metodi geofisici - Istituto Tecnico Economico Agostino Bassi

METODI DI INDAGINE
INDAGINI GEOGNOSTICHE
Il sottosuolo può essere caratterizzato dal punto di vista geologico, geotecnico e
geomeccanico attraverso indagini:
indirette (misurano la variazione di determinate caratteristiche e permettono di
risalire successivamente alla definizione del terreno che costituisce il sottosuolo);
dirette (consentono un rilievo diretto e dettagliato del terreno).
Indagini indirette
METODI GEOFISICI
Utilizzano le variazioni, rilevabili in superficie, di alcuni parametri geofisici per la definizione della
geometria e delle caratteristiche di corpi geologici sepolti.
Possono essere distinti in metodi che impiegano:
 campi naturali ⇒ misurano un campo di forze sulla superficie terrestre e cercano di
individuare le anomalie dovute a disomogeneità del terreno: Prospezione gravimetrica,
Prospezione magnetica.
 campi artificiali ⇒ studiano il comportamento di un campo artificiale che può venire
influenzato da corpi o strutture sepolte: Prospezione elettrica, prospezione sismica.
METODI GEOFISICI
(indagini indirette)
Una prospezione consiste nel distribuire un certo numero di punti di rilevamento secondo una
maglia più o meno fitta di stazioni, in funzione delle dimensioni, profondità e contrasti di
proprietà della struttura da rilevare e del rapporto costi/benefici.
METODI GEOFISICI (indagini indirette)
OBIETTIVI

Ricostruire il profilo stratigrafico. In particolare, la posizione di un
eventuale basamento roccioso o substrato resistente

Stabilire la posizione della superficie della falda freatica o la presenza
di corpi idrici sotterranei
Metodi geofisici:
 Geoelettrico: segnale elettrico in corrente continua funzione della
resistività delle rocce attraversate.
 Geosismico: onde sismiche di compressione (P), di taglio (S) e di
superficie (R). Interpretazione di onde di riflessione e di rifrazione
Necessità di abbinare prove geofisiche con carotaggi geognostici!
Geo-elettrica
Profili di resistività
PROSPEZIONE ELETTRICA
METODO DELLA RESISTIVITA’
Questo metodo si basa sulla misura delle variazioni della resistività delle rocce o di un terreno, cioè di una
grandezza fisica che esprime l’attitudine di un materiale a lasciarsi attraversare da una corrente elettrica.
L’unità di misura della resistività è Wm.
I minerali costituenti le rocce sono, tranne rare eccezioni come la grafite e alcuni solfuri, degli isolanti perfetti,
per cui la resistività assume valori notevolmente elevati. Tuttavia la presenza nei vuoti di elementi caratterizzati
da una bassa resistività, come acqua o presenza di terreno, fa si che i valori di resistività si abbassino in modo
sensibile.
Questi fattori fanno si che a parità di tipo litologico la resistività sia influenzata principalmente dalla porosità del
mezzo.
Il dispositivo frequentemente adottato per la misura della resistività è il quadripolo di Schlumberger.
PROSPEZIONE ELETTRICA
METODO DELLA RESISTIVITA’
METODI DI PROSPEZIONE
ELETTRICA
• Metodo dei Sondaggi Elettrici (Profili Verticali)
a) Quadripolo Schlumberger;
b) Quadripolo Wenner;
c) Dipolo - Dipolo
• Metodo dei profili orizzontali di resistività
a) Quadripolo Schlumberger;
b) Quadripolo Wenner;
PROSPEZIONE ELETTRICA
METODO DELLA RESISTIVITA’
SONDAGGIO ELETTRICO VERTICALE
Nel quadripolo Wenner il centro rimane invariato e gli elettrodi sono sistemati in modo equidistante rispetto al centro
Vantaggi: Utile a
valutare la presenza
di strati orizzontali;
Svantaggi: meno per
eventuali
strutture
verticali.
Nel quadripolo Schlumberger lo schema rimane sempre AMNB ma la distanza tra gli elettrodi AM e NB dipende da
n multiplo n (dato dal rapporto AM/MN = n) e dalla distanza tra gli elettrodi di corrente A e B.
Vantaggi:
Discretamente sensibile
sia agli strati orizzontali
che verticali.
PROSPEZIONE ELETTRICA
METODO DELLA RESISTIVITA’
SONDAGGIO ELETTRICO VERTICALE
I Metodi di prospezione elettrica Wenner e Schlumberger, sono costituiti da una linea di invio AB
(collegata ad una batteria), destinata ad immettere nel terreno una corrente continua di nota intensità i e una
linea di misura MN munita di potenziometro P destinata a misurare la differenza di potenziale che si crea
per effetto della resistenza opposta dai terreni al flusso di corrente immessa
PROSPEZIONE ELETTRICA
METODO DELLA RESISTIVITA’
Allargando ad ogni misura i quattro elettrodi mantenendo invariato il centro del quadripolo si ottiene un
SONDAGGIO ELETTRICO VERTICALE (SEV)
PROSPEZIONE ELETTRICA
METODO DELLA RESISTIVITA’
Spostando ad ogni misura i 4 elettrodi, senza mantenere invariato il centro, lungo un allineamento orizzontale
PROFILO DI RESISTIVITA’
MODELLO 1D
PROSPEZIONE ELETTRICA
METODO DELLA RESISTIVITA’
In un modello 2D la resistenza può variare in entrambe le direzioni orizzontali e verticali. La rappresentazione 2D è
un giusto compromesso tra costi ed attendibilità dei risultati.
