Prove in Situ

7/25/2019 Prove in Situ

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Propriet Dinamiche dei Terreni da Prove in Sito2

1 Introduzione

Rispetto alle prove dinamiche in laboratorio, le prove in sito presentano sia dei vantaggi che degli

svantaggi. Lesame dei vantaggi e degli svantaggi di prove di laboratorio e in sito proprie della Dinamicadei Terreniha evidenziato che le due classi di prove sono da considerare come procedure complementari

che applicate in parallelo permettono di ottenere informazioni utili nella caratterizzazione meccanica dei

terreni1.

Tra i vantaggi delle prove dinamiche in sito si pu ricordare che queste sono generalmente pi rapide ed

economiche, permettono di ottenere una descrizione pi continua delle caratteristiche geotecniche con la

profondit, permettono di esaminare un volume maggiore di terreno ed infine consentono di definire in

modo pi attendibile i parametri di deformabilit. Mentre, tra gli svantaggi, quello principale legato alle

difficolt nella determinazione delle condizioni al contorno del problema in esame; sono difficili da

determinare le condizioni di drenaggio e lo stato tensionale. Inoltre i risultati che si ottengono non sempre

sono di agevole interpretazione in quanto lesecuzione stessa della prova stessa pu introdurre dei fattori di

disturbo che ne falsa lesito. Nellanalizzare le due classi di prove dinamiche da ricordare che ognuna di

esse esplora il comportamento del terreno in un particolare campo di ampiezze della deformazione di taglio,figura 1.

Le propriet dinamiche dei terreni rivestono un ruolo centrale nella determinazione degli effetti sismici

locali sia per terreni sismicamente stabili (che durante un evento sismico raggiungono modesti livelli

deformativi) sia per terreni sismicamente instabili (che in occasione di un terremoto raggiungono valori

delle deformazioni di taglio che ne causano la rottura). Gli scenari di pericolosit e le problematiche

geotecniche, e conseguentemente i parametri e il tipo di indagini per la loro determinazione, sono molto

diversi nei due casi, figura 1. Nel primo caso infatti i parametri di maggiore interesse sono la rigidezza e le

propriet smorzanti dei terreni; nel secondo caso il parametro chiave la resistenza al taglio, e le condizioni

al contorno che si hanno a livello di megastruttura divengono pi importanti. Considerato che lanalisi del

comportamento dinamico dei terreni a bassi livelli deformativi ha avuto carattere determinante nel progetto

di microzonazione sismica in Valtiberina, le indagini descritte nel presente lavoro, sia in sito sia di

laboratorio, si riferiscono ad esse.

Figura 1 Livelli deformativi interessati da prove dinamiche in sito e di laboratorio.

Relativamente alle prove dinamiche in sito, da tenere presente che quelle proprie dellIngegneria

Geotecnica si distinguono da quelle utilizzate in Geofisica sostanzialmente per gli obiettivi che si

1Si vedano ad esempio i lavori di: Jamiolkowski et al., 1985; Lancellotta, 1987.


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Propriet Dinamiche dei Terreni da Prove in Sito 3

prefiggono di raggiungere. Concepite nel campo della Geofisica, le prime tecniche di indagine sismica in

sito sono state rivolte innanzitutto allindividuazione delle grandi strutture sepolte e alla descrizione della

morfologia sommersa, in secondo luogo alla definizione delle propriet meccaniche del mezzo di

propagazione. Tali tecniche necessitano di sorgenti non direzionali, che generano prevalentemente onde di

compressione P, utili ai fini della caratterizzazione delle propriet meccaniche delle formazioni rocciose

attraversate. La ricezione delle onde avviene spesso a grandi distanze dalla sorgente, far field, elinterpretazione delle misure risulta quindi pi agevole.

Nellambito dellIngegneria Geotecnica, i criteri di base dei metodi geofisici sono stati sviluppati allo

scopo di pervenire alla definizione di dettaglio delle propriet meccaniche dei singoli strati dei depositi

investigati. Tali tecniche necessitano di sorgenti direzionali, in grado di generare onde di taglio oppure onde

di Rayleight, le sole efficaci alla caratterizzazione delle terre sciolte anche se sature. Queste onde sono

registrate a distanze minori e spesso in condizioni near field, rendendo talora linterpretazione delle misure

particolarmente ostica; per questi motivi sono state concepite specifiche tecniche di analisi.

