Rapporto tecnico di prova: indagini sismiche: DOWN HOLE

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1 OGGETTO: ricostruzione stratigrafica del tratto crollato nel mese di marzo 2015 CIG: Z0C16D39CB Data: Dic 2015 Committente: Libero Consorzio Comunale di Enna già Provincia Regionale di Enna Rapporto tecnico di prova: indagini sismiche: DOWN HOLE Il Direttore del Laboratorio Ing. Calogero Palumbo Piccionello Lo Sperimentatore Geol. Emerico Sciascia

2 SOMMARIO PREMESSE... 3 SISMICA DI TIPO DOWN HOLE... 4 GENERALITA... 4 STRUMENTAZIONE UTILIZZATA... 4 METODO D INDAGINE ED ELABORAZIONE DATI... 5 RIFERIMENTI TEORICI E METODOLOGIA DI CALCOLO... 6 RISULTATI DELL INDAGINE... 8 SP 28 PANORAMICA_DH... 8 RIFERIMENTI NORMATIVI DEFINIZIONE DEL TIPO DI SUOLO FOTO DURANTE LE ACQUISIZIONI PLANIMETRIA CON UBICAZIONE DEL DOWN HOLE S1DH Pag. 2 di 16

3 PREMESSE Nel presente documento sono illustrati i risultati della campagna geofisica costituita da n 1 sismica in foro del tipo Down-Hole, relativamente al progetto di ricostruzione stratigrafica del tratto crollato nel mese di marzo 2015 CIG: Z0C16D39CB Si riporta di seguito lo schema riepilogativo delle configurazione geometriche delle indagini suddette: SISMICA IN FORO: DOWN-HOLE Localitàe Profondità (m) Passo letture (m) N letture SP 28 Panoramica 40 1,0 40 Pag. 3 di 16

4 SISMICA DI TIPO DOWN HOLE GENERALITA Mediante questa tecnica d'indagine è possibile determinare la velocità di propagazione in senso verticale (media e d'intervallo), delle onde sismiche di compressione (P) e di quelle trasversali o di taglio (S). La metodologia down-hole, come le altre tecniche di sismica in perforo ha, rispetto alla sismica di rifrazione, il vantaggio di non aver come condizione il necessario aumento di velocità con la profondità in quanto si valutano i tempi di arrivo delle onde elastiche via via che esse penetrano negli strati più profondi senza subire fenomeni di rifrazione ; quindi è sempre possibile valutare eventuali inversioni di velocità nell'ambito del pacco di litotipi incontrati nella perforazione e, inoltre, la preventiva conoscenza della stratigrafia permette di scegliere il passo di misura più idoneo a caratterizzare anche strati di ridotto spessore. STRUMENTAZIONE UTILIZZATA Per la realizzazione dell indagine sismica in oggetto è stato utilizzato un sismografo del tipo PASI Mod.16S24-U collegato ad un geofono tridimensionale, con PC portatile multicanale e memoria incrementale, che ha permesso di acquisire le tre componenti del segnale, rispettivamente: la componente verticale => traccia 1 (Onde P) e quelle orizzontali in inversione di fase => tracce 2 (Onde Sx) e 3 (Onde Sy). I sismogrammi così acquisiti sono stati successivamente trasferiti per le successive fasi di elaborazione. La strumentazione utilizzata consiste in una sonda a 3 sensori (2 orizzontali ed 1 verticale) e di un sismografo con memoria incrementale. L ancoraggio dei sensori alle pareti del foro avviene tramite lamella meccanica. Le caratteristiche tecniche del sistema sopra descritto sono: capacità di campionamento dei segnali tra e sec; sistema di comunicazione e di trasmissione del tempo zero (time break); filter High Pass e Band Reject; Automatic Gain Control ; convertitore A/D a 24 bit; n 1 sensore a tre componenti con periodo proprio pari a 0.1 sec (10 Hz). Pag. 4 di 16

