6a Prove in Sito (PI) AA-2012_13

8/20/2019 6a Prove in Sito (PI) AA-2012_13

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Le MISURE SISMICHE costituiscono un sottoinsieme delle tecniche geofisiche econsistono nel produrre un disturbo meccanico in un punto del terrenosor ente e nel monitorare il moto risultante determinato dalle conse uenti

prof. ing. Claudia MadiaiCorso di Ingegneria Geotecnica Sismica

PROVE IN SITO - MISURE SISMICHE

Le misure sismiche possono essere classificate come: attive (le onde vengono generate da una sorgente opportunamenteenergizzata durante la prova)

passive (viene utilizzato come sorgente il rumore ambientale di fondo)e :

onde sismiche generate, in uno o più punti circostanti (ricevitori )

non intrusive(quando sia la sorgente che i ricevitori sono ubicati insuperficie durante la prova)

intrusive(quando la sorgente o i ricevitori o entrambi sono ubicatiall’interno del terreno)

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TECNICHE GEOFISICHE

Misure sismiche Altri metodi geofisici

Intrusive Non Intrusive

Attive Attive Passive

MASWSASWRifr.(TS) Rifl.

Gravimetriche

Elettriche

Magnetiche V p V S

V S V P V S V P V SCSW V S V S

F-k V S

NASW

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DH CH SCPT(CH,DH)

SVLM SDMT

Foro

Elettromagn.Superficiali

mis. iretta m s. n re a me o

DH: Down-Hole; CH: Cross-Hole; SVLM: Suspension Velocity Logging Method; SCPT: Seismic Cone PenetrationTest; SDMT: Seismic Dilatometer Test; Rifr.: prova a rifrazione; Rifl.: prova a riflessione; TS: TomagrafiaSismica; SASW: Spectral Analysis of Surface Waves; CSW: Continuos Surface Waves; MASW: Multichannel

Analysis of Surface Waves; F-k: Frequecy-wave number; NASW: Noise Analysis of Surface Waves


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Vantaggi e svantaggi Le misure attive sono generalmente preferibili rispetto a quello passive per il



maggiore contenuto energetico della sorgente che consente di ottenere unarisposta del terreno più simile, in termini di ampiezza e contenuto in frequenza, aquella che si avrebbe in condizioni sismicheLe misure passive (microtremori) forniscono buoni risultati nel descrivere larisposta sismica di un terreno ma solo in termini di contenuto in frequenza, sonooperativamente più semplici e in alcuni casi anche più economiche.

’ di prefori o l’utilizzo di penetrometri; d’altra parte forniscono una stima dei

“parametri dinamici” più precisa con la profonditàLe misure non intrusive, sebbene più economiche, spesso richiedono un ingombrosuperficiale areale incompatibile con le caratteristiche del sito e forniscono risultatiattendibili limitatamente agli strati più superficiali.

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Le misure sismiche consentono di: Applicazioni



misurare direttamente la velocità di propagazione delle onde sismiche nelterreno (onde di volume P e S, onde superficiali di Rayleigh, etc.), da cui si ricavail valore iniziale del modulo di taglio, G0

ottenere indirettamente informazioni sulla stratigrafia di un deposito, la posizionedel bedrock e della falda

Tali misure possono essere dunque impiegate: per en caz one a gran e sca a e e con z on geomor o og c e,stratigrafiche e idrauliche del sottosuolo

nella definizione del modello geotecnico per problemi relativi a:- risposta sismica locale - liquefazione sismica - stabilità di pendii in condizioni sismiche - progettazione in aree sismiche (secondo le normative antisismiche)

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Come tutte le prove in sito, le misure sismiche presentano, rispetto alle provedinamiche in laboratorio, vantaggi e svantaggi.