2 Prove cross-hole

Le prove sono finalizzate a determinare la velocit di propagazione delle onde di volume2allinterno del

terreno, note le quali possibile risalire ai parametri di deformabilit. Infatti, poich le prove dinamiche in

sito prevedono bassi livelli di energia e, conseguentemente, implicano bassi livelli di deformazione (< 10-3%), il terreno sollecitato in campo elastico. Come noto, in un mezzo elastico la velocit delle onde

sismiche (Vs e VP rispettivamente velocit di propagazione delle onde S e delle onde P) sono legate al

modulo di taglio Gmax,al coefficiente di Poisson e al modulo di Young dalle relazioni:2

max SVG =

1

12

1

2

2

=

S

P

S

P

V

V

V

V

[1]

)1(

)21)(1(2

+

= pVE

dove rappresenta la densit del mezzo attraversato.

In generale, le prove cross-hole, a causa delle specifiche modalit esecutive, 2.1, sono preferibili alle

prove down-hole quando si vogliono ottenere dei valori puntuali di velocit di buona qualit ed alta

precisione, e quando le profondit di interesse sono elevate (anche superiori a 100 m). Nel corso delle prove

le vibrazioni sono generate artificialmente mediante una sorgente collocata ad una certa profondit in un

foro di sondaggio, e sono rilevate ad una data distanza mediante uno o pi ricevitori, collocati alla

medesima profondit, in uno o pi fori di sondaggio allineati con il foro sorgente. Viene misurato il temponecessario alle onde di volume per spostarsi tra due punti interni nel terreno. Conoscendo le distanze

percorse, le velocit di propagazione delle onde vengono calcolate mediante i tempi di viaggio. Per una

misura accurata sono necessarie le seguenti componenti: a) una sorgente meccanica da foro, in grado di

generare onde elastiche direzionali (SV, onde di taglio polarizzate verticalmente), dotata di trasduttore per la

definizione dellistante di partenza (trigger) della sollecitazione dinamica; b) un ricevitore da foro

(geofono)3, con appropriata risposta in frequenza, direzionale e dotato di un sistema di collegamento al

2Le vibrazioni prodotte da una sollecitazione dinamica si propagano allinterno di un mezzo continuo sotto forma di onde di volume

(onde di compressione o P e onde di taglio o S) mentre, sulla superficie del mezzo, sotto forma di onde di superficie (onde diRayleigh o Love).3Un geofono consiste in una terna di trasduttori di velocit orientati perpendicolarmente fra loro contenuti in un unico involucro. Ingenere preferibile utilizzarne almeno due, sia nel metodo cross-hole che nel metodo down-hole, al fine di effettuare misure pi

accurate come chiarito in seguito nel presente capitolo.


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terreno affidabile; c) un sistema di acquisizione multi-canale per registrare in modo digitale sia il segnale

del trigger sia le forme donda nonch di registrarli su memoria di massa.

2.1 Procedure sperimentali

La prova, schematizzata in figura 2, consiste nel produrre allinterno del terreno, ad una profondit nota,

una sollecitazione verticale mediante una sorgente meccanica, e nello studiare il treno donde,Pe S, che si

propagano allinterno del terreno in direzione orizzontale, con vibrazioni polarizzate nella direzione di

propagazione (ondeP), e dirette perpendicolarmente alla direzione di propagazione, polarizzate su un piano

verticale (onde SV). Le verticali impiegate per lesecuzione di misure CH sono generalmente poste ad

interasse compreso tra i 3 e i 5 metri.

Nella fase di perforazione i fori vengono sostenuti mediante fanghi bentonitici, per ridurre leffetto di

disturbo del terreno. I diametri delle trivellazioni sono di solito piuttosto piccoli (con diametro interno

compreso tra 80 e 125mm). I fori vengono poi rivestiti di materiale ad alta impedenza alle vibrazioni, quale

per esempio alluminio o PVC, e lo spazio anulare tra il foro ed i tubi viene riempito con una malta a ritiro

controllato.

sorgente 1 ricevitore 2 ricevitore

Figura 2 Schema di prova cross-hole a due ricevitori.

