2. TECNICHE E METODOLOGIE D’INDAGINE

2.1. Metodi sismologici e sismici

2.1.1. Il metodo di Nakamura per lo studio dell'amplificazione locale

2.1.1.1. Introduzione

2.1.1.2. Applicabilità

2.1.1.3. Strumentazione

2.1.2. Metodi sismici

2.1.2.1. Rilievi sismici a riflessione ad alta risoluzione

2.1.2.1.1. Generalità

2.1.2.1.2. Campi di applicazione

2.1.2.1.3. Attrezzature e apparecchi per misurazioni

2.1.2.1.4. Elaborazione dei dati

2.1.2.2. Rilievi sismici a rifrazione

2.1.2.3. Metodo SASW

2.1.2.3.1. Introduzione

2.1.2.3.2. Applicabilità

2.1.2.3.3. Attrezzature e strumentazione

2.1.2.3.4. Modalità operative

2.1.2.4. Carotaggi sonici

2.1.2.5. Misure di down-hole

2.1.2.6. Misure di cross-hole

2.1.3. Metodi geoelettrici ed elettromagnetici

2.1.3.1. Sondaggi elettrici

2.1.3.1.1. Introduzione

2.1.3.1.2. Applicabilità

2.1.3.1.3. Strumentazione

2.1.3.1.4. Modalità operative

2.1.3.2. Indagini GPR

2.1.3.2.1. Introduzione

2.1.3.2.2. Applicabilità

2.1.3.2.3. Strumentazione

2.1.3.2.4. Modalità operative

2.2. Prove di laboratorio

2.2.1. Prove di classificazione

2.2.2. Analisi mineralogiche

2.2.3. Prove meccaniche

2.3. Prove meccaniche in sito

2.3.1. Prove penetrometriche statiche

2.3.2. Prove penetrometriche dinamiche
 

Indice Fascicolo IV

Le tecniche di esplorazione del sottosuolo e, in generale, le metodologie per la determinazione delle sue proprietà fisico-tecniche rappresentano un settore molto vasto, che fa capo a discipline afferenti ai campi della geologia applicata, della geofisica applicata e dell’ingegneria civile.

Nella presente trattazione si è voluto fare cenno alle tecniche e metodologie che possono rivelarsi utili per acquisire, a costi compatibili con i bilanci di enti pubblici come i Ministeri, i Comuni e le Soprintendenze, elementi di conoscenza riguardo alla stabilità idrogeologica di siti (di estensione solitamente limitata) nei quali si trovino beni d’interesse storico, monumentale e ambientale.

Nel paragrafo 2.1 sono perciò illustrate alcune tecniche d’indagine di tipo geofisico: una parte di esse, non richiedendo l’esecuzione di scavi e/o perforazioni geognostiche, risulta relativamente economica. Alcuni di questi metodi sono utilizzabili in fori di sondaggio.

Se si dispone di campioni di terreno ottenuti da sondaggi, oltre a conoscere la stratigrafia del terreno a livello locale, è anche possibile, tramite prove meccaniche di laboratorio (Par. 2.2), risalire ad un certo numero di parametri utili per la valutazione della stabilità di un pendio e/o per una microzonazione sismica, quali il peso di volume, il modulo di taglio o il coefficiente di smorzamento iniziale.

Alcune caratteristiche meccaniche del terreno si possono ottenere da test effettuati direttamente in campagna. Tra le prove in sito (Par. 2.3) meritano particolare menzione le prove penetrometriche.

2.1. Metodi sismologici e sismici

Nella presente sezione sono trattati i metodi basati sullo studio della propagazione di alcuni tipi di onde elastiche nel sottosuolo.

Lo studio delle registrazioni della sismicità naturale (sismogrammi ed accelerogrammi), dal cosiddetto rumore di fondo (microtremori) ai terremoti di qualunque entità, è alla base del metodo di Nakamura e, in generale, delle metodologie basate sullo studio della risposta dinamica del terreno (e delle strutture su di esso costruite) in funzione delle frequenze delle onde elastiche. Le suddette registrazioni sono disponibili tramite strumentazione fissa (rete sismica nazionale, rete accelerometrica nazionale, reti sismiche e stazioni sismometriche ed accelerometriche installate a livello regionale e locale) o mobile (tra cui vanno ricordate le reti installate dopo forti terremoti per seguire l’eventuale sequenza sismica). In particolare, sono acquisiti con strumentazione mobile i succitati microtremori, che stanno alla base della metodologia descritta nel paragrafo 2.1.1. Per quanto concerne i sensori impiegati in sismologia, si rimanda al paragrafo 4.4.2.

Nel paragrafo 2.1.2 sono trattati i metodi sismici, basati sullo studio della propagazione di onde elastiche generate artificialmente.

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2.1.1. Il metodo di Nakamura per lo studio dell'amplificazione locale

2.1.1.1. Introduzione

La tecnica proposta da Nakamura (1989), assume che i microtremori (il cosiddetto rumore di fondo registrabile in qualunque momento posizionando un sensore sismico sul terreno) consistano principalmente di un tipo di onde superficiali, le onde di Rayleigh, che si propagano in un singolo strato soffice su semispazio e che la presenza di questo strato sia la causa dell’amplificazione al sito. Tale tecnica, in parole povere, consiste nella registrazione, con un sismometro tridirezionale a tre componenti, dei microtremori e in elaborazioni sui segnali finalizzate alla misura dei rapporti spettrali tra la componente orizzontale e verticale del moto in superficie: tale operazione permette di quantificare la risposta dinamica del terreno in funzione della frequenza. L’importanza della tecnica di Nakamura risiede fondamentalmente nella possibilità di ottenere informazioni sull’amplificazione al sito anche nei casi in cui non si dispone di registrazioni di terremoti (sismogrammi e/o accelerogrammi).

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2.1.1.2. Applicabilità

Il fondamento teorico del metodo era già noto, almeno in parte, prima della formulazione di Nakamura. L’impulso fondamentale all’utilizzazione della tecnica di Nakamura nell’ultimo decennio è dovuto al miglioramento tecnologico di una caratteristica dei sistemi di acquisizione dei segnali: la dinamica, ossia la capacità di rilevare segnali in un intervallo esteso di ampiezze e/o frequenze. Se si prende in considerazione l’ampiezza, è intuibile la differenza di ampiezza tra il microtremore e la vibrazione dovuta a un sisma locale o ad un’esplosione (p.e. per attività di cava). La frequenza, in sismologia, è legata prevalentemente alla distanza sorgente-sensore, diminuendo all’aumentare di quest’ultima.

