Metodi di indagine sismica in sito (parte II)

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1 UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI FIRENZE DIPARTIMENTO DI INGEGNERIA CIVILE e AMBIENTALE Sezione Geotecnica Metodi di indagine sismica in sito (parte II) Prof. Ing. Claudia Madiai Ing. Elisa Gargini MISURE SISMICHE IN FORO Le misure sismiche in foro richiedono l ubicazione della sorgente e/o dei ricevitori all interno del terreno, alla profondità a cui si vuole effettuare la misura Per tale motivo necessitano dell esecuzione esecuzione di un foro prima di effettuare la prova (cross-hole, down-hole, suspension velocity logging method) o contestualmente (cono sismico, dilatometro sismico) Di conseguenza: comportano costi maggiori rispetto alle prove sismiche superficiali sono invasive e possono avere un certo impatto ambientale forniscono informazioni limitate al terreno circostante la verticale d esplorazione Si tratta di misure attive in cui viene utilizzata una sorgente meccanica collocata in superficie oppure all interno del foro Le onde sismiche generate sono onde di volume (onde P e S) 32 1

2 MISURE SISMICHE IN FORO I risultati delle prove sismiche in foro vengono in genere restituiti sotto forma di grafici che riportano i valori puntuali delle velocità misurate con la profondità Le tecniche di misura in foro più diffuse sono: prove Down Hole (e, più raramente, Up-Hole) prove Cross-Hole prove con cono sismico, Seismic Cone Penetration Test (in modalità down-hole e cross-hole) prove con dilatometro sismico, Seismic Dilatometer Test prove Suspension-Velocity-Logging-Method (molto diffusa in Giappone, poco conosciuta in Italia) 33 E una delle tecniche più utilizzate (a partire dagli anni 60) nell ambito della dinamica dei terreni e dell Ingegneria geotecnica sismica Oltre ad una pratica diffusa, esiste anche una vasta sperimentazione nel campo della ricerca FINALITÀ Sorgente Determinazione della velocità di propagazione di onde P ed S con la profondità in prossimità di una verticale SCHEMA E ATTREZZATURA Sorgenti meccaniche di onde P ed S disposte in superficie 1 o 2 ricevitori (geofoni) ubicati nel foro di sondaggio in corrispondenza della verticale da esaminare e collegati ad un sistema di acquisizione (sismografo) A completare l attrezzatura: trigger ed eventuale dispositivo di orientazione dei geofoni 34 cevitori Ric Onde P e S dirette 2

3 CAMPO D APPLICAZIONE Misure affidabili per profondità comprese fino a circa 50 60m, compatibilmente con il tipo di sorgente utilizzato; a maggiori profondità i segnali diventano di difficile interpretazione OPERAZIONI PRELIMINARI Esecuzione, rivestimento e cementazione del foro Nella fase di perforazione il foro (φ = mm) viene temporaneamente sostenuto (con fanghi bentonitici o tubi camicie ), per ridurre l effetto di disturbo del terreno Il foro viene poi rivestito con un tubo di materiale ad alta impedenza alle vibrazioni (es. alluminio o PVC) riempiendo accuratamente lo spazio tra foro e tubo con malta a ritiro controllato (cementazione) in modo da garantire perfetta aderenza tra tubo e terreno (in modocheleondesismichepossanotrasmettersiadogniprofonditàdalterrenoaltuboe quindi ai geofoni). Se non è stata effettuata una buona cementazione (problema particolarmente sentito operando in terreni granulari) durante la prova DH le registrazioni risulteranno ricche di alte frequenze Per eseguire una cementazione efficace è buona regola eseguirla dal basso, mediante tubi che iniettano la malta in pressione nell intercapedine, piuttosto che per gravità Prima di effettuare la prova DH occorre far trascorrere un tempo adeguato per il ritiro della malta (ovvero almeno 30gg) in modo che sia garantita l aderenza tubo-terreno 35 CARATTERISTICHE DELL ATTREZZATURA Sorgenti Si tratta di sorgenti meccaniche in grado di generare prevalentemente onde elastiche direzionali SH e onde P Generalmente la sorgente delle onde S è costituita da una longarina metallica o da una trave di legno con estremità di acciaio o da una trave in c.c.a. mantenuta aderente alla superficie del terreno; per la generazione delle onde P è invece utilizzata una piastra di acciaio Considerata l entità di energia prodotta, le deformazioni indotte nel terreno in prossimità della superficie sono inferiori a 10-2 % e decrescono con la profondità ½ traversa per energizzazioni orizzontali (generazione di onde SH)(L tot = 250cm) Piastra per energizzazioni verticali (generazione di onde P) (30x30cm 2 ) 36 3