Mentre un profilo 1D comprende circa 10/20 letture, un profilo 2D permette di eseguire 100/1000 letture e un profilo
3D 1.000.000 di letture.
La Tomografia 2D viene eseguita mediante un numero di elettrodi maggiore di 20 connessi ad un misuratore di
resistività che a sua volta è collegato ad un laptop per la elaborazione dei dati registrati.
MODELLO 1D
PROSPEZIONE ELETTRICA
METODO DELLA RESISTIVITA’
In un modello 2D la resistenza può variare in entrambe le direzioni orizzontali e verticali. La rappresentazione 2D è
un giusto compromesso tra costi ed attendibilità dei risultati.
Mentre un profilo 1D comprende circa 10/20 letture, un profilo 2D permette di eseguire 100/1000 letture e un profilo
3D 1.000.000 di letture.
La Tomografia 2D viene eseguita mediante un numero di elettrodi maggiore o uguale di 20 connessi ad un misuratore
di resistività che a sua volta è collegato ad un laptop per la elaborazione dei dati registrati.
Il DATA POINT ottenuto rappresenta la
misura di potenziale elettrico che giace in
corrispondenza del punto medio del set d
elettrodi utilizzato e che la profondità
dipende dalla spaziatura utilizzata.
Al DATA POINT è associato un volume di
terreno in modo da rappresentare l’intero
volume di indagine in tanti singoli
volumetti.
PROSPEZIONE ELETTRICA
METODO DELLA RESISTIVITA’
Immaginiamo di disporre n.20 elettrodi e di effettuare misure secondo una disposizione WENNER.
Lo strumento verrà posto sui primi 4 elettrodi ad una distanza paria a 1a, si invierà corrente ai 2 esterni e si misurerà
il potenziale tramite i due centrali.
Si ripeterà la medesima operazione per distanze pari a 2a, 3a, 4a, fino al limite massimo consentito di 20 elettrodi.
Si nota che all’aumentare della spaziatura decresce il numero di letture ma aumenta la profondità.
Perciò il numero di misure effettuabili lungo lo stesso orizzonte dipende dalla geometria.
PROSPEZIONE ELETTRICA
METODO DELLA RESISTIVITA’
Essendo nota l’intensità di corrente i inviata al sottosuolo, la misura di potenziale è tramutata in resistività apparente.
(per resistività apparente si intende la resistività media di un volume di terreno direttamente investito da n flusso di
corrente)
N.B.: per misurare la massima profondità raggiungibile per mezzo di uno schema, si moltiplica la distanza elettrodica
usata «a» oppure la massima distanza «L» dello schema per un fattore di profondità.
PROSPEZIONE ELETTRICA
METODO DELLA RESISTIVITA’
Le tecniche 3D forniscono risultati più accurati, ma sono ancora estremamente costose a causa dei lunghi tempi di
acquisizione legati all’impossibilità di effettuare più di una misura nello stesso tempo, ed ai tempi di elaborazione
della maggiore mole di dati.
acqua
ρ=10-100 Ω⋅m
acqua di mare
ρ= 2-3 Ω⋅m
Profilo di resistività da geoelettrica
Profilo di resistività da geoelettrica
Profilo stratigrafico da geoelettriche
PROSPEZIONE ELETTRICA
METODO DELLA RESISTIVITA’
Come abbiamo visto la profondità di investigazione può variare da poche decine a varie centinaia di
metri, si comprende come i sondaggi elettrici e i profili di resistività, si prestino sia a studi di dettaglio
di zone limitate, sia a studi di carattere regionale.
Le applicazioni più frequenti riguardano lo studio delle serie alluvionali, la ricostruzione
dall’andamento dello spessore dei materiali acquiferi, oppure del tetto di un substrato roccioso
acquifero sepolto sotto una coltre di depositi poco resistivi e alla ricerca di sacche di gas metano e
petrolio.
Geo-sismica
PRINCIPI DEI METODI GEOSISMICI
PRINCIPI DEI METODI GEOSISMICI
PRINCIPI DEI METODI GEOSISMICI
PRINCIPI DEI METODI GEOSISMICI
Sismica a rifrazione
Sismica a riflessione
PRINCIPI DEI METODI GEOFISICI
Questi metodi geofisici si basano sulle leggi di Snell, alle quali occorre brevemente accennare per facilitare la
comprensione dei fenomeni che determinano percorsi, geometrie, velocità e caratteristiche dei raggi sismici.