Per eseguire la cementazione in modo da garantire la continuit del contatto terreno-tubazione

necessario, prima ancora di collocare il rivestimento, chiudere il fondo del foro con un cappello (packer)

dotato di valvola di controllo sferica one-way;dopodich, una volta posizionata la tubazione di rivestimento

e centrata rispetto alle pareti del foro con lausilio di appositi distanziatori montati sul fondo, viene calato

allinterno del foro, fino a raggiungere la valvola, un tubicino inPVCcollegato in superficie ad una pompa

convenzionale per mezzo della quale viene iniettata la miscela cementizia, che, una volta raggiunto il fondo

del foro, inizia a riempire dal basso verso lalto in maniera uniforme lintercapedine tra foro e rivestimento,spazzando via il fango e i detriti eventualmente presenti.Laddove non sia possibile utilizzare o posizionareil cappello di fondo, possibile calare direttamente il tubo per liniezione nellintercapedine fino al fondo

del foro e quindi procedere alla cementazione.

Successivamente, dato che la prova richiede una conoscenza precisa dellinterasse dei fori alle varie

profondit di indagine, necessario ricorrere ad un accurato controllo della deviazione dalla verticale dei

fori, e lo strumento generalmente utilizzato linclinometro.

Generalmente la distanza tra le misure circa pari ad 1m e la procedura sperimentale pu essere

sintetizzata nelle seguenti cinque fasi: 1- la sorgente viene calata in uno dei fori di estremit

dellallineamento e, raggiunta la profondit desiderata, viene bloccata contro le pareti delle tubazioni di

rivestimento; 2 - nei fori restanti vengono immersi due ricevitori, portandoli in quota con la sorgente ed

assicurandoli alle pareti del rivestimento; 3- viene prodotta una sollecitazione verticale che attiva il trigger

ed innesca la propagazione di onde di taglio SV nel terreno; 4- viene fatta partire la registrazione dellevibrazioni captate dal sensore disposto nella sorgente e dai trasduttori dei ricevitori con un opportuno


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anticipo rispetto al segnale del trigger; 5- effettuate le misure, viene modificata la profondit di prova e

ripetuta la procedura sperimentale.

2.2 Analisi delle misure sperimentali

Lanalisi delle misure sperimentali eseguite nel corso di prove cross-hole pu essere effettuata nel

dominio del tempo e nel dominio delle frequenze. Di seguito si riportano sinteticamente i principali metodi

di analisi che possibile compiere nei due domini rimandando alla letteratura specifica per

approfondimenti4.

Analisi delle misure nel dominio del tempo

Lacquisizione di una misura CH a due ricevitori consiste nella registrazione simultanea delle vibrazioni

del trigger e dei sensori dei geofoni. La determinazione dei tempi di viaggio delle onde avviene attraverso

lanalisi visuale delle vibrazioni, sulla base del riconoscimento di punti caratteristici. Mediante la

registrazione del segnale di trigger si individua il punto T, che rappresenta listante di applicazione

dellimpulso e quindi lo zero dei tempi. La parte successiva della registrazione di scarso interesse, poich

non rappresentativa vibrazioni trasmesse al terreno. I tempi di arrivo delle onde P ed S vengono poi

individuati su ciascuna delle tracce ai ricevitori e rappresentano i tempi di arrivo di compressione e di tagliorispettivamente. In ciascuna traccia temporale registrata dai ricevitori possibile distinguere tre parti

principali: la prima, tra i punti T e P, del tutto piatta, rappresenta il tempo necessario affinch le vibrazioni

polarizzate nella direzione di propagazione raggiungano il ricevitore; la seconda tra i punti P e S,

caratterizzata da oscillazioni di piccola ampiezza indotte dallarrivo e dallo smorzamento delle onde di

compressione; la terza a destra del punto S, rappresentativa delle vibrazioni prodotte dalle onde di taglio.

Nel caso in cui la vibrazione prodotta dalla sorgente incontri lungo il proprio percorso brusche variazioni

di rigidezza, possibile che vibrazioni prodotte da onde P ed S riflesse e rifratte raggiungano i ricevitori

prima delle onde dirette di taglio. Di solito, tuttavia, la loro ampiezza relativamente piccola per cui

comunque agevole lidentificazione dei tempi di viaggio delle onde Sdirette.

