La caratterizzazione geotecnica dei terreni sotto azioni dinamiche con prove in sito e di laboratorio. GEOFLUID 2012 Piacenza, 6 Ottobre 2012

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1 La caratterizzazione geotecnica dei terreni sotto azioni dinamiche con prove in sito e di laboratorio Le prove in sito: tecniche sperimentali e risultati tipici Prof. Ing. sebastiano.foti@polito.it

2 Metodi Sismici (Geofisici) Le prove in sito: tecniche sperimentali e risultati tipici Scopo: stima in sito del profilo di V S ( G 0 ) Metodi Invasivi Prove Cross-hole Prove Down-hole In foro SCPT-SDMT Metodi Non-Invasivi Prove sismica a rifrazione (onde SH) Analisi delle onde superficiali Metodi attivi (SASW, MASW) Metodi passivi (fk, SPAC, ReMi, H/V)

3 Cross-Hole (standard ASTM D-4428-M) Le prove in sito: tecniche sperimentali e risultati tipici Acquisitore Sorgente onde P o onde S Geofoni 3D - 2 o 3 fori rivestiti e cementati con controllo verticalità (costi ) Fonti di errore: Rifrazione critica Accuratezza del segnae di Trigger Verticalità foro (after Santamarina and Stokoe, 2000)

4 Prove Cross-Hole (Pisa) Le prove in sito: tecniche sperimentali e risultati tipici 0 Velocità di Propagazione [m/s] Prova Cross- Hole Profondità [m] Vs Vp

5 Cross-Hole: Rifrazioni da bruschi contrasti d impedenza D V S1 diretta sorgente rifratta V S2 > V S1 H ricevitore Conseguenza: sovrastima di V S1 Necessita di progettare adeguatamente la prova in considerazione della geologia locale (scelta D) Usualmente D=3-5m

6 Down-Hole Un solo foro; minore sensibilità verticalità foro di sondaggio P SH acquisitore limitazione a profondità di 50-60m geofono tridimensionale Metodi di interpretazione Metodo tempi intercetti Metodo true interval Inversione dei tempi di primo arrivo con raggi sismici curvi

7 Prova Down Hole d Le prove in sito: tecniche sperimentali e risultati tipici Tempo di primo arrivo 2 d + z 2 z V 1 1 t corr = t mis d 2 z + z 2 profondità V 2 1

8 Down Hole Due ricevitori (true interval) acquisitore geofoni tridimensionali V = z t corr Analoga interpretazione con successive posizioni singolo geofono (pseudo-interval): fortemente sconsigliata

9 Down-Hole: esempio Le prove in sito: tecniche sperimentali e risultati tipici Confronto diverse interpretazioni sullo stesso dataset acquisitore geofoni tridimensionali

10 Blind test Corea: acquisizioni stesso foro [Kim et al. 2012]

11 Blind test Corea Interpretazione tempi intercetti [Kim et al. 2012]

12 Blind test Corea interpretazione con raggi curvilinei [Kim et al. 2012]

13 Cono sismico (SCPT) Dilatometro sismico (SDMT) - molto efficiente (no fori sondaggio) Le prove in sito: tecniche sperimentali e risultati tipici - ottimo accoppiamento geofono-terreno -- stesse limitazioni CPT/DMT -( esecuzione in preforo riempito di sabbia) -Relativamente poco utilizzate in Italia, meriterebbero maggiore attenzione (costi attrezzatura) SDMT: trasmissione del segnale digitalizzato (Marchetti et al., 2006) (

14 Cono sismico (SCPT) Le prove in sito: tecniche sperimentali e risultati tipici (Mayne, 2007)

15 Dilatometro sismico (SDMT) Le prove in sito: tecniche sperimentali e risultati tipici (Marchetti et al., 2006)

16 Metodi Geofisici Metodi Invasivi Prove Cross-hole Prove Down-hole In foro SCPT-SDMT Metodi Non-Invasivi Prove sismica a rifrazione (onde SH) Analisi delle onde superficiali Metodi attivi (SASW, MASW) Metodi passivi (fk, SPAC, ReMi, H/V)

17 Sismica a rifrazione Onde P: risoluzione influenzata dalla falda (ok per localizzazione substrato roccioso) Limitazioni intrinseche: strati nascosti ed inversioni velocità

18 Onde SH Rifrazione migliore definizione stratigrafica (no interferenza con falda) stima del modulo G 0 Energizzazione piu complessa (necessità di adeguata zavorra per trasmettere energia sufficiente) Sismogramma SH Interpretazione standard Migliore risoluzione (lunghezze d onda minori)

19 Sismica a rifrazione Le prove in sito: tecniche sperimentali e risultati tipici Rifrazione per onde SH 0 Vs (m/sec) Castelnuovo Garfagnana Progetto VEL (Regione Toscana) profondità (m) prova SASW down-hole rifrazione Sh (Foti et al., 2002)

20 Strati Nascosti Inversione di velocità (strato lento ) V 1 V <V 2 1 V 3 Tempo t dirette (V1) Distanza x arrivi dallo strato 3 (V3) V2) (da Reynolds, 1997)

21 Strati Nascosti Distanza x arrivi dallo strato 2 (V2) arrivi dallo strato 3 (V3) V 1 V 2 V 3 (da Reynolds, 1997) dirette (V1) Tempo t arrivi dallo strato 2 (V2) Distanza x arrivi dallo strato 3 (V3) arrivi dallo strato 2 (non campionati) dirette (V ) 1 Tempo t V 1 V 2 V 3 Distanza x

22 Sismica a rifrazione: caso di studio Foti et al., 2003

23 Prove basate sulla propagazione di onde superficiali (SWM) Tecniche Attive Multistation (f-k, τ-p, MASW, CSW,...) Two-station (SASW) n Tecniche passives Spatial Array SPAC, ESAC, f-k (FBDF, Capon, Music, ) Linear array (ReMi) n?