• si denoti un piano di incidenza individuato dal raggio incidente e dalla normale alla superficie di discontinuità tra il
mezzo 1 e il mezzo 2;
• si supponga un’onda che colpisca la superficie di separazione tra i due mezzi aventi caratteristiche meccaniche
differenti: parte dell’onda incidente subirà un fenomeno di riflessione e continuerà a viaggiare nel mezzo 1, mentre
una parte proseguirà il suo percorso al di là della superficie e verrà trasmessa nel mezzo 2.
PRINCIPI DEI METODI GEOFISICI
Il mezzo 1 sarà attraversato da un raggio riflesso che
giacerà nel piano di incidenza: detto θi l'angolo formato dal
raggio incidente con la normale alla superficie di
separazione tra i mezzi e θr l'angolo formato dal raggio
riflesso con la normale alla superficie, si avrà che
qi = qr
Il raggio rifratto, invece, verrà trasmesso nel mezzo 2:
indicato con θR l'angolo formato dal raggio rifratto con la
normale alla superficie di separazione tra i due mezzi.
Da qui, come mostrato in figura, ne consegue che:
• se V2 > V1 il raggio rifratto si allontanerà dalla normale
alla superficie di separazione tra i due mezzi;
• se V2 < V1 il raggio rifratto si avvicinerà alla normale
alla superficie di separazione tra i due mezzi;
METODO SISMICO A RIFRAZIONE
Se viene fatta esplodere un carica di dinamite in uno scavo o foro di sondaggio si creano delle onde sismiche che
si propagano nei terreni con una velocità che dipende dalle caratteristiche di elasticità dei terreni stessi.
In determinate situazioni strutturali tali onde possono essere rifratte e ritornare in superficie, per cui, se sono noti
i tempi di percorrenza tra sorgente sonora e un ricevitore, nonché la distanza tra questi due punti, è possibile
calcolare la velocità delle onde in ciascuno strato attraversato e la relativa profondità.
METODO SISMICO A RIFRAZIONE
La prova consiste nell’utilizzare un’apparecchiatura, montata su un autocarro o portatile, costituita da una
sorgente sonora (ad esempio esplosivo), da una serie di sismografi (Geofoni) in numero di 6 o 12 o 24
regolarmente allineati e da altrettanti cronografi in grado registrare fotograficamente l’istante di esplosione e il
tempo di arrivo delle onde.
N.B.: la quantità di esplosivo, la profondità dello scavo, la distanza della linea di geofoni dalla sorgente
dipendono dalla profondità che si intende raggiungere.
Sperimentalmente è stato osservato che occorre disporre i geofoni a una distanza di 4000m dal punto di
scoppio per raggiungere i 1000m di profondità di investigazione, con un consumo di esplosivo pari a
100kg di dinamite.
METODO SISMICO A RIFRAZIONE
L’indagine completa prevede una serie di scoppi e quindi di registrazioni eseguite lungo determinate direttrici che
possono anche essere articolate con due sistemi normali fra loro in modo da creare una rete a maglia quadra che
copra tutta la zona oggetto di studio.
L’esplosione della carica crea tre tipi di onde che si propagano in tutte le direzioni, tra esse le più importanti sono
le onde longitudinali P (Onde di Compressione) e le onde trasversali S (Onde di Taglio).
I geofoni registrano l’arrivo delle onde longitudinali (le quali viaggiano ad una velocità di poco inferiore al
doppio della velocità delle onde trasversali) e delle onde superficiali.
Esempio di prospezione sismica e rifrazione: L'energia rifratta sulle differenti superfici di discontinuità,
misurata in superficie da specifici geofoni, fornirà informazioni circa le velocità sismiche dei corpi presenti
nel sottosuolo: nota la distanza tra sorgente e ricevitore, nonché il tempo di percorrenza delle onde rifratte,
sarà possibile risalire alle velocità e alle caratteristiche meccano-elastiche dei mezzi attraversati
METODO SISMICO A RIFRAZIONE
DROMOCRONE – CALCOLO DELLE VELOCITA’ – SPESSORI DEGLI STRATI
I raggi sonori prodotti dallo scoppio attraversano il sottosuolo seguendo percorsi differenti. Di questi raggi alcuni
giungono direttamente ai geofoni più vicini (per esempio G1-G2-G3); altri vengono rifratti non appena urtano il
piano di separazione fra i due strati 1 e 2 di velocità V1 e V2 (con V1 < V2)
Di questi ultimi raggi ve ne sono alcuni che
percorrono la superficie di separazione degli
strati 1 e 2 e ritornano in superficie G3-G4G5-G6-G7 secondo una inclinazione uguale
all’angolo i (angolo di rifrazione r = 90°)
I raggi che incidono invece sullo stesso
piano di contatto con i1 < i penetrano nello
strato 2 secondo un certo angolo di
rifrazione e possono ritornare in superficie
G7 solo quando l‘angolo di incidenza sulla
superficie inferiore dello strato 2
corrisponde all’angolo critico i2 (r = 90°).