La tecnica di Nakamura presenta il vantaggio di poter essere adoperata pressoché ovunque, purché siano garantite l’assenza di forti vibrazioni indotte da attività umane nelle vicinanze del punto di misura, e l’assenza di vento forte.

Con l’attrezzatura presentata nel paragrafo successivo sia le misure dei microtremori possono essere eseguite in modo semplice e veloce ed anche le elaborazioni possono essere eseguite direttamente in campagna in tempi molto ristretti.

Va ricordato che la metodologia applicata è valida per i terreni incoerenti e gli strati sedimentari o alluvionali in genere mentre non è applicabile in linea teorica sui terreni rocciosi.

Un punto a favore della metodologia proposta riguarda il fatto che le misure possono essere eseguite non in contemporanea sui diversi punti di indagine di una stessa area e che non è necessario avere la registrazione di una stazione di riferimento.

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2.1.1.3. Strumentazione

Dal punto di vista generale la stima del fattore di amplificazione di sito (p.e. la funzione di trasferimento) e quindi la registrazione dei microremori naturali può essere effettuata con qualunque tipo di acquisitore e sismometro disponibile sul mercato ed ovviamente sviluppando il codice di calcolo per eseguire i rapporti spettrali tra le componenti del moto. Molto spesso però queste apparecchiature non sono facilmente trasportabili e sono composte da diverse unità (ad es. sismometro, acquisitore, batteria di alimentazione): ciò complica la messa in posa della strumentazione ed il suo trasporto, limitando quindi i punti di indagine che si possono effettuare ad esempio in una giornata di lavoro.

Per ovviare a questi inconvenienti la nostra società ha sviluppato e brevettato uno strumento portatile e compatto appositamente sviluppato per le misure dei microtremori ed inoltre per il calcolo direttamente sul sito della funzione di amplificazione del terreno. Quest’ultima funzione è estremamente importante perché consente la visualizzazione dei dati, il loro processing e la qualità dei risultati in modo da ripetere immediatamente la misura o cambiare i parametri di acquisizione.

Nella pagina seguente è riportata, con alcune illustrazioni, la descrizione della strumentazione sviluppata e denominata Background Noise Analyser.

BACKGROUND NOISE ANALYSER™

SPECIFICHE TECNICHE

ELABORAZIONE DATI IN CAMPAGNA
 

Visualizzazione dei microtremori sismici

Calcolo della funzione di amplificazione

  • Curva scura: valore medio della funzione di amplificazione

  • Curva chiara: deviazione standard media

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2.1.2. Metodi sismici

Nella terminologia comune della geofisica di esplorazione, il termine “sismica” (da non confondersi con “sismologia”, che è lo studio dei terremoti) serve ad indicare i tradizionali metodi della sismica a riflessione e della sismica a rifrazione. Tali metodi trovano applicazione in ricerche strutturali, stratigrafiche, giacimentologiche (in particolare nel settore petrolifero) e idrologiche e permettono di determinare, attraverso un procedimento di elaborazione ed interpretazione, l’andamento delle interfacce di separazione tra corpi litologici caratterizzati da differenti velocità di propagazione delle onde elastiche. In termini molto semplici, le onde riflesse dalle interfacce suddette sono l’oggetto di studio della sismica a riflessione mentre la sismica a rifrazione si basa sulla propagazione di onde che incidono le interfacce al cosiddetto angolo limite, viaggiano lungo l’interfaccia e sono riflesse alla superficie del suolo (Par. 2.1.2.2). Il primo metodo consente una ricostruzione più dettagliata del sottosuolo mentre il secondo si presta maggiormente alle ricognizioni, in altre parole fornisce una conoscenza della situazione del sottosuolo nelle linee generali.

Per quanto concerne il metodo sismico a riflessione, il paragrafo 2.1.2.1 è dedicato alla sismica ad alta risoluzione (HR, acronimo di High Resolution), che è una particolare applicazione finalizzata all’analisi geologico-tecnica degli strati più superficiali e fino a 150-200 m di profondità. Questo metodo è descritto ampiamente mentre, per evitare ripetizioni dovute all’affinità, il metodo a rifrazione è trattato in modo più sintetico.

Sempre sullo studio della propagazione nei terreni delle onde sismiche generate artificialmente è basato anche il metodo SASW (Spectral Analysis of Surface Waves), molto utile ed efficace poiché consente una diretta misura delle velocità delle onde S e di ricavare pertanto il modulo di taglio del terreno. Il metodo SASW è descritto nel paragrafo 2.1.2.3.

Nella famiglia dei metodi sismici d’indagine rientrano inoltre quelli da eseguire in foro, descritti nei paragrafi 2.1.2.4-6.

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2.1.2.1. Rilievi sismici a riflessione ad alta risoluzione

2.1.2.1.1. Generalità

I rilievi sismici a riflessione si eseguono generando di onde sismiche di compressione (altrimenti dette onde longitudinali oppure onde P) in superficie e registrando i segnali riflessi dalle discontinuità geologiche del sottosuolo per mezzo di uno stendimento di ricevitori disposto sul piano.

Questi segnali, successivamente elaborati, vengono rappresentati sotto forma di sezioni sismiche tempo - distanza che, opportunamente interpretate, forniscono una immagine delle caratteristiche geologico - strutturali dei terreni superficiali.

I rilievi sismici HR si differenziano dai rilievi a riflessione convenzionali, impiegati in ambito geologico minerario, soprattutto per le caratteristiche dello spettro di frequenza dei segnali acquisiti. Nei rilievi sismici HR eseguiti in ambiente continentale le frequenze di interesse sono comprese tra 20 Hz e 1 kHz; in ambiente acquatico il campo è compreso fra 100 Hz e 15 kHz. Nei rilievi tradizionali il campo di registrazione è invece tra 10 Hz e 100 Hz. Questa estensione del campo delle frequenze comporta l'impiego di adeguate attrezzature, capaci di acquisire dati con frequenze più elevate di quelle adottate nella sismica a riflessione convenzionale, nonché di specifiche procedure di elaborazione.

