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La caratterizzazione del sottosuolo

le indicazioni delle NTC e la buona pratica esecutiva

La prevenzione del rischio sismico in Piemonte Pinerolo, 22 marzo 2013

Prof. Ing. Sebastiano Foti

Email: [email protected]/people/foti_sebastiano

POLITECNICO DI TORINOPINEROLO 22 Marzo 2013 Sebastiano Foti

La caratterizzazione del sottosuolo: le indicazioni delle NTC e la buona pratica esecutiva

Sommario

• Valutazione dell’azione sismica: – pericolosità sismica nazionale

– risposta sismica locale

– Categorie di sottosuolo

– Prove sismiche

• CHT – DHT

• Onde superficiali (SASW, MASW, ReMi, Passive arrays, …)

• Idoneità del sito di costruzione– Stabilità dei pendii

– Interferenza con rotture di faglia in superficie

– Liquefazione



Pericolosità sismica italiana INGV � NTC 2008

NTC 2008

CAMBIO DI PARADIGMA

Definizione dei valori di pericolositàsu maglia geografica (0.05°)

La pericolosità è definita in funzione del periodo di ritorno

Assegnati un periodo di riferimento e una probabilità di superamento si ottiene l’azione di progetto

Esempio: agprobabilità superamento 10% in 50 anni(SLV strutture ordinarie)

� TR=475 anni sottosuolo cat. A (V S,30>800m/s)



Città del Messico (Terremoto del 1985)

(Faccioli e Paolucci, 2005)



Studi di risposta sismica locale

NTC 2008 (3.2.2):Ai fini della definizione dell’azione sismica di progetto, si rende necessario valutare l’effetto dellarisposta sismica locale mediante specifiche analisi , come indicato nel § 7.11.3. In assenza di talianalisi, per la definizione dell’azione sismica si può fare riferimento a un approccio semplificato,che si basa sull’individuazione di categorie di sottosuolo di riferimento (Tab. 3.2.II e 3.2.III).



Esempio RSL

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4

Periodo [s]

Accelerazione spettrale [g]

acc1

acc2

acc3

acc4

acc5

acc6

acc7

medio

NTC08

-0.2

-0.1

0

0.1

0.2

0 10 20 30 40 50

Tempo [s]

Accelerazione [g]

-0.2

-0.1

0

0.1

0.2

0 10 20 30 40 50

Tempo [s]

Accelerazione [g]

-0.2

-0.1

0

0.1

0.2

0 10 20 30 40 50

Tempo [s]

Accelerazione [g]

-0.2

-0.1

0

0.1

0.2

0 10 20 30 40 50

Tempo [s]

Accelerazione [g]

-0.2

-0.1

0

0.1

0.2

0 10 20 30 40 50

Tempo [s]

Accelerazione [g]

-0.2

-0.1

0

0.1

0.2

0 10 20 30 40 50

Tempo [s]

Accelerazione [g]

-0.2

-0.1

0

0.1

0.2

0 10 20 30 40 50

Tempo [s]

Accelerazione [g]

0.0

5.0

10.0

15.0

0 400 800 1200 1600

Vs [m/s]

Profondità [m]

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

0.0001 0.001 0.01 0.1 1

Deformazione [%]

G/Gmax [-]

Sabbia molto addensata

Sabbia mediam. addensata

Roccia

0

5

10

15

20

25

30

0.0001 0.001 0.01 0.1 1 10

Deformazione [%]

Smorzamento [%]

Sabbia molto addensata

Sabbia mediam. addensataRoccia

Prove in sitoVS �� G0

Prove lab

(Lai et al., 2009)

0

0.5

1

1.5

2

2.5

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4

Periodo [s]

Accelerazione [g]

acc1

acc2

acc3

acc4

acc5

acc6

acc7

medio0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

0 1 2 3 4 5 6

Periodo [s]

Accelerazione spettrale [g]

Spettro medio

NTC08 suolo E



Studi di risposta sismica locale

NTC 2008 (3.2.2):Ai fini della definizione dell’azione sismica di progetto, si rende necessario valutare l’effetto dellarisposta sismica locale mediante specifiche analisi, come indicato nel § 7.11.3. In assenza di talianalisi, per la definizione dell’azione sismica si può fare riferimento a un approccio semplificato,che si basa sull’individuazione di categorie di sottosuolo di riferimento (Tab. 3.2.II e 3.2.III).