Le velocit di propagazione sono calcolate sulla base delle distanze sorgente-ricevitore e degli intervalli

di tempo compresi tra i punti T e P, per la determinazione di VP

, e compresi tra i punti e T-S, per la

determinazione di VS. utilizzando due ricevitori risulta possibile definire due valori di velocit dirette,

corrispondenti ai percorsi sorgente-primo ricevitore e sorgente-secondo ricevitore. Risulta inoltre possibile

definire un terzo valore di velocit, relativo al percorso tra i due ricevitori ed alla differenza tra i tempi di

arrivo (velocit di intervallo). I tempi di viaggio tra i ricevitori possono essere rilevati, inoltre, tramite i

punti caratteristici dei segnali picchi, valli o zero-crossing successivi al primo arrivo. Tali valori di

velocit sono, tuttavia, disturbati dal fenomeno dello spreading che produce lincremento della distanza

temporale tra i punti caratteristici dei segnali sismici al crescere della distanza dalla sorgente, nonch

lappiattimento progressivo dei picchi. Ci pu determinare diminuzioni anche notevoli delle velocit,

rispetto a quelle determinate sulla base dei primi arrivi (Mancuso et al., 1988). Si ricorda inoltre che, nella

pratica sperimentale, al fine di attenuare il rumore di fondo, si opera mediando pi registrazioni. Infatti,

generando pi volte lo stesso segnale, sincronizzato con listante trigger, ad una data distanza dalla sorgente

si presenter sempre nella stessa posizione temporale; il rumore, essendo invece non sincronizzato, sipresenter in maniera casuale e quindi, il suo effetto risulter attenuato mediando pi registrazioni.

Un altro tipo di analisi dei dati sperimentali che pu essere effettuata nel dominio del tempo, qualora si

siano effettuate misure a pi ricevitori, la cos detta correlazione incrociata o cross correlation, )(xyCC ,

che consente di determinare i tempi associati allo spostamento dellintera forma donda tra il primo ed il

secondo ricevitore. Matematicamente, la funzione misura il grado di correlazione tra la forma di due segnali

x(t) e y(t) prodotti da un singolo impulso ed acquisiti in due punti allineati con la sorgente. La posizione

temporale del segnale relativo al ricevitore pi distante, y(t), viene modificata attraverso una traslazione

temporale nel verso decrescente dei tempi, anticipandone, cio, artificiosamente larrivo. Per ogni valore

di possibile individuare un valore della cross correlationmediante la relazione:

4Si vedano ad esempio i lavori di Mancuso, 1995; Mancuso et al. 1988; Mok, 1987; Simonelli e Mancuso, 1999; Stokoe et al. 1989.


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+

+= dttytxCCxy )()()( [2]

Calcolando i valori assunti dalla [2] al variare su tutto il periodo di registrazione dei segnali, vieneindividuato landamento della )(xyCC . Quindi, ogni punto della cross correlationrappresenta la somma

dei prodotti delle ampiezze registrate dal primo ricevitore per quelle del secondo, traslate di un intervallo

temporale nella direzione decrescente dei tempi. La )(xyCC assume valore massimo quando assume un

valore tale che i picchi pi significativi delle due forme donda risultano sovrapposti (figura 7). Questo

valore, =cc, corrisponde al tempo necessario affinch la parte pi significativa delle vibrazioni passi dalprimo al secondo ricevitore e permette, data la distanza tra i due ricevitori , di determinare a che velocit si

sono propagate le vibrazioni Vxy= / cc. In particolare, i valori delle velocit determinati mediante crosscorrelation rappresentano velocit globali che, a causa del fenomeno dello spreading, possono risultare

sottostimate.Analisi delle misure nel dominio delle frequenze

Come noto, mediante la serie di Fourier, qualsiasi segnale sismico pu essere rappresentato come somma

indefinita di sinusoidi di ampiezza, frequenza e fase opportune.

Tale concetto, evidenzia lesistenza di due possibili rappresentazioni di una stessa onda: una cherappresenta il moto del tempo laltra, che rappresenta le armoniche componenti del segnale (spettro lineare).

Mediante la trasformata diretta di Fourier (FT) si individuano le ampiezze e le fasi delle armoniche;

mediante, invece, la trasformata inversa di Fourier (IFT) si ottiene la conversione dal dominio delle

frequenze a quello del tempo.

Dal punto di vista matematico, ogni punto della FT, unitamente alla propria fase, rappresenta un vettore

che quindi descrivibile con un numero complesso. Ne consegue che, utilizzando le regole dellalgebra

complessa, lanalisi di coppie di segnali sismici pu essere effettuata impiegando delle funzioni che

consentono di combinare le informazioni derivate dalle FT dei segnali stessi. Una di esse lo spettro

incrociato di frequenza o cross power spectrum, , particolarmente utile nel caso in cui vengano

combinate due registrazionix(t) ey(t) derivanti da una stessa sollecitazione dinamica.

