbiosi
per poi propagarsi lentamente all’intera massa del terreno.
Per nuovi fabbricato di pianta regolare e poco estesa, una fondazione su platea molto rigida e su
travi di rilevante rigidità può minimizzare le conseguenze del rigonfiamento. Nel caso di fondazione
costituita da un reticolo di travi, il pavimento a piano terra deve poggiare su un solaio sotto il quale
va lasciata una intercapedine vuota con aperture che ne consentano l’areazione. Una intercapedine
chiusa col tempo si riempie di acqua per condensazione dell’umidità che evapora dal terreno. Se il
fabbricato ha un piano interrato, tutta la struttura dell’interrato deve essere molto rigida in modo che
un eventuale sollevamento risulti uniforme.
Una soluzione sempre valida per nuovi fabbricato è rappresentata dal ricorso ad una fondazione su
pali che devono avere una lunghezza rilevante per incastrarsi profondamente nel terreno non
soggetto a decompressione e rigonfiamento. La parte di palo che attraversa lo strato di terreno
interessato dal rigonfiamento sarà soggetta ad una forza verticale non trascurabile.
Per fabbricati esistenti con dissesti si può ricorrere ad un irrigidimento delle fondazioni o ad un
consolidamento con micropali.
In tutti i casi una pavimentazione impermeabile attorno ai fabbricato tende a mantenere uniformi le
condizioni di umidità sotto i fabbricati ed è quindi utile per ridurre le conseguenze delle variazioni
di volume conseguenti variazioni di umidità.
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APPENDICE “A”
Expansion Index Text (ASTM D 4829-95, 1998).
Questa è una prova di laboratorio utilizzata per determinare il potenziale di rigonfiamento,
la quale è stata codificata nel “Uniform Building Code (1997) sotto il titolo Uniform
Building Code Standard 18-2. Expansion Index Text” ed in ASTM (1998) circa con le
stesse specificazioni (ASTM D 4829-95, 1998).
Scopo della prova è di determinare l’Indice di Rigonfiamento (Expansion Index) col quale
classificare come segue i terreni argillosi:
--------------------------------------------------------------------Indice di rigonfiamento
Potenziale di rigonfiamento
(Expansion Ibdex)
(Expansion Potential)
--------------------------------------------------------------------0-20
Molto Basso (Very low)
21-50
Basso (Low)
51-90
Medio (Medium)
91-130
Alto (High)
>130
Molto alto (Very high)
Procedura di laboratorio:
La prova viene eseguita sulla frazione passante al setaccio n.4. La procedura della prova è
usualmente come segue:
1. Se le particelle trattenute dal setaccio n.4 sono di materiale potenzialmente espansivo
(per es. argilliti), esse vanno frantumate in modo da passare al setaccio n.4.
2. Il terreno viene poi compattato in una fustella standard avente diametro interno di 10,2
cm (4”) usando due strati su ognuno dei quali si applicano 15 colpi con un peso di 2,5
kg cadente da un’altezza di 30,5 cm (12”).
3. Dopo compattazione l’altezza del campione deve risultare di circa 2 pollici (5,1 cm).
Dopo rimozione dalla fustella il campione viene inserito in una cella edometrica di 10,2
cm di diametro e di 2,5 cm di altezza.
4. Il grado di saturazione del campione viene quindi determinato utilizzando o il
contenuto in acqua noto del campione confezionato, oppure determinandolo sul
materiale in eccesso derivante dalla riduzione dell’altezza da 2” ad 1”.
5. Se il grado di saturazione è compreso fra 49% e 51%, il campione è pronto per la prova
altrimenti la procedura di preparazione va ripetuta con un aggiustamento dell’umidità.
6. Il campione viene montato nell’edometro con pietre porose sia al tetto che alla base.
7. Il campione viene quindi sottoposto ad una pressione di 6,89 kPa (0,0689 kg/cmq).
8. Viene fatta una misura iniziale, quindi viene aggiunta acqua distillata e si iniziano le
misure della deformazione verticale come in una usuale prova edometrica.
9. Dopo che il campione è rigonfiato, viene determinato l’Indice di Rigonfiamento (EI)
come segue (Day 1993a):
Pag.1
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(hp – hi)
EI = 1000 x -----------hi
dove :
hp = altezza del campione alla fine del rigonfiamento primario.
hi = altezza iniziale del campione.
Per determinare l’altezza del campione alla fine del rigonfiamento primario si può costruire
un diagramma riportando il rigonfiamento percentuale in funzione del logaritmo del tempo
a partire dall’inizio della prova, cosi come si fa per il cedimento percentuale nelle normali
prove edometriche. La curva (dH/H)-Log(t) è simile alla curva di consolidazione delle
argille sature che si ricava dalle prove edometriche, con la differenza che i rigonfiamenti
sono sulla parte positiva dell’asse delle ordinate, mentre gli abbassamenti sono sulla parte
negativa dello stesso. La curva ha cioè un andamento speculare rispetto all’asse delle
ascisse a confronto di quella delle normali prove edometriche. La fine del rigonfiamento
primario è data dall’intersezione della tangente al flesso e della tangente al tratto finale,
come per la fine del consolidamento primario nelle normali prove edometriche.
Nel caso di un’argilla con ghiaia o frammenti di roccia non rigonfiante il valore ottenuto
sul passante al setaccio n.4 va corretto come segue:
(EI) x (% passante al n.4)
EI (corretto) = -------------------------------100
Questa procedura non è esatta in quanto il passante al setaccio n.4 viene espresso come
peso secco e non come volume e non tiene conto dell’energia di compattazione.