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2.1.2.1.2. Campi di applicazione

I rilievi sismici ad alta risoluzione sono finalizzati allo studio geologico-tecnico della parte superficiale del sottosuolo fino ad una profondità di 150-200 m, con un potere risolutivo decrescente con l’aumentare della profondità d’indagine. I rilievi sono eseguibili a terra ed in acqua.
In particolare, questa tecnica d’indagine può essere impiegata per:

Giova comunque ricordare che i rilievi HR, rispetto a quelli dei rilievi a riflessione tradizionali, si caratterizzano per una maggiore complessità interpretativa, le cui conseguenze ricadono anche sugli aspetti tecnici di esecuzione ed elaborazione dei dati acquisiti.
Poiché nei rilievi HR non è ancora possibile fare appello a modelli geologici consolidati (essendo la geologia degli strati più superficiali della litosfera assai poco nota dal punto di vista sismico applicativo) ne risulta che, ad esempio, l’elaborazione non può giovarsi di una simultanea attribuzione di significato geologico-tecnico alle strutture evidenziate dal rilievo.
Peraltro l’adozione di un modello concettuale di riferimento è essenziale in fase di progettazione del rilievo affinché esso possa evidenziare o smentire lo schema assunto.
Ne consegue pertanto la necessità, ancora più pressante che nega altri tipi di indagine, che l’esecuzione, elaborazione ed interpretazione dei rilievi sia condotta in stretta collaborazione tra specialisti geosismici, geologici e geotecnici, onde ottenere che questa tecnologia possa esprimere tutte le sue potenzialità e operare una sintesi corretta delle informazioni raccolte attraverso l'indagine.
Si distingue tra indagini bidimensionali (2D), finalizzate alla ricostruzione di sezioni pseudoverticali del sottosuolo, e indagini tridimensionali (3D), nelle quali si ricostruisce lo schema volumetrico della geologia del sottosuolo. Queste ultime sono ancora poco utilizzate in campo geotecnico a causa dei costi.

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2.1.2.1.3. Attrezzature e apparecchi per misurazioni

I dispositivi utilizzati per l'esecuzione di un’indagine HR comprendono la sorgente di energia sismica, la strumentazione di ricezione e registrazione dei dati sismici (geofoni e idrofoni, cavi sismici, acquisitori Analogico/Digitali). L’elaborazione e restituzione dei dati richiedono l’utilizzo di workstation o di PC e di software dedicato.

Sorgenti sismiche

Si tratta dei dispositivi atti a generare onde sismiche con un contenuto energetico e di frequenza adeguato alle necessità dell'indagine. A questo scopo possono essere usati esplosivo, masse battenti, fucile sismico, mini-vibratori, airgun, trasduttori elettrodinamici, ecc. che si differenziano, oltre che per le diverse caratteristiche d’impiego, per il contenuto in frequenza delle onde generate e la quantità di energia prodotta; in ogni caso la sorgente deve essere in grado di produrre frequenze utili superiori a 100 Hz.

Ad eccezione dell’esplosivo, che fornisce energia con un ampio spettro di frequenze, gli altri tipi di energizzatori producono energia con frequenze relativamente modeste o limitate nello spettro. In generale, i dispositivi a massa battente non emettono frequenze utili superiori a 100-120 Hz; i fucili sismici non superano i 150 Hz. Per contro i fucili sono d’impiego più semplice ed economico rispetto all’esplosivo.

Come conseguenza di ciò, la profondità d’indagine raggiungibile dalle diverse sorgenti, in condizioni litostratigrafiche favorevoli (strati superficiali omogenei e sufficientemente compatti) è mediamente la seguente:

Ricevitori di segnali sismici

I ricevitori impiegati in ambito continentale sono i geofoni, in acqua gli idrofoni. La scelta del tipo di geofono o idrofono da utilizzare è funzione dello scopo del rilievo. Tutti i ricevitori utilizzati devono avere le stesse caratteristiche strumentali, nei limiti di accettabilità di seguito definiti:

a)                  frequenza naturale compresa fra 25 Hz e 100 Hz;

b)                  massima variabilità della frequenza naturale e pari a + 0.5 Hz del valore dichiarato dal costruttore;

c)         massimo campo di variabilità della risposta in frequenza di impiego dichiarato dal costruttore pari a +5.0 % del valore fornito;

d)         smorzamento compreso tra il 20% ed il 50% dello smorzamento critico;

e)         variabilità della sensibilità entro +5% del valore dichiarato dal costruttore;

f)         distorsione armonica totale, misurata alla frequenza naturale, entro lo 0.2 %.

Cavi sismici

I cavi che trasferiscono il segnale (di solito di tipo analogico) dai geofoni al sistema di acquisizione e registrazione dati devono consentire di trasmettere un numero di segnali indipendenti adeguato alle necessità dell'indagine ed avere un isolamento elettrico della guaina in poliuretano superiore ai 100 MΩ.

Sistema di acquisizione e registrazione dati

La strumentazione di acquisizione e registrazione dati è di tipo digitale (ad eccezione di particolari rilievi marini speditivi, eseguiti con registrazione monocanale in modalità analogiche), con amplificatori basati sulla tecnologia a Virgola Mobile Istantanea (IFP), che automaticamente adeguano il guadagno per ciascun segnale ricevuto così da ottimizzare il segnale in uscita.

Definizione dei parametri di progetto per l'esecuzione di un rilievo HR

La progettazione del rilievo richiede un’accurata analisi della geologia e della geomorfologia dei terreni e delle rocce superficiali, dalla quale deve derivare un modello concettuale geologico e geosismico della zona d’indagine, sulla base del quale sono definiti i seguenti dati:

1.    ubicazione topografica del tracciato d’indagine;

2.    posizione della sorgente rispetto allo stendimento di registrazione: al centro dello stendimento (split) ovvero ad una delle sue estremità (off-end);

3.    tipo di sorgente sismica da utilizzare;

4.    numero dei canali di registrazione;

5.    spaziatura tra i ricevitori;

6.    frequenza naturale dei ricevitori sismici e modalità del collegamento tra loro;

7.    passo di campionamento temporale;

8.    eventuali prescrizioni sul sistema di acquisizione dati da utilizzare (IFP o Sigma-Delta).

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2.1.2.1.4. Elaborazione dei dati

L’elaborazione dei dati sismici consiste nell’esecuzione di numerose operazioni matematiche sui segnali sismici registrati.

La sequenza di operazioni da eseguire non è totalmente standardizzabile, poiché l’elaborazione non è totalmente separabile dall’attribuzione di un significato geologico-tecnico ai riflettori, cosicché, in funzione della valenza reale o virtuale ad essi attribuiti, s’impiegheranno tecniche diverse, volte ad enfatizzare o ad annullare i segnali di interesse.

L’interpretazione geologica rappresenta la sintesi applicativa del lavoro d’indagine.

Senza entrare nel merito dei principi geologici e/o geofisici che presiedono la fase d’interpretazione dei dati sismici, di seguito sono riepilogate le linee guida per la valutazione geologico-tecnica dei risultati delle indagini:

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2.1.2.2. Rilievi sismici a rifrazione

Il rilievo sismico a rifrazione è un metodo d’indagine basato, come il precedente, sulla misura dei tempi di percorso che le onde di compressione, generate in un punto sulla superficie del terreno, impiegano per raggiungere dei ricevitori (geofoni), disposti sulla superficie medesima ed allineati con il punto d’energizzazione. La distanza tra i geofoni e quella tra questi ultimi ed i punti d’energizzazione, sono scelte in base allo spessore ed ai tipi di materiale che si vogliono indagare.

