2. LA PROSPEZIONE GEOFISICA: MODELLO

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2 INDICE 1. PREMESSA 2 2. LA PROSPEZIONE GEOFISICA: MODELLO DI CARATTERIZZAZIONE FISICO-DINAMICA DELL AMMASSO ROCCIOSO IN PROSSIMITA DELL INTERSEZIONE CANALE DEVIATORE-SP

3 1. PREMESSA Il report in dissertazione possiede i caratteri di documento di sintesi di una serie di accertamenti e rilievi a carattere geognostico e geofisico, segnatamente programmati ed eseguiti per l ottimizzazione del modello geolitologico e di caratterizzazione fisico-elastica e fisico dinamica. L attuazione del programma di intervento suppletivo di accertamento geognostico-geofisico è stata esperita in virtù di una specifica richiesta dell Autorità di Bacino, all interno di una articolato elenco di integrazioni di elementi di completamento finalizzati al Progetto Definitivo in titolazione. Per quanto concerne gli elementi a carattere geotematico, in questo report inseriti come risultanze di appositi rilievi, si sottolinea il carattere di condivisione con la struttura tecnica dell AdB Puglia, verificata mediante una serie di attività prodromiche. La pianificazione delle attività, fondata sull approfondimento del modello geolitologico e geostrutturale, in modo precipuo focalizzando l ottimizzazione delle informazioni in prossimità della location dell attraversamento del canale deviatore con la S.P.131, è stata strutturata sulla tipologia dell informazione suppletiva richiesta e sulle metodiche che meglio avrebbero consentito risultanze di informazione utili alla definizione di parametrizzazioni fisico-dinamiche. Talché, nello specifico, sono state pianificate attività geofisiche (con sviluppo di metodiche variegate, per mitigare il principio di equivalenza delle indagini indirette: profilo sismo-stratigrafico, profili verticali MASW e profilo sismico down-hole nel foro appositamente terebrato, con correlazione di dati litostratigrafici e fisicoelastici). La struttura del report, in modo palese, richiama principi cardine del modello geolitologico già illustrato nell apposito report di consulenza geotematica contenuto negli elaborati di progetto definitivo. Pertanto, le risultanze delle indagini 2

4 in argomento devono essere riferite agli aspetti morfostrutturali (solo apparentemente blandi e poco rilevabili), ritenuti condizionanti l assetto geostrutturale dei terreni e, quindi, direttamente considerati in fase di analisi e valutazione tanto della risposta fisico-elastica dei terreni, quanto della parametrizzazione geomeccanica. Il riferimento all elemento morfodrologico della Lama S.Giorgio (in cui sarà convogliata la portata del deviatore) è sostanziale; talché l analisi territoriale condotta (fortemente basata su analisi cartografica comparata: topografia IGM [anni 60]; CTR Regionale [ 80]; fotogeologia stereoscopica [ 75]; aerofotogrammetria [ 95]; ortofotocarte [ 06]) ha fornito elementi palesemente utili ai fini dei complementi alla pianificazione oggetto precipuo della presente relazione di consulenza -. Ai fini di una analisi geostrutturale comparativa, sono stati considerati livelli informativi in ingresso, rappresentativi dei casi estremi di geostruttura-tipo (non interagente con elementi morfoidrologici e, caso opposto, pesantemente interagente con l elemento morfoidrologico), sono riferiti all area (poche decine di metri a NNW della specifica intersezione Canale deviatore-sp131) di Lottizzazione D1 Piani di Insediamento Produttivi (completivi di dati litostratigrafici in sezioni geostrutturali, dati idrogeologici-pozzi, sezioni in open-cut) e, caso di maggiore interazione con l elemento morfoidrologico, dati geostrutturali e litostratigrafici riferiti alla fase di edificazione dei capannoni industriali. Il rilevamento morfo-strutturale esperito è stato precipuamente mirato anche alla verifica delle eventuali condizioni di compromissione geostrutturale che potessero essere attivate dalla realizzazione delle opere in progetto, ovvero consentire di esprimere ponderate valutazione circa la compatibilità geomorfologica ai sensi dell art.89 del DPR n.380, stante la nuova classificazione sismica e le note zonizzazioni previste dall OPCM , n.3519, Criteri generali per l individuazione delle zone sismiche (Nota esplicativa dell Ordinanza del Presidente del Consiglio dei Ministri n.3274 del , recante Primi elementi in materia di criteri generali per la classificazione sismica del territorio nazionale e di normative tecniche per le costruzioni in zona sismica ). 3