Considerata la similitudine di forma con le curve cedimento-tempo della prova di
compressione edometrica dalla curva rigonfiamento-tempo si può ricavare un Coefficiente
di Rigonfiamento (Cs) analogo al Coefficiente di Consolidazione di Terzaghi e quindi
utilizzate la relazione del Terzaghi per calcolate i tempi di rigonfiamento:
T x (Hdr)^2
t = -----------Cs
T = fattore di tempo
Hdr = altezza di drenaggio
Cs = Coefficiente di Rigonfiamento
Pag.2
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APPENDICE “B”
Prova di rigonfiamento su campioni indisturbati (ASTM D 4546-96,1998)
Il metodo più diretto per determinare la capacità di rigonfiamento di un’argilla è quello di
eseguire una prova di rigonfiamento unidimensionale su un campione indisturbato
utilizzando una cella edometrica.
Il campione viene posto nella cella edometrica e sottoposto ad una data pressione verticale
che può essere scelta corrispondente a quella esistente in sito. Il campione viene quindi
messo in contatto con acqua distillata e viene misurato il rigonfiamento del campione e
calcolato il rigonfiamento specifico come rapporto fra l’incremento in altezza finale del
campione e l’altezza originaria. Durante il rigonfiamento si fanno misure ad intervalli di
tempo via via doppi in modo da poter ricostruire un diagramma rigonfiamento
specifico/logaritmo del tempo dal quale ricavare un Coefficiente di Rigonfiamento in
analogia con il Coefficiente di Consolidazione della normale prova edometrica. La curva
cedimento specifico/logaritmo del tempo consente anche di definire il rigonfiamento
primario ed eventualmente un Coefficiente di Rigonfiamento secondario. Una volta
esaurito il rigonfiamento si procede all’applicazione di carichi crescenti, come in una
normale prova edometrica. La pressione per la quale si ha l’annullamento del
rigonfiamento (dH/H=0) viene assunto come pressione di rigonfiamento.
I dati ottenuti con questa prova possono non corrispondere con esattezza con il
comportamento del terreno in sito, tuttavia costituiscono una buona base per giudicare il
potenziale di rigonfiamento di un terreno di fondazione.
I motivi per cui il comportamento in sito può differire da quello del campione in
laboratorio sono principalmente i seguenti:
-
-
-
-
Il confinamento laterale del campione nell’edometro non rispecchia la situazione in
sito, dove il terreno può subire anche un rigonfiamento laterale.
L’andamento del rigonfiamento in funzione del tempo registrato sul campione
differisce da quello del terreno in sito dove il terreno possiede in genere una struttura
(fessurazione) che ne determina una diversa permeabilità.
La disponibilità di acqua e quindi la possibilità di assorbimento della stessa in sito non
corrisponde con quella della prova di laboratorio. In sito in genere la disponibilità di
acqua ha un andamento ciclico o intermittente e può dipendere da varia situazioni
locali.
Per certi terreni può essere importante anche il rigonfiamento secondario o
rigonfiamento a lungo termine che deve essere aggiunto a quello primario.
Il contenuto in sali dell’acqua in sito può influenzare i rigonfiamento. Un’acqua con
abbondante contenuto in ioni Ca determina un minore rigonfiamento rispetto ad
un’acqua ricca in ioni Na o rispetto all’acqua di pioggia.
Un eventuale disturbo dei campioni sottoposti a prova può rendere meno attendibili i
risultati della prova.
Pag.3
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Inoltre il contenuto iniziale di acqua del campione sottoposto a prova può non
corrispondere con il tenore in acqua del terreno di fondazione al momento della
costruzione. Per esempio se il campione è stato preso dopo una periodo siccitoso, mentre la
costruzione delle fondazioni di un fabbricato avviene dopo un periodo di piovosità intensa,
il potenziale di rigonfiamento dedotto dalla prova di laboratorio sarà in eccesso rispetto a
quello reale. Naturalmente può anche verificarsi il contrario.
Nonostante le limitazioni sopra elencate, la prova di rigonfiamento su campioni
indisturbati resta il metodo più affidabile per prevedere il rigonfiamento di un terreno di
fondazione e quindi il possibile sollevamento di una fondazione.
Naturalmente i terreni che hanno il maggiore potenziale di rigonfiamento quando hanno
una bassa umidità, sono anche quelli che subiscono il maggiore ritiro in caso di
essiccamento.
Pag.4
Riferimenti bibliografici:
Al-Homoud, A.S., Basma, A.A., Husein Malkawi, A.I., and Al Bashabsheh, M.A., (1995).”Cyclic
Swelling Behavior of Clays.” Journal of Geotchnical Engineering, ASCE, vol.121,n.7,pp.562-565.
Al-Homoud, A.S., Basma, A.A., Husein Malkawi, A.I., and Al Bashabsheh, M.A., (1997). Closure
of “Cyclic Swelling Behavior of Clays.” Journal of Geotchnical and Enviromental Engineering,
ASCE, vol.123, n.8, pp.783-7861.
Chen,F.H., “Fondations on Expansive Soils”, Dvelopments in Geotechnical Engineering Vol.12,
Elsevier, 1975.
Day W.R., GEOTECHNICAL ENGINIEER'S PORTABLE HANDBOOK, McGraw-Hill (2000).
Leonards G.A., FOUNDATION ENGINEERING, International Students Edition, Chapter 6,
SHALLOW FOUNDATION by G.F. Sower, McGraw-Hill Book Co., Inc. (1962).
Young R.N. and Warketin B.P., Development in Geotechnical Engineering 5, SOIL PROPERTIES
AND BEHAVIOR, Elsevier Scientific Publishing Co., 1975.
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