Metodi di indagine sismica in sito (parte I)

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DIPARTIMENTO DI INGEGNERIA CIVILE e AMBIENTALE Sezione Geotecnica

Metodi di indagine sismica in sito (parte I)

Prof. Ing. Claudia Madiai – Ing. Elisa Gargini

Le tecniche geofisiche (e tra queste prevalentemente le misure sismiche),

l l l l d f l d

prof. ing. Claudia Madiai

Corso di Ingegneria Geotecnica Sismica

METODI GEOFISICI E MISURE SISMICHE

venivano utilizzate inizialmente su larga scala, per identificare le grandi strutture sepolte, la morfologia del sottosuolo e per definirne, in maniera indiretta, la stratigrafia (spessore ed alternanza degli strati, posizione del bedrock), le caratteristiche idrauliche (profondità del livello di falda) e le proprietà meccaniche in campo statico dei depositi (rigidezza a taglio e compressione dei materiali) A partire dagli anni ’70 e ’80 tali tecniche hanno subito una notevole diffusione di fronte alla crescente domanda del loro uso anche a scala ridotta per

i i d li l i à d i i fi i li i

caratterizzare con maggiore dettaglio le proprietà dei terreni superficiali in campo dinamico (per l’applicazione di normative antisismiche sempre più specifiche e stringenti, per l’analisi di stabilità dei pendii in condizioni sismiche, per studi di liquefazione, per analisi di microzonazione sismica, etc.)

22

(2)

Le MISURE SISMICHE costituiscono un sottoinsieme delle tecniche geofisiche e consistono nel produrre un disturbo meccanico in un punto del terreno (sorgente) e nel monitorare il moto risultante, determinato dalle conseguenti

PROVE IN SITO - MISURE SISMICHE

Le misure sismiche possono essere classificate come:

attive(le onde vengono generate da una sorgente opportunamente energizzata durante la prova)

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

(sorgente) e nel monitorare il moto risultante, determinato dalle conseguenti onde sismiche generate, in uno o più punti circostanti (ricevitori)

e :

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

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

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TECNICHE GEOFISICHE

Misure sismiche Altri metodi geofisici

Intrusive Non Intrusive

Attive Attive Passive

MASW Rifr.(TS) Rifl. SASW

Gravimetriche Elettriche

Magnetiche VpVS

VS

VPVS VP VS

CSW^V^S ^V^S ^VF-k^S NASW i di i i di tt ( t di SWM)

44

DH CH SCPT

(CH,DH)

SVLM SDMT

Foro

Elettromagn.

Superficiali

mis. diretta mis. indiretta (metodi SWM)

DH: Down-Hole; CH: Cross-Hole; SVLM: Suspension Velocity Logging Method; SCPT: Seismic Cone Penetration Test; SDMT: Seismic Dilatometer Test; Rifr.: prova a rifrazione; Rifl.: prova a riflessione; TS: Tomagrafia Sismica; 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 PROVE IN SITO - MISURE SISMICHE

g p p q p p

maggiore contenuto energetico della sorgente che consente di ottenere una risposta del terreno più simile, in termini di ampiezza e contenuto in frequenza, a quella che si avrebbe in condizioni sismiche

Le misure passive (microtremori) forniscono buoni risultati nel descrivere la risposta sismica di un terreno ma solo in termini di contenuto in frequenza, sono operativamente più semplici e in alcuni casi anche più economiche.

Le misure intrusive sono in genere più costose in quanto richiedono l’esecuzione Le misure intrusive sono in genere più costose in quanto richiedono l esecuzione di prefori o l’utilizzo di penetrometri; d’altra parte forniscono una stima dei

“parametri dinamici” più precisa con la profondità

Le misure non intrusive, sebbene più economiche, spesso richiedono un ingombro superficiale areale incompatibile con le caratteristiche del sito e forniscono risultati attendibili limitatamente agli strati più superficiali.