Con i tempi di percorso rilevati mediante i geofoni e le distanze degli stessi dai punti d’energizzazione, si tracciano dei diagrammi tempi-distanze che permettono di calcolare sia la velocità di propagazione delle onde P sia la profondità e lo spessore dei terreni attraversati dalle onde sismiche. L’interpretazione delle dromocrone consente quindi di ricavare sezioni sismiche che schematizzano la distribuzione della velocità in funzione della profondità (Fig. 2).

La tecnica interpretativa si basa sull’ipotesi che il sottosuolo sia costituito da un limitato numero di strati piani e paralleli (o poco inclinati), ciascuno caratterizzato da velocità sismica costante sia in senso verticale sia laterale. È inoltre necessario assumere che la velocità di ogni strato sia significativamente maggiore di quella dello strato soprastante. Quanto più le condizioni del sottosuolo si discostano da quelle teoriche, che sono alla base dei principi interpretativi, tanto più il modello geosismico interpretativo presenterà incertezze sia nelle velocità sia nelle profondità degli strati sismici.

Nella valutazione dei risultati occorre inoltre considerare che l’interpretazione fornisce una stratificazione definita dalle caratteristiche della velocità di propagazione delle onde longitudinali, la quale non è necessariamente correlabile ad una differenziazione geologica e/o litologica.

Pertanto va considerata la possibilità che rocce diverse siano indifferenziate in termini di “velocità sismica” o che vi possa essere una differenziazione di “velocità sismica” all’interno di uno stesso litotipo.

Va infine segnalato che le profondità riportate nelle sezioni sismiche non devono necessariamente essere considerate sulla verticale: esse sono, infatti, riferite alla normale alla superficie dei rifrattori e sono da intendersi come le minime distanze tra il profilo topografico ed i rifrattori stessi.

Nella pratica comune le sorgenti d’energia utilizzate sono scelte, secondo le esigenze d’indagine, tra quelle indicate nel paragrafo 2.1.2.1.3.

In una indagine tipica le misure sono eseguite mediante stendimenti sismici di 24 geofoni con interdistanza di 10 m.

In generale, le apparecchiature d’acquisizione non sono molto diverse da quelle usate nella sismica a riflessione. Un sismografo normalmente utilizzato è EG&G Geometrics 2401 con frequenza di risposta compresa tra 3 Hz e 4 kHz.

I geofoni con frequenze naturali dell’ordine di 100÷1 Hz (p.e. Mark-L40a, con frequenza naturale di 40 Hz).

L'interpretazione dei dati può essere effettuata sia manualmente sia mediante computer, utilizzando metodi di calcolo tradizionali (Hagedoorn, Plus-Minus; Minus, Gardner, GRM).

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2.1.2.3. Metodo SASW

2.1.2.3.1. Introduzione

L’analisi spettrale delle onde di superficie, di seguito denominata SASW (Spectral Analysis of Surface Waves), è una tecnica non distruttiva per la determinazione della rigidezza e dello spessore dei diversi strati costituenti un terreno naturale o una pavimentazione. La prova è di tipo non distruttivo in quanto, a differenza di quanto accade per altre tecniche, quali la cross-hole e la down-hole, non sono necessarie perforazioni dalla superficie. Il metodo si basa sull’analisi spettrale di un tipo di onde di superficie (onde di Rayleigh), prodotte artificialmente. In un semispazio elastico avente rigidezza variabile con la profondità, la velocità di propagazione delle onde di Rayleigh varia al variare della frequenza ed il mezzo si definisce “dispersivo”. La curva che si ottiene riportando la velocità di propagazione delle onde di Rayleigh in funzione della frequenza è chiamata curva di dispersione. La curva è rappresentativa della diversa rigidezza degli strati attraversati. Strati più rigidi sono caratterizzati da velocità di propagazione maggiore, strati meno rigidi da velocità minori.

Mediante l’analisi spettrale delle onde è possibile risalire, per ogni frequenza, alla differenza di fase dell’onda propagatasi tra i due ricevitori. Nota la distanza fra i ricevitori si calcolano la velocità e la lunghezza dell’onda. Con questa informazione risulta possibile costruire una curva di dispersione, detta curva di dispersione sperimentale, riportando la velocità di propagazione in funzione della lunghezza d’onda.

La curva è rappresentativa della diversa rigidità degli strati attraversati: strati più rigidi sono caratterizzati da velocità di propagazione maggiore, strati meno rigidi da velocità minori. Il metodo è descritto con maggiore dettaglio nei paragrafi successivi.

Rappresentazione schematica del metodo SASW

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2.1.2.3.2. Applicabilità

La prova SASW si applica alla determinazione della rigidezza e dello spessore degli strati costituenti un deposito di terreno (naturale o artificiale) o una pavimentazione (stradale o aeroportuale). Le misure sono effettuate a livelli di deformazione inferiori allo 0.001 %, in corrispondenza delle quali le proprietà elastiche dei materiali risultano, in pratica, indipendenti dall’entità della deformazione.

Le profondità indagabili dipendono sia dalle caratteristiche del sistema d’eccitazione sia dalla natura dei materiali investigati.

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2.1.2.3.3. Attrezzature e strumentazione

Una coppia di ricevitori è posizionata sulla superficie del mezzo da investigare ed una forza di tipo impulsivo contenente più frequenze è trasmessa alla superficie tramite: mazze (10 kg); magli (50 kg); masse fatte appositamente cadere (p.e. un blocco di calcestruzzo di circa 1 m3); vibrodine idrauliche servocontrollate.

Le onde di superficie (onde di Rayleigh) sono rilevate da trasduttori sismometrici e accelerometrici. I segnali passano ad un analizzatore in grado di trasformarli nel dominio della frequenza, collegato ad un acquisitore dove sono memorizzati su floppy disk.

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2.1.2.3.4. Modalità operative

L’esecuzione di una indagine completa tipo SASW prevede le seguenti tre fasi:

La procedura d’inversione consente di determinare il profilo della velocità delle onde di taglio, VS. Il metodo si basa su una tecnica iterativa che permette il calcolo di una curva di dispersione teorica da un assegnato profilo di VS. La curva di dispersione teorica è confrontata con quella sperimentale ed il profilo delle VS viene modificato per ridurre gli scarti. Quando la curva teorica si sovrappone a quella sperimentale, il profilo delle VS assunto nell’analisi rappresenta la soluzione. Le ipotesi che sono alla base dell’algoritmo di calcolo della curva di dispersione teorica prevedono:

L’inversione è eseguita in modo iterativo ed interattivo mediante l’ausilio di un codice di calcolo.