5 2. LA PROSPEZIONE GEOFISICA: MODELLO DI CARATTERIZZAZIONE FISICO-DINAMICA DELL AMMASSO ROCCIOSO IN PROSSIMITA DELL INTERSEZIONE CANALE DEVIATORE-SP 131 La caratterizzazione dell ammasso roccioso, ai fini di un miglioramento della definizione degli elementi di valutazione delle condizioni geologiche del sito, ovvero del modello geologico di supporto alla fase di progettazione, è stata completata con i dati rivenienti dallo step geofisico appositamente programmato ed eseguito (cfr. Premessa) per l approfondimento illustrato in premessa. Sulla base delle risultanze della prospezione sismica esperita (peraltro in ottemperanza alle indicazioni di rilievo Vs30 presenti nell ordinanza di nuova zonazione sismica) si è potuto elaborare un modello completivo, geostrutturale e fisico-elastico, sufficiente per un analisi comparata. La precisa articolazione dele richieste di cui in premessa ha consentito di programmare una campagna di prospezioni geofisiche precipuamente mirata. Elaborazione di modelli geofisici inerenti la ricostruzione delle risposte fisicoelastiche lungo la verticale finalizzate all acquisizione dei profili verticali delle Vs30. Valutazioni della risposta sismo stratigrafica lungo un profilo, ovvero acquisizione degli elementi geofisici utili alla definizione del profilo stratigrafico del suolo di fondazione (elementi utili alla elaborazione della struttura). La programmata campagna di indagini geofisiche ha riguardato essenzialmente lo sviluppo del modello geologico, con implementazione dei livelli d informazione, proprio a seguito di rilevamento geologico-strutturale appositamente esperito (presente nel report di consulenza geologica). Come già in programma i rilievi sismostratigrafici (basati su modelli di velocità con sviluppo della prospezione con polarizzazione di onde di compressione e di onde di taglio; prospezioni che hanno consentito di apprezzare l assetto sismostratigrafico dei terreni fino ad una profondità di circa 20m dal piano campagna) sono stati implementati con rilievi geosismici eseguiti con tecnica 4

6 MASW, stante l assetto geostrutturale dei terreni soprattutto per quanto concerne lo spessore dell ammasso alterato. Una primaria caratterizzazione verticale dei terreni è stata eseguita mediante l esecuzione di 2 prospezioni sismiche MASW lungo profili a rifrazione, utili alla definizione dello stato di dello stato di fratturazione/disarticolazione per i termini litoidi caratterizzanti la plaga dello spessore calcarenitico e l assise superiore del substrato calcareo-mesozoico. Inoltre, la definizione di profili verticali delle velocità delle onde sismiche, in particolare delle onde di taglio, sono risultate elemento molto utile per la definizione della risposta sismica di sito, così come previsto anche dalla recente normativa. A tale scopo, quindi, è stata eseguita un indagine sismica nota in letteratura come MASW finalizzata alla ricostruzione di profili delle velocità delle onde di taglio fino ad una profondità di circa 30 mt. Di contro, per quanto concerne la prospezione sismica a rifrazione superficiale, oltre all elaborazione tomografica per le onde P è stata eseguita anche un elaborazione finalizzata alla definizione di un profilo delle onde di taglio (S). Come già accennato oltre all elaborazione tomografica per le onde P, è stata effettuata un'ulteriore elaborazione su un sismogramma ottenuto da un punto d energizzazione posto ad una distanza prefissata dal primo geofono, sulla medesima base sismica utilizzata per le prospezioni sismiche a rifrazione (onde P). A tale scopo si è eseguita un analisi della dispersione delle velocità di fase delle onde di Rayleigh. I dati acquisiti dall elaborazione dei sismogrammi costituiscono i primi tempi d arrivo degli impulsi sismici longitudinali (onde di compressione) ai vari geofoni dello stendimento. Il metodo d interpretazione utilizzato è stato del tipo tomografico, che ha consentito di meglio mettere in evidenza eventuali variazioni laterali di velocità. Attraverso calcoli iterativi le dromocrone calcolate per ciascun modello vengono confrontate con le dromocrone reali. Il software determina, tramite un algoritmo ben noto, quella che è la soluzione ottimale, cioè quella che definisce le dromocrone calcolate che più si avvicinano a quelle reali. La bontà del modello dipende dalla geometria dello stendimento, dalle distribuzioni di velocità nel sottosuolo, dal numero e dalla 5