55

Le misure sismiche consentono di:

Applicazioni

PROVE IN SITO - MISURE SISMICHE

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

Ô ottenere indirettamente informazioni sulla stratigrafia di un deposito, la posizione del bedrock e della falda

Tali misure possono essere dunque impiegate:

¾ l’id tifi i d l d ll di i i f l i h

¾ per l’identificazione a grande scala delle condizioni geomorfologiche, stratigrafiche e idrauliche del sottosuolo

¾ 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)

66

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

Pertanto le due classi di prove sono tra loro complementari e solo se usate MISURE SISMICHE

PER LA CARATTERIZZAZIONE DINAMICA DEI TERRENI

Pertanto le due classi di prove sono tra loro complementari e solo se usate congiuntamente permettono di ottenere una affidabile caratterizzazione meccanica dei terreni anche in campo dinamico

Tra i vantaggi 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 deformativi

Tra gli svantaggi:

le difficoltà nella definizione delle condizioni al contorno, delle condizioni di drenaggio e dello stato tensionale in sito rendono più incerta l’interpretazione dei risultati

l’esecuzione della prova stessa può introdurre ulteriori non controllabili fattori di

disturbo che ne falsano l’esito ₇₇

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

PROVE IN SITO E DI LABORATORIO

PER 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 piccole deformazioni a rottura.

88 Il modulo di taglio iniziale G₀ misurato in sito è sempre superiore a quello misurato in laboratorio: le prove di laboratorio permettono di definire il modello di comportamento dinamico del terreno, ma, a causa del disturbo, non forniscono valori attendibili del modulo di 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

2 i t i d li ff tti d tti iù i it i ( f i)

PROVE IN SITO - MISURE SISMICHE

2. registrazione degli effetti prodotti con uno o più ricevitori (geofoni)

3. interpretazione dei segnali registrati con individuazione dei tempi di arrivo delle onde P, S ed R e quindi delle relative velocità di propagazione

99

Non esistono al momento raccomandazioni che disciplinanoin totole modalità esecutive di questo tipo di prove (come accade invece per le prove geotecniche

t di i li d R d i i AGI ASTM t )

PROVE IN SITO - MISURE SISMICHE

tradizionali, ad es. Raccomandazioni AGI, norme ASTM, etc.)

Per alcune si possono trovare capitolati o istruzioni tecniche di riferimento (SPEA, varie Amministrazioni Regionali, etc.) e singole norme ASTM (ad es. per la prova cross-hole)

Questo costituisce un serio problema specie considerando che:

da un lato si tratta di prove specialistiche (che richiedono attrezzature particolarmente 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 sempre più crescente richiesta da parte di Amministrazioni pubbliche e privati per applicazioni in vari campi (progettazione antisismica, studi di microzonazione, etc.)

10 10

(6)

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

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

MISURE SISMICHE SUPERFICIALI - METODO A RIFLESSIONE

p g p

l'istante di ricezione in superficie mediante unaserie di geofoni, dopo una o più riflessioni da parte di altrettante superfici riflettenti

L’analisi e l’interpretazione dei segnali riflessi registrati in superficie permettono di evidenziare la posizione di strati caratterizzati da diversa impedenza sismica e di stimare le velocità di propagazione delle onde di volume in ciascuno di essi

11 11

MISURE SISMICHE SUPERFICIALI - METODO A RIFLESSIONE

2 2

4 H x d t 2 riflessa

onda = = +

t x diretta

onda =

d

1 P 1

P

r

V V

t riflessa

onda = =

Individuando i tempi di arrivo dell’onda diretta, t_d, e dell’onda riflessa, t_r, è possibile ricavare la velocità di propagazione dell’onda sismica (V_P1) e lo spessore dello strato (H)

1 P

d

V

t diretta

onda =

12 12

(7)

Riferendosi alla legge di Snell, si hanno i due possibili casi:

1) se V_P2 > V_P1 il raggio rifratto si allontana dalla normale alla superficie di separazione

MISURE SISMICHE SUPERFICIALI - METODO A RIFRAZIONE

separazione

2) se V_P2 < V_P1 il raggio rifratto si avvicina alla normale alla superficie di separazione 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_Cin corrispondenza del quale l’onda rifratta si propaga lungo la superficie di separazione