La precisione del metodo è piuttosto elevata e l’errore associato alla velocità delle onde di taglio può essere stimato nell’ordine del 5% e, infatti, il rapporto tra la velocità delle onde di Rayleigh e delle onde di taglio può essere ragionevolmente fissato a 0.9.

La figura 3 riporta un esempio della curva sperimentale di dispersione della velocità (di Rayleigh) in funzione della lunghezza d’onda ed un profilo della velocità delle onde di taglio in funzione della profondità ricavato.

Con questa tecnica di prospezione si può calcolare il modulo di taglio a basso livello di deformazione dei terreni che è legato alla velocità delle onde di taglio ed alla densità tramite la seguente relazione:

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2.1.2.4. Carotaggi sonici

La tecnica di indagine del carotaggio sonico consiste nel rilievo della velocità e della modalità di propagazione delle onde elastiche nel materiale circostante una perforazione.

Per i rilievi di carotaggio sonico viene utilizzata una sonda costituita da un trasmettitore e da due ricevitori di impulsi sonici di tipo piezoelettrico, distanziati 0.5 - 1.0 m ed isolati acusticamente tra loro tramite l'interposizione di un materiale ad alto assorbimento di onde acustiche.

Durante le misure la sonda viene spostata all'interno del foro, il quale deve essere riempito d'acqua (e quindi a tenuta idraulica) in modo da garantire l'accoppiamento acustico fra i trasduttori ed il materiale da investigare. Nel caso in cui i fori non garantiscano la necessaria tenuta d'acqua o sussista la possibilità di franamento delle pareti, è necessario rivestire con una tubazione in PVC perfettamente cementata alle pareti del foro stesso.

La tecnica del carotaggio sonico permette la determinazione, a diverse profondità, del tempo di percorso delle onde P fra trasmettitore e ricevitore.

La misura viene eseguita spostando la sonda lungo il foro e comandando, ad intervalli costanti, l'emissione di impulsi sonici che transitano nel materiale indagato, vengono rilevati dai ricevitori e trasformati in segnali elettrici che vengono acquisiti in modo digitale. Quando necessario, può essere adottata una tecnica di averaging per aumentare il rapporto segnale/rumore. La misura dei tempi di percorso degli impulsi sonici viene eseguita sui segnali registrati, visualizzandoli sul video di un personal computer.

Essendo nota la distanza fra trasmettitore e ricevitore, si calcolano i valori della velocità delle onde longitudinali (Vp) e si rappresentano i risultati sotto forma di diagrammi di velocità in funzione della profondità della misura.

Poiché le caratteristiche del materiale ed il suo stato di integrità influenzano, oltre che la velocità, anche l’ampiezza, la frequenza e la forma dei segnali sonici ricevuti,per seguire con maggior dettaglio le variazioni delle caratteristiche del materiale viene adottato, in aggiunta al rilievo di velocità sopra descritto, il metodo del “carotaggio continuo”.

a- Disegno schematico della sonda sonica con il trasmettitore di impulsi sonici (indicato con T) e un ricevitore (R); b - oscillogramma

Tale metodo permette di ottenere l'andamento del segnale in funzione della profondità in modo quasi continuo, comandando l'emissione di un impulso sonico, dal trasmettitore, per ogni tratto, lungo da 1 a 5 cm, di risalita della sonda lungo il foro.

I segnali vengono registrati in modo digitale con l'impiego di un personal computer dotato di scheda di acquisizione A/D e successivamente riprodotti sotto forma di diagrafie soniche, che rappresentano la sequenza dei segnali sonici in funzione del tempo sull'asse orizzontale e della profondità sull'asse verticale.

Le diagrafie sono eseguite con la rappresentazione a “densità variabile”che è ottenuta riproducendo in successione ciascun segnale, rappresentandolo con una traccia rettilinea a diversi toni di grigio.

La strumentazione usata è del tutto analoga a quella impiegata per i rilievi di cross-hole sonico (Par. 2.1.2.6).

Rappresentazione dei risultati di una prova di carotaggio sonico

 

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2.1.2.5. Misure di down-hole

Il rilievo di down-hole è una tecnica d’indagine che permette di determinare la velocità di propagazione delle onde elastiche (sia longitudinali che trasversali) nei materiali attraversati da una perforazione.

I rilievi consistono, infatti, nella misura dei tempi di percorso che le onde P e S, generate in un punto in superficie vicino alla boccaforo, impiegano per raggiungere uno o più geofoni posti nel foro a profondità diverse.

La misura dei tempi di percorso è effettuata mediante un’apparecchiatura di acquisizione di segnali sismici digitale, adottando di norma la tecnica di averaging dei segnali per aumentare il rapporto segnale/disturbo. Il geofono nel foro è spostato tra una misura e l’altra di una quantità fissa, compresa di norma tra 2 m e 4 m. Note le distanze ed i tempi, sono quindi calcolate le velocità medie o d’intervallo delle onde P e delle onde S. Dai valori delle velocità si calcola quindi il valore del rapporto di Poisson che è funzione del rapporto Vp/Vs.

I risultati sono quindi rappresentati sotto forma di diagrammi delle velocità e del valore del rapporto di Poisson in funzione della profondità.

I rilievi down-hole sono eseguiti solitamente in fori provvisti di una tubazione di rivestimento in PVC, che deve essere cementata con continuità ai materiali circostanti ; infatti il geofono calato nel foro è vincolato al rivestimento (casing) e tramite questo riceve le sollecitazioni trasmesse dal terreno. In assenza di cementazione tra casing e terreno, il geofono non è in condizione di ricevere le onde elestiche trasmesse dal terreno; inoltre le sollecitazioni trasmesse al rivestimento nei tratti cementati si propagano lungo il tubo di rivestimento e possono indurre ad un’errata interpretazione dei rilievi.

Per l’esecuzione dei rilievi in campagna viene utilizzata una strumentazione composta da:

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2.1.2.6. Misure di cross-hole

I rilievi di cross-hole consistono in una serie di misure, eseguite a varie profondità, dei tempi di propagazione delle onde elastiche longitudinali (onde P ) e trasversali (onde S) tra due perforazioni su percorsi orizzontali. La distanza tra i fori di misura è variabile secondo il materiale da investigare; in particolare può raggiungere, per le onde P, la ventina di metri in calcestruzzo o rocce lapidee e circa 5 m in terreni sciolti, mentre per le onde S è normalmente pari a 5 m in entrambi i tipi di materiale. La presenza di importanti discontinuità o l’assenza della falda idrica possono tuttavia condizionare in maniera negativa l'esecuzione dei rilievi e quindi le distanze massime raggiungibili.