Ne consegue che note le distanze fra punto
di scoppio e ciascun sismografo, noti gli
istanti in cui sono avvenuti gli scoppi quelli
di arrivo delle onde e quindi noti i tempi di
percorrenza, è possibile costruire un
diagramma (dromocrona) unendo i vari
punti di coordinate s (distanze) e t (tempi).
METODO SISMICO A RIFRAZIONE
DROMOCRONE – CALCOLO DELLE VELOCITA’ – SPESSORI DEGLI STRATI
Ciascun segmento della dromocrona è caratterizzato da una inclinazione, sull’asse delle ascisse, che equivale
all’inverso della velocità delle onde nello strato cui esso si riferisce; inoltre gli stessi segmenti consentono il
calcolo degli spessori degli strati h1, h2, ecc.
ovvero
Nel caso di spessori ridotti, quali si
considerano in genere duranteleindagini
per tracciati lineari (ad esempio nel caso
delle strade), si può assumere che il
tragitto del raggio sonoro negli strati sia
pressochè verticale (cioè, i = 0 e cos 0
=1). In tal caso le formule si semplificano
e diventano:
METODO SISMICO A RIFRAZIONE
APPLICAZIONE DELMETODO SISMICO A RIFRAZIONE
ASPETTI NEGATIVI
Il metodo sismico a rifrazione richiede innanzitutto che gli strati che caratterizzano la successione litologica del
sottosuolo presentino delle caratteristiche meccaniche che migliorano con la profondità, cioè la velocità delle
onde sismiche deve aumentare con la profondità.
In caso contrario, ossia nel caso in cui V1 > V2, non si ha riflessione totale e quindi le onde rifratte nel secondo
strato non ritornano mai in superficie. Inoltre per grandi profondità di investigazione la necessità di utilizzare
enormi quantitativi di esplosivo e a lunghezze notevoli della linea di geofoni rende il metodo sismico a rifrazione
decisamente antieconomico e quindi meglio adatto a studi di piccola e media profondità.
ASPETTI POSITIVI
La sismica a rifrazione trova una corretta applicazione dei seguenti tipi di indagine:
a) Identificazione e ricostruzione della morfologia del tetto di un substrato roccioso sepolto sotto una coltre di
strato argilloso;
b) Identificazione e ricostruzione dell’andamento dello spessore di alterazione delle rocce;
c) Differenziazione delle caratteristiche elastiche di una massa rocciosa con la profondità;
d) Verifica dell’efficacia degli interventi di consolidamento per iniezioni.
Sezione sismostratigrafica
METODO SISMICO A RIFLESSIONE
La sismica a riflessione analizza i tempi che intercorrono tra l'istante di generazione di un impulso elastico e
l'istante di ricezione in superficie, dopo una o più riflessioni da parte di altrettante superfici riflettenti.
Tale metodologia sfrutta le proprietà elastiche del terreno: ogni superficie che marca un passaggio litologico, sia
essa di carattere stratigrafico o tettonico, rappresenta una discontinuità in grado di riflettere parte dell'energia
sismica indotta nel sottosuolo.
I raggi sismici generati dalla sorgente (S), si rifletteranno sulle interfacce che separano i diversi corpi presenti
nel sottosuolo (caratterizzati da differenti litologie, differenti proprietà fisiche, etc..); i segnali riflessi, registrati
in superficie da appositi ricevitori (geofoni o idrofoni, a seconda che si stia conducendo un’indagine delle aree
emerse o di quelle sommerse) ed opportunamente elaborati, permetteranno di determinarne la profondità, di
studiarne la geometria e di trarre elementi di giudizio sulle caratteristiche strutturali dell'area indagata.
METODO SISMICO A RIFLESSIONE
DIFFERENZA TRA METODI
La sismica a rifrazione è un metodo di indagine del sottosuolo basato sull’analisi dei tempi di arrivo delle onde
rifratte.
La sismica a riflessione è una tecnica d'indagine del sottosuolo che sfrutta le proprietà elastiche del terreno
andando a studiare direttamente l’onda riflessa.
A RIFLESSIONE
•
Strutture tettoniche profonde (fino a qualche
migliaio di metri). Usati soprattutto nel campo
della ricerca petrolifera.
•
Lunghezze di linee di geofoni minori;
•
Visualizzano in modo schematico e fedele la
situazione strutturale del sottosuolo
METODO SISMICO A RIFLESSIONE
•
La fase di acquisizione dei dati è la più importante e deve essere adeguatamente progettata al fine di
ottenere buoni risultati in un sondaggio sismico;
•
La scelta della sorgente sismica in un’indagine a bassa profondità viene affrontata ponderando diversi
fattori, tra cui il costo, la ripetitività, l’efficienza e la sicurezza.
