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UNINGEO indagini geologiche

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 2005.

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 qc, resistenza di attrito laterale fs 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 qc, fs 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”.

UNINGEO s.n.c. – Via G. Marconi, 52 - 35122 Padova – www.uningeo.it


• ASTM D3441-98 “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

Il sistema di acquisizione sismico è il sismografo TECNO PENTA 10 LOG 16 AD costituito

da:

• 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;



• 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.



MODALITA’ ESECUTIVE DI UNA PROVA PENETROMETRICA SISMICA

La prova SCPTU è stata spinta fino alla

profondità di 30.00 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,

20.10 e 29.14 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.



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.



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), 15.50

(traccia blu), 20.10 (traccia verde), 29.14 (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.



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 15.50 metri) dal geofono orizzontale X dove bene

si individua l’arrivo delle onde di taglio S.

FIG. 4

FIG. 5



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 (Vp - Vs) 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, 20.10 e 29.14 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 qc, resistenza di attrito laterale fs, 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 Vp e Vs e dei moduli

elastici ricavati dai valori di Vp e Vs.


PROVA PENETROMETRICA STATICA ELETTRICA CON PIEZOCONO SISMICO UNINGEOindagini geologiche

piezocone depthseismic data

acquisition depth

distance source P-wave - triaxial geophone (L)

arrival time P-wave (t)

Vp to travel L L2 - L1 t2 - t1Vp for each level

(L2 - L1)/(t2 - t1)

m m m s m/s m s m/s

7.00 6.40 6.71 0.0114 588 6.71 0.0114 588

8.00 7.40 7.67 0.0122 628 0.96 0.0008 1200

15.50 14.90 15.03 0.0171 879 7.37 0.0049 1504

20.10 19.50 19.60 0.0203 966 4.57 0.0032 1428

29.14 28.54 28.61 0.0261 1096 9.01 0.0058 1553

TABELLA DI CALCOLO VELOCITA' ONDE P


piezocone depthseismic data

acquisition depth

distance source S-wave - triaxial geophone (L)

arrival time S-wave (t)

Vs to travel L L2 - L1 t2 - t1Vs for each level

(L2 - L1)/(t2 - t1)

m m m s m/s m s m/s

7.00 6.40 6.57 0.0416 158 6.57 0.0416 158

8.00 7.40 7.55 0.0455 166 0.98 0.0039 251

15.50 14.90 14.98 0.0745 201 7.42 0.0290 256

20.10 19.50 19.56 0.0905 216 4.58 0.0160 286

29.14 28.54 28.58 0.1254 228 9.02 0.0349 259

Vs30= 242

TABELLA DI CALCOLO VELOCITA' ONDE S

PROVA PENETROMETRICA STATICA ELETTRICA CON PIEZOCONO SISMICO UNINGEOCOMMITTENTE indagini geologiche

CANTIERE

CPT N°

DATA TP CPL2IN - n° matr. 200304

NOTE

SCPTU 04

16/12/05 TIPO PUNTA

QUOTA p.c. (m s.l.m.m.)PROF. FALDA (m da p.c.)

PREFORO (m da p.c.)

-1.40

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22

23

24

25

26

27

28

29

30

31

32

33

34

35

36

37

38

39

40

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

q c (MPa)

Pro

fon

dit

à (

m)

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5

f s (MPa)

-0.2 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8

U (MPa)0.00 0.05 0.10 0.15

Tempo di arrivo onde P e S (s)


CANTIERE

CPT N°


NOTE

SCPTU 04

16/12/05 TIPO PUNTA


PREFORO (m da p.c.)

-1.40

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22

23

24

25

26

27

28

29

30

31

32

33

34

35

36

37

38

39

40

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

q c (MPa)

Pro

fon

dit

à (

m)

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5

f s (MPa)

-0.2 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8

U (MPa)0 200 400 600 800 1000 1200

Vp - Vs percorrenza L (m/s)


CANTIERE

CPT N°


NOTE

SCPTU 04

16/12/05 TIPO PUNTA


PREFORO (m da p.c.)

-1.40

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22

23

24

25

26

27

28

29

30

31

32

33

34

35

36

37

38

39

40

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

q c (MPa)

Pro

fon

dit

à (

m)

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5

f s (MPa)

-0.2 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8

U (MPa)0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600

Vp - Vs (m/s)


Density Shear modulus Poisson's ratio Young's modulus

Vp Vs r Gmax = m s E

m m m/s m/s t/m3 MPa MPa

0.00 6.40 588 158 1.88 4.7E+03 0.46 1.4E+04

6.40 7.40 1200 251 1.89 1.2E+04 0.48 3.5E+04

7.40 14.90 1504 256 1.91 1.2E+04 0.49 3.7E+04

14.90 19.50 1428 286 1.92 1.6E+04 0.48 4.7E+04

19.50 28.54 1553 259 1.94 1.3E+04 0.49 3.9E+04

STRATO

TABELLA DI CALCOLO MODULI ELASTICI


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 30.00 metri di profondità (Vs30 = 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 Vs30 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 (ag) 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 ag = 0.05g÷0.15g ed un

valore di accelerazione orizzontale massima convenzionale su di un suolo di categoria A, ag =

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.”



“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 ag <

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 N1(60) > 20;

- frazione fine trascurabile e resistenza N1(60) > 25;

dove N1(60) è il valore di resistenza penetrometrica NSPT 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 1.25.

Sebbene il prodotto S ag, considerando un valore medio di ag = 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 13÷15 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 qc (10÷35 kg/cm2 per le sabbie limose presenti da 1.70 a

5.50 metri di profondità e 12÷30 kg/cm2 per i limi sabbiosi e argillosi) e basse velocità di

propagazione delle onde sismiche (Vp = 590 m/s e Vs = 160 m/s).



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 = tan/s’n = 0.65 (amax / g) (sn /s’n) rd



tan = media equivalente dello sforzo uniforme di taglio generato dal terremoto, assunto essere

0.65 dello sforzo massimo indotto;

amax = accelerazione di picco orizzontale della superficie del suolo;

s’n = pressione verticale efficace alla profondità considerata;

sn = pressione verticale totale alla profondità considerata;

g = accelerazione di gravità;

rd = 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 VS1/100)2 + b [(1/V*S1-VS1) – (1/V*

S1)]} MSF

VS1 = velocità delle onde di taglio corretta;

V*S1 = valore limite superiore di VS1 perché avvenga la liquefazione;

C = fattore di correzione per valori elevati di VS1 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 6.5÷7 gradi

della scala Richter.


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