L'angolo critico si ottiene dalla legge di Snell considerando un valore all’angolo di rifrazioner di 90°:

( ) ^V ( )

2 P

1 P

c

V

i V sin =

L’onda orizzontale di velocità V_P2 genera a sua volta un'onda rifratta dal mezzo 2 al mezzo 1 che

emerge con angolo i_C _r

13 13

MISURE SISMICHE SUPERFICIALI - METODO A RIFRAZIONE

L’onda che segue il percorso SABR è detta onda birifratta

Un passo fondamentale del metodo è determinare se arriva prima al ricevitore l’onda diretta o l’onda (bi)rifratta: se il geofono è posizionato vicino alla sorgente arriverà prima l'onda diretta (l'onda rifratta non esiste); per distanze maggiori onda diretta e rifratta

tempi di arrivo:

l'onda diretta (l'onda rifratta non esiste); per distanze maggiori onda diretta e rifratta saranno in competizione (l’onda diretta ha un percorso più breve, l'altra viaggia a velocità maggiore). Ad una certa distanza x_cdalla sorgente, l'onda rifratta supera l'onda diretta

1 P

d V

t x diretta

onda =

14 14

1 2 2

1 1

2 2

1 1 2 1

) cos(

) 2 ) tan(

cos(

1 2 ) tan(

2 ) cos(

2

P c P

c P P c P P P

c c

P P P P

r V

i H V i x V V i V

H V

x V

i H x i V

H V

BR V

AB V

t SA ⎟⎟⎠= +

⎜⎜ ⎞

⎝

⎛ −

+

− = +

= + +

= onda rifratta

(8)

MISURE SISMICHE SUPERFICIALI - METODO A RIFRAZIONE

In 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 V_P1e V_P2e quindi i_c= arcsen(V_P1/V_P2).

Prolungando la dromocrona dell’onda rifratta fino a determinare l’intersezione t_r0con l’asse delle ordinate si può determinare lo spessore H con la relazione:

) i cos(

2 H V

c 1

= P

1 P 2 P

1 P 2 P c

V V

V V 2 H x

+

= −

t oppure in funzione dell’ascissa x_c

del punto di intersezione tra le dromocrone:

x_c x

H

1 P

c 0

r V

) i cos(

H t =2

V_P1 V_P2> V_P1

15 15

MISURE SISMICHE SUPERFICIALI - METODO A RIFRAZIONE Limitazioni intrinseche del metodo a rifrazione:

¾ inversione di velocità (non si genera l’onda rifratta)

¾ strato nascosto

(lo strato è troppo sottile perché l’onda rifratta

t

(non si genera l onda rifratta) ( o a o oppo o p o da a a

possa essere distinta da quelle generate dai rifrattori sovrastanti e sottostanti)

t

x H₁ V_P1 V_P2< V_P1

16 16 H₂

V_P3> V_P2

x H₁ V_P1 V_P2> V_P1 H₂ V_P3> V_P2

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MISURE SISMICHE SUPERFICIALI

Esempio 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 così

dette tomografie sismiche ₁₇₁₇

SVANTAGGI

' impossibilità di indagare con la stessa affidabilità profondità elevate (> 30 m)

MISURE SISMICHE SUPERFICIALI METODI A RIFLESSIONE E RIFRAZIONE

' impossibilità di indagare, con la stessa affidabilità, profondità elevate (> 30 m) ' 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

18 18 COSTI E AFFIDABILITÀ

Per quanto riguarda i costi, le prospezioni sismiche a riflessione e a rifrazione si collocano rispetto alle altre prove sismiche in una fascia bassa con affidabilità delle misure media

(10)

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

MISURE SISMICHE SUPERFICIALI - METODI SWM

riflessione e rifrazione consentono soltanto una descrizione sommaria del sito;

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

Un recente sviluppo delle prospezioni di superficie è rappresentato dai metodi SWM (Surface Wave Methods).

Queste tecniche consentono di ricostruire profili di rigidezza del sito a partire da misure della velocità delle onde di Rayleigh (V_R)

sorgente ricevitori

Onde di Rayleigh

19 19

Alla base di questi metodi vi è la constatazione che la profondità investigata, z, è proporzionale alla lunghezza d’onda della perturbazione,λ (λ/3 ≤ z ≤ λ/2).