)(fCPSyx

La funzione , definita dal prodotto dello spettro lineare Y del segnale y(t) per il

complesso coniugato dello spettro lineare dellaltra :

)(fCPSyx )(f

)(* fX

)()()( * fXfYfCPSyx = [3]

Ciascuna componente del vettore sar rappresentata da unampiezza ed una fase)(fCPSyx )(fACPS

)(fCPS rispettivamente pari al prodotto delle ampiezze ed alla differenza tra le fasi delle componenti degli

spettri correlati. In particolare, il cross power spectrum di due funzioni coincidenti x(t) y(t) sar unoscalare detto auto power spectrume indicato con .)(fAPSxx

Come indicato, possibile attenuare gli effetti del rumore di fondo mediando pi registrazioni. Da ci

deriva possibilit di quantificare il livello di disturbo nelle misure mediante la funzione di coerenza

tra i segnalix(t) ey(t) registrati. La misura concepita sulla media di pi coppie di segnali, poichla prima assunta come base di riferimento e le successive come misure della mancata correlazione tra le

componenti di frequenza disturbate. Lafunzione di coerenza espressa dalla relazione:

)(fCOxy

)()(

)()()(

*

fAPSfAPS

fCPSfCPSfCO

xxyy

xyxy

xy

= [4]

dove le funzioni soprassegnate indicano loperazione di media. Mediante la funzione di coerenza quindi

possibile definire il campo di frequenze entro cui si ha assenza di disturbi nel quale la funzione assume

valore unitario.

Infine, per determinare la velocit di propagazione delle onde, possibile utilizzare lo spettro incrociato

di frequenza. Infatti utilizzando la fase )(fCPS , differenza di fase cumulata dalle armoniche di unonda

sismica nello spostamento tra due punti, possibile determinare il numero di cicli compiuti durante talepercorsoNcda cui si deduce la lunghezza donda e quindi la velocit cercata in funzione della frequenza

V(f). Indicando con 12la distanza tra i due ricevitori si ha:


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ff

fN

ffVCPSc

===)(

360)( 1212

[5]

3 Prove down-hole

La prova down-hole (DH) una prova sismica condotta in un unico foro5 finalizzata a misurare la

velocit di propagazione delle onde diPed S, generate da una sorgente collocata in superficie. Le vibrazioni

prodotte vengono rilevate mediante uno o pi ricevitori, posti alle profondit desiderate allinterno del

sondaggio.

La prova down-hole viene impiegata soprattutto quando si desidera ottenere, senza ricorrere ad indagini

troppo costose, dei valori puntuali della velocit, di qualit e precisione evidentemente minore rispetto a

quelle ottenibili mediante prove CH. La prova significativa solo fino a profondit dellordine dei 50 60m,in quanto, oltre tale quota i segnali registrati diventano di difficile interpretazione e sono possibili errori

nella stima delle velocit.

Per una misura accurata risultano indispensabili le seguenti componenti: 1) una sorgente meccanica di

superficie in grado di generare onde elastiche direzionali SVH ricche di energia, munita di trasduttore perlindividuazione dellistante di partenza delle vibrazioni; 2) duo o pi ricevitori da foro, con appropriata

risposta in frequenza, direzionali e dotati di un sistema di collegamento al terreno affidabile; 3) un sistema

di acquisizione digitale multi-canale, in grado di registrare il segnale del trigger e le vibrazioni acquisite dai

ricevitori, conservandoli su memoria di massa.

1 ricevitore

2 ricevitore

orientamento

trasduttori

sorgente

PLANIMETRIA

SEZIONE VERTICALE

Figura 3 Schema di una prova down-hole a due ricevitori

Lo schema tipico di una prova down-hole a due ricevitori6, rappresentato in figura 3, prevede: una

sorgente costituita da una piastra connessa alla superficie libera del terreno; attaccato ad essa un trasduttore

di velocit, che funzioni da trigger e due ricevitori identici a quelli del metodo cross-hole.

5La fase di preparazione delle verticali di sondaggio analoga a quella descritta per la tecnica CH, eccetto che per la necessit diununica perforazione e la minore sensibilit del metodo DH alla deviazione dei fori dalla verticale, che rimuove il problema delle

misure inclinometriche.6 La prova pu essere condotta anche utilizzando un solo geofono purch tridimensionale, cio dotato di tre ricevitori disposti

secondo gli assi di una terna cartesiana ortogonale e con la possibilit di controllarne lorientamento dalla superficie.


