ESECUZIONE DI UNA PROVA PENETROMETRICA STATICA CON PIEZOCONO SISMICO

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1 ESECUZIONE DI UNA PROVA PENETROMETRICA STATICA CON PIEZOCONO SISMICO INTRODUZIONE La seguente relazione descrive l esecuzione di un prova penetrometrica statica con piezocono sismico eseguita nel mese di dicembre Vengono presentati la strumentazione utilizzata, le modalità esecutive della prova, l analisi e la elaborazione dei dati acquisiti nonché l utilizzo di tali elaborati a fini geotecnici. Il piezocono sismico consiste fondamentalmente in una punta penetrometrica elettrica standard con trasduttore di pressione piezometrico (piezocono) per la misura dei tradizionali valori di resistenza alla punta q c, resistenza di attrito laterale f s e pressione neutra U, nella quale sono stati incorporati tre geofoni disposti secondo i tre assi X, Y e Z per il rilievo delle vibrazioni sismiche generate artificialmente sul terreno. La prova penetrometrica sismica (SCPTU) consiste essenzialmente nell infissione nel terreno di tale piezocono e procede con il normale avanzamento della punta a velocità costante di 2 cm/s per la misura dei valori di q c, f s e U, venendo arrestata a profondità prestabilite per effettuare l acquisizione sismica. IL PIEZOCONO SISMICO Il cono sismico TP CPT SISMI impiegato per l esecuzione di questa prova in situ è il piezocono TECNO PENTA TP CPL2IN che presenta caratteristiche standard secondo le normative vigenti: AGI (1977) Raccomandazioni sulla programmazione ed esecuzione delle indagini geotecniche.

2 ASTM D Standard test method for mechanical cone penetration tests of soil ISSMFE (1988) Technical Committee on Penetration Testing, Cone Penetration Test (CPT): International reference test procedure. Ad esso, nella parte sommitale della sonda, è stato aggiunto un manicotto di 49 mm di diametro contenente tre geofoni con frequenza naturale di 4.5 Hz: due di tipo orizzontale disposti lungo le direzioni ortogonali X e Y ed un terzo di tipo verticale disposto lungo la direzione Z. Dal momento che le aste standard utilizzate per le prove penetrometriche, a sezione circolare, non permettono il mantenimento di una orientazione nota, l utilizzo di due geofoni orizzontali posti l uno ortogonale all altro permette di acquisire comunque un segnale significativo dell onda sismica di taglio S trasmessa attraverso il terreno. IL SISMOGRAFO da: Il sistema di acquisizione sismico è il sismografo TECNO PENTA 10 LOG 16 AD costituito un computer PC 104 con CPU da 300 MHz o superiore ed autonomia con la sola batteria interna di circa 4 ore; il sistema operativo è Windows 98 e la macchina è in tutto e per tutto utilizzabile come un normale PC disponendo di un Hard-Disk da 20 GB o superiore, 1 presa USB, 1 presa COM (RS232), 1 presa LAN 10/100; scheda di acquisizione TP-10-16AD che dispone di 16 canali analogici ed una velocità massima di campionamento di 330 KHz;

3 software EOLO che permette di memorizzare e salvare i dati provenienti dai 16 canali analogici della scheda TP-10-16AD; permette di impostare in modo flessibile i sensori e di eseguire l acquisizione di fenomeni a seguito di un segnale di interrupt esterno; esegue rapidamente la graficazione dei fenomeni e il salvataggio dei dati avviene in formato testo compatibile con MS-Excel e in formato SEG-Y compatibile con i maggiori software commerciali di elaborazione sismica. IL SISTEMA DI ENERGIZZAZIONE L energizzazione del terreno, per generare le onde sismiche, avviene a piano campagna con due differenti sistemi che permettono rispettivamente di meglio individuare, nel segnale sismico registrato, le onde compressionali P e le onde di taglio S. Il primo consiste in una piastra circolare di diametro di 300 mm posta a diretto contatto col terreno e colpita con una mazza di 7 kg di peso in modo da ottenere un impulso verticale sul terreno che generi prevalentemente onde compressionali P. Il secondo consiste invece in una pesante traversina di legno alla cui terminazione sono poste due piastre di ferro colpite con una mazza di 18 kg di peso sostenuta da un particolare supporto ed azionata tramite un sistema a pendolo che permette una buona ripetibilità di energizzazione (il colpo viene ripetuto in fasi successive su entrambe le terminazioni della traversina per ottenere in tal modo due segnali con opposta polarizzazione). Tale sistema permette di generare preferenzialmente onde di taglio di larga ampiezza con poca o nessuna componenete compressionale. I punti di energizzazione sono stati posti ad una distanza non superiore ai 3.00 metri dalla verticale di prova.