7 posizione dei punti d energizzazione (shots) utilizzati e dal grado di dettaglio (dimensioni delle celle) utilizzato per l elaborazione. Per quest ultimo motivo si è proceduto a vari tentativi d ottimizzazione, considerando varie dimensioni delle celle, fino ad ottenere lo scarto minimo tra i dati reali e quelli calcolati. I sismogrammi, quindi, sono stati oggetto di filtraggio per l eliminazione delle alte frequenze e depurati dalle onde di volume, al fine di ottenere dei picchi d'ampiezza nelle oscillazioni relative alle onde di superficie. Successivamente si è passato alla rappresentazione delle tracce sismiche su un diagramma che mette in relazione le frequenze con le velocità di fase. Su di esso si sono individuati, come zone di massime ampiezze, gli allineamenti attribuibili alle onde di Rayleigh di primo ordine modale, che definiscono le variazioni delle velocità di fase con la frequenza (o lunghezza d onda). Essendo la profondità di propagazione di questo tipo d onde dipendente dalla frequenza, è stato possibile correlare le velocità alle varie frequenze, con le profondità. Quest ultimo passo quindi, successivo alla definizione della curva di dispersione, si è ottenuto mediante un processo d inversione che ha condotto al risultato finale, costituito da un profilo verticale delle velocità delle onde trasversali (Vs) ubicato al centro della stesa di geofoni. La velocità di fase delle onde di Rayleigh (Vr), in un mezzo omogeneo, sono legate a quelle di volume dalla seguente relazione: Vr6 8Vs2 Vr4 + (24 16 Vs2 / Vp2) Vs4 Vr2 + (16 Vs6/Vp6 1) Vs6 = 0 In un mezzo non omogeneo le velocità delle onde di volume (Vp e Vs) variano con la profondità, le velocità di fase delle onde di Rayleigh mostrano velocità differenti per differenti valori di frequenza e sono fortemente legate ai valori delle velocità delle onde trasversali. Questo consente di passare, quindi, dai modelli frequenza/velocità di fase delle onde di Rayleigh a modelli monodimensionali Vs/profondità. Gli elaborati forniti contengono: la curva di dispersione della velocità di fase delle onde R in relazione alla frequenza; il profilo delle Vs al centro dello stendimento fino alla massima profondità di indagine; 6

8 la tabella dei valori di Vs per orizzonti omogenei di velocità; il valore medio delle Vs 30, pesato sugli spessori. Il primo grafico, a partire dallo spettro P-F, mette in relazione le frequenze contenute nel segnale registrato con il reciproco della velocità di fase e il rapporto spettrale: permette di riconoscere l energia delle Onde di Rayleigh e fissare i punti che rappresentano l andamento della curva di dispersione, funzione della distribuzione della velocità negli strati del sottosuolo. Nel grafico successivo invece è riportata la curva calcolata tramite l inversione di un modello di sottosuolo, ottenuto per affinamenti successivi da un modello iniziale, cercando ovviamente di trovare la migliore corrispondenza con i punti prima individuati. La figura successiva riporta il modello del sottosuolo in termini di strati con diversa velocità di propagazione delle Onde S. Pertanto sulla base delle indagini sismiche eseguite, considerando il profilo stratigrafico dell attuale piano campagna, è possibile calcolare il parametro Vs30, applicando l espressione riportata nel DM 14/01/2008: Vs, hi i i 1, N Vs, il quale risulta compreso fra m/s; di conseguenza si può caratterizzare il sito in esame in una delle categorie di suolo di fondazione che in tal caso nella Nuova Normativa Sismica, corrisponde ad un suolo di classe A, definito come (punto cap. 3 tabella 3.2 II del DM ): Ammassi rocciosi affioranti o terreni molto rigidi caratterizzati da valori di V s30 superiori a 800m/s, eventualmente comprendenti in superficie uno strato di alterazione, con spessore massimo pari a 3m. A fronte di tale esemplificazione è stato comunque elaborato un profilo sismo stratigrafico (di seguito inserito in scala ridotta, ma essenziale ai fini esemplificativi della caratterizzazione fisico-elastica, ovvero della potenza dei mezzi sismici 7