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Dopo aver opportunamente predisposto il piano di appoggio vengono adagiate sulla superficie libera del

terreno una sorgente meccanica7per la generazione di onde Se una piastra dacciaio per la generazione di

ondeP, che costituiscono il sistema di trasmissione dellenergia. La prima di esse, ovvero la sorgente delle

onde di taglio, posta in modo che i suoi estremi siano equidistanti dalla verticale da investigare. Nel caso

venga utilizzata una longarina piuttosto che una trave in c.c.a. per trasmettere lenergia polarizzata

orizzontalmente, per impedirne lo slittamento a seguito dei colpi orizzontali, viene mantenuta aderente alterreno facendovi salire un veicolo pesante e/o mediante chiodi metallici.

3.1 Procedura sperimentale

La procedura sperimentale si articola come segue: 1) si predispone il piano dappoggio togliendo le

eventuali asperit rendendo la superficie liscia eventualmente mediante sabbia. La sorgente delle onde di

taglio viene sistemata in superficie ad una distanza compresa tra 1.5m e 2.5m dal foro e orientata in

direzione ortogonale ad un raggio uscente dallasse foro; 2) i ricevitori vengono collegati, a distanza8paria a

13m, in modo da impedirne la rotazione relativa e in modo che i trasduttori orizzontali dei due ricevitorisiano a due a due paralleli; 3) la testa del primo ricevitore viene raccordata ad una batteria di aste che ne

permette lorientamento dalla superficie; 4) raggiunta la profondit di prova, i ricevitori vengono orientati in

modo che uno dei due trasduttori orizzontali di ciascun ricevitore risulti parallelo allasse della sorgente

(orientamento assoluto); 5) i ricevitori vengono assicurati alle pareti del tubo di rivestimento; 6) la sorgente

viene colpita lateralmente e, allo stesso tempo, inizia la registrazione del segnale di trigger e dei ricevitori;

7) eseguite le registrazioni, la profondit viene modificata e la procedura ripetuta.

Lorientamento assoluto dei geofoni di notevole importanza per la corretta interpretazione delle misure,

anche se comporta qualche complicazione sul piano esecutivo. Infatti, orientando i sensori in nel modo

sopra descritto, si conosce a priori la polarit dei segnali attesi e si registrano le onde in arrivo ( SVH) con la

massima ampiezza possibile, ottimizzando il rapporto segnale-rumore9,nonch la qualit delle misure.

Le parti di cui si compone lapparecchiatura utilizzata per questo tipo di prove si compone delle seguenti

quattro parti:sistema sorgente;sistema di ricezione;sistema di acquisizione e registrazione datie il trigger).

Sorgente. La sorgente deve essere in grado di generare onde elastiche con forme donda ripetibili edirezionali, cio con la possibilit di ottenere prevalentemente onde di compressione e/o di taglio

polarizzate su piani orizzontali (ed eventualmente anche verticali). Tale sorgente generalmente costituita

da una longarina in acciaio di forma tale da potere essere colpita lateralmente ad entrambe le estremit con

un apposito martello. Come anticipato, importante che la trave venga gravata da un carico statico

addizionale in modo che possa rimanere aderente al terreno sia al momento in cui viene colpita sia

successivamente, affinch lenergia prodotta non venga in parte dispersa. Con questo dispositivo possibile

generare delle onde elastiche di taglio polarizzate orizzontalmente che si propagano verticalmente, con

distorsioni nella direzione di propagazione e di polarizzazione generalmente esigue e con un contributo di

onde P anchesso trascurabile. Inoltre, data lentit di energia generalmente prodotta, le deformazioni

indotte nel terreno in prossimit della superficie sono inferiori a 10-2

% e decrescono con la profondit.

Sistema di ricezione. Tale sistema si compone di uno o due ricevitori, ciascuno dei quali costituito da

una terna di trasduttori di velocit orientati secondo le componenti di una terna cartesiana ortonormale ecollocati allinterno di un unico contenitore (preferibilmente di forma cilindrica), in modo che uno dei tre

trasduttori sia orientato secondo la lunghezza del contenitore (trasduttore verticale) e gli altri ad esso

perpendicolari (trasduttori orizzontali). I trasduttori devono possedere appropriate caratteristiche di

frequenza e sensitivit tali da potere ricevere in maniera adeguata il treno donde prodotto dalla sorgente.