Inoltre, in un mezzo non omogeneo (mezzo dispersivo), la velocità di propagazione delle onde di Rayleigh dipende dalla lunghezza d’onda e dalla

MISURE SISMICHE SUPERFICIALI - METODI SWM

p p g y g p g

frequenza di eccitazione. Supponendo che l’eccitazione sia rappresentata da una vibrazione sinusoidale continua di frequenza f, la differenza di fase φ tra lo spostamento 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 dalla sorgente a P, ovvero alla sua velocità di propagazione V_R(velocità di fase, V_φ).

20 20

R

R V

x f V

x= ⋅ ⋅

=ω⋅ π

ϕ ² Ad una distanza pari

alla lunghezza d’onda λ, φ = 2π, da cui:

T f V

V_R= =λ=λ⋅

ϕ

(11)

MISURE SISMICHE SUPERFICIALI - METODI SWM

Le prime misure sismiche superficiali consistevano nell’applicare in superficie al terreno una sorgente vibratoria sinusoidale di frequenza f e nel trovare la posizione del ricevitore più vicina in cui la vibrazione rilevata fosse in fase con quella della sorgente, ovvero la lunghezza d’ondaλ, così da ottenere la velocità di fase V_R. Modificando la frequenza dell’eccitazione, si costruiva la curva che esprime la variazione della velocità di fase con la frequenza o con la lunghezza d’onda (curva di dispersione).

21 21 Al diminuire della frequenza f (ovvero all’aumentare della lunghezza d’onda λ), aumenta, oltre all’entità dello spostamento massimo (ampiezza dell’onda), anche lo spessore dello strato superficiale interessato dal passaggio dell’onda.

MISURE SISMICHE SUPERFICIALI - METODI SWM

Schematizzando il terreno come un semispazio elastico omogeneo (mezzo non dispersivo), la curva di dispersione delle velocità di fase è costante, perché V_φè indipendente dalla frequenza dell’eccitazione. Se il semispazio elastico è costituito da uno strato di spessore finito seguito da uno strato infinitamente esteso,p g , entrambi omogenei ma di caratteristiche diverse l’uno dall’altro (mezzo dispersivo), la velocità di fase varia con la frequenza: per alti valori di f (bassi valori diλ, profondità investigata limitata), V_φ tende al valore caratteristico dello strato superficiale; per bassi valori di f (alti valori di λ, maggiore profondità investigata), V_φtende al valore caratteristico dello strato inferiore.

22 22

(12)

MISURE SISMICHE SUPERFICIALI - METODI SWM

Determinata V_φ= V_R, si ricava la velocità delle onde di taglio V_Snei diversi strati:

V_R(z) → V_S(z);0.86≤ ≤0.95

S R

V

V a seconda del valore del coefficiente di Poissonν.

Nei casi reali più complessi si possono applicare le stesse considerazioni anche

Diventa così necessario ricorrere a procedure numeriche iterative (inversione), che permettono di ottenere il profilo di rigidezza del sito più probabile, ovvero quello a cui corrisponde una curva di dispersione che

Nei casi reali, più complessi, si possono applicare le stesse considerazioni, anche se l’attribuzione delle velocità di fase ricavate dalla curva di dispersione ai singoli strati è molto più incerta.

23 23

p p

sia il più vicino possibile a quella ottenuta sperimentalmente. In ogni caso, si dovrebbe già possedere una conoscenza minima della stratigrafia del sottosuolo (ad esempio attraverso sondaggi), in modo da poter controllare il modello ottenuto dalla procedura di inversione.

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

MISURE SISMICHE SUPERFICIALI - METODO SASW

p p gg ( p y

Surface Waves).