4 Sorgenti 37 CARATTERISTICHE DELL ATTREZZATURA Sistema di ricezione Si compone di uno o due ricevitori, ciascuno dei quali costituito da contenitore cilindrico contenente una terna di trasduttori di velocità orientati secondo le componenti di una terna cartesiana ortonormale in modo che uno sia orientato secondo la lunghezza del contenitore (trasduttore verticale) e gli altri ad esso perpendicolari (trasduttori orizzontali) I trasduttori devono possedere appropriate caratteristiche di frequenza e sensitività. Nel caso si utilizzino due ricevitori, essi devono essere uniti da un collegamento in grado di fissarne la distanza verticale (compresa tra 1 e 3 m) e l orientazione relativa (in modo che i trasduttori orizzontali siano sempre paralleli e concordi a due a due) È opportuno che il sistema di ricezione fosse dotato di un dispositivo per controllare l orientazione dei trasduttori rispetto alla sorgente (orientamento assoluto) geofono (ø 70mm, L 60cm) 38 4

5 Sistema di ricezione Collegamento tra geofoni (per mantenere l orientamento relativo) Batteria di aste orientabili (per gestire l orientamento assoluto) 39 CARATTERISTICHE DELL ATTREZZATURA Trigger Il trigger è un dispositivo dotato di sensore (inerziale, di spostamenti, di velocità, d accelerazione accelerazione, ecc.), collegato al sistema di acquisizione dati, che permette di far partire la registrazione del segnale sismico acquisito dai geofoni nell istante in cui la sorgente viene attivata e parte la sollecitazione dinamica Il trigger può essere realizzato mediante un geofono di superficie posizionato in prossimità della sorgente o mediante un circuito elettrico che viene chiuso nell istante in cui il martello colpisce la sorgente (un polo sul martello e l altro sulla piastra di battuta) Sistema di acquisizione e registrazione dati Si tratta di un sistema multicanale in grado di registrare su ciascun canale in forma digitale le forme d onda e di conservarle in memoria di massa È collegato a ciascuno dei tre trasduttori di ciascun ricevitore e al sensore del trigger; consente anche di visualizzare come forme d onda su un apposito monitor le vibrazioni rilevate dai trasduttori dei geofoni nonché l impulso inviato dal trigger (se costituito da un geofono di superficie) 40 5

6 Trigger Sistema di acquisizione e registrazione dati Cavalletto usato per le energizzazioni orizzontali con trigger di tipo elettrico Sismografo collegato a pc portatile 41 MODALITÀ OPERATIVE 1. si predispone il piano d appoggio per le sorgenti togliendo le eventuali asperità rendendo la superficie liscia eventualmente mediante sabbia. La sorgente delle onde di taglio viene sistemata in superficie ad una distanza compresa tra 1.5m e 2.5m dal foro, in modo che gli estremi siano equidistanti da esso, e orientata in direzione ortogonale ad un raggio uscente dall asse foro 2. i ricevitori, collegati tra loro ad una distanza di 1 3m in modo da impedirne la rotazione relativa e in modo che i trasduttori orizzontali dei due ricevitori siano a due a due paralleli, vengono inseriti nel foro fino a raggiungere la profondità di prova (generalmente si parte da fondo foro), facendo sì che uno dei due trasduttori orizzontali di ciascun ricevitore risulti parallelo all asse della sorgente(l orientamentoassolutoèimportantema purtroppo comporta qualche complicazione sul piano esecutivo) 3. i ricevitori vengono assicurati alle pareti del tubo di rivestimento 4. la sorgente di onde SH viene colpita a destra e a sinistra, e la sorgente di onde P verticalmente e, allo stesso tempo, inizia la registrazione del segnale (trigger e ricevitori) 5. eseguite le registrazioni, la profondità viene modificata (generalmente di m) e la procedura ripetuta 42 6

7 INTERPRETAZIONE DELLE MISURE Al termine della prova si dispone di 18 registrazioni per ciascuna quota di profondità indagata (per ciascuno dei 6 trasduttori, 3 superiori e 3 inferiori si hanno 3 registrazioni, una relativa alla battuta verticale e due relative alle battute orizzontali, destra e sinistra) 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 nel dominio 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 generalmente utilizzando il metodo dello spettro di potenza incrociato (cross power spectrum) 43 INTERPRETAZIONE DELLE MISURE Nei metodi di interpretazione più diffusi i tempi di arrivo delle onde sono determinati con riferimento al percorso rettilineo più breve tra sorgente e ricevitori, d 1 e d 2, trascurando eventuali fenomeni di rifrazione e riflessione) È stata anche proposta una procedura iterativa (metodo di inversione) che permette di tener conto del fenomeno della rifrazione in accordo con la legge di Snell. Il metodo è basato su: a) un ipotesi di stratigrafia; b) una modellazione numerica del fenomeno di propagazione; c) un analisi di affidabilità per mezzo di matrici di dispersione dei dati osservati. I tempi di arrivo ai geofoni (t) vengono innanzitutto corretti, determinando i tempi t* che impiegherebbe l onda se si propagasse in direzione verticale, ovvero: t * z = t = d z 2 z + H 2 t 44 7