Nel caso si utilizzino due ricevitori, essi devono essere collegati, secondo la loro lunghezza, da un

collegamento in grado di fissarne la distanza verticale (compresa tra 1e 3 m) e lorientazione relativa (in

7 Generalmente costituita da una longarina metallica o di legno, purch con le estremit di acciaio, oppure da una trave incalcestruzzo cementizio armato, c.c.a., come nel caso delle prove DH condotte in Valtiberina.8La distanza dtra i ricevitori dovr essere minore della lunghezza donda delle vibrazioni che si intende misurare, d< = VS/f.9Conoscendo la funzione coerenza dei segnali registrati dai due ricevitorix(t)ey(t), definita dalla [2.4], il rapporto segnale-rumore

S/R dato dalla relazione:)(1

)()(

fCO

fCOf

R

S

xy

xy

= .


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modo che i trasduttori orizzontali siano paralleli e concordi a due a due). Il sistema di collegamento del

geofono superiore alla superficie dovr permettere di controllare lorientazione assoluta dei trasduttori

orizzontali.

Trigger. Il trigger consiste in un circuito elettrico che viene chiuso nellistante in cui il martello colpisce

la longarina, consentendo a un condensatore di scaricare la carica precedentemente immagazzinata e la

produzione di un impulso di modesta durata (tale da annullare possibili effetti dovuti ai rimbalzi delmartello) che viene inviato ad un sensore collegato al sistema di acquisizione dati; in questo modo

possibile individuare e visualizzare lesatto istante in cui la sorgente viene attivata e parte la sollecitazione

dinamica.

Sistema di acquisizione e registrazione dati. Si tratta di un sistema multicanale in grado di registrare su

ciascun canale in forma digitale le forme donda e di conservarle in memoria di massa. Esso collegato a

ciascuno dei tre trasduttori di velocit di ciascuno dei ricevitori e al sensore del trigger e consente quindi di

registrare in forma digitale e visualizzare come forme donda su un apposito monitor le vibrazioni cos

come rilevate ai trasduttori dei ricevitori e limpulso inviato dal trigger.

3.2 Analisi delle misure sperimentali

Per interpretare le registrazioni down holee quindi determinare i profili di velocit del sito investigato

esistono diversi metodi di cui i principali sono il metodo direttoe il metodo delle velocit dintervallo.Metodo diretto

Questo metodo dinterpretazione prevede che i tempi di viaggio trelativi al percorso sorgente-ricevitore

vengano inizialmente corretti per tenere conto dellinclinazione dei raggi sismici mediante la seguente

equazione del tempo corretto:

22

*

Hz

zt

d

zt

+== [6]

dovezrappresenta la profondit dal piano di campagna del ricevitore, dla distanza tra sorgente e ricevitore

edH la distanza orizzontale tra sorgente ed asse del foro.

Utilizzando la [6] possibile definire nel piano t*-zla velocit media delle onde SVH; infatti, se il terreno omogeneo isotropo ed a strati orizzontali la velocit di propagazione delle onde sismiche determinata

dallinclinazione rispetto allasse dei tempi corretti dei segmenti di retta lungo i quali si ha lallineamento

dei dati sperimentali.

A titolo desempio, in figura 4 sono riportate le linee di regressione ottenute applicando il metodo

direttoai gruppi di dati compresi tra quelli riportati con etichetta vuota.Metodo delle velocit di intervallo

Questo metodo impiegato quando le misure sismiche in sito sono state eseguite con uno o due

ricevitori. In particolare, come meglio chiarito in seguito, se linterpretazione avviene utilizzando le

registrazione di un solo ricevitore, si parla di velocit dipseudo-intervallo; se invece lanalisi delle misure

avviene sulla base delle registrazioni effettuate da due trasduttori appartenenti a diversi ricevitori e

relativamente ad una stessa onda sismica, si parla propriamente di velocitdi intervallo.

Le velocit dipseudo-intervalloconsentono soltanto apparentemente una migliore definizione dei profilidi velocit rispetto alle velocit medie ottenute con il metodo diretto (Mancuso, 1996). Tali velocit si

ottengono analizzando coppie di registrazioni avvenute a profondit consecutive da un solo ricevitore e,

quindi, relativamente a vibrazioni diverse.