•
Le sorgenti di energizzazione del terreno possono essere divise in tre categorie:
a)
Esplosivi;
b)
Cannoncini sismici
c)
percussioni
METODO SISMICO A RIFLESSIONE
L’esplosivo è la fonte di energizzazione più efficace: una carica di dinamite viene fatta esplodere in un perforo
appositamente eseguito ad una profondità dettata dallo scopo dell’indagine.
Questo tipo di sorgente per le difficoltà connesse al suo utilizzo è
ormai esclusiva della prospezione industriale.
METODO SISMICO A RIFLESSIONE
I fucili sismici (cannoncini sismici ) consentono di “sparare” cartucce speciali direttamente nel terreno.
Si ottengono impatti rapidi ma di energia limitata.
a)
b)
c)
METODO SISMICO A RIFLESSIONE
Il terzo metodo, meno costoso, consiste nel percuotere con una mazza una piastra posta sul terreno o facendo
cadere una massa sospesa da una determinata altezza.
METODO SISMICO A RIFLESSIONE
Strumenti di registrazione dei segnali sismici
Geofoni: dispositivi che convertono le vibrazioni in segnali elettrici inviati all’apparecchiatura di registrazione.
Idrofoni: ricevitori di segnali sismici in acqua, in cui l’elemento sensore è un cristallo piezoelettrico.
METODO SISMICO A RIFLESSIONE
Amplificatori e filtri
Il debole segnale di uscita dei geofoni viene amplificato e filtrato in modo da eliminare i possibili disturbi.
L’unità di amplificazione è preceduta da un filtro il cui scopo è quello di eliminare o quanto meno ridurre i
disturbi (vento, traffico, moto ondoso, ecc.) che possono generare ulteriori vibrazioni del terreno.
Registratori
I segnali provenienti dai geofoni, filtrati ed amplificati, vengono visualizzati e registrati per le analisi successive.
La registrazione può essere analogica (a) o digitale su supporto magnetico (b).
a)
b)
Geo-sismica
Misure Sismiche in foro
MISURE SISMICHE IN FORO
Le misure sismiche in foro richiedono l’ubicazione della sorgente e/o dei ricevitori all’interno del
terreno, alla profondità a cui si vuole effettuare la misura. Per tale motivo necessitano dell’esecuzione di
un foro prima di effettuare la prova (cross-hole, down-hole, suspension velocity logging method) o
contestualmente (cono sismico, dilatometro sismico).
Di conseguenza:
• Comportano costi maggiori rispetto alle prove simiche superficiali;
• Sono invasive e possono avere un certo impatto ambientale;
• Forniscono informazioni limitate dal terreno circostante la verticale di esplorazione.
Si tratta di misure attive in cui viene utilizzata una sorgente meccanica collocata in superficie oppure
all’interno del foro.
LE ONDE SISMICHE GENERATE SONO ONDE DI VOLUME (ONDE P e S).
MISURE SISMICHE IN FORO
I risultati delle prove sismiche in foro vengono in genere restituiti sotto forma di grafici che riportano i
valori puntuali delle velocità misurate con la profondità.
Le tecniche di misura in foro più diffuse sono:
•
Prove Down Hole (e più raramente le Up-Hole);
•
Prove Cross Hole;
•
Prove con cono sismico;
•
Prove con dilatometro sismico;
•
Prove Suspension-Velocity-Logging Method (molto diffusa in Giappone, poco
conosciuta in Italia).
MISURE SISMICHE IN FORO
PROVA DOWN-HOLE
E’ una delle tecniche più utilizzate (a partire dagli anni ’60) nell’ambito della dinamica dei
terreni e dell’Ingegneria geotecnica sismica.
Oltre ad una pratica diffusa, esiste anche una vasta sperimentazione nel campo della ricerca.
FINALITA’
Determinazione della velocità di propagazione di
onde P ed S con la profondità in prossimità di una
verticale.
SCHEMA E ATTREZZATURA
Sorgenti meccaniche di onde P ed S disposte in
superficie;
1 o 2 ricevitori (geofoni) ubicati nel foro di
sondaggio in corrispondenza della verticale da
esaminare e collegati ad un sistema di acquisizione
(sismografo);
MISURE SISMICHE IN FORO
PROVA DOWN-HOLE
CAMPO DI APPLICAZIONE
Misure affidabili per profondità comprese fino a circa 50÷60m, compatibilmente con il tipo di
sorgente utilizzato; a maggiori profondità i segnali diventano di difficile interpretazione
OPERAZIONI PRELIMINARI
Esecuzione, rivestimento e cementazione del foro
Nella fase di perforazione il foro (φ =80÷125 mm) viene temporaneamente sostenuto (con
fanghi bentonitici o tubi “camicie”), per ridurre l’effetto di disturbo del terreno.