4 MODALITA ESECUTIVE DI UNA PROVA PENETROMETRICA SISMICA La prova SCPTU è stata spinta fino alla profondità di m da p.c. e l acquisizione dati è iniziata a partire da 4.00 m di profondità. La prova è stata condotta seguendo le normative tecniche standard di una prova penetrometrica statica elettrica con piezocono ed è stata arrestata alle profondità di 7.00, 8.00, 15.50, e metri di profondità per effettuare l acquisizione dati ai tre geofoni incorporati nel piezocono. Durante l energizzazione del terreno le aste sono state svincolate dal penetrometro in modo tale che le vibrazioni dell autocarro non potessero trasmettersi ai geofoni attraverso le aste di perforazione. Ad ogni profondità stabilita l energizzazione del terreno è quindi avvenuta con i sistemi sopradescritti. L energizzazione è stata ripetuta più volte per assicurarsi che ogni registrazione erronea fosse individuata ed eliminata, ed almeno quattro segnali, ad ogni profondità di acquisizione, sono stati salvati per la successiva elaborazione. ANALISI DEI SEGNALI ED ELABORAZIONE DATI L elaborazione dei dati avviene rappresentando graficamente ed analizzando ogni singolo segnale dinamico registrato dai tre geofoni.

5 La elaborazione dei segnali avviene generalmente attraverso una prima operazione di stacking ovverosia la somma dei segnali di ogni singolo geofono per meglio amplificare il segnale soprattutto alle maggiori profondità dove i segnali rilevati dai geofoni sono più deboli. Successivamente all operazione di stacking si individua sui sismogrammi il tempo di arrivo delle onde P ed S (picking) eventualmente, se necessario, operando un semplice filtraggio passa basso del segnale per eliminarne le alte frequenze. Per quanto riguarda la determinazione del tempo di arrivo delle onde P per la prova realizzata a Noventa di Piave sono stati presi in considerazione i sismogrammi registrati dal geofono Z (cioè disposto verticalmente) energizzando il terreno con impulso verticale su piastra circolare. In figura 1 vengono riportati come esempio i sismogrammi registrati alla profondità di 7.00 metri dai geofoni X (traccia rossa), Y (traccia nera) e Z (traccia blu) ottenuti energizzando il terreno con impulso verticale su piastra circolare. FIG. 1 In figura 2 vengono riportati invece i sismogrammi di due segnali registrati alla profondità di 8.00 metri dal geofono Z ottenuti sempre energizzando il terreno con impulso verticale su piastra circolare.

6 FIG. 2 In figura 3 si possono osservare i segnali (una volta operato stacking e filtraggio) registrati dal geofono Z alle profondità di 7.00 (traccia nera), 8.00 (traccia rossa), (traccia blu), (traccia verde), (traccia gialla) metri. FIG. 3 Per la determinazione quindi dei tempi di arrivo delle onde P sono stati quindi utilizzati i sismogrammi registrati dal geofono Z energizzando il terreno con un colpo di mazza sulla piastra circolare. Per quanto riguarda invece l individuazione del tempo di arrivo delle onde S sono stati utilizzati i sismogrammi registrati dai geofoni X e/o Y a seconda della migliore orientazione dei due geofoni orizzontali stessi.

7 Inoltre si sono registrati i segali ottenuti energizzando il terreno con un impulso di taglio con il sistema precedentemente descritto che permette di ottenere, per ogni geofono orizzontale, due segnali con opposta polarzizzazione per meglio individuare il tempo di arrivo (picking) grazie al sistema del cross-over (sovrapposizione di due segnali con opposta polarizzazione). Le figure seguenti (FIG. 4, 5 e 6) rapprensentano i segnali con opposta polarizzaione registrati a diverse profondità (7.00, 8.00 e metri) dal geofono orizzontale X dove bene si individua l arrivo delle onde di taglio S. FIG. 4 FIG. 5

8 FIG. 6 L elaborazione di tali segnali sismici permette l individuazione dei tempi di arrivo alle varie profondità delle onde P e S e quindi di calcolare le rispettive velocità (V p - V s ) di propagazione nel terreno. Come è possibile osservare nelle seguenti tabelle l acquisizione sismica è stata effettuata alle profondità di 7.00, 8.00, 15.50, e metri di profondità. E stato quindi possibile calcolare la velocità media delle onde P e S dei terreni attraversati alle varie profondità e la velocità delle onde per ogni strato di terreno considerato. Di seguito vengono riportati i grafici della prova penetrometrica con i valori di resistenza alla punta q c, resistenza di attrito laterale f s, pressione neutra U, tempi di arrivo delle onde P e S, velocità media ad ogni profondità di acquisizione sismica e velocità per ogni strato considerato; vengono inoltre riportate le tabelle di calcolo delle velocità V p e V s e dei moduli elastici ricavati dai valori di V p e V s.