Riferendosi alla figura 5, la velocit dipseudo-intervallo(relativa allo strato riportato a tratteggio in

figura) data dalla relazione:

ij

ij

Stt

ddV

= [7]

dove di la distanza tra sorgente e ricevitore quando si trova alla profondit zi, mentre ti il tempo di

transito delle onde S, ovvero, il tempo intercorrente tra il segnale di triggered i primi arrivi delle onde di

taglio.

Poich i tempi di percorso delle onde elastiche tjeti, nel caso in cui si sia utilizzato un solo ricevitore,sono relativi a diverse vibrazioni, le velocit che si ottengono sono dette di pseudo-intervallo.


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Nel caso in cui si siano utilizzati due ricevitori, si possono determinare le velocit di intervalloancora

con la relazione [7] ma con diverso significato dei termini che vi compaiono. Infatti, per ogni vibrazione

prodotta in superficie possibile analizzare le registrazioni acquisite dai due ricevitori.

Nellespressione [7], quindi, la relazione intercorrente tra i due tempi, adesso ti e ti+1, acquisisce

maggiore significato. La critica maggiore che pu essere mossa ai metodi di analisi delle registrazioni DH

sopra descritti, metodo direttoe metodo delle velocit di intervallo, quella di ipotizzare che i percorsi delleonde siano rettilinei, ovvero coincidenti con quelli che vanno dalla sorgente ai ricevitori.

Evidentemente ci non corrisponde alla realt, poich, prima di raggiungere i ricevitori, le onde sismiche

subiscono fenomeni di rifrazione e riflessione che ne modificano il percorso.

sorgente

z

z

i

zj

id

dj

Figura 5 Schematizzazione

del percorso di raggi sismici

nel terreno.

Figura 4 Velocit delle onde S

interpretate con il metodo diretto

nel piano t*-z.

Alcuni ricercatori (Mok, 1987; Stokoe et al., 1989) hanno proposto una procedura iterativa che permette

di tenere conto del fenomeno della riflessione (secondo la legge di rifrazione nota10

come legge di Snell) e

di avere una misura di affidabilit delle interpretazioni fatte sulla base delle registrazioni sperimentali.

Il metodo proposto dagli autori, a partire dalla modellazione del sito come costituito da una serie di strati

orizzontali e mediante i tempi di arrivo delle onde S individuati per i diversi strati, permette di determinare

le velocit degli strati del modello, considerando il fenomeno della rifrazione che si ha al contatto tra diversi

strati, e di analizzarne laffidabilit per mezzo di matrici di dispersione dei dati osservati. A titolo

desempio, in figura 6, sono riportati gli andamenti dei profili di velocit ottenuti mediante il metodo di

inversione proposto da Mok, il metodo dellevelocit di intervalloed il metodo direttodi cui si detto sopra.

Nel caso riportato in figura laderenza tra i profili di VSottenuti con i tre metodi appare soddisfacente.

10 Sebbene i tentativi di determinare la legge matematica della rifrazione risalgano allantichit e al medioevo, la sua precisa

formulazione fu data soltanto nel XVII secolo. I primi a scoprire la legge sembra siano stati lastronomo e matematico ingleseThomas Hariot (1560-1621) e il matematico olandese Willebrod Snell (1591-1626), rispettivamente nel 1601/2 e nel 1621. Va

comunque rilevato che questi autori, oltre a non pubblicare i loro risultati, non espressero la legge di rifrazione in termini di rapportosin i/sin r, ma nella forma cosec r/cosec i. Lenunciazione esatta della legge di rifrazione venne offerta, per la prima volta, da

Descartes (1596-1650) nellaDioptrique(1637).


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0

2

4

6

8

10

12

14

16

0 200 400 600 800 1000 1200

Shear wave velocity (m/s)

Depth(m) inversion

interval

direct

Fill

Brown-yellow c layey silt

with sandy lenses

Brown-grey sandy-clayey silt

with slices of marl

Layered dark grey clayey

marl

Layered silty clayey marl

with arenaceous grains

Light grey calcareous marl

Figura 6 Stratigrafia e profili di velocit delle onde di taglio ottenuti

con tre diversi metodi (Crespellani et al., 2001).


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Figura 7 Esempio di elaborazione di prove down-hole

mediante il metodo delle velocit di intervallo e impiego di cross correlazione

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