Il foro viene poi rivestito con un tubo di materiale ad alta impedenza alle vibrazioni (es.
alluminio o PVC) riempiendo accuratamente lo spazio tra foro e tubo con malta a ritiro
controllato (cementazione) in modo da garantire perfetta aderenza tra tubo e terreno (in modo
che le onde sismiche possano trasmettersi ad ogni profondità dal terreno al tubo e quindi ai
geofoni). Se non è stata effettuata una buona cementazione (problema particolarmente sentito
operando in terreni granulari) durante la prova DH le registrazioni risulteranno ricche di alte
frequenze.
Per eseguire una cementazione efficace è buona regola eseguirla dal basso, mediante tubi che
iniettano la malta in pressione nell’intercapedine, piuttosto che per gravità.
Prima di effettuare la prova DH occorre far trascorrere un tempo adeguato per il ritiro della
malta (ovvero almeno 30gg) in modo che sia garantita l’aderenza tubo-terreno
MISURE SISMICHE IN FORO
PROVA DOWN-HOLE
CARATTERISTICHE DELL’ATTREZZATURA
Sorgenti
Si tratta di sorgenti meccaniche in grado di generare prevalentemente onde elastiche
direzionali SH e onde P.
Generalmente la sorgente delle onde S è costituita da una longarina metallica oda unatrave di
legno con estremità di acciaio o da una trave in c.a. mantenuta aderente alla superficie del
terreno; per la generazione delle onde P è invece utilizzata una piastra di acciaio.
Considerata l’entità di energia prodotta, le deformazioni indotte nel terreno in prossimità della
superficie sono inferiori a 10-2 % e decrescono con la profondità.
Mezza traversa per energizzazioni orizzontali
(Generazione di onde S) (Ltot = 250cm)
Piastra per energizzazioni verticali
(Generazione di onde P) (30x30 cm2)
MISURE SISMICHE IN FORO
PROVA DOWN-HOLE
Sorgenti
https://www.youtube.com/watch?v=8YltsdALTso
MISURE SISMICHE IN FORO
PROVA DOWN-HOLE
Sistema di ricezione
Si compone di uno o due ricevitori, ciascuno dei
quali costituito da contenitore cilindrico
contenente una terna di trasduttori di velocità
orientati secondo le componenti di una terna
cartesiana ortonormale in modo che uno 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 sensitività. Nel
caso si utilizzino due ricevitori, essi devono
essere uniti da un collegamento in grado di
fissarne la distanza verticale (compresa tra 1 e 3
m) e l’orientazione relativa (in modo che i
trasduttori orizzontali siano sempre paralleli e
concordi a due a due).
È opportuno che il sistema di ricezione sia
dotato di un dispositivo per controllare
l’orientazione dei trasduttori rispetto alla
sorgente (orientamento assoluto).
MISURE SISMICHE IN FORO
PROVA DOWN-HOLE
Sistema di ricezione
•
Collegamento tra geofoni per mantenere
l’orientamento relativo.
•
Batteria di aste orientabili per mantenere
l’orientamento assoluto.
MISURE SISMICHE IN FORO
PROVA DOWN-HOLE
TRIGGER
Il trigger è un dispositivo dotato di sensore (inerziale, di spostamenti, di velocità,
d’accelerazione, collegato al sistema di acquisizione dati, che permette di far partire la
registrazione del segnale sismico acquisito dai geofoni nell’istante in cui la sorgente viene
attivata e parte la sollecitazione dinamica. Il trigger può essere realizzato mediante un
geofono di superficie posizionato in prossimità della sorgente o mediante un circuito
elettrico che viene chiuso nell’istante in cui il martello colpisce la sorgente (un polo sul
martello e l’altro sulla piastra di battuta).
SISTEMA DI ACQUISIZIONE E REGISTRAZIONE DATI
Si tratta di un sistema multicanale in grado di registrare su ciascun canale in forma digitale
le forme d’onda e di conservarle in memoria di massa. È collegato a ciascuno dei tre
trasduttori di ciascun ricevitore e al sensore del trigger; consente anche di visualizzare
come forme d’onda su un apposito monitor le vibrazioni rilevate dai trasduttori dei geofoni
nonché l’impulso inviato dal trigger (se costituito da un geofono di superficie).
