1/36. ATTREZZATURA L attrezzatura necessaria a svolgere questo tipo di prova si compone di:

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1 PROVA DOWN-HOLE Verranno approfonditi alcuni aspetti relativi alla attrezzatura, alle modalità operative e ai criteri di interpretazione adottati nell esecuzione della prova down-hole con specifico riferimento all attrezzatura e all esperienza di cui dispone il nostro laboratorio. ATTREZZATURA L attrezzatura necessaria a svolgere questo tipo di prova si compone di: un sistema di energizzazione (sorgente) un sistema di ricezione (ricevitori) un sistema di trigger un sistema di acquisizione dei segnali (sismografo) 1/36

2 Oscilloscope Pump Downhole Testing Horizontal Plank with normal load t Hammer x z 1 z 2 packer Test Depth Interval Shear Wave Velocity: V s = R/ t R 12 = z 12 + x 2 R 22 = z 22 + x 2 Horizontal Velocity Transducers (Geophone Receivers) Cased Borehole

3 SORGENTE La sorgente da utilizzare deve essere in grado di generare onde elastiche ad alta frequenza ricche di energia, con forme d onda ripetibili e direzionali, cioè con la possibilità di ottenere prevalentemente onde P o onde S VH In genere si adottano sorgenti meccaniche di tipo impulsivo: per generare onde P si ricorre ai metodi classici (caduta di un grave, esplosioni, piastra colpita da un martello in direzione verticale, 20x20x1cm) per generare le onde S VH si utilizza una longarina in legno (per evitare fenomeni di esaltazione o di risonanza dell onda) accoppiata alle estremità, in corrispondenza dei punti di battuta, con due piastre metalliche. La battuta viene effettuata orizzontalmente con un martello (massa 5 kg) N.B. E importante che la longarina sia perfettamente aderente al terreno durante le battute per evitare dispersioni di energia del segnale (gravandola con un carico statico, come quello dell automezzo utilizzato per il trasporto dell attrezzatura) che non affondi nel terreno (terreni coesivi molli) per non generare prevalentemente onde P (superficie di contatto piccola), che sia sempre in piano orizzontale. 3/36

4 SORGENTE La forma e la geometria della longarina deve essere un compromesso tra le esigenze precedentemente ricordate (e di solito si realizza artigianalmente). La longarina adottata dal nostro laboratorio (di dimensioni 240x30x10 cm) ha un anima in legno e un rivestimento metallico zigrinato (per migliorare ulteriormente l accoppiamento col terreno) e le estremità in metallo rinforzato. L altezza e la larghezza sono state scelte per facilitare la battuta alle estremità, mentre la lunghezza è tale da consentire al fuoristrada di salirci sopra (per facilitare il trasporto la longarina è divisa in due parti uguali unite per mezzo di bulloni al momento dell uso). 4/36

5 SORGENTE Per garantire energizzazioni controllabili e ripetibili, il martello è stato montato su un cavalletto a pendolo, dove, regolando l angolo di caduta del martello, si può controllare anche l energia di battuta (ovviamente dovendo ogni volta eseguire una battuta destra e una sinistra i pendoli con relativi martelli sono due) 5/36

6 SORGENTE La longarina viene in genere orientata perpendicolarmente al raggio uscente dal foro ad una distanza compresa tra 1 e 3m : non inferiore, per impedire alle onde dirette P ed S di sovrapporsi (specie a basse profondità), e non superiore per ridurre fenomeni di riflessione e rifrazione. La piastra per la battuta verticale è posizionata alla stessa distanza della longarina dal foro. Piastra di battuta Mazza battente 6/36