MISURE SISMICHEPER LA CARATTERIZZAZIONE DINAMICA DEI TERRENI

congiuntamente permettono di ottenere una affidabile caratterizzazione meccanicadei terreni anche in campo dinamicoTra ivantaggi delle prove dinamiche in sito rispetto alle prove di laboratorio: maggiore rapidità ed economia caratterizzazione più continua delle proprietà geotecniche con la profondità esame di un volume maggiore di terreno maggiore affidabilità per la determinazione dei parametri di deformabilità a bassi

livelli deformativiTra glisvantaggi : le difficoltà nella definizione delle condizioni al contorno, delle condizioni didrenaggio e dello stato tensionale in sito rendono più incerta l’interpretazione deirisultati

l’esecuzione della prova stessa può introdurre ulteriori non controllabili fattori didisturbo che ne falsano l’esito 7 7

Ciascuna delle due classi di prove dinamiche (sito, laboratorio) esplora ilcomportamento del terreno in un particolare campo di deformazioni e di frequenze:


PROVE IN SITO E DI LABORATORIOPER LA CARATTERIZZAZIONE DINAMICA DEI TERRENI

Con prove dinamiche in sito si può determinare solo il modulo di taglio iniziale G0; con(diverse) prove dinamiche di laboratorio si può esplorare il comportamento da piccoledeformazioni a rottura.

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Il modulo di taglio iniziale G0 misurato in sito è sempre superiore a quello misurato inlaboratorio: le prove di laboratorio permettono di definire il modello di comportamentodinamico del terreno, ma, a causa del disturbo, non forniscono valori attendibili del modulodi taglio, che deve essere ricavato da prove in sito.


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Le prospezioni sismiche in sito si basano sui seguenti passi fondamentali:1. generazione di onde sismiche (di volume o di superficie) con una sorgente

polarizzata



. reg s raz one eg e e pro o con uno o p r cev or geo on3. interpretazione dei segnali registrati con individuazione dei tempi di arrivo

delle onde P, S ed R e quindi delle relative velocità di propagazione

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Non esistono al momento raccomandazioni che disciplinanoin toto le modalitàesecutive di questo tipo di prove (come accade invece per le prove geotecniche



ra z ona , a es. accoman az on , norme , e c.Per alcune si possono trovare capitolati o istruzioni tecniche di riferimento(SPEA, varie Amministrazioni Regionali, etc.) e singole norme ASTM (ad es. perla prova cross-hole)

Questo costituisce un serio problema specie considerando che:da un lato si tratta di prove specialistiche (che richiedono attrezzatureparticolarmente costose e manodopera altamente specializzata)dall’altro, specie negli ultimi anni, tali prove hanno trovato un’ampia diffusione,anche al di fuori del campo della ricerca, in ambito professionale, per la semprepiù crescente richiesta da parte di Amministrazioni pubbliche e privati perapplicazioni in vari campi (progettazione antisismica, studi di microzonazione,etc.)

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Si basa sul fatto che in presenza di una discontinuità parte dell'energia sismicaviene riflessa

Analizza i tempi che intercorrono tra l'istante di generazione di un impulso e


MISURE SISMICHE SUPERFICIALI - METODO A RIFLESSIONE

l'istante di ricezione in superficie mediante unaserie di geofoni , dopo una o piùriflessioni da parte di altrettante superfici riflettentiL’analisi e l’interpretazione dei segnali riflessi registrati in superficie permettono dievidenziare la posizione di strati caratterizzati da diversa impedenza sismica e distimare le velocità di propagazione delle onde di volume in ciascuno di essi

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MISURE SISMICHE SUPERFICIALI - METODO A RIFLESSIONE

22 H 4 xd 2 x

d

1P1Pr V V

Individuando i tempi di arrivo dell’onda diretta,t d , e dell’onda riflessa,t r , èpossibile ricavare la velocità di propagazione dell’onda sismica (V P1 ) e lospessore dello strato (H )