MISURE SISMICHE IN FORO
PROVA DOWN-HOLE
MISURE SISMICHE IN FORO
PROVA DOWN-HOLE
1. Si predispone il piano d’appoggio per le
sorgenti togliendo le eventuali asperità
rendendo la superficie liscia mediante sabbia
(eventualemente). La sorgente delle onde di
taglio viene sistemata in superficie ad una
distanza compresa tra 1.5m e 2.5m dal foro, in
modo che gli estremi siano equidistanti da esso,
e orientata in direzione ortogonale ad un raggio
uscente dall’asse foro;
2. i ricevitori, collegati tra loro ad una distanza di 1÷3m, vengono inseriti nel foro fino a
raggiungere la profondità di prova (generalmente si parte da fondo foro);
3. i ricevitori vengono assicurati alle pareti del tubo di rivestimento;
4. la sorgente di onde SH viene colpita a destra e a sinistra, e la sorgente di onde P
verticalmente e, allo stesso tempo, inizia la registrazione del segnale (trigger e
ricevitori);
5. eseguite le registrazioni, la profondità viene modificata (generalmente di 1.0÷1.5m) e
la procedura ripetuta.
https://www.youtube.com/watch?v=8YltsdALTso
MISURE SISMICHE IN FORO
PROVA DOWN-HOLE
1. L’interpretazione delle registrazioni finalizzata alla determinazione delle velocità di
propagazione delle onde P ed S, per ciascuna delle profondità indagate, può essere fatta nel
dominio del tempo.
MISURE SISMICHE IN FORO
PROVA DOWN-HOLE
VANTAGGI
1. attenuazione dell’ampiezza delle onde con la profondità (profondità di esplorazione limitata);
2. problemi di rifrazione e di riflessione delle onde dirette (difficoltà di interpretazione);
3. Impossibilità di caratterizzare terreni fittamente stratificati.
SVANTAGGI
1.
2.
3.
4.
ingombro areale limitato;
misura continua delle velocità con la profondità;
disponibilità di un numero ridondante di registrazioni;
Oggetto di una vasta sperimentazione e di una ricerca decennale.
COSTI E AFFIDABILITA’
1. Rispetto alle altre prove sismiche le prove DH si collocano in una fascia media con affidabilità
delle misure da media a buonaRichiedendo l’esecuzione di un foro di sondaggio il costo è
sensibilmente più elevato rispetto a quello delle misure sismiche superficiali.
MISURE SISMICHE IN FORO
PROVA CROSS-HOLE
La prova Cross-Hole (che significa letteralmente attraverso i fori) è per eccellenza quella che
ci permette di ricavare la velocità di propagazione delle onde di taglio Vs.
Consiste nel misurare il tempo impiegato dalle onde di taglio S per propagarsi all’interno del
terreno; note le distanze percorse, è possibile quindi calcolare la velocità di propagazione delle
onde.
ATTREZZATURA
Sorgenti di onde di taglio di tipo S;
Trasduttore che identifica l’istante di partenza
dell’impulso sismico
1 o 2 ricevitori (geofoni) in grado di recepire gli
impulsi trasmessi;
Sismografo ossia un sistema capace di registrare e
conservare i segnali indotti.
MISURE SISMICHE IN FORO
PROVA CROSS-HOLE
- Si eseguono preventivamente almeno tre fori ( di sondaggio o a distruzione se per la sola
installazione degli strumenti), che vengono rivestiti con tubazioni costituite da materiale con
elevato isolamento (PVC);
- All’interno di essi vengono posti un trasmettirore (sorgente) e due ricevitori (uno per foro)
alla stessa profondità del trasmettitore.
- Le tubazioni devono essere soldali ai trasmettitori e al terreno.
MISURE SISMICHE IN FORO
PROVA CROSS-HOLE
-
-
La vibrazione del trasmettitore si traduce in una onda di taglio S, che viaggia all’interno
del terreno e raggiunge i ricevitori; si misura il tempo impiegato dall’onda a percorrere la
distanza L sorgente-ricevitore (tempo di arrivo) e, note le rispettive distanze si ricava Vs.
In teoria basterebbe un solo ricevitore per il calcolo di Vs, tuttavia se ne utilizza più di uno
per il controllo dei risultati.
Eseguendo la prova a differenti profondità, otteniamo il profilo di Vs con la profondità.
MISURE SISMICHE IN FORO
PROVA CROSS-HOLE
MISURE SISMICHE IN FORO
PROVA CROSS-HOLE
MISURE SISMICHE IN FORO
PROVA SCPT (CONO SISMICO)
Nasce come evoluzione della prova CPT con lo scopo di acquisire tutti i vantaggi derivanti
dalle prove DH (e CH) superandone i limiti connessi all’elevato costo dovuto alla
realizzazione dei fori.
FINALITA’
Determinazione della velocità di propagazione di
onde P ed S con la profondità in prossimità di una
verticale.
SCHEMA E ATTREZZATURA
In modalità DH la prova viene eseguita con la
sorgente meccanica ubicata in superficie e 1 o 2
ricevitori inseriti all’interno dell’asta del piezocono
aldi sopra del manicotto (in modalità CH, un
penetrometro è usato come sorgente, un altro, o altri
2, come ricevitori).
OPERAZIONI PRELIMINARI
Nessuna operazione preliminare
MISURE SISMICHE IN FORO
PROVA SCPT (CONO SISMICO)
CAMPO DI APPLICAZIONE
Misure affidabili per profondità comprese da 10 a 50, compatibilmente con il tipo di sorgente
utilizzata.
Limiti legati alla penetrazione della punta nei terreni.