9 discretizzati sulla base sia dell analisi delle velocità di propagazione delle onde di compressione, sia delle onde trasversali) che appare congruo con le indicazioni già presenti, per la location in esame, nel modello geologico di riferimento annesso all apposito elaborato Relazione Geologica presente tra gli elaborati progettuali. In termini di valutazione delle caratteristiche fisico-dinamiche il modello appare congruo anche con le condizioni geostrutturali, nel seguito illustrate, a fronte di una apposita taratura a mezzo terebrazione di sondaggio geognostico, peraltro correlato ad un log sismico in foro. L irregolarità del rifrattore sismico che delimita il bottom della copertura sabbioso-calcarenitica è da considerarsi alquanto congruente con l assetto morfostrutturale dei terreni (cfr. azimuth profilo) consideranto gli effetti del drenaggio superficiale e della morfostruttura preesistente del substrato, ben rappresentati dagli attuali lineamenti del reticolo idrografico. La risposta sismica del mezzo sabbioso-calcarenitico è alquanto modesta; ma la fase di terebrazione ha palesato un alta frequenza di rinvenimento di passate di tufina e di intercalazioni limo-sabbiose. 8

10 MASW1 - RITORNO SISMOGRAMMA MEDIO E SPETTRO F-K 9

11 CURVA DI DISPERSIONE E PROFILO V S Vs30 = 989m/sec 10

12 MASW2 - ANDATA SISMOGRAMMA MEDIO E SPETTRO F-K 11

13 CURVA DI DISPERSIONE E PROFILO V S Vs30 = 1056m/sec 12

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15 Ai fini dell ottimizzazione del modello geofisico si è (come già introdotto) propeso per l esecuzione di una terebrazione di sondaggio geognostico (non certo per la ricostruzione delle condizioni litostratigrafiche (ben note nell assetto e nelle geometrie e potenze di strato), finalizzando il perforo all esecuzione di un log con tecnica Down-hole per la valutazione dell assetto geostrutturale. Sulla base dell interpretazione quantitativa delle dromocrone è stato possibile individuare un primo sismostrato con valori medi della velocità di propagazione delle onde P di m/s attribuibile alla presenza di terreno vegetale passante a depositi sabbioso-calcarenitici (eterometrici), passanti a depositi calcarenitici a luoghi degradati a luoghi massicci ma con sistema di lesioni, rilevato fino ad una profondità compresa fra 3, m; in successione un secondo sismostrato con valori medi della velocità di propagazione delle onde P >1550m/s, attribuibile alla presenza di un ammasso francamente litoide ma disarticolato. L estrapolazione tomografica, quale approccio metodologico, non ha consentito una differenziazione dell esigo lembo di deposito calcarenitico; il rifrattore sismico, di fatto, interpola una discontinuità non univocamente determinata (proprio in relazione all esiguo spessore del deposito calcarenitico relitto, nonché alle condizioni di alterazione di tale orizzonte calcarenitico). Prospezione sismica in foro DOWN-HOLE La tecnica del down-hole è stata eseguita per ricavare, ANCHE CON METODO IN FORO, il valore del VS30 e quindi per determinare la classe di appartenenza del terreno di fondazione secondo quanto è richiesto dalla normativa.. Tale tecnica, a differenza di quella MASW, poiché eseguita in un perforo, fornisce dati sismici con caratteristiche puntuali, ossia fornisce valori delle velocità sismiche di compressione e di taglio di maggiore dettaglio. 14