I rilievi vengono effettuati separatamente, impiegando in tempi successivi un generatore ed un ricevitore di onde P ed un generatore ed un ricevitore di onde S.

Per la generazione delle onde longitudinali, in funzione della distanza di misura, può essere utilizzato un generatore a scintilla od uno di tipo piezoelettrico.

Il generatore a scintilla sfrutta l’energia esplosiva generata da una scintilla che scocca tra due elettrodi in una soluzione satura di cloruro di sodio in acqua. Il generatore piezoelettrico utilizza le onde elastiche prodotte da un cilindro di ceramica piezoelettrica sollecitata con impulsi elettrici ad alta tensione.

Per la ricezione delle onde longitudinali vengono utilizzati dei ricevitori di tipo idrofonico con preamplificatore incorporato.

Per la generazione di onde S è utilizzato un trasduttore elettromeccanico, vincolato alle pareti del foro tramite un sistema di aggancio pneumatico, che per il suo funzionamento utilizza la forza elettrodinamica originata dal passaggio di una scarica di corrente in un sistema di bobine. Esso permette la generazione di sollecitazioni verticali, che si propagano come onde S nel materiale indagato, con un impulso che può essere generato sia verso l’alto che verso il basso.  Per la ricezione delle onde S si utilizza un geofono verticale, dotato anch’esso di un sistema pneumatico d'aggancio.

Le misure sono eseguite ponendo in posizioni prefissate, con un passo di misura fra 0.5 ed 1 m, in un foro il trasmettitore e nell’altro il ricevitore ad ugual quota. L’accoppiamento acustico con il materiale investigato è ottenuto per le onde S vincolando i trasduttori alle pareti del foro, mentre per le onde P tramite l'acqua con cui deve essere riempito il foro di misura.

Le onde generate dai trasmettitori si propagano nel materiale indagato e vengono rilevate dai ricevitori. I segnali trasdotti dai ricevitori vengono amplificati, filtrati ed acquisiti in forma digitale tramite personal computer dotato di scheda di acquisizione analogico/digitale.I tempi di percorso delle onde P o S vengono quindi letti direttamente sullo schermo del PC. Il sistema d’acquisizione permette inoltre delle operazioni di averaging del segnale, per migliorare se necessario il rapporto segnale/rumore.

Calcolata la distanza fra le varie posizioni di misura dei trasmettitori e dei ricevitori, si determinano le velocità delle onde longitudinali (VP) e trasversali (VS), rappresentando i risultati sotto forma di diagrammi di velocità in funzione della profondità. Si dispone così dell'andamento di grandezze (velocità delle onde P ed S) che sono in relazione con le caratteristiche elastiche dinamiche del materiale investigato.

Per la determinazione delle distanze fra le varie posizioni di misura è necessario eseguire un rilievo clinometrico di dettaglio dell'andamento planoaltimetrico dei fori in funzione della profondità.

Oscillogrammi (in alto) e schema di funzionamento dell’apparecchiatura di prova sviluppata dall’ISMES (in basso).

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2.1.3. Metodi geoelettrici ed elettromagnetici

I metodi geoelettrici ed elettromagnetici hanno la prerogativa di raccogliere informazioni “elettriche” del sottosuolo.

I metodi geoelettrici si basano sulla creazione, nel terreno, di una corrente continua o a bassissima frequenza (in modo da ottenere trascurabili effetti induttivi). Nel paragrafo seguente è descritto il metodo geoelettrico sensu stricto, con il quale si determina la resistività elettrica del sottosuolo misurando, in superficie, la caduta di potenziale originata da una corrente applicata al terreno.

Tra i metodi elettromagnetici è trattato il radar geofisico (GPR, che sta per Ground Penetrating Radar), il quale sfrutta il principio della riflessione degli impulsi d’energia elettromagnetica in corrispondenza delle superfici di contatto tra materiali a differente costante dielettrica.

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2.1.3.1. Sondaggi elettrici

2.1.3.1.1. Introduzione

I metodi geoelettrici della resistività consistono in una serie di misure della resistività apparente del sottosuolo effettuate per mezzo di dispositivi in grado di creare una corrente elettrica (continua o alternata) nel sottosuolo e di misurare sia l’intensità di detta corrente sia la differenza di potenziale tra determinati punti di misura. La resistività delle rocce asciutte si misura in ohm metro (Ωm) e varia in un intervallo molto vasto, da circa 1 Ωm (argille, marne e gessi) a centinaia di milioni di Ωm (quarziti) e dipende dalla porosità, dalla tessitura e dalla temperatura. La presenza d’acqua è il fattore più importante nell’abbassamento del valore di resistività giacché determina nella roccia una conducibilità di tipo ionico (altrimenti detto elettrolitico).

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2.1.3.1.2. Applicabilità

Questa metodologia (tomografia elettrica e pseudosezioni) è adatta sia per indagini molto profonde, a causa della relativa facilità operativa, sia per rilievi superficiali, grazie al suo alto potere risolutivo.

La profondità di esplorazione, la risoluzione e la lunghezza del profilo dipendono principalmente dall’equidistanza elettrodica utilizzata per i rilievi.

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2.1.3.1.3. Strumentazione

Le misure di resistività sono eseguite con un dispositivo detto georesistivimetro (p.e. IRIS Instruments mod.SYSCAL R2), dotato di millivoltmetro, amperometro e di un sistema di compensazione dei potenziali spontanei. La corrente è generata da batterie o da gruppi elettrogeni, collegati agli elettrodi per mezzo di cavi. L’acquisizione dei dati è automatica ed avviene tramite un sistema multielettrodo.

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2.1.3.1.4. Modalità operative

La tecnica per la misura della resistività elettrica del terreno in superficie si avvale di dispositivi elettrodici a "quadripolo": per mezzo di due elettrodi (A e B) infissi in superficie si invia nel terreno una corrente, generalmente continua o commutata a bassa frequenza, stabilendo cosi nel terreno un campo elettrico e per mezzo di due altri elettrodi (M e N) si misura, in superficie, la tensione elettrica prodotta dal campo di corrente.

Schema di rilievo geoelettrico dipolo-dipolo

Il rapporto tra la tensione agli elettrodi MN e la corrente inviata attraverso gli elettrodi A e B moltiplicato per un coefficiente che è funzione della disposizione e della distanza tra gli elettrodi dà la resistività elettrica apparente del terreno. La profondità di esplorazione dipende essenzialmente dalle distanze tra gli elettrodi di misura. Se le distanze tra gli elettrodi sono mantenute fisse per tutti i punti del rilievo in superficie si evidenziano le variazioni laterali della resistività elettrica (profilo di resistività). Viceversa, effettuando in un punto fisso le misure con distanze tra gli elettrodi crescenti, si rilevano le variazioni di resistività in funzione della profondità (sondaggio elettrico verticale).