8 INTERPRETAZIONE DELLE MISURE Per determinare la velocità (V P, V S ) basterebbe dividere la distanza diretta sorgente-ricevitore (d 1 e d 2 )per il relativo tempo di arrivo ( reale ), oppure la profondità di ciascun geofono (z 1 e z 2 ) per il rispettivo tempo di arrivo corretto : d z V x = = t t i xi i * xi METODO DIRETTO Tale procedura, specie a profondità elevate, fornisce un valore mediato della velocità su tutti gli strati superiori senza tener conto delle differenti rigidezze Per questo motivo o si preferisce e determinare e la velocità relativamente a e te al singolo o tratto compreso tra due ricevitori, dividendo la distanza (nota) tra i geofoni, Δz, per il tempo di propagazione corretto corrispondente, Δt x =t * x,inf -t * x,sup : Δz Vx = Δt x METODO DI INTERVALLO (stessa energizzazione se si usano 2 geofoni) METODO DI PSEUDO-INTERVALLO (energizzazioni diverse se si usa un solo geofono) 45 dromocrona METODO DIRETTO: i valori di velocità si determinano come pendenza dei singoli tratti della dromocrona CONFRONTO TRA VARI METODI 46 8

9 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 47 INTERPRETAZIONE DELLE MISURE - BY-EYE METHOD Occorre molta esperienza e una buona conoscenza delle condizioni in sito che hanno caratterizzato l esecuzione lesecuzione della prova (è opportuno che esecuzione e interpretazione vengano sempre eseguite dagli stessi operatori) Tale metodo 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 48 9

10 INTERPRETAZIONE DELLE MISURE - BY-EYE METHOD La determinazione visuale dei tempi di arrivo è di norma complessa e incerta per 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 di onde P riflesse che, essendo ritardate, si confondono con le onde S o presenza di onde P e S rifratte 5. difetti di cementazione del foro (non perfetta aderenza del ricevitore alle pareti del rivestimento) 6. presenza di rumore ambientale elevato (rapporto segnale/rumore elevato) che, specie in superficie, tende a confondersi con le onde P 49 INTERPRETAZIONE DELLE MISURE - 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 50 10

11 INTERPRETAZIONE DELLE MISURE - FUNZIONE DI CROSS CORRELAZIONE 51 SVANTAGGI attenuazione dell ampiezza delle onde con la profondità (profondità di esplorazione limitata) problemi di rifrazione e di riflessione delle onde dirette (difficoltà di interpretazione) impossibilità di caratterizzare terreni fittamente stratificati VANTAGGI ingombro areale limitato misura continua delle velocità con la profondità disponibilità di un numero ridondante di registrazioni oggetto di una vasta sperimentazione e di una ricerca decennale COSTI E AFFIDABILITÀ Rispetto alle altre prove sismiche le prove DH si collocano in una fascia media con affidabilità delle misure da media a buona Richiedendo l esecuzione di un foro di sondaggio il costo è sensibilmente più elevato rispetto a quello delle misure sismiche superficiali 52 11

12 MISURE SISMICHE IN FORO - PROVA CROSS HOLE E una tecnica molto nota nell ambito della dinamica dei terreni e dell Ingegneria Geotecnica Sismica anche se meno utilizzata della prova DH (costi più elevati) FINALITÀ Determinazione della velocità di propagazione di onde P ed S con la profondità in prossimità di una verticale SCHEMA E ATTREZZATURA Sorgente meccanica di onde P ed S ubicata in profondità all interno di un foro S HH 1o2ricevitori(geofoni) (geofoni), ubicati alla stessa profondità nel terreno in fori adiacenti e allineati, collegati ad un sistema di acquisizione (sismografo) A completare l attrezzatura: trigger ed eventuale dispositivo di S HV Sorgente orientazione dei geofoni 53 P Onde P e S dirette Ricevitori MISURE SISMICHE IN FORO - PROVA CROSS HOLE CAMPO D APPLICAZIONE Non vi è un limite teorico alla profondità d esplorazione (se non quello economico o legato all attrezzatura utilizzata); generalmente vengono effettuate prove fino a profondità dell ordine di 100 m OPERAZIONI PRELIMINARI Esecuzione, rivestimento e cementazione dei fori (φ = mm) Controllo della verticalità dei fori MODALITÀ OPERATIVE Si abbassano o si sollevano, ad intervalli successivi iidi 1m, sorgente e ricevitori i i mantenendoli sempre alla medesima profondità e in modo da non perdere l allineamento dei trasduttori orizzontali Per ciascuna posizione viene energizzata la sorgente (in genere con sollecitazioni verticali per produrre onde S HV, con sollecitazioni orizzontali per produrre onde S HH o mediante esplosioni per produrre onde P) e vengono acquisiti i segnali corrispondenti 54 12