5 METODO D INDAGINE ED ELABORAZIONE DATI La tecnica Down-Hole consiste nella lettura dei tempi di propagazione delle onde longitudinali Tp e delle onde trasversali Ts tra un punto d'energizzazione prossimo alla testa del foro di sondaggio ed il geofono tridimensionale ancorato all'interno del foro mediante un dispositivo automatizzato. Nel caso specifico, l energizzazione del terreno è stata effettuata mediante l impatto verticale di una massa battente (10 Kg) su una piastra di alufer ciaio posizionata sul terreno ad una distanza di 2-4 m. dall asse foro, per la generazione delle onde longitudinali P. Al fine di facilitare la generazione di onde trasversali, per la valutazione della velocità di propagazione delle onde di taglio SH, il terreno è stato sollecitato tangenzialmente tramite impatto orizzontale di una massa battente su un parallelepipedo di alufer posto anch esso ad una distanza di 2-4 metri dall asse del foro, fissato al suolo. Tale dispositivo d'energizzazione, in funzione delle modeste profondità operative (max 30 m.), si è rivelato sufficientemente valido ed ha consentito di evitare l'uso di esplosivi, trovandosi ad operare in un'area urbanizzata. I fori di sondaggio, internamente attrezzati con tubi in P.V.C, del diametro interno di circa mm. ed opportunamente cementati in modo da essere solidali con le pareti del foro, hanno ospitato il geofono tridimensionale, composto da un geofono verticale e due orizzontali, ancorato alle pareti del foro, a mezzo di un sistema elettrico, alle varie profondità di lettura.. Pag. 5 di 16

6 RIFERIMENTI TEORICI E METODOLOGIA DI CALCOLO I modelli e gli algoritmi che sono stati adottati, tengono conto di tutte quelle leggi di attenuazione ed accelerazione che contribuiscono a modificare un segnale sismico all'interno di un mezzo qualunque. Tali modellizzazioni ed interpretazioni dei segnali restituiti dall'indagine, permetteranno di stimare le caratteristiche elasto - dinamiche della sezione in perforo investigata. L'analisi dei risultati consente di valutare la funzione velocità sismica - profondità, sia per le onde compressive P che per le onde trasversali S ; i dati così ricavati hanno consentito di associare le velocità sismiche agli strati individuati durante l'esecuzione del sondaggio meccanico e di valutare i parametri meccanici caratteristici (Moduli Elastici Dinamici). Tale concetto, può essere sintetizzato sia fisicamente sia analiticamente da quanto segue. Il fronte d onda ed il relativo raggio sismico non subiranno deviazioni, per la presenza di eventuali discontinuità elastiche in profondità, in caso di incidenza normale e cioè solo quando la sorgente energizzante è molto prossima al perforo e le superfici di discontinuità sono perpendicolari all asse del perforo stesso. In genere però la sorgente energizzante viene a trovarsi sia per motivi logistici sia perché è necessario evitare che l onda elastica sia trasmessa lungo il materiale di condizionamento, ad una distanza non trascurabile dall asse del perforo (circa 2m), per cui è necessario correggere i tempi di arrivo in modo da ottenere i valori che si riscontrerebbero se il percorso dei raggi sismici fosse verticale. Se d è la distanza della sorgente energizzante, s è la distanza dall asse del perforo, z è la profondità cui è fissato il sistema di rilevazione G ed α è l angolo tra la congiungente G-s e la verticale (corrispondente all asse del perforo) il tempo verticale o corretto tv, cioè il tempo di propagazione dell onda elastica secondo l asse del perforo, è uguale a: t v = t cos α dove t è il tempo di ricezione del primo impulso rilevato e dove α è dato da: α= arctan d/z La correzione che si effettua è di tipo equazionale e trascura le deviazioni dei percorsi dei raggi generati dalla rifrazione lungo eventuali superfici di discontinuità, approssimando le grandezze geometriche e fisiche in gioco. Tale approssimazione è tanto più accettabile quanto più deboli sono i contrasti di velocità e quanto più prossimi all asse del perforo, mantenendo costanti la profondità dei sensori e la sorgente energizzante. I tempi corretti tv vengono elaborati rispetto alla profondità z in modo da individuare le dromocrone relative ai litotipi incontrati nella perforazione, determinandone le velocità e gli spessori. Pag. 6 di 16