1Pd V

12 12


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Riferendosi alla legge di Snell, si hanno i due possibili casi:1) se VP2 > VP1 il raggio rifratto si allontana dalla normale alla superficie di

se arazione


MISURE SISMICHE SUPERFICIALI - METODO A RIFRAZIONE

2) se VP2 < VP1 il raggio rifratto si avvicina alla normale alla superficie diseparazione tra i due strati

Nel primo caso ( V P2 > V P1 ), aumentando la distanza fra sorgente e ricevitore(ovvero l'angolo d'incidenza) si raggiunge unangolo critico i C in corrispondenzadel quale l’onda rifratta si propaga lungo la superficie di separazioneL'angolo critico si ottiene dalla legge di Snell considerando un valore all’angolo dirifrazione r di 90°:

( ) 2P1Pc V isin =

L’onda orizzontale di velocità V P2genera a sua volta un'onda rifrattadal mezzo 2 al mezzo 1 cheemerge con angolo i C r

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L’onda che segue il percorso SABR è detta onda birifrattaUn passo fondamentale del metodo è determinare se arriva prima al ricevitore l’ondadiretta o l’onda (bi)rifratta: se il geofono è posizionato vicino alla sorgente arriverà prima' '

tempi di arrivo:

saranno in competizione (l’onda diretta ha un percorso più breve, l'altra viaggia a velocitàmaggiore). Ad una certa distanza xc dalla sorgente, l'onda rifratta supera l'onda diretta

1Pd V

xt direttaonda =

14 14

122

1

1221121

)cos(2)tan(

)cos(12)tan(2

)cos(2

P

c

Pc

P

P

cPPP

c

cPPPPr V

i H V x

iV V

iV H

V x

V i H x

iV H

V BR

V AB

V SA

t +=⎟⎟ ⎠ ⎞

⎜⎜

⎝ ⎛ −+=−+=++=

onda rifratta


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MISURE SISMICHE SUPERFICIALI - METODO A RIFRAZIONEIn pratica, riportando in grafico i tempi di arrivo in funzione della distanza x dalla sorgente,si ricostruiscono le dromocrone dell’onda diretta e rifratta. Dalle pendenze si ricavano VP1 e

VP2 e quindi ic = arcsen(VP1 /VP2).Prolungando la dromocrona dell’onda rifratta fino a determinare l’intersezione tr0 con l’assedelle ordinate si può determinare lo spessore H con la relazione:

)icos(2V

H c

1P=

1P2P

1P2Pc

V V V V

2 x

H +−=

t

oppure in funzione dell’ascissa xcdel punto di intersezione tra ledromocrone:

xc x

H

1P

c0r

V )icos( H 2

t =

VP1

VP2> VP115 15



Limitazioni intrinseche del metodo a rifrazione:

inversione di velocitànon si enera l’onda rifratta

strato nascostolo strato è tro o sottile erché l’onda rifratta

t

possa essere distinta da quelle generate dairifrattori sovrastanti e sottostanti)

t

x

H1 VP1

VP2< VP1

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H2 VP3> VP2

x

H1 VP1

VP2> VP1 H2 VP3> VP2


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MISURE SISMICHE SUPERFICIALIEsempio di risultati di prospezione sismica a rifrazione con elaborazione standard per

rifrattori (GRM) e tomografica

Con una particolare elaborazione degli stendimenti sismici è possibile realizzare le cosìdette tomografie sismiche 17 17

SVANTAGGI


MISURE SISMICHE SUPERFICIALIMETODI A RIFLESSIONE E RIFRAZIONE

, , misura di valori di velocità mediati su ampi volumi di terreno impossibilità di rilevare strati sottili a differente rigidezza elevati ingombri areali maggiori incertezze sulla misura della velocità delle onde S

VANTAGGI non invasive e con impatto ambientale nullo (tranne il caso delle esplosioni) economiche (ottime per indagini preliminari) si possono coprire vaste aree

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COSTI E AFFIDABILITÀPer quanto riguarda i costi, le prospezioni sismiche a riflessione e a rifrazione sicollocano rispetto alle altre prove sismiche in una fascia bassa con affidabilitàdelle misure media


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In generale le prospezioni sismiche di superficie che adottano le tecniche ariflessione e rifrazione consentono soltanto una descrizione sommaria del sito


MISURE SISMICHE SUPERFICIALI - METODI SWM

risultano particolarmente efficaci per la localizzazione di strati con elevatocontrasto di impedenza (ad es. per l’individuazione del bedrock o di cavità).