Il metodo utilizza due ricevitori disposti simmetricamente rispetto alla verticale da esplorare, 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’altezza nota. 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 lo stesso allineamento), ed adottando come sorgente martelli o pesi via via più stesso allineamento), ed adottando come sorgente martelli o pesi via via più grandi. L’energia richiesta è infatti tanto maggiore quanto maggiore è la lunghezza dell’onda che si vuole generare, ovvero quanto maggiore è la profondità di investigazione (per questo non si va in genere oltre i 40 m).

24 24

(13)

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

MISURE SISMICHE SUPERFICIALI - METODO SASW

(Multichannel Analysis of Surface Waves)

I ricevitori sono disposti ad interasse costante pari ad x mentre la sorgente è allineata con essi e posta a distanza d, fatta variare durante la prova

Il vantaggio della prova multicanale consiste nella possibilità di elaborare un maggior numero di segnali da cui ricavare un profilo di rigidezza più attendibile

1 2 n

sorgente ricevitori

x x

d

25 25

1) i ricevitori verticali sono posizionati simmetricamente rispetto alla

MISURE SISMICHE SUPERFICIALI - METODO SASW

TECNICA DI PROVA

simmetricamente rispetto alla verticale da esplorare CL

2) la sorgente è allineata ai ricevitori, a distanza d da uno di essi (di norma il primo valore è d=1m) 3) viene eseguita l’energizzazione

verticale, attivando la registrazione dell’impulso con opportuno

ti i (t i ) ^d ^d ^d

anticipo (trigger)

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

5) la procedura è ripetuta aumentando progressivamente d (è necessario aumentare d in quanto con ogni configurazione è possibile esplorare solo un

tratto della curva di dispersione) ₂₆₂₆

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I ricevitori impiegati sono geofoni di superficie (con trasduttori di velocità posizionati verticalmente) con frequenze naturali comprese tra 1 e 10Hz

MISURE SISMICHE SUPERFICIALI - METODO SASW

Il tipo di sorgente varia in funzione della profondità da investigare ovvero della lunghezza d’onda da generare Vengono generalmente impiegati martelli di massa modesta (1-8kg) per generare perturbazioni con piccole lunghezze d’onda oppure masse elevate (2-3t) fatte cadere da 2-3m di altezza per generare onde sismiche con elevati valori diλ.

27 27

La procedura seguita per l’inversione di misure SASW (o MASW) è la seguente:

MISURE SISMICHE SUPERFICIALI - METODO SASW

INVERSIONE DELLA CURVA DI DISPERSIONE

a p ocedu a segu ta pe e s o e d su e S S (o S ) è a segue te 1. discretizzazione della verticale esplorata in strati (supposti orizzontali, elastici,

omogenei e isotropi) poggianti su semispazio elastico

2. assegnazione di valori di tentativo ai parametri geometrici e geotecnici degli strati e del semispazio (spessore, d, velocità delle onde di taglio, V_S, coefficiente di Poisson,ν, e densità,ρ)

3 aggiustamento dei parametri del 3. aggiustamento dei parametri del modello (rigidezze e spessori) fino a raggiungere il miglior accordo fra la curva di dispersione teorica e quella sperimentale

28 28

(15)

MISURE SISMICHE SUPERFICIALI - METODO

SASW

INVERSIONE DELLA CURVA DI DISPERSIONE

29 29

Confronto fra curva di dispersione teorica e curva di dispersione sperimentale

MISURE SISMICHE SUPERFICIALI - METODO SASW

30 30

(16)

& non invasive e con impatto ambientale nullo

& economiche

& consentono di coprire aree estese

TECNICHE BASATE SULLE ONDE SUPERFICIALI

VANTAGGI

consentono di coprire aree estese

& 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 comunque

maggiori energizzazioni), per indagare le quali sono necessarie lunghezze d’onda elevate, corrispondenti a basse frequenze, campo in cui in genere si concentra anche il rumore

' non adatte a terreni sovraconsolidati (in genere sottostimano V_S) SVANTAGGI

' non adatte a terreni sovraconsolidati (in genere sottostimano V_S) ' 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

31 31 COSTI E AFFIDABILITÀ

Le prospezioni sismiche basate sull’analisi di onde superficiali si collocano rispetto alle altre prove sismiche in unafascia media

Metodi di indagine sismica in sito (parte I)