7 Allo scopo di avere una valutazione del grado di disomogeneità dei sismostrati riscontrati nella perforazione, si determina la velocità intervallo Vi, cioè la velocità cui viaggerebbe il fronte d'onda, lungo l asse verticale, tra due posizioni consecutive dell'apparato geofonico. I tempi scaturiti, consentono in funzione della distanza tra il punto di energizzazione e la ricezione dei segnali, di definire, per i singoli intervalli, le velocità delle onde P (Vp) e delle onde S (Vs), e di calcolare, inoltre, i rapporti Vp/Vs e Vs/Vp, per la stima del coefficiente di Poisson (σ). Tali parametri esprimono le caratteristiche elastiche di un corpo quando sottoposto ad uno sforzo: E (modulo di elasticità o di Young) esprime il rapporto sforzo-deformazione, nel caso di una semplice torsione o compressione; σ (rapporto di Poisson) coefficiente che esprime la misura del cambiamento geometrico in forma di un corpo elastico; μ (modulo di rigidità) che da una misura del rapporto sforzo-deformazione nel caso di uno sforzo tangenziale ed esprime quindi la capacità del materiale a resistere cambiando di forma e non di volume; k (modulo di volume o coefficiente di incompressibilità) che da una misura del rapporto sforzodeformazione nel caso di una pressione idrostatica che produce cambiamento di volume; Le deformazioni e le tensioni generate da una sollecitazione artificiale impulsiva sono abbastanza complesse. Tali deformazioni e tensioni trovano una intrinseca corrispondenza biunivoca con le fasi P ed S dell'input sismico. Infatti, le velocità di propagazione delle onde sismiche variano al variare delle caratteristiche geomeccaniche e fisiche dei litotipi coinvolti; quindi danno informazioni sulle proprietà elastiche dei mezzi attraversati. Dal punto di vista analitico e fisico, le tensioni e le deformazioni di un qualsiasi materiale omogeneo, isotropo ed elastico seguono la legge di Hooke: σ = ε E dove: σ = sforzo applicato ε = deformazione prodotta E = modulo elastico del materiale (modulo di Young) Il rapporto tra sollecitazione ortogonale (trasversale o di taglio) e conseguente deformazione, definisce il modulo elastico tangenziale (di taglio) μ. Pag. 7 di 16

8 Infine, il coefficiente di Poisson σ che, come precedentemente detto, è definito come il rapporto tra la deformazione trasversale e quella longitudinale; tale coefficiente che, essendo un parametro che da un criterio di valutazione delle deformazioni che può subire una roccia, è ovviamente legato al grado di litificazione, alla porosità ed al grado di saturazione della roccia stessa. In linea di massima si può affermare che il coefficiente di Poisson varia da 0.2 a 03 per le rocce ; da 0.3 a 0.35 per le sabbie; e da 0.4 a 0.5 per le argille. Un'ultima costante che entra a far parte delle relazioni tra le caratteristiche elastiche e la velocità di propagazione, è la densità espressa come rapporto tra massa e volume. Pertanto, avendo determinato i valori di Vp e Vs con le prove sismiche e la densità, o peso di volume γ, con prove di laboratorio, è possibile calcolare i valori delle costanti elastiche che caratterizzano i terreni interessati dalle prove sismiche. RISULTATI DELL INDAGINE Dall'esame dei risultati ottenuti, si ritiene di poter interpolare aree con caratteristiche sismiche simili, in modo da avere una certa omogeneità corrispondente alla successione stratigrafica locale; tale corrispondenza non è sempre possibile poiché nell'ambito di uno stesso litotipo si possono avere valori di velocità delle onde sismiche e di conseguenza dei parametri elastici diversi, in funzione di svariati fattori. Inoltre l'interpretazione è tanto più precisa quanto più piccoli sono gli intervalli di lettura (steps); nel caso in esame avendo proceduto con intervalli di lettura di massimo 1,0 m., si è ottenuta una ottima approssimazione. SP 28 PANORAMICA_DH Si riportano di seguito: elaborati grafici parametri elastici riferimenti normativi: tipo di suolo foto durante le acquisizioni; Pag. 8 di 16

