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La caratterizzazione geotecnica dei terreni sotto azioni dinamiche con prove in sito e di laboratorio GEOFLUID 2012 Piacenza, 6 Ottobre 2012 Le prove in sito: tecniche sperimentali e risultati tipici Prof. Ing. Sebastiano Foti Email: [email protected] www.soilmech.polito.it/people/foti_sebastiano

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La caratterizzazione geotecnica dei terreni sotto azioni

dinamiche con prove in sito e di laboratorio

GEOFLUID 2012 Piacenza, 6 Ottobre 2012

Le prove in sito:

tecniche sperimentali e risultati tipici

Prof. Ing. Sebastiano Foti

Email: [email protected]/people/foti_sebastiano

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POLITECNICO DI TORINOGEOFLUID 2012 Piacenza, 6 Ottobre 2012 Sebastiano Foti

Le prove in sito: tecniche sperimentali e risultati tipici

Metodi Sismici (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)

Scopo: stima in sito del profilo di VS (� G0)

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Le prove in sito: tecniche sperimentali e risultati tipici

Cross-Hole(standard ASTM D-4428-M)

(after Santamarina and Stokoe, 2000)

- 2 o 3 fori rivestiti e cementati con controllo verticalità (costi ����)

Fonti di errore:Rifrazione criticaAccuratezza del segnae di TriggerVerticalità foro

Sorgenteonde P o onde S

Acquisitore

Geofoni 3D

Sorgenteonde P o onde S

Acquisitore

Geofoni 3D

Sorgenteonde P o onde S

Acquisitore

Geofoni 3D

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Le prove in sito: tecniche sperimentali e risultati tipici

0

10

20

30

40

50

60

70

0 500 1000 1500 2000 2500

Vs

Vp

Prove Cross-Hole (Pisa)P

rofo

ndità

[m]

Velocità di Propagazione [m/s]Prova Cross-

Hole

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Le prove in sito: tecniche sperimentali e risultati tipici

Cross-Hole: Rifrazioni da bruschi contrasti d’impedenza

ricevitore

sorgente

diretta

rifratta

VS1

VS2 > VS1

H

D

Conseguenza: sovrastima di VS1

Necessita’ di progettare adeguatamente la prova in considerazione della geologia locale (scelta D)

Usualmente D=3-5m

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Le prove in sito: tecniche sperimentali e risultati tipici

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

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Le prove in sito: tecniche sperimentali e risultati tipici

Prova Down Hole

z

d

22 zd +

22 zd

ztt miscorr

+=

Tempo di primo arrivo

prof

ondi

1V1

1V2

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Le prove in sito: tecniche sperimentali e risultati tipici

Down Hole

Due ricevitori (true interval)

geofonitridimensionali

acquisitore

Analoga interpretazione con successive posizioni sing olo geofono(pseudo-interval): fortemente sconsigliata

corrt

zV

∆∆=

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Le prove in sito: tecniche sperimentali e risultati tipici

Down-Hole: esempio

geofonitridimensionali

acquisitore

Confronto diverse interpretazioni sullo stesso dataset

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Le prove in sito: tecniche sperimentali e risultati tipici

Blind test Corea: acquisizioni stesso foro

[Kim

eta

l. 20

12]

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Blind test Corea – Interpretazione tempi intercetti [K

im e

tal.

2012

]

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Le prove in sito: tecniche sperimentali e risultati tipici

Blind test Corea – interpretazione con raggi curvilinei[K

im e

tal.

2012

]

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Le prove in sito: tecniche sperimentali e risultati tipici

Cono sismico (SCPT) Dilatometro sismico (SDMT)

- molto efficiente (no fori sondaggio)

- ottimo accoppiamento geofono-terreno

-- stesse limitazioni CPT/DMT

-( esecuzione in preforo riempito di sabbia)

-Relativamente poco utilizzate in Italia, meriterebbero maggiore attenzione (costi attrezzatura)

(ww

w.fu

gro.

com

)

(Marchetti et al., 2006)

SDMT: trasmissione del segnale digitalizzato

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Le prove in sito: tecniche sperimentali e risultati tipici

Cono sismico (SCPT) (M

ayne, 2007)

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Le prove in sito: tecniche sperimentali e risultati tipici

Dilatometro sismico (SDMT)

(Marchetti et al., 2006)

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Le prove in sito: tecniche sperimentali e risultati tipici

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)

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Le prove in sito: tecniche sperimentali e risultati tipici

Sismica a rifrazione Onde P: risoluzione influenzata dalla falda (ok per localizzazione substrato roccioso)

Limitazioni intrinseche: strati nascosti ed inversioni velocità

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Le prove in sito: tecniche sperimentali e risultati tipici

Sismogramma SHInterpretazione standard

Rifrazione

Onde SHmigliore definizione stratigrafica

(no interferenza con falda)

stima del modulo G0

Energizzazione piu’ complessa(necessità di adeguata zavorra per

trasmettere energia sufficiente)

Migliore risoluzione(lunghezze d’onda minori)

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Le prove in sito: tecniche sperimentali e risultati tipici

Vs (m/sec)

prof

ondi

tà(m

)

rifrazione Sh

prova SASWdown-hole

10002000 400 600 800

12

9

6

0

3

(Fot

iet a

l., 2

002)

Sismica a rifrazione

Rifrazione per onde SH

Castelnuovo GarfagnanaProgetto VEL (Regione Toscana)

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Le prove in sito: tecniche sperimentali e risultati tipici