16 In questo modo le informazioni ricavate si riferiscono esclusivamente alla porzione di sottosuolo presente nelle immediate vicinanze del perforo all interno del quale è stata eseguita la prova. A tal fine è stata eseguita una prospezione sismica in foro (DOWN-HOLE1) in corrispondenza del sondaggio meccanico. La misura dei tempi di propagazione delle onde elastiche longitudinali (P) e trasversali polarizzate (S) è stata condotta in un foro di profondità pari a 30m, con diametro di 101mm (alesato a 127mm), appositamente rivestito con tubo in PVC da 80mm di diametro cementato sulle pareti del perforo con miscela di fanghi bentonitici. E opportuno specificare che l indagine sismica in foro non è stata eseguita fino alla profondità massima del perforo S1 ma a causa dell ostruzione dello stesso 15

17 negli ultimi 5m, la prospezione è stata espletata fino a 25.5m di profondità; pertanto il valore del V S30 è stato ricavato considerando l ultima velocità calcolata riferita fino a 30 metri di profondità. La prova è consistita nel calare nel foro la sonda contenente cinque geofoni (geofono tridimensionale) uno ad oscillazione verticale e quattro ad oscillazione orizzontale determinando, ogni metro e mezzo di profondità fino alla profondità suddetta, i tempi di propagazione secondo le tre componenti di registrazione. Il punto di energizzazione è stato posto ad off-set fisso a 3 m rispetto alla bocca del foro. Come sistema energizzante è stato utilizzato una massa battente del peso di 8Kg, la quale è sottesa da un piattello in acciaio di raggio r pari a 20cm posto sul piano campagna per quanto riguarda l acquisizione delle onde P, lo stesso viene posto trasversalmente al piano campagna a contrasto con una trave di legno per quanto riguarda l acquisizione delle onde S. Le oscillazioni sono avvenute in due direzioni opposte tra loro e quindi in verticale e in orizzontale ciascuna delle quali è stata recepita dai geofoni di competenza. Le amplificazioni del segnale di traccia sono state impostate partendo da 6dB per i primi 6 m. di profondità fino al massimo di 30dB a fondo foro, lasciando stabilire all esperienza dell operatore le profondità più idonee per i cambi dei guadagni. Per il sito in esame non è stato necessario utilizzare particolari accorgimenti sia durante l esecuzione del lavoro sia durante la fase di elaborazione. Dei dati raccolti in campagna sono stati in primo luogo calcolati i tempi di arrivo sia delle onde P che delle onde S mediante il programma Pickwin e poi successivamente sono state calcolate le velocità sismiche mediante un foglio di calcolo, nell ambito del quale sono stati, inoltre, ricavati i vari moduli elastici dell ammasso terroso con le relative rappresentazioni grafiche di alcuni di essi. 16

18 Per i valori ricavati dall indagine sismica in foro il sottosuolo dell area in esame è caratterizzata da un valore di V S30 pari a 867,8 m/s che permette di classificare il sottosuolo investigato come categoria A così come riscontrato con tecnica MASW. Come si evince dal confronto tra i valori di V S30 ricavati con l indagine MASW e i valori ricavati con l indagine sismica in foro vi è una leggera differenza; si registra, infatti, un minore valore con l indagine down-hole rispetto alla prospezione MASW sebbene la categoria di suolo rimane sempre la stessa. Tale differenza trova spiegazione in quanto sopra esposto a proposito delle caratteristiche proprie di ciascuna tecnica di investigazione. Correzione dei calcoli I tempi registrati di campagna (obliqui) sono stati corretti appositamente per riportarli alla verticale del foro, simulando cioè che essi vengano letti energizzando direttamente sul boccaforo. A tale fine viene usata una relazione del tipo : Tv = To cos [arctg( /h)] in cui Tv è il tempo verticale, To quello obliquo, è la misura dell'off-set e h è la profondità di seguito raggiunta dal geofono.l'osservazione della distribuzione dei tempi verticali porta alla scelta di una particolare famiglia di curve campioni generate da altrettante funzioni analitiche che danno conto della variazione della velocità istantanea in funzione della profondità: V = f(h) o del tempo verticale V = f(t). La distribuzione dei valori sperimentali di misura dei ritardi d onda riferiti sia alle onde P che alle onde S è stata studiata simulando un aumento regolare dei tempi e delle velocità in base alle funzioni (Evjien) : ( n 1) K Vo h V ( h) n 1 n 1 K h n n 1 ( t ) Vo n 1 V n K Vo t 17