9 PROVA PENETROMETRICA STATICA ELETTRICA CON PIEZOCONO SISMICO TABELLA DI CALCOLO VELOCITA' ONDE P UNINGEO piezocone depth seismic data acquisition depth distance source P- wave - triaxial geophone (L) arrival time P- wave (t) Vp to travel L L2 - L1 t2 - t1 Vp for each level (L2 - L1)/(t2 - t1) m m m s m/s m s m/s

10 PROVA PENETROMETRICA STATICA ELETTRICA CON PIEZOCONO SISMICO TABELLA DI CALCOLO VELOCITA' ONDE S UNINGEO piezocone depth seismic data acquisition depth distance source S- wave - triaxial geophone (L) arrival time S- wave (t) Vs to travel L L2 - L1 t2 - t1 Vs for each level (L2 - L1)/(t2 - t1) m m m s m/s m s m/s Vs30= 242

11 PROVA PENETROMETRICA STATICA ELETTRICA CON PIEZOCONO SISMICO COMMITTENTE CANTIERE UNINGEO CPT N SCPTU 04 PROF. FALDA (m da p.c.) QUOTA p.c. (m s.l.m.m.) DATA 16/12/05 PREFORO (m da p.c.) TIPO PUNTA TP CPL2IN - n matr NOTE q c (MPa) f s (MPa) U (MPa) Tempo di arrivo onde P e S (s) Profondità (m)

12 PROVA PENETROMETRICA STATICA ELETTRICA CON PIEZOCONO SISMICO COMMITTENTE CANTIERE UNINGEO CPT N SCPTU 04 PROF. FALDA (m da p.c.) QUOTA p.c. (m s.l.m.m.) DATA 16/12/05 PREFORO (m da p.c.) TIPO PUNTA TP CPL2IN - n matr NOTE 0 q c (MPa) f s (MPa) U (MPa) Vp - Vs percorrenza L (m/s) Profondità (m)

13 PROVA PENETROMETRICA STATICA ELETTRICA CON PIEZOCONO SISMICO COMMITTENTE CANTIERE UNINGEO CPT N SCPTU 04 PROF. FALDA (m da p.c.) QUOTA p.c. (m s.l.m.m.) DATA 16/12/05 PREFORO (m da p.c.) TIPO PUNTA TP CPL2IN - n matr NOTE 0 q c (MPa) f s (MPa) U (MPa) Vp - Vs (m/s) Profondità (m)

14 PROVA PENETROMETRICA STATICA ELETTRICA CON PIEZOCONO SISMICO TABELLA DI CALCOLO MODULI ELASTICI UNINGEO Density Shear modulus Poisson's ratio Young's modulus STRATO Vp Vs r G max = m s E m m m/s m/s t/m 3 MPa MPa E E E E E E E E E E+04

15 AZIONE SISMICA La prova penetrometrica sismica appena descritta permette, con riferimento al D.M. del 14 settembre 2005 Norme tecniche per le costruzioni e all O.P.C.M. del 20 marzo 2003 n 3274 Primi elementi in materia di criteri generali per la classificazione sismica del territorio nazionale e di normative tecniche per le costruzioni in zona sismca, di valutare le caratteristiche geologiche e geotecniche del sottosuolo costituente l area di progetto in relazione all azione sismica generata dal moto non uniforme del terreno di sedime per effetto della propagazione delle onde sismiche. CLASSIFICAZIONI La determinazione della velocità media di propagazione delle onde sismiche di taglio entro i metri di profondità (V s30 = 240 m/s) permette di classificare il terreno di fondazione, secondo le normative sopra menzionate, nella categoria C: depositi di sabbie e ghiaie mediamente addensate, o di argille di media consistenza, con spessori variabili da diverse decine fino a centinaia di metri, caratterizzati da valori di V s30 compresi tra 180 m/s e 360 m/s. Ai fini della valutazione dell azione sismica il territorio nazionale è stato suddiviso in zone sismiche ciascuna individuata secondo i valori di accelerazione di picco orizzontale del suolo (a g ) con probabilità di superamento pari al 10% in 50 anni. Il comune è classificato ZONA 3, con valore di accelerazione orizzontale con probabilità di superamento pari al 10% in 50 anni a g = 0.05g 0.15g ed un valore di accelerazione orizzontale massima convenzionale su di un suolo di categoria A, a g = 0.15g. SUSCETTIBILITA ALLA LIQUEFAZIONE Secondo le normative di riferimento il termine liquefazione denota una diminuzione di resistenza al taglio e/o rigidezza causata dall aumento di pressione interstiziale in un terreno saturo non coesivo durante lo scuotimento sismico, tale da generare deformazioni permanenti significative o persino l annullamento degli sforzi efficaci nel terreno.