MISURE SISMICHE IN FORO
PROVA SCPT (CONO SISMICO)
MODALITA’ OPERATIVE
Si mantiene fissa la sorgente in superficie a distanza di 1 -2 metri dalla verticale di
indagine e si procede con l’avanzamento della punta conica, eseguendo la misura
continua della resistenza alla punta qc, dell’attrito laterale Rl e eventualmente della
pressione interstiziale u (prova SCPTU).
Ad intervalli di 1m viene arrestata la
penetrazione e vengono energizzate la
sorgente delle onde P (battute verticali) e
la sorgente delle onde S (battute
orizzontali eventualmente invertendone
l’orientazione), e si acquisiscono i
corrispondenti segnali tramite i ricevitori
inseriti all’interno dell’asta, dei quali è
fissata la distanza e l’orientazione
relativa.
MISURE SISMICHE IN FORO
PROVA SCPT (CONO SISMICO)
MISURE SISMICHE IN FORO
PROVA CON DILATOMETRO SISMICO
E’ una tecnica di recente sperimentazione (1999)
SCHEMA
La prova viene eseguita in una configurazione downhole simile a quella già descritta per la prova SCPT,
con la sorgente meccanica ubicata in superficie e due
ricevitori (a distanza di 0,5m) posizionati aldi sopra
della lama dilatometrica e con essa solidali
ATTREZZATURA
•Sorgente onde P,S;
•N.2 ricevitori
•Sismografo
•Lama dilatometrica
MISURE SISMICHE IN FORO
PROVA CON DILATOMETRO SISMICO
MISURE SPERIMENTALI
Tempi di percorso delle onde S tra due ricevitori, oltre
le grandezze caratteristiche del DMT meccanico.
OBIETTIVO
•Valutazione dei profili delle velocità delle onde S di
taglio (Vs);
•Indice dimateriale, Id;
•Modulo edometrico, Ed;
•Resistenza al taglio non drenata, Cu;
•Indice di spinta orizzontale Kd.
MISURE SISMICHE IN FORO
PROVA CON DILATOMETRO SISMICO
VANTAGGI
•
•
•
Non occorre alcun foro per l’esecuzione della prova;
Fornisce profili di Vs in modo rapido, preciso ed
economico;
Valutazione delle Vs alle basse deformazioni.
SVANTAGGI
Stessi svantaggi della prova Down-hole:
•Attenuazione delle onde con la profondità;
•Problemi di rifrazione e riflessione;
•Valori medi di velocità;
•Profondità di esplorazione limitata.
METODI SISMICI IN FORO
Utilizzano gli stessi principi dei metodi sismici tradizionali ma si servono di fori di
sondaggio.
Metodo up-hole: sorgente di energia
in foro e apparecchi di registrazione in
superficie.
Metodo cross-hole: sorgente di energia
in un foro e apparecchio di misura in un
altro sondaggio alla stessa profondità.
necessità di due fori.
Metodo down-hole: sorgente di energia
in superficie e apparecchi di
registrazione in foro.
Metodo bottom-hole:
sorgente di energia e
apparecchio di
registrazione nello stesso
sondaggio ed alla stessa
profondità.
ALTRI METODI DI INDAGINE
(indiretti)
METODO RADAR
M ETODO RADAR
Grandezza misurata: intervallo di tempo necessario ad un’onda
elettromagnetica (impulso a radiofrequenza), emessa da un'antenna
trasmittente, per arrivare all'oggetto di cui deve essere determinata la posizione
e ritornare al ricevitore.
Nota la velocità di propagazione del segnale e il tempo misurato si determina la
profondità dell'oggetto riflettente.
Strumento utilizzato: georadar
costituito da un sistema complesso
antenna-trasmettitore-ricevitore.
Il sistema antenna-trasmettitore-ricevitore viene spostato lungo la superficie
da indagare e per ogni punto di questa viene ricavato un valore del tempo di
andata e ritorno dell’onda elettromagnetica.
L’oggetto sepolto risulta visibile se si trova nel fascio di irradiazione dell'antenna
GEORADAR
Svantaggi:
non utilizzabile in terreni argillosi dove l'alta conduttività trasforma l'energia
dell'impulso elettromagnetico in calore, con forte limitazione della profondità di
penetrazione dello stesso (in terreni argillosi difficilmente si arriva ad una
profondità di 1 metro!).
Impieghi:
- Ricostruzione di sezioni stratigrafiche in terreni "resistivi" ed aridi (rocce
compatte, alluvioni ghiaiose asciutte, ecc.);
- localizzazioni di cavità e di strutture al di sotto di pavimentazioni di centri urbani
(spesso unico sistema d'indagine proponibile!);
- localizzazione di servizi (tubi, cavi, condotte);
- localizzazione di armature nel calcestruzzo;
- test di integrità su calcestruzzo e materiali da costruzione;
- analisi di fondazioni in edifici da ristrutturare ecc.