Un recente sviluppo delle prospezioni di superficie è rappresentato dai metodiSWM (Surface Wave Methods ).Queste tecniche consentono di ricostruire profili di rigidezza del sito a partireda misure della velocità delle onde di Rayleigh (VR )

sorgente ricevitori

Onde di Rayleigh

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Alla base di questi metodi vi è la constatazione che la profondità investigata, z, èproporzionale alla lunghezza d’onda della perturbazione, λ (λ 3 ≤ z ≤ λ ).Inoltre, in un mezzo non omogeneo (mezzo dispersivo), la velocità diro a azione delle onde di Ra lei h di ende dalla lun hezza d’onda e dalla



frequenza di eccitazione. Supponendo che l’eccitazione sia rappresentata da unavibrazione sinusoidale continua di frequenza f, la differenza di fase φ tra lospostamento verticale in corrispondenza della sorgente e di un punto P ad una

certa distanza x dalla sorgente è legata al tempo di viaggio dell’onda dallasorgente a P, ovvero alla sua velocità di propagazione VR (velocità di fase, Vφ ).

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R R V x f

V x ⋅⋅=⋅= π ω ϕ 2

Ad una distanza parialla lunghezza d’ondaλ , φ = 2π, da cui:

f T

V V R ⋅=== λ λ

ϕ


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Le prime misure sismiche superficiali consistevano nell’applicare in superficie alterreno una sorgente vibratoria sinusoidale di frequenza f e nel trovare laposizione del ricevitore più vicina in cui la vibrazione rilevata fosse in fase conquella della sorgente, ovvero la lunghezza d’onda λ , così da ottenere la velocità difase VR . Modificando la frequenza dell’eccitazione, si costruiva la curva cheesprime la variazione della velocità di fase con la frequenza o con la lunghezzad’onda (curva di dispersione).

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Al diminuire della frequenza f (ovvero all’aumentare della lunghezza d’onda λ ),aumenta, oltre all’entità dello spostamento massimo (ampiezza dell’onda), anchelo spessore dello strato superficiale interessato dal passaggio dell’onda.


MISURE SISMICHE SUPERFICIALI - METODI SWMSchematizzando il terreno come un semispazio elastico omogeneo (mezzo nondispersivo), la curva di dispersione delle velocità di fase è costante, perché Vφ èindipendente dalla frequenza dell’eccitazione. Se il semispazio elastico è costituitoda uno strato di s essore finito se uito da uno strato infinitamente esteso,entrambi omogenei ma di caratteristiche diverse l’uno dall’altro (mezzodispersivo), la velocità di fase varia con la frequenza: per alti valori di f (bassivalori di λ , profondità investigata limitata), Vφ tende al valore caratteristico dello

strato superficiale; per bassi valori di f (alti valori di λ

, maggiore profonditàinvestigata), Vφ tende al valore caratteristico dello strato inferiore.

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MISURE SISMICHE SUPERFICIALI - METODI SWMDeterminata Vφ = VR , si ricava la velocità delle onde di taglio VS nei diversi strati:VR(z) → VS(z); 95.086.0 ≤≤

S

R

V V

a seconda del valore del coefficiente di Poisson ν.

Diventa così necessario ricorrere aprocedure numeriche iterative(inversione), che permettono di ottenereil profilo di rigidezza del sito piùprobabile, ovvero quello a cuicorris onde una curva di dis ersione che

, , ,se l’attribuzione delle velocità di fase ricavate dalla curva di dispersione ai singolistrati è molto più incerta.