Spettri di risposta per tipologie di sottosuolo

(Seed

et

al.,

1976)



Stima semplificata RSL: VS,30

h1 Vs1

h2 Vs2

h3 Vs3

Vs∞∞∞∞h4

30m VS,30

Onda SOnda SOnda SOnda S

Rappresenta la velocità media in termini di lentezza, basata sul tempo che l’onda di taglio impiega a percorrere i 30 m

∑=

=

Ni iS

iS

V

hV

..1 ,

30,30

NB: 30m a partire dal piano di imposta della fondazione



Stima semplificata RSL: VS,eq

h1 Vs1

h2 Vs2

h3 Vs3

Vs∞∞∞∞h4

H VS,eq

Onda SOnda SOnda SOnda S

Rappresenta la velocità media in termini di lentezza, basata sul tempo che l’onda di taglio impiega a percorrere lo strato di spessore H

∑=

=

Ni iS

ieqS

V

hH

V

..1 ,

,

NB: 30m a partire dal piano di imposta della fondazione



Categorie di sottosuolo: revisione NTC ????

NB: le categorie di sottosuolo sono rilevanti ai soli fini della valutazione dell’azione sismica



EC8 & NTC08: categorie di sottosuolo

E (C, D su A)

< 180D

180 - 360C

360 – 800B

> 800A

Vs,30Categoria

Note: Categoria E: depositi alluvionali di spessore 5-20m classificabili come

sottosuolo C o D soprastanti un un substrato roccioso (bedrock) (sottosuolo A)

Categorie speciali S1 (argille tenere/limi molto plastici) e S2 (terreni soggetti a liquefazione/argille sensitive): richiedono studi specifici della risposta sismica locale

< 15

15 ÷ 50

>50

-

NSPT

< 70

70 ÷ 250

>250

-

cu

∑=

=

Ni iS

iS

V

hV

..1 ,

30,30

velocità media pesata (parità di tempo di viaggio)



NTC 2008(Udine)

S·ag

Accelerazione di picco al suolo

Valore di progetto

Spettri di risposta elastici

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

0 1 2 3 4 5Periodo [s]

Acc

.spe

ttral

e [g

]

suolo Asuolo Bsuolo Csuolo Dsuolo E

ag F0 Tc*

0.216 2.45 0.33

1.38C

1.19B

1A

SSUOLO

1.42E

1.61D



Correlazioni VS - NSPT Per Esempio:Formula di Otha e Goto (1978)

( ) )/(69 2.017.060 smffzNV GAs ⋅=

deposito) del f(età

terreno)di f(tipo

==

A

G

f

f

Attenzione alla dispersione dei dati usati per le correzioni � incertezza associata ??



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)



Down-Hole

geofonotridimensionale

acquisitore limitazione a profondità

di 50-60m

P SH

Un solo foro; minore sensibilitàverticalità foro di sondaggio

Metodi di interpretazione– Metodo tempi intercetti

– Metodo true interval

– Inversione dei tempi di primo arrivo con raggi sismici curvi



Prova Down Hole

z

d

22 zd +

22 zd

ztt miscorr

+=

Tempo di primo arrivo

prof

ondi

tà

1V1

1V2



Down Hole

Due ricevitori (true interval)

geofonitridimensionali

acquisitore

Analoga interpretazione con successive posizioni si ngolo geofono(pseudo-interval): fortemente sconsigliata

corrt

zV

∆∆=



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)



Prove basate sulla propagazione di onde superficiali (SWM)

XD

1 n32

X

Two-station (SASW)

Multistation(f-k, τ-p, MASW, CSW,....)