24 Dispersione geometrica Le prove in sito: tecniche sperimentali e risultati tipici Onde armoniche V R? V S1 V S2 V S3 Frequency f Curva di Dispersione Sperimentale PROBLEMA INVERSO

25 Il problema inverso Le prove in sito: tecniche sperimentali e risultati tipici Obiettivo: trovare i parametri di modello tali da minimizzare la differenza tra curve di dispersione sperimentale e numerica H 1 =? Vs 1 =? H 2 =? Vs 2 =? H 3 =? Vs 3 =? Vs =? Strati piani e paralleli omogenei lineari elastici phase velocity, m/s Usualmente ν i e ρ i sono fissate a-priori (attenzione alla posizione della falda!) frequency, Hz sperimentale numerica

26 Casi di Studio: Pisa Le prove in sito: tecniche sperimentali e risultati tipici V S, m/s velocità di fase, m/s frequenza, Hz sperimentale numerica profondità, m SASW CHT (Foti, 2003)

27 Risoluzione spaziale delle prove SWM Prove nelle Ghiaie di Messina (Ponte sullo Stretto di Messina Blocco di ancoraggio lato Sicilia) (Jamiolkowski et al., 2008)

28 Non unicità della soluzione Inversione con metodo Monte Carlo Profili Equivalenti Le prove in sito: tecniche sperimentali e risultati tipici (Foti et al., 2007)

29 Accuratezza ed incertezza della stima di V S,30 (Comina et al., 2011)

30 Blind test - Corea Le prove in sito: tecniche sperimentali e risultati tipici [Kim et al. 2012]

31 Profondità d indagine prove SWM Dipendenza del risultato dalla massima lunghezza d onda disponibile nel dato sperimentale λ Max = 160 m λ Max = 45 m λ Max = 30 m [Foti et al. 2012] [Kim et al. 2012]

32 Criteri di verifica delle prove SWM Corrispondenza curva dispersione numerica-sperimentale Congruenza profondità raggiunta range frequenze (z max ½-1/3 λ max ) V S [m/s] Velocità di fase onde R [m/s] λ max VR 620sperimentale m s = = 70m zmax 35m f 8.5 Hz numerica f max Profondità [m] frequenza [Hz] 35

33 Integrazione Attive-Passive Le prove in sito: tecniche sperimentali e risultati tipici Passive Attive V R Curva di dispersione Passive Attive V S ω Inversione Attive Passive Z

34 PIANOLA Sondaggio e prove DH - SDMT (maggio 2009) Velocità delle onde di taglio, Vs (m/s) MASW ( 1 ) MASW ( 2 ) DH SDMT Limo argilloso Sabbia, sabbia limosa 20 Profondità, z (m) Limo argilloso, argilla limosa

35 ReMi (Refraction Microtremors) = Prove Passive con ricevitori allineati Ipotesi di base: distribuzione spaziale uniforme delle sorgenti di vibrazione (Louie, 2001) Seismograph Sismografo o analizzatore Signal di Analyzer segnali Geofoni Low frequency verticali a vertical bassa frequenza geophones n X X (Stephenson et al., 2005)

36 Prove Passive Esempio: La Salle Disposizione dei geofoni (pianta) ReMi (pianta) λ apparent λ true v=f λ (Foti et al., 2007) λ apparent >λ true v apparent >v true

37 ReMi confronto su acquisizioni stesso sito (Cox and Beekman, 2011)

38 Rapporto spettrale H/V (HVSR) Le prove in sito: tecniche sperimentali e risultati tipici Misure di rumore (sensore 3 componenti) Rapporto in frequenza tra componente verticale e componente orizzontale (Albarello, 2011)

39 Inversione H/V Ricostruzione del campo d onda associato ad una data stratigrafia. Tuttavia queste interpretazioni presentano una marcata molteplicità di soluzioni. Per esempio, ad una stessa curva HVSR possono corrispondere diversi possibili profili di velocità (Albarello, 2011)

40 Commenti prove H/V Utili per: Valutazione frequenza di risonanza Informazioni aggiuntive per vincolare inversione SWM Valutazione delle variazioni laterali Validazione del modello geotecnico-sismico Studi a scala territoriale Poco affidabili per: Valutazione del profilo di V S Valutazione della V S,30

41 Considerazioni conclusive Le prove in sito: tecniche sperimentali e risultati tipici Conoscenza delle limitazioni Necessità di elevare gli standard di qualità nella professione (associata al riconoscimento di un costo ragionevole) Promozione della buona pratica anche con esercizi di blind test Verifica dei metodi Verifica dell operatore