7 RICEVITORI Il sistema di ricezione si compone di due geofoni da pozzo tridimensionali e orientabili, vincolati nella loro distanza reciproca (in genere da 1 a 3m) e nella loro orientazione relativa, collegati in superficie al sistema di acquisizione. I geofoni sono costituiti da una terna di trasduttori di velocità, di cui uno dovrà essere posizionato verticalmente (per la ricezione delle onde P) e gli altri due orizzontali, di cui uno radialmente rispetto al foro di sondaggio (per massimizzare la ricezione delle onde S VH ). Tali trasduttori sono in genere alloggiati in un contenitore cilindrico di piccolo diametro (in genere 50 mm), tale da potere essere calato nel foro di sondaggio (il cui diametro interno è in genere compreso tra 75 e 125 mm) e dotato di un sistema di bloccaggio (realizzato con cuscinetto ad ara compressa oppure con una lama controllata meccanicamente) che consenta al geofono, in fase di misura, di aderire perfettamente al rivestimento del foro. I geofoni possono essere realizzati interamente in maniera artigianale oppure acquistati presso ditte specializzate (GEOSPACE, GEOSTUFF, GEOSYSTEM, etc. per i modelli base il prezzo è intorno a 5000 euro), alcune di queste ditte prevedono delle versioni dotate di sistema di orientazione meccanico controllabile elettronicamente dalla superficie. 7/36

8 RICEVITORI Geofono I trasduttori devono possedere determinate caratteristiche di frequenza e sensitività per potere rilevare adeguatamente il treno d onde proveniente dalla sorgente, la Trasduttori frequenza propria è in genere 10 o 14 Hz. N.B. 1. Molto importante è il sistema di collegamento tra i due geofoni che deve essere realizzato in materiale sufficientemente rigido da non subire torsioni o allungamenti (per fissare distanza e orientazione relativa) e ad alta impedenza per non produrre fenomeni d interazione sismica tra i due ricevitori (ad esempio polietilene) 2. Altrettanto importante è controllare l orientazione assoluta dei due geofoni dalla superficie per garantire un confrontabilità tra le registrazioni a profondità diverse (con dispositivi automatici o artigianali ad es. bacchette avvitabili in plastica) Sistema di bloccaggio (fino a 15 cm) 8/36

9 Particolare del collegamento RICEVITORI Geofoni collegati 9/36

10 TRIGGER Il trigger è quel dispositivo che consente di definire l istante di attivazione della sorgente e quindi l istante di partenza delle onde sismiche (istante zero). In genere viene realizzato con un trasduttore piezoelettrico montato sul martello che funziona come un circuito elettrico, collegato a un condensatore, che viene chiuso al momento in cui il martello tocca la piastra, consentendo al condensatore di inviare una scarica elettrica, sotto forma di impulso, al sistema di acquisizione dei dati. Molto più semplicemente il dispositivo di trigger può essere realizzato con un circuito collegato al sismografo con le estremità collegate alla piastra di battuta e al martello (per un totale di 3 coppie di cavi in parallelo), in tal caso è sempre opportuno verificare sul campo che non vi siano delle vie alternative di chiusura del circuito (attraverso il terreno, la base dei pendoli, la scarpe dell operatore, etc.) 10/36

11 SISTEMA DI ACQUISIZIONE Il sistema di acquisizione è in genere costituito da un sismografo a cui sono collegati i ricevitori e il trigger. Le caratteristiche che il sismografo deve possedere devono essere quello della massima versatilità (considerata la spesa deve poter essere utilizzato anche per altri tipi di misure sismiche) e affidabilità per il tipo di misure che si intende effettuare. In particolare: - un numero di canali d acquisizione sufficiente (almeno 6 per la registrazione dei segnali rilevati dai trasduttori dei due geofoni, in genere 12). La tendenza è non acquistare sismografi ad un numero elevato di canali (molto costosi), ma di ripiegare su sismografi modulari, che possono essere combinati in serie per aumentare il numero dei canali al momento del bisogno - una banda di acquisizione di larghezza elevata (1.75 I Hz) anche se per i segnali sismici se ne utilizza una sola parte (1 I50 Hz) 11/36