9 Dromocrona onde P Sezioni verticali P Sx Sy m m Poisson = 0.41 [-] Shear = [kpa] Young = [kpa] Bulk = [kpa] Poisson = 0.36 [-] Shear = [kpa] Young = [kpa] Bulk = [kpa] Poisson = 0.41 [-] Shear = [kpa] Young = [kpa] Bulk = [kpa] Poisson = 0.36 [-] Shear = [kpa] Young = [kpa] Bulk = [kpa] s P Sx Sy 643 m/s 209 m/s 214 m/s P Sx Sy 2146 m/s 885 m/s 884 m/s Vs m/s m/s Pag. 9 di 16

10 Dromocrona onde Sx Dromocrona onde Sy m m s s Pag. 10 di 16

11 ANALISI SISMICA DOWN-HOLE DOWN HOLE SP 28 PANORAMICA_ENNA DISTANZA DELLO SPARO DA BOCCA FORO = 2.00 [m] N Geof. Profondità [m] Onde P [ms] PRIMI ARRIVI Onde S (X) [ms] Onde S (Y) [ms] Onde P (corretti) [ms] Onde S (X) (corretti) [ms] Onde S (Y) (corretti) [ms] Pag. 11 di 16

12 VELOCITA' ONDE P Strato Profondità [m] Velocità [m/s] PARAMETRI ONDE SX Strato Profondità [m] Velocità [m/s] Poisson [-] Shear [kpa] Young [kpa] Bulk [kpa] PARAMETRI ONDE SY Strato Profondità [m] Velocità [m/s] Poisson [-] Shear [kpa] Young [kpa] Bulk [kpa] VELOCITA' MEDIE VS30 Geofono VS30 [m/s] orizzontale Sx orizzontale Sy Pag. 12 di 16

13 RIFERIMENTI NORMATIVI DEFINIZIONE DEL TIPO DI SUOLO La nuova normativa sismica italiana OPCM, così come il nuovo DM 14/01/2008 Testo Unico sulle Costruzioni, in assenza di analisi specifiche e sulla base della zona sismica di appartenenza del sito e della categoria sismica di suolo su cui sarà realizzata l opera definisce l azione sismica di progetto. La norma suddivide il territorio nazionale fino in 4 zone sismiche, contraddistinte da un diverso valore ag dell accelerazione di picco al suolo, normalizzata rispetto all accelerazione di gravità. I valori convenzionali di ag assegnati nelle 4 zone sismiche fanno riferimento all accelerazione di picco in superficie per suolo di tipo A, cioè roccia affiorante o suolo omogeneo molto rigido, per il quale il moto sismico al bedrock non subisce variazioni sostanziali. Pag. 13 di 16

14 In presenza di suoli di tipo B, C, D E, S1, S2 il moto sismico in superficie risulta generalmente modificato rispetto al moto sismico del bedrock in funzione dell intensità e del contenuto in frequenza dell input sismico, delle caratteristiche geotecniche sismiche e dello spessore del suolo attraversato dalle onde sismiche per giungere in superficie. Per valutare l accelerazione sismica spettrale in presenza di suoli di tipo B, C, D E, la normativa, in assenza di una specifica analisi di amplificazione sismica locale per il suolo in esame, introduce il fattore di amplificazione S ed il periodo T che definiscono lo spettro di risposta di un oscillatore semplice con smorzamento pari al 5%. In presenza di suoli speciali di tipo S1 e S2 la normativa impone uno studio specifico per determinare gli effetti di amplificazione sismica locale. La classificazione del suolo è convenzionalmente eseguita sulla base della velocità media equivalente di propagazione delle onde di taglio entro i primi 30m di profondità: dove Vi e hi sono la velocità delle onde di taglio verticali e lo spessore dello strato i-esimo. VS30 (m/s): Tipo di Suolo: B Pag. 14 di 16

15 FOTO DURANTE LE ACQUISIZIONI Pag. 15 di 16

16 PLANIMETRIA CON UBICAZIONE DEL DOWN HOLE S1DH Pag. 16 di 16