13 SVANTAGGI MISURE SISMICHE IN FORO - PROVA CROSS HOLE costi elevati maggiore ingombro areale (e impatto ambientale) rispetto alla DH necessità di misure inclinometriche e di tubi di rivestimento scanalati VANTAGGI disturbo del terreno contenuto misura continua delle velocità con la profondità disponibilità di un numero ridondante di registrazioni oggetto di una vasta sperimentazione e di una ricerca decennale problemi limitati relativi all interferenza tra onde dirette, rifratte e riflesse energia costante della sorgente con la profondità (profondità di esplorazione illimitata) possibilità di rilevare la velocità anche per strati sottili possibilità di indagare onde SH polarizzate sia sul piano verticale che orizzontale COSTI E AFFIDABILITÀ La tecnica CH è una delle più costose, si colloca rispetto alle altre prove sismiche in una fascia alta con affidabilità delle misure da buona a ottima 55 MISURE SISMICHE IN FORO - SUSPENSION P-S VELOCITY LOGGING METHOD (SVLM) È una tecnica poco conosciuta e utilizzata in Italia, è invece frutto di una vasta sperimentazione in altri paesi (Giappone, etc.) SCHEMA La prova viene eseguita interamente all interno di un singolo foro non rivestito e completamente riempito di un fluido (acqua), con la sorgente meccanica e due ricevitori inglobati in una sonda calata all interno del foro ATTREZZATURA Sonda da foro Sorgente onde acustiche (solenoide) Trigger 2Ricevitori(2-D) Sistema d acquisizione Ricevitori Sorgente 56 13

14 MISURE SISMICHE IN FORO - SUSPENSION P-S VELOCITY LOGGING METHOD (SVLM) Testa del cavo Cavo Sistema d acquisizione Dati Argano Geofono superiore Isolante Geofono inferiore 57 MISURE SISMICHE IN FORO - SUSPENSION P-S VELOCITY LOGGING METHOD (SVLM) SVANTAGGI affidabilità delle misure dipendente sensibilmente dalle modalità esecutive del foro, dalla presenza o meno del rivestimento e dallo stato del foro (tempo trascorso dalla realizzazione) non fornisce buoni risultati in superficie (profondità < 5 7 mdalp.c.) attrezzatura poco versatile e costosa scarsa esperienza in Italia VANTAGGI disturbo del terreno contenuto misura continua delle velocità con la profondità disponibilità di un numero ridondante di registrazioni si riducono i problemi relativi all interferenza tra onde dirette, rifratte e riflesse non c e variazione dell energia della sorgente con la profondità profondità di esplorazione illimitata misura delle velocità puntuale per ciascun strato indagato (trovandosi i ricevitori e la sorgente nello strato di cui si misura la velocità) possibilità di rilevare la velocità anche per strati sottili 58 14

15 MISURE SISMICHE IN FORO - PROVA CON CONO SISMICO NascecomeevoluzionedellaprovaCPTcon lo scopo di acquisire tutti i vantaggi derivanti dalle prove DH (e CH) superandone i limiti connessi all elevato costo dovuto alla realizzazione dei fori FINALITÀ Determinazione della velocità di propagazione di onde P ed S con la profondità in prossimità di una verticale SCHEMA E ATTREZZATURA In modalità DH la prova viene eseguita con la sorgente meccanica ubicata in superficie e 1 o 2 ricevitori inseriti all interno dell asta del piezocono, al di sopra del manicotto (in modalità CH, un penetrometro è usato come sorgente, un altro, o altri 2, come ricevitori) Un dispositivo di trigger completa l attrezzatura OPERAZIONI PRELIMINARI Non sono necessarie operazioni preliminari al sistema di acquisizione cevitori Ri Onde P e S dirette Sorgente 59 MISURE SISMICHE IN FORO - PROVA CON CONO SISMICO CAMPO D APPLICAZIONE Misure affidabili per profondità comprese da 10 a 50, compatibilmente con il tipo di sorgente utilizzato Limiti legati alla penetrabilità dei terreni Sismografo Velocità di 20 mm/s Sorgente 4 letture indipendenti con la profondità: Resistenza alla punta (q ) c Attrito laterale (f s ) Pressione interstiziale (u e u ) 1 2 Velocità delle onde S (V S) Ricevitori Punta conica 60 15