12 SISTEMA DI ACQUISIZIONE - un intervallo di campionamento minimo sufficientemente piccolo (0.02 ms) e una durata sufficientemente elevata (16000 punti) per garantire un corretto campionamento del segnale che non comporti perdita di componenti di frequenza significative (la frequenza di campionamento non deve essere superiore alla frequenza di Nyquist) - la possibilità di operare trattamenti preliminari del segnale (medie, somme, filtri, etc.) - la disponibilità di un software adeguato con un interfaccia grafica tale da potere visualizzare ogni volta i segnali registrati (specie per quei sismografi che non dispongono di un monitor, preferibili dato il costo elevato di tali componenti e la possibilità di poterli sostituire con un PC portatile) 12/36

13 SISTEMA DI ACQUISIZIONE 13/36

14 SISTEMA DI ACQUISIZIONE 14/36

15 PROCEDURA DI PROVA La prova richiede tutta una serie di operazioni preliminari che sono: esecuzione del foro di diametro interno compreso tra 85 e 125 mm (in genere con tecniche che riducano al minimo il disturbo del terreno circostante, ad es. carotaggio a rotazione sostenendo eventualmente le pareti con fango bentonitico) rivestimento delle pareti con un tubo in materiale ad alta impedenza alle vibrazioni (ad es. PVC) di spessore pari a circa 3 mm cementazione dell intercapedine tra rivestimento e pareti del foro (meglio se dal basso verso l alto) con una miscela (acqua+cemento+bentonite) di una densità pari a quella del terreno circostante per migliorare l accoppiamento tra rivestimento e pareti del foro (in genere è opportuno che la prova venga eseguita dopo almeno tre settimane dalla cementazione). Una volta verificato che il foro sia accessibile in tutta la sua profondità (controllando eventualmente il livello di falda) e che dalla cementazione sia trascorso un tempo sufficiente, si procede con la prova, che consiste nelle seguenti fasi: 15/36

16 PROCEDURA DI PROVA 1. I due geofoni vengono calati fino a fondo foro e si misura la profondità a cui si trovano esattamente i trasduttori (dal cavo graduato e nota la distanza tra i due geofoni). 2. Si bloccano i geofoni alla parete del rivestimento. 3. Vengono prodotte sollecitazioni di prova (sia verticali che orizzontali) per testare il funzionamento dei geofoni, del trigger e del sistema d acquisizione e per controllare l influenza del rumore ambientale (in genere trascurabile ad elevate profondità) 4. Si procede con un certo numero di battute verticali (in genere tre) che il simografo acquisisce e somma (per eliminare l effetto di rumori accidentali o di fondo). 5. Si effettua uno stesso numero di battute orizzontali destre e poi sinistre. 6. Il totale di registrazioni di cui si dispone per ciascuna profondità è 18 (relative ai tre trasduttori inferiori ed ai tre superiori per le tre battute). 7. Si sbloccano i due geofoni e si sollevano di un metro (facendo attenzione che non ruotino) e si bloccano nuovamente e si ripetono i punti 4 e 5, fino ad arrivare in superficie. 16/36

17 MODALITÀ DI INTERPRETAZIONE Al termine della prova disponiamo di 18 registrazioni per ciascuna quota di profondità indagata (per ciascuno dei tre trasduttori superiori e dei tre trasduttori inferiori 3 registrazioni, una relativa alla battuta verticale e due relative alle battute orizzontali, destra e sinistra). Prima di procedere all interpretazione delle registrazioni occorre effettuare un controllo generale di uniformità e di coerenza (per verificare la corrispondenza tra canali del sismografo e trasduttori, il buon orientamento dei trasduttori orizzontali, l effetto del rumore soprattutto sulle misure più superficiali). In particolare deve risultare, da una semplice analisi visuale, che: le registrazioni relative ai trasduttori orizzontali longitudinali (orientati radialmente rispetto alla sorgente) devono essere quelle a contenuto energetico maggiore in corrispondenza delle battute orizzontali e nullo per le battute verticali 17/36