19 Dalle curve campione elaborate con apposito programma, è stato possibile determinare i valori dei parametri K (incremento unità di velocità per unità di profondità), n (esponenziale della curva parametrica), Vo (velocità iniziale del primo strato) riguardanti le velocità longitudinali e trasversali caratterizzanti il sito investigato e che sono riportati nei tabulati allegati. I parametri calcolati con le funzioni analitiche, rendono conto dell'omogeneità teorica dei terreni interessati dalla misura. Le funzioni V(h) e V(t) calcolano le velocità (istantanee) ad incremento costante con la profondità ed il tempo verticale, simulando che i terreni siano perfettamente omogenei ed isotropi con caratteristiche elastiche che migliorano con l'aumento della profondità. Maggiore è lo scarto misurato tra i tempi in loco e quelli parametrici del modello e maggiore sarà la disomogeneità dei terreni sondati. Le variazioni medie intervallari delle velocità sismiche sono indicate in una rappresentazione grafica con colore blu le onde P e con colore rosso le onde S mentre in un altro grafico sono riportate le informazione sulle caratteristiche elastiche del terreno (rappresentazione grafica dell'andamento del modulo elastico di Poisson n, del modulo di taglio dinamico ) 18

20 TAB. 1 - VELOCITA' VERTICALI ED INTERVALLARI DELLE ONDE SISMICHE P ED S d z d/z alfa tp tv Vp intervallari Vp verticali ts tv Vs intervallari Vs verticali 3 1,5 2,0000 1,1071 3,22 1, ,28 2, ,0000 0,7854 3,94 2, ,46 5, ,5 0,6667 0,5880 4,38 3, ,16 6, ,5000 0,4636 5,11 4, ,64 8, ,5 0,4000 0,3805 5,76 5, ,78 10, ,3333 0,3218 6,55 6, ,33 11, ,5 0,2857 0,2783 7,21 6, ,95 13, ,2500 0,2450 7,37 7, ,19 13, ,5 0,2222 0,2187 8,23 8, ,38 15, ,2000 0,1974 9,06 8, ,14 16, ,5 0,1818 0, ,18 10, ,94 18, ,1667 0, ,79 10, ,87 19, ,5 0,1538 0, ,24 12, ,66 22, ,1429 0, ,08 12, ,91 23, ,5 0,1333 0, ,53 14, ,34 26, ,1250 0, ,29 15, ,31 27, ,1200 0, ,08 16, ,96 28, Nota: d, z sono espressi in m; t, tv sono espressi in msec; Vp, Vs sono espressi in m/sec d = distanza del punto sorgente dal perforo - z = profondità di posizionamento della sonda geofonica t = tempo di primo arrivo dell'onda sismica - tv = tempo di primo arrivo corretto in funzione della distanza d VS30= 867,811 m/sec 19

21 Modulo di Poisson σ TAB. 2 - CALCOLO DEI MODULI ELASTICI DINAMICI Densità Modulo di Modulo di Modulo Modulo naturale Young (E) Taglio (G) di Bulk di Young (g/cmc): MPa MPa (K) MPa Statico MPa Rigidità Sismica (Mg/m2*s) 0,32 1, ,31 1, ,30 1, ,30 1, ,30 1, ,30 1, ,32 1, ,32 1, ,30 1, ,31 1, ,30 1, ,29 1, ,29 1, ,29 1, ,28 1, ,27 1, ,28 1,

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