X

1 n32

X

Spatial ArraySPAC, ESAC, f-k (FBDF, Capon, Music,…)

Linear array (ReMi)

Tec

nich

e A

ttive

Tec

nich

e pa

ssiv

es

?



Campo di spostamenti in superficie

Acquisizione Dati

Curva di dispersione delle onde di Rayleigh: velocità di fase vs frequenza

Analisi dei Segnali VR

ωωωω

Z

VS

Profilo di velocità delle onde di taglio

Processo di Inversione

Modulo di rigidezza a taglio (G0 vs profondità)

20 SVG ⋅= ρ

G 0

Prove SASW: diagramma di flusso



Seismograph or Signal Analyzer

Impulsive or harmonic

source

1 2 3 n

D X X

Low frequency vertical geophones

receiver offset (m)

time

(s)

wavenumber, rad/m

freq

uenc

y, H

z

2D FFT

wavenumber, rad/m

freq

uenc

y, H

z

experimental dispersion curve

feachk

ffv

PP

R

max

2)(

=

⋅= π

frequency, Hzphas

eve

loci

ty, m

/s

experimental dispersioncurve

Prove MASW: processing



Il problema inverso

Obiettivo: trovare i parametri di modello tali da minimizzare la differenza tra curve di dispersione sperimentale e numerica

H1 =?=?=?=? Vs1=?=?=?=?

H2 =?=?=?=? Vs2=?=?=?=?

H3 =?=?=?=? Vs3=?=?=?=?

Vs∞∞∞∞=?=?=?=?

0 10 20 30 40 50 60 70100

200

300

400

500

600

700

frequency, Hz

phas

e ve

loci

ty, m

/s

sperimentalenumerica

Strati piani e paralleliomogenei lineari elastici



120

140

160

180

0 5 10 15 20 25 30frequenza, Hz

velo

cità

di fa

se, m

/s sperimentale

120

140

160

180

0 5 10 15 20 25 30frequenza, Hz

velo

cità

di fa

se, m

/s


0

5

10

15

20

25

30

100 150 200 250 300

VS, m/s

prof

ondi

tà, m

SASW

0

5

10

15

20

25

30

100 150 200 250 300

VS, m/s

prof

ondi

tà, m

SASW

CHT

Casi di Studio: Pisa

(Foti, 2003)



Profili Equivalenti

InversioneInversione con con metodometodoMonte Carlo Monte Carlo

(Foti et al., 2007)

Non unicità della soluzione



Accuratezza ed incertezza della stima di VS,30

(Comina et al., 2010)liqQC



Curva di dispersioneV R

ωωωω

Inversione

Z

VS

AttivePassive

Attive

Passive

Integrazione Attive-Passive

AttivePassive



Limo argilloso

Sabbia, sabbia limosa

Limo argilloso, argilla limosa

PIANOLA PIANOLA –– Sondaggio e prove DH Sondaggio e prove DH -- SDMT (maggio 2009)SDMT (maggio 2009)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

0 200 400 600 800 1000 1200 1400

Velocità delle onde di taglio, Vs (m/s)P

rofo

ndità

, z (m

)

MASW ( 1 )

MASW ( 2 )

DH

SDMT



Prove basate sulla propagazione di onde superficiali (SWM)

XD

1 n32

X

Two-station (SASW)

Multistation(f-k, τ-p, MASW, CSW,....)

X

1 n32

X

Spatial ArraySPAC, ESAC, f-k (FBDF, Capon, Music,…)

Linear array (ReMi)

Tec

nich

e A

ttive

Tec

nich

e pa

ssiv

es

?