Il metodo della tomografia geoelettrica combina insieme la tecnica dei profili e quella dei sondaggi, consentendo in questo modo di investigare contemporaneamente sia variazioni laterali sia verticali della resistività elettrica. Questa tecnica utilizza, infatti, un gran numero degli elettrodi allineati ed equidistanziati sulla superficie del terreno, che, tramite un cavo multi-conduttore, sono collegati al sistema di acquisizione. Grazie ad un’unità di controllo, che permette di selezionare in modo automatico quattro elettrodi di misura alla volta, secondo una sequenza prestabilita, è possibile eseguire in modo veloce una serie di misure della resistività elettrica apparente. I risultati delle misure forniscono una pseudosezione della resistività apparente, dalla quale, attraverso opportuni metodi di calcolo, è possibile risalire ad un’immagine della resistività reale. Il software utilizzato per l’elaborazione si basa sul metodo smoothness-constrained least-squares, attualmente considerato standard per l’elaborazione tomografica.

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2.1.3.2. Indagini GPR

2.1.3.2.1. Introduzione

Il principio del radar geofisico è quello del radar aeronautico ad impulsi, combinato con tecniche di indagine ed elaborazione in uso anche nella riflessione sismica monocanale e nel sonar: in poche parole si generano e si inviano nel sottosuolo impulsi di energia elettromagnetica caratterizzati da una brevissima durata (qualche nanosecondo) e da una elevata cadenza di emissione (decine di kHz); gli impulsi riflessi in corrispondenza delle superfici di contatto tra i materiali a differente costante dielettrica si rilevano e si trasformano in segnali elettrici.

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2.1.3.2.2. Applicabilità

Il GPR si rivela particolarmente indicato per la ricerca di cavità nel sottosuolo e di infrastrutture interrate poiché, a differenza di altri metodi, permette di individuare sia le strutture metalliche, quali cavi per il trasporto di energia elettrica o tubazioni, sia quelle non metalliche, come le fognature. Tali oggetti sono individuabili come “anomalie” nelle elaborazioni eseguite sui segnali ricevuti.

Il radar è inoltre particolarmente indicato giacché, fornendo un risultato in tempo quasi reale, permette di pilotare l’indagine in funzione dei risultati ottenuti.

I parametri che maggiormente influenzano l’accuratezza dell’indagine con georadar sono la massima profondità d’investigazione raggiungibile e il potere risolutivo.

La profondità d’investigazione dipende dalla frequenza delle onde elettromagnetiche irradiate e dalla resistività dei terreni.

La penetrazione è inoltre molto più grande nei terreni resistivi che in quelli conduttivi e, per la stessa frequenza, può essere inferiore a 1 m in sabbie argillose e pari ad alcuni metri nei calcari.

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2.1.3.2.3. Strumentazione

I componenti principali che costituiscono un radar geofisico sono:

Un’apparecchiatura impiegata normalmente per l’esecuzione dei rilievi GPR è il sistema SIR-10 della Società GSSI, con un’antenna Mod.3205-GSSI con centro frequenza di 300 MHz.

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2.1.3.2.4. Modalità operative

Gli impulsi sono inviati un’antenna-sorgente, trainata a velocità costante lungo una linea di prospezione, sono inviati nella struttura in esame degli impulsi di energia elettromagnetica caratterizzati da una brevissima durata (qualche nanosecondo) e da una elevata cadenza di emissione (decine di kHz). Con un secondo dispositivo antenna-ricevitore si rilevano e si trasformano in segnali elettrici gli impulsi riflessi in corrispondenza delle superfici di contatto tra i materiali a differente costante dielettrica.

I segnali elettrici così ottenuti (echi radar) sono registrati, elaborati e riprodotti su carta in modo da ricostruire una sezione dei segnali riflessi definita sull’asse delle ordinate dai tempi di analisi dei segnali riflessi e sull’asse delle ascisse dalla posizione in superficie dell’antenna sorgente-ricevitore.

La profondità delle superfici di riflessione, individuabili sulle sezioni radar, sono determinate utilizzando una relazione matematica tra la profondità suddetta, il tempo di riflessione direttamente deducibile dalle sezioni radar e la velocità degli impulsi radar nel materiale investigato (Vm).

I segnali registrati nel corso dei rilievi con il sistema georadar sono elaborati con apposito software (p.e. la GSSI fornisce il codice RADAN).

I valori di velocità degli impulsi radar nei diversi tipi di materiale si possono trovare nella letteratura tecnica riguardante il sistema radar geofisico; per esempio nel calcestruzzo Vm è di circa 1 ×108 m/s, in una miscela asciutta di sabbia e ghiaia Vm è di 1,3 × 108 m/s e nell’argilla di 0,6 × 108 m/s.

Quando si esegue un’indagine radar i principali parametri da considerare, sono la massima profondità d’investigazione e il potere risolutivo; poiché la frequenza degli impulsi elettromagnetici influisce sia sul potere risolutivo sia sulla profondità di investigazione, le antenne ad alta frequenza sono impiegate per la ricerca di piccole anomalie poco profonde mentre quelle a bassa frequenza sono utilizzate per la prospezione di anomalie più profonde e più estese.

La figura 4 riporta lo schema di utilizzo del GPR sul terreno mentre la figura 5 riporta il risultato di una prova eseguita lungo una galleria autostradale per stabilire lo spessore del rivestimento, eventualmente ammalorato.

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2.2. Prove di laboratorio

In questa sezione vengono richiamate succintamente le prove meccaniche di laboratorio su terre più significative ai fini della conoscenza dei parametri che riguardano la stabilità in condizioni di rischio idrogeologico e/o sismico.
Dalle “carote” ottenute dai sondaggi eseguiti in campagna, opportunamente conservate in ambienti a temperatura ed umidità controllate, si ottengono porzioni (dette”provini”) su cui si effettuano test (secondo procedure codificate ed universalmente note) tra i quali si possono distinguere:
 

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2.2.1. Prove di classificazione

Le prove in questione sono effettuate per determinare una serie di proprietà indice, la cui conoscenza è necessaria per definire l’appartenenza di un terreno sciolto a gruppi e sottogruppi nell’ambito di classificazioni adottate a scopo ingegneristico. Tra le prove di classificazione eseguite in laboratorio vanno ricordate in particolare quelle eseguite per determinare:

I limiti di Atterberg sono, come quelli precedentemente citati, parametri legati alla quantità d’acqua presente nel terreno, ed importanti ai fini della previsione del comportamento meccanico dei terreni a grana fine (limi ed argille).