16 Deve essere verificata la suscettibilità alla liquefazione quando la falda freatica si trova in prossimità della superficie ed il terreno di fondazione comprende strati estesi o lenti spesse di sabbie sciolte sotto falda, anche se contenenti una frazione fine limo-argillosa. Nel caso di edifici con fondazione superficiali, la verifica della suscettibilità alla liquefazione può essere omessa se il terreno sabbioso saturo si trova a profondità superiore a 15 metri dal piano campagna. Si può inoltre trascurare il pericolo di liquefazione quando S a g < 0.15g e, al contempo, la sabbia in esame soddisfi almeno una delle condizioni seguenti: - contenuto in argilla superiore al 20% con indice di plasticità > 10; - contenuto di limo superiore al 35% e resistenza N 1 (60) > 20; - frazione fine trascurabile e resistenza N 1 (60) > 25; dove N 1 (60) è il valore di resistenza penetrometrica N SPT misurato nella prova Standard Penetration Test, normalizzato ad uno sforzo efficace di confinamento di 100 kpa e ad un fattore di rendimento energetico 0.6 nell esecuzione della prova. Il parametro S è un fattore che tiene conto del profilo stratigrafico del suolo di fondazione e che per un terreno di categoria C, per la componente orizzontale dello spettro di risposta elastico, vale Sebbene il prodotto S a g, considerando un valore medio di a g = 0.10g, sia inferiore a 0.15g viene effettuata in ogni caso una verifica della suscettibilità alla liquefazione. La prova penetrometrica SCPTU 04 evidenzia, infatti, la presenza di uno strato di terreni non coesivi costituito da sabbie più o meno limose da 1.70 a 5.50 metri di profondità, limi argillosi e sabbiosi da 5.50 a 6.30 metri ed infine sabbie limose da 6.30 a 6.50 metri. Tali terreni si trovano nei primi metri di profondità dal piano campagna, sono sotto falda (il cui livello è stato misurato a 1.40 metri di profondità), quindi saturi, presentano bassi valori di resistenza alla punta q c (10 35 kg/cm 2 per le sabbie limose presenti da 1.70 a 5.50 metri di profondità e kg/cm 2 per i limi sabbiosi e argillosi) e basse velocità di propagazione delle onde sismiche (V p = 590 m/s e V s = 160 m/s).

17 Inoltre una preliminare identificazione dei terreni suscettibili a liquefazione può essere anche effettuata utilizzando il grafico di classificazione dei terreni per prove penetrometriche statiche elettriche nel quale P.K. Robertson e R.G. Campanella (Liquefaction potential of sands using the CPT, 1985) propongono una zona di terreni liquefacibili. Nella seguente figura vengono rappresentati, nel grafico appena descritto, i terreni presenti da 1.70 a 6.50 metri di profondità. La suscettibilità alla liquefazione viene valutata con una procedura proposta da R.D. Andrus, K.H. Stokoe e R.M. Chung (Draft guidelines for evaluating liquefaction resistance using shear wave velocity measurements and simplified procedures, 1999) basato sull utilizzo della misura della velocità di propagazione delle onde di taglio S. Tale metodo si basa fondamentalmente sul calcolo del rapporto CSR (cyclic stress ratio) che rappresenta lo sforzo di taglio indotto dal sisma: CSR = t an /s n = 0.65 (a max / g) (s n /s n ) r d

18 t an = media equivalente dello sforzo uniforme di taglio generato dal terremoto, assunto essere 0.65 dello sforzo massimo indotto; a max = accelerazione di picco orizzontale della superficie del suolo; s n = pressione verticale efficace alla profondità considerata; s n = pressione verticale totale alla profondità considerata; g = accelerazione di gravità; r d = coefficiente di riduzione dello sforzo di taglio funzione della profondità, e del rapporto CRR (cyclic resistance ratio) che rappresenta la resistenza al taglio dei terreni considerati sottoposti a stress sismico: CRR = {a (C V S1 /100) 2 + b [(1/V * S1-V S1 ) (1/V * S1)]} MSF V S1 = velocità delle onde di taglio corretta; V * S1 = valore limite superiore di V S1 perché avvenga la liquefazione; C = fattore di correzione per valori elevati di V S1 dovuti a cementazione, età e pressione dei pori negativa; MSF = fattore di scala della magnitudo; a, b = parametri di forma della curva. Può essere quindi calcolato un fattore di sicurezza FS = CRR/CSR per cui un terreno può essere considerato suscettibile a liquefazione se il rapporto è minore di 1. Introducendo quindi i valori ottenuti dalla elaborazione della prova penetrometrica nelle relazioni sopra descritte è stato possibile valutare come suscettibili a liquefazione i terreni presenti da 5.00 a 6.40 metri di profondità per un evento sismico di magnitudo gradi della scala Richter.