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sia il più vicino possibile a quella ottenutasperimentalmente. In ogni caso, sidovrebbe già possedere una conoscenzaminima della stratigrafia del sottosuolo(ad esempio attraverso sondaggi), inmodo da poter controllare il modelloottenuto dalla procedura di inversione.

La principale tecnica SWM oggi utilizzata è il metodo SASW (Spectral Analysis of


MISURE SISMICHE SUPERFICIALI - METODO SASW

Surface Waves ).Il metodo utilizza due ricevitori disposti simmetricamente rispetto alla verticale daesplorare, ed una sorgente, allineata con i ricevitori, che consiste in un impulso

verticale realizzato con un martello o con un peso lasciato cadere da un’altezzanota. L’insieme dei ricevitori (geofoni) e della sorgente è detto stendimento.La prova viene ripetuta aumentando progressivamente l’interasse fra i geofoni(che rimangono posizionati simmetricamente rispetto alla sorgente, lungo lostesso allineamento ed adottando come sor ente martelli o esi via via iùgrandi. L’energia richiesta è infatti tanto maggiore quanto maggiore è lalunghezza dell’onda che si vuole generare, ovvero quanto maggiore è laprofondità di investigazione (per questo non si va in genere oltre i 40 m).

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Nel caso in cui vengano impiegati più ricevitori la prova è detta provamulticanale FK (frequenza, F, numero d’onda, K) oppure prova MASW



(Multichannel Analysis of Surface Waves)I ricevitori sono disposti ad interasse costante pari ad x mentre la sorgente èallineata con essi e posta a distanza d, fatta variare durante la provaIl vantaggio della prova multicanale consiste nella possibilità di elaborare unmaggior numero di segnali da cui ricavare un profilo di rigidezza più attendibile

1 2 nsorgente ricevitori

x xd

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1) i ricevitori verticali sono posizionati



TECNICA DI PROVA

verticale da esplorare CL2) la sorgente è allineata ai ricevitori,

a distanza d da uno di essi (dinorma il primo valore è d=1m)

3) viene eseguita l’energizzazioneverticale, attivando la registrazionedell’impulso con opportuno d d danticipo trigger

4) viene spostata la sorgente in maniera diametralmente opposta rispetto allaverticale da esplorare e ripetuto il passo precedente (questa procedurapermette di eliminare gli effetti dovuti all’inclinazione degli strati)

5) la procedura è ripetuta aumentando progressivamente d (è necessarioaumentare d in quanto con ogni configurazione è possibile esplorare solo untratto della curva di dispersione)

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MISURE SISMICHESUPERFICIALI - METODO

SASW

INVERSIONE DELLACURVA DI DISPERSIONE

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Confronto fra curva di dispersione teorica e curva di dispersione sperimentale



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non invasive e con impatto ambientale nullo economiche consentono di co rire aree estese


TECNICHE BASATE SULLE ONDE SUPERFICIALI VANTAGGI

permettono di caratterizzare depositi stratificati orizzontalmente individuano bene strati di materiali soffici superficiali sopra strati più rigidi

poco affidabili a profondità maggiori di 40 m (che richiederebbero comunquemaggiori energizzazioni), per indagare le quali sono necessarie lunghezze d’ondaelevate, corrispondenti a basse frequenze, campo in cui in genere si concentraanche il rumore

non adatte a terreni sovraconsolidati in enere sottostimano V

SVANTAGGI

molto sensibili ai disturbi ambientali i modelli numerici adottati per l’inversione devono essere utilizzati con accortezza(una scelta sbagliata del modello o dei parametri può compromettere i risultati)

spesso sono richieste nell’interpretazione interventi soggettivi dell’operatore

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COSTI E AFFIDABILITÀLe prospezioni sismiche basate sull’analisi di onde superficiali si collocano rispettoalle altre prove sismiche in una fascia media

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