18 MODALITÀ DI INTERPRETAZIONE le registrazioni relative ai trasduttori orizzontali trasversali (orientati perpendicolarmente rispetto alla direzione uscente dalla sorgente) devono essere quelle a contenuto energetico minore in corrispondenza delle battute orizzontali e nullo per le battute verticali le registrazioni relative ai trasduttori verticali devono essere quelle a contenuto energetico maggiore in corrispondenza delle battute verticali e nullo per le battute orizzontali l arrivo delle onde, per la medesima battuta, rilevato ai trasduttori superiori deve precedere quello rilevato ai trasduttori inferiori N.B. Nella realtà tali condizioni (ad eccezione dell ultima) non sono sempre verificate (a causa della non perfetta orientazione dei trasduttori e del segnale sorgente poco pulito che non contiene mai solo onde P o onde S) 18/36

19 MODALITÀ DI INTERPRETAZIONE L interpretazione delle registrazioni finalizzata alla determinazione delle velocità di propagazione delle onde P ed S, per ciascuna delle profondità indagate, può essere fatta nel dominio del tempo o della frequenza. L interpretazione nel domino del tempo può avvenire utilizzando: il metodo visuale (by-eye method) la funzione di cross-correlazione (cross-correlation). L interpretazione nel domino della frequenza avviene utilizzando funzioni come: lo spettro di potenza incrociato (cross power spectrum), la funzione di coerenza il rapporto segnale-rumore. 19/36

20 MODALITÀ DI INTERPRETAZIONE Indipendentemente dal metodo di interpretazione adottato, le grandezze che possono essere determinate sono (riferite al tempo t = 0 determinato dal trigger): l istante di primo arrivo delle onde P al geofono superiore, t Psup, ottenuto dal segnale registrato dal trasduttore verticale superiore in corrispondenza della battuta verticale (SUP VV ) l istante di primo arrivo delle onde P al geofono inferiore, t Pinf, ottenuto dal segnale registrato dal trasduttore verticale inferiore in corrispondenza della battuta verticale (INF VV ) l istante di primo arrivo delle onde S al geofono superiore, t Ssup, ottenuto dal segnale registrato ai due trasduttori orizzontali superiori in corrispondenza della battuta orizzontale destra e sinistra (SUP Htrasv,dx, SUP Hlong,dx, SUP Htrasv,dx, SUP Hlong,dz l istante di primo arrivo delle onde S al geofono inferiore, t Sinf, ottenuto dal segnale registrato ai due trasduttori orizzontali inferiori in corrispondenza della battuta orizzontale destra e sinistra (INF Hlong,dx, INF Htrasv,dx, INF Htrasv,sx, INF Hlong,sx ) 20/36

21 I tempi sono riferiti sempre alle onde dirette, cioè a quelle che compiono tra sorgente e ricevitori il percorso rettilineo più breve (si trascurano eventuali fenomeni di rifrazione e riflessione). MODALITÀ DI INTERPRETAZIONE z 1 z z 2 (t,t ) Psup Ssup (t,t ) Pinf Sin f d d 1 d 2 (t = 0) 21/36

22 MODALITÀ DI INTERPRETAZIONE E inoltre possibile ricavare l intervallo di tempo necessario all onda per transitare da un ricevitore all altro ( tp, ts ), relativamente a due energizzazioni a profondità successive, nel caso si disponga di un solo geofono (metodo dello pseudointervallo) o alla stessa energizzazione (metodo dell intervallo). In tal caso è necessario riferirsi ai tempi corretti, t*, cioè al tempo che impiegherebbe l onda dalla sorgente al ricevitore se, si propagasse in direzione verticale (come secondo le ipotesi della prova), cioè con la sorgente idealmente posizionata alla testa del foro: t x,i * t d x 2 2 = di d TEMPO CORRETTO e quindi si può determinare direttamente l intertempo: t x = t x,inf * t x, sup * o indirettamente da analisi incrociate dei segnali corrispondenti nel dominio delle frequenze 22/36

23 MODALITÀ DI INTERPRETAZIONE Per determinare la velocità (V P, V S ) basterebbe dividere i tempi di arrivo delle onde ai due geofoni, superiore (t sup ) e inferiore (t inf ), per le relative distanze dirette percorse (d 1 e d 2 ): V = x d t i xi VELOCITÀ DIRETTA Tale procedura in realtà non è corretta, specie a profondità elevate, in quanto fornisce un valore mediato della velocità su tutti gli strati superiori che non tiene conto delle differenti rigidezze. Per tali motivi si determina la velocità, relativamente al singolo strato indagato dai due geofoni, dividendo la distanza, nota, tra i geofoni, z, per il tempo di propagazione corrispondente, t x : V x = z t x VELOCITÀ DI INTERVALLO (stessa energizzazione) VELOCITÀ DI PSEUDO-INTERVALLO (energizzazioni diverse) 23/36

24 MODALITÀ DI INTERPRETAZIONE Tali valori di velocità si determinano spesso come pendenza dei singoli tratti della dromocrona, che riporta in ascisse i tempi corretti di arrivo delle onde e in ordinata le profondità corrispondenti Tempi corretti (ms) Profondità (m) /36

25 BY-EYE METHOD Per determinare il tempo di arrivo delle onde P e S dalla sola analisi visuale dei tracciati occorre molta esperienza e la conoscenza completa delle condizioni in sito che hanno caratterizzato l esecuzione della prova (è opportuno che esecuzione e interpretazione vengano sempre eseguite dagli stessi operatori). Tale criterio si basa sul fatto che: il treno d onde P è caratterizzato da vibrazioni di modesta ampiezza e periodo, inizialmente crescenti e poi decrescenti il treno d onde S è caratterizzato da vibrazioni di ampiezza e periodo almeno due volte superiori a quelli attribuibili alle onde P, inizialmente crescenti e poi decrescenti In questo modo gli istanti di primo arrivo delle onde P e S dovrebbe essere facilmente identificabili nello stesso segnale. 25/36

26 CASO REALE (?) Tempo t = 0 (trigger) Tempo t = t Psup di arrivo delle onde P Tempo t = t Ssup di arrivo delle onde S Punti caratteristici dell onda 26/36

27 Problemi di interpretazione Nella realtà il segnale non è mai così pulito a causa di vari motivi: 1. non perfetta orientazione dei trasduttori orizzontali (nessuno dei due trasduttori è in grado di massimizzare il contenuto energetico dell onda S, per cui le ampiezze rilevate dell onda S sono più attenuate di quelle attese) 2. non perfetta energizzazione (colpo troppo debole e perciò ampiezza dei segnali ridotta, oppure non perfettamente verticale o non perfettamente orizzontale, per cui il segnale e ricco sia di onde P che S) 3. treno d onde P e S troppo ravvicinati (come accade in prossimità della superficie) 4. presenza d onde P riflesse che, essendo ritardate, si confondono con le onde S o presenza di onde P e S rifratte 5. cementazione del foro non matura 6. non perfetta aderenza del ricevitore alle pareti del rivestimento 7. presenza di rumore ambientale elevato (rapporto segnale/rumore elevato) che, specie in superficie, tende a confondersi con le onde P 27/36

28 ONDE P ONDE S 800 Amplitude (mv) Profondità di misura : 1m (somma battute dx e sx, trasduttore orizzontale) Time (ms) 28/36

29 Rumore di fondo (bassa e alta frequenza) ONDE P ONDE S 0.10 Amplitude (mv) Profondità di misura : 49 m (somma battute dx e sx, trasduttore orizzontale) Time (ms) 29/36