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2.2.2. Analisi mineralogiche

Le analisi mineralogiche sono eseguite per individuare le specie minerali che compongono un terreno e per stimarne, in modo semiquantitativo, la loro incidenza relativa.

Tra le analisi di questo tipo vanno ricordate la spettrofotometria a raggi infrarossi (che permette di distinguere minerali come quarzo, feldspati, gesso, calcite e dolomite) e la diffrattometria a raggi X, utilizzata per riconoscere i minerali argillosi.

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2.2.3. Prove meccaniche

Le prove meccaniche hanno, in generale, lo scopo di determinare le relazioni sforzi - deformazioni e la loro variazione nel tempo. Per conoscere la massima resistenza di un terreno prima della rottura è necessario determinare la sua resistenza al taglio. Tale grandezza si misura sia con prove di tipo statico (prove di taglio diretto e prove triassiali) sia con prove dinamiche (prove triassiali cicliche, prove di colonna risonante e misure di velocità delle onde elastiche).

Apparecchiatura per prova triassiale

In particolare le prove triassiali cicliche permettono di caratterizzare il comportamento dei terreni sotto carichi ciclici, riproducenti le sollecitazioni indotte da terremoti, moto ondoso, vibrazioni di macchine rotanti ecc.). Tali prove sono impiegate per studiare fenomeni come la liquefazione delle sabbie e per valutare l’influenza del livello di deformazione sui moduli dinamici e sullo smorzamento isteretico (strutturale). L’attrezzatura consiste in una speciale cella triassiale, posta sotto una struttura di contrasto, in modo che un sistema di carico applichi sulla testa del provino una forza sinusoidale (di frequenza generalmente compresa tra la frazione di Hz e qualche Hz). Si misurano il carico applicato, la pressione in cella, la deformazione verticale e la pressione interstiziale (detta anche pressione neutra). La cella è collegata a registratori sia analogici sia digitali.

Le prove di taglio ciclico sono eseguite applicando un carico orizzontale ciclico ad un provino sottoposto a un qualsiasi stato anisotropo di consolidazione, eventualmente in presenza di uno sforzo di taglio statico iniziale. La prova è particolarmente impiegata per lo studio del comportamento dinamico dei pendii, delle dighe in terra e dei terreni sotto le fondazioni. L’apparecchiatura è dotata, oltreché di una camera di confinamento come per le prove triassiali (figura sopra), di particolari attuatori ciclici a sforzo e a deformazione controllata. Le modalità sono analoghe a quelle delle prove triassiali cicliche.

Le prove di colonna risonante sono impiegate per lo studio dei problemi di deformazione e di propagazione delle onde. Queste prove consentono di determinare il modulo di taglio (G) e lo smorzamento isteretico (ξ) al variare della deformazione di taglio (γn). I test si effettuano con diversi tipi di oscillatori, su provini consolidati in modo isotropo o anisotropo, in generale con la base fissa e la testa libera di ruotare. Vengono misurati i valori della frequenza di risonanza e dell’accelerazione indotta sulla testa del campione: da detti parametri si ricavano il modulo di taglio e le deformazioni.

Risultati di una prova di colonna risonante

Le misure di velocità delle onde di taglio e di compressione si eseguono mediante prove con cristalli piezoelettrici. In questo tipo di test si generano onde elastiche grazie a opportuni cristalli posti alla base di un provino cilindrico consolidato con una certa pressione efficace. Un trasduttore piezoelettrico posto a contatto della testa del campione riceve il segnale (vedi figura seguente).

 

Attrezzatura per prove con cristalli piezoelettrici

La velocità delle onde elastiche si determina come rapporto tra altezza del provino e l’intervallo di tempo tra emissione e ricezione del segnale. Il valore del modulo di taglio iniziale G si ricava tramite formule dell’elasticità utlizzando il dato della densità del provino. Poiché i livelli di deformazione prodotti dai cristalli in questione sono molto piccoli (<10-4%), il valore di G può essere considerato quello iniziale.

Le misure di velocità sono possibili durante l’esecuzione di altre prove meccaniche (p.e. triassiali, edometriche ecc.).

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2.3. Prove meccaniche in sito

Le prove meccaniche in sito possono essere considerate il naturale complemento delle prove di laboratorio per la caratterizzazione fisica e meccanica delle terre e delle rocce. I vantaggi delle indagini in sito (tra cui rientrano anche quelle geofisiche di cui si è parlato nei paragrafi precedenti) risiedono nella rapidità di acquisizione dei dati e nella maggiore rappresentatività delle porzioni di terreno esaminato rispetto alle prove di laboratorio, pur tenendo presente che, in ogni caso, l’esecuzione stessa di una prova in campagna modifica lo stato naturale del terreno, così come il prelievo di un campione per analisi da eseguire altrove. Di ciò va tenuto conto nella fase di elaborazione dei dati sicché i risultati devono essere corretti per riportare i parametri alla condizione iniziale (naturale) del terreno.

Le prove meccaniche in sito hanno lo scopo essenziale di stimare parametri di resistenza e di deformazione dei terreni. Ne esistono alcuni tipi fondamentali: prove penetrometriche, scissometriche (vane test), pressiometriche, dilatometriche e di carico su piastra.

In questa sede sono descritte le prove più importanti, quelle penetrometriche, consistenti nell’infissione nel terreno di apparecchiature a punta dotate di appositi sensori. Si distinguono prove statiche e dinamiche. Nelle prime la strumentazione di misura (penetrometro statico) viene infissa nel terreno con avanzamento controllato, nelle seconde il penetrometro dinamico è spinto nel terreno con una sequenza di colpi di una massa battente (maglio).

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2.3.1. Prove penetrometriche statiche

Le prove penetrometriche statiche si eseguono attualmente portando alla profondità richiesta, tramite una batteria di aste, l’apparecchiatura di misura. L’attrezzatura di spinta, montata su un mezzo semovente, consiste in uno o due pistoni idraulici. Esistono inoltre attrezzature wire-line che si possono calare in foro per misure sul fondo. Si utilizzano punte elettriche (eventualmente zavorrate o ancorate per contrastare la spinta) di vario tipo, tra cui possiamo ricordare:

Piezocono ISMES, dotato di trasduttore di pressione interstiziale (in basso)
 

Configurazione cross-hole (a) e down-hole per prove penetrometriche SCPT

Schema della punta penetrometrica PLSC

 

Le misure dei sensori sono acquisite automaticamente da un sistema digitale controllato da un calcolatore e in parallelo, su un