ReMi (Refraction Microtremors)

= Prove Passive con ricevitori allineati

Ipotesi di base: distribuzione spaziale uniforme delle sorgenti di vibrazione

(Louie, 2001)

(Stephenson et al., 2005)

Seismograph or Signal Analyzer

1 2 3 n

X X

Low frequency vertical geophones

Sismografo o analizzatore di segnali

1 2 3 n

X X

Geofoni verticali a bassa frequenza



(Foti et al., 2007)

Prove Passive

λtrue

λapparent

v=f·λ

λapparent>λtrue � vapparent>vtrue

Esempio: La Salle

Disposizione dei geofoni (pianta)ReMi (pianta)



ReMi

(Par

olai

eta

l., 2

007)

Confronto Attive-Passive



QC delle prove SWM

• Assenza marcate irregolarità topografiche e/o stratigrafiche

• Acquisizione

– Preferire approcci multistation e array 2D per le passive

– Frequenza naturale dei geofoni (max 4,5Hz)

– Apertura totale-profondità (zmax≈½Lstend)

– Qualità registrazioni

• Processing

– Verifica dato sperimentale (panel fk)

• Inversione

– Metodo di inversione (automatico)

– Congruenza curva dispersione numerica-sperimentale

– Congruenza profondità raggiunta – intervallo frequenze (zmax≈½-1/3 λmax)

– Modi superiori (se andamento irregolare)



Criteri di verifica delle prove SWM

• Corrispondenza curva dispersione numerica-sperimentale

• Congruenza profondità raggiunta – range frequenze (zmax≈½-1/3 λmax)

0 10 20 30 40 50 60 70100

200

300

400

500

600

700

frequenza [Hz]

Vel

ocità

di fa

seon

deR

[m/s

]


200 400 600 800

5

10

15

20

25

30

35

VS [m/s]

Pro

fond

ità[m

]

mzmHz

sm

f

V

f

R 35705.8

620maxmax

max

≈⇒=≈=λ

liq end



• Sollecitazioni cicliche inducono, in condizioni drenate, riduzione di volume.

• La tendenza a ridurre il volume èpiù marcata nei terreni sciolti

• In condizioni non drenate, tale tendenza genera sovrappressioni interstiziali (u)

• Come conseguenza si riduce la resistenza al taglio, sino ad annullarsi in condizioni estreme

(u=σ)

'tan)('tan' φσφστ uf −==

NB: Nel caso di sisma le condizioni sono praticamente sempre non drenate anche per terreni a grana grossa

Liquefazione



Il terremoto che ha colpito la pianura padana-emiliana il 20 maggio 2012 ha prodotto diffusi ed estesi fenomeni di liquefazione

Localizzazione dei casi di

liquefazione osservati

Terremoto Emiliano del 2012

(Cortesia prof. G. Vannucchi – UniFI)



Manifestazioni di liquefazione osservate in Emilia

Foto: cortesia prof. G. Vannucchi

UniFI



Principalmente sabbie, talvolta limi non plastici e ghiaie confinate

Granulometria uniforme e la presenza di particelle arrotondateportano ad una struttura del terreno che massimizza i vuotiinterstiziali

Criteri Cinesi (terreni liquefacibili se tutti soddisfatti):

– frazione di materiale fine con particelle di diametro d ≤ 0.005 mm minore del 15%

– limite liquido LL ≤ 35%

– contenuto d’acqua naturale ≥ 0.9 LL

– indice di liquidità ≤ 0.75

Composizione granulometrica terreni liquefacibili



La liquefazione in Italia

(Galli, 2000)



verifica liquefazione: motivi di esclusione (or)

• Magnitudo attesa M < 5

• accelerazione di picco al suolo di progetto Sag < 0.1 g

• profondità falda dal p.c. zw > 15m

• criterio granulometrico (fuso terreni liquefacibili)

• per sabbie pulite

SPT (N1)60 > 30CPT qc1N > 180

Valori normalizzati perσ'v = 100 kPa

NTC2008



Terreni a granulometria

uniforme

Terreni a granulometria poco uniforme

Uc = d60/d10

Criteri granulometrici



• Profilo stratigrafico

• Profondità di falda (con variazioni stagionali)

• Distribuzione granulometrica

• Prove penetrometriche (SPT-CPT)

Indagini



Grazie per l’attenzione

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