Strati Nascosti

Inversione di velocità (strato “lento”)

(da Reynolds, 1997)

3

V <V2

1

dire

tte (V

1)

arrivi dallo strato 3 (V3)

2 1

Tem

po t

V1

V3

Distanza x

arrivi dallo strato 2 (V2)

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Le prove in sito: tecniche sperimentali e risultati tipici

Strati Nascosti

(da Reynolds, 1997)

V1

1

V2

V3

V1

V2

V3

Distanza x

Tem

po t

Distanza x

Tem

po t

Distanza x

dire

tte (V

1)

1

2

3

arrivi dallo strato 3 (V3)arrivi dallo strato 2 (V2)

2

1

3 dire

tte (V

)

arrivi dallo strato 3 (V3)arrivi dallo stra

to 2 (V2)

arrivi dallo strato 2(non campionati)

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Le prove in sito: tecniche sperimentali e risultati tipici

Sismica a rifrazione: caso di studio

Foti et al., 2003

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Le prove in sito: tecniche sperimentali e risultati tipici

Prove basate sulla propagazione di onde superficiali (SWM)

��

1 n32

Two-station (SASW)

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

1 n32

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

Linear array (ReMi)

Tec

nich

e A

ttive

Tec

nich

e pa

ssiv

es

?

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Le prove in sito: tecniche sperimentali e risultati tipici

Dispersione geometrica

Curva di Dispersione

Onde armoniche

VS1

VS2

VS3

PROBLEMA INVERSO

Sperimentale

?VR

Frequency f

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Le prove in sito: tecniche sperimentali e risultati tipici

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

Usualmente νi e ρi sono fissate a-priori

(attenzione alla posizione della falda!)

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Le prove in sito: tecniche sperimentali e risultati tipici

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

sperimentalenumerica

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)

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Le prove in sito: tecniche sperimentali e risultati tipici

Risoluzione spaziale delle prove SWM

(Jamiolkowski et al., 2008)

Prove nelle Ghiaie di Messina (Ponte sullo Stretto di Messina –Blocco di ancoraggio lato Sicilia)

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Le prove in sito: tecniche sperimentali e risultati tipici

Profili Equivalenti

InversioneInversione con con metodometodoMonte Carlo Monte Carlo

(Foti et al., 2007)

Non unicità della soluzione

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Le prove in sito: tecniche sperimentali e risultati tipici

Accuratezza ed incertezza della stima di VS,30

(Comina et al., 2011)

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Le prove in sito: tecniche sperimentali e risultati tipici

[Kim

eta

l. 20

12]

Blind test - Corea

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Le prove in sito: tecniche sperimentali e risultati tipici

[Kim et al. 2012]

λλλλMax = 160 m λλλλMax = 45 m λλλλMax = 30 m

Profondità d’indagine prove SWM

Dipendenza del risultato dalla massima lunghezza d’onda disponibile nel dato sperimentale

[Foti et al. 2012]

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Le prove in sito: tecniche sperimentali e risultati tipici

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

]

sperimentalenumerica

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

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Le prove in sito: tecniche sperimentali e risultati tipici

Curva di dispersioneV R

ωωωω

Inversione

Z

VS

AttivePassive

Attive

Passive

Integrazione Attive-Passive

AttivePassive

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Le prove in sito: tecniche sperimentali e risultati tipici

Limo argilloso

Sabbia, sabbia limosa

Limo argilloso, argilla limosa

PIANOLA – Sondaggio e prove DH - 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)

Pro

fond

ità, z

(m)

MASW ( 1 )

MASW ( 2 )

DH

SDMT

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Le prove in sito: tecniche sperimentali e risultati tipici

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

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Le prove in sito: tecniche sperimentali e risultati tipici

(Foti et al., 2007)

Prove Passive

λtrue

λapparent

v=f·λ

λapparent>λtrue � vapparent>vtrue

Esempio: La Salle

Disposizione dei geofoni (pianta)ReMi (pianta)

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Le prove in sito: tecniche sperimentali e risultati tipici

ReMi – confronto su acquisizioni stesso sito(Cox and Beekman, 2011)

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Le prove in sito: tecniche sperimentali e risultati tipici

Rapporto spettrale H/V (HVSR)

Misure di rumore (sensore 3 componenti)

Rapporto in frequenza tra componente verticale e componente orizzontale

(Alb

arel

lo, 2

011)

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Le prove in sito: tecniche sperimentali e risultati tipici

Ricostruzione del campo d’onda associato ad una data stratigrafia. Tuttavia queste interpretazioni presentano una marcata molteplicità di soluzioni. Per esempio, ad una stessa curva HVSR possono corrispondere diversi possibili profili di velocità

(Alb

arel

lo, 2

011)

Inversione H/V

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Le prove in sito: tecniche sperimentali e risultati tipici

Commenti prove H/V

• Utili per:– Valutazione frequenza di risonanza

– Informazioni aggiuntive per vincolare inversione SWM

– Valutazione delle variazioni laterali

– Validazione del modello geotecnico-sismico

– Studi a scala territoriale

• Poco affidabili per:– Valutazione del profilo di VS

– Valutazione della VS,30

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Le prove in sito: tecniche sperimentali e risultati tipici

Considerazioni conclusive

• Conoscenza delle limitazioni

• Necessità di elevare gli standard di qualità nella professione (associata al riconoscimento di un costo ragionevole)

• Promozione della buona pratica anche con esercizi di blind test– Verifica dei metodi

– Verifica dell’operatore