16 MISURE SISMICHE IN FORO - PROVA CON CONO SISMICO MODALITÀ OPERATIVE Si mantiene fissa la sorgente in superficie a distanza di 1 2 m dalla verticale di indagine e si procede con lavanzamento l avanzamento della punta conica, eseguendo la misura continua della resistenza alla punta, q c, dell attrito laterale, f s, e, eventualmente, della pressione interstiziale, u (prova SCPTU) Ad intervalli di 1 m viene arrestata la penetrazione e vengono energizzate la sorgente delle onde P (battute verticali) e la sorgente delle onde S (battute orizzontali, o eventualmente invertendone l orientazione), e si acquisiscono i corrispondenti segnali tramite i ricevitori inseriti all interno dell asta, dei quali è fissata la distanza e l orientazione relativa 61 MISURE SISMICHE IN FORO - PROVA CON CONO SISMICO SVANTAGGI attenuazione dell ampiezza delle onde con la profondità problemi di rifrazione e di riflessione delle onde dirette misura di valori medi delle velocità per ciascun strato difficoltà nel caratterizzare terreni fittamente stratificati e ghiaiosi profondità di esplorazione limitata VANTAGGI ingombro areale limitato disturbo del terreno minimo misura continua delle velocità con la profondità disponibilità di un numero ridondante di registrazioni non necessita di operazioni preliminari possibilità di combinare le misure sismiche con quelle meccaniche per meglio caratterizzare la stratigrafia e le caratteristiche di resistenza e di rigidezza del terreno COSTI E AFFIDABILITÀ Per quanto riguarda i costi, la tecnica SCPT si colloca rispetto alle altre prove sismiche in una fascia bassa (non prevede l esecuzione di prefori e le misure sismiche avvengono contestualmete ad altre misure) con affidabilità delle misure da media a buona 62 16

17 MISURE SISMICHE IN FORO - PROVA CON DILATOMETRO SISMICO È una tecnica di recente sperimentazione (Mayne et al., 1999). SCHEMA La prova viene eseguita in una configurazione down-hole simile a quella già descritta per la prova SCPT, con la sorgente meccanica ubicata in superficie e due ricevitori ( a distanza di 0.5 m) posizionati al di sopra della lama dilatometrica e con essa solidali. ATTREZZATURA Sorgente onde P, S Trigger 2Ricevitori(3-D) Sismografo Lama dilatometrica 63 MISURE SISMICHE IN FORO - PROVA CON DILATOMETRO SISMICO Per quanto riguarda le finalità, le modalità operative, i vantaggi e gli svantaggi si può fare riferimento a quanto già detto per la prova con cono sismico; anche i costi sono contenuti Lama dilatometrica 64 17

18 MISURE SISMICHE IN FORO - CONFRONTO TRA RISULTATI TERRENI SOVRACONSOLIDATI E NORMALCONSOLIDATI 65 MISURE SISMICHE IN FORO E DI SUPERFICIE (SASW) CONFRONTO TRA LE PRINCIPALI CARATTERISTICHE CH DH SVLM SASW Numero di fori 2 o più 1 1 Nessuno Ingombro Molto Molto Modesto Notevole modesto modesto Misure inclinometriche SI NO NO NO Disturbo terreno per installazione fori Modesto Modesto Modesto Nessuno Massima profondità investigabile Illimitata m Illimitata m Sensibilità a disturbi ambientali Mediobassa Medio-bassa Medio-bassa Media Onde indagate S HV (S HH ) S VH S VH R (S) 66 18

19 MISURE SISMICHE IN FORO E DI SUPERFICIE (SASW) CONFRONTO TRA LE PRINCIPALI CARATTERISTICHE CH DH SVLM SASW Necessità di orientazione dei ricevitori Volume campionato con singolo impulso Attenuazione vibrazioni con profondità Rifrazione delle onde Capacità di risoluzione NO Sì Sì NO Costante Variabile Costante Variabile NO Sì NO Sì Possibile Inevitabile Possibile Inevitabile Alta Media Alta Medio-bassa Costo di esecuzione Alto Medio Medio Basso Difficoltà d'interpretazione Media Media Media Alta 67 19