30 Rumore di fondo ONDE P (dirette e rifratte) ONDE S Amplitude (mv) Profondità di misura : 47 m (somma battute dx e sx, trasduttore orizzontale) Time (ms) 30/36

31 Accorgimenti operativi Per evitare o ridurre in parte l effetto di tali inconvenienti si seguono alcuni accorgimenti: 1. Si eseguono per ciascuna energizzazione (verticale, orizzontale destra e sinistra) più battute (in genere tre) e i tracciati corrispondenti vengono sommati per ciascun trasduttore (per ridurre l effetto dei disturbi aleatori o delle battute mal riuscite) 2. Si sommano per ciascuna profondità i segnali relativi allo stesso trasduttore orizzontale relativi alla battuta destra e sinistra per esaltare il contributo delle onde S e attenuare quello delle onde P (le vibrazioni indotte dalle onde P sono in fase, mentre quelle indotte dal passaggio delle onde S sono sfasate di 180 ) 3. Si considera per ciascuna profondità il solo trasduttore orizzontale orientato lungo la sorgente (longitudinale); nel caso il segnale sia di energia confrontabile per entrambi i trasduttori (orientazione non buona) si effettua la somma vettoriale dei due segnali (longitudinale e trasversale) 31/36

32 Metodo dell intervallo e dello pseudo-intervallo Quando non sia possibile definire i tempi diretti di arrivo delle onde P e S ai ricevitori (a causa della scarsa qualità del segnale) ci si accontenta si determinare direttamente il tempo di percorrenza, successivamente corretto, tra i due ricevitori (metodo dell intervallo), da un analisi comparata dei segnali rilevati dalla stessa coppia concorde di trasduttori (verticale superiore e inferiore, orizzontale longitudinale superiore e inferiore, oppure orizzontale trasversale superiore e inferiore) relativamente alla stessa battuta, andando a ricercare dei punti caratteristici nelle due forme d onda (picchi,flessi, concavità). In tal caso è fondamentale una corretta orientazione relativa dei trasduttori orizzontali In maniera analoga, ma meno affidabile si possono analizzare i segnali relativi allo stesso trasduttore ma in due posizioni successive, in corrispondenza di due energizzazioni diverse (metodo dello pseudo-intervallo). N.B. Attenzione allo stendimento della forma d onda (spreading) 32/36

33 Media Battute Orizzontali - H(trasversale) - ( m) Punti caratteristici Amplitude (mv) Time (ms) 33/36

34 Funzione di cross-correlazione L analisi visuale può essere integrata, soprattutto di fronte a soluzioni non univoche, con uno studio parallelo della funzione di cross correlazione calcolata a partire dai segnali registrati da una coppia concorde di trasduttori (inferiore e superiore), così definita: + CC( τ ) = h(t) g(t τ ) dt dove g(t) rappresenta la registrazione temporale al trasduttore più vicino e h(t) la corrispondente registrazione al trasduttore più lontano. Il valore di τ corrispondente al massimo della funzione rappresenta anche il tempo di trasferimento della forma d onda tra i due punti considerati 34/36

35 Punti caratteristici Picco 1 Picco 2 35/36

36 Analisi nel dominio della frequenza La ricerca e la sperimentazione si sta orientando, anche per questi metodi (come per quelli basati sulle onde superficiali), verso un interpretazione nel dominio della frequenza, dove la funzione di cross-correlazione viene definita nel dominio delle frequenze (spettro di potenza incrociato), più facilmente gestibile, e utilizzata in accordo con la funzione di coerenza (che consente di quantificare il livello di disturbo presente nel segnale) e il rapporto segnalerumore derivato da questa funzione. Un analisi di questo genere consente di tenere conto dei disturbi di cui il segnale è affetto e allo stesso tempo di elaborare una procedura meno soggettiva e automatizzata, ed è anche la direzione verso cui si stanno indirizzando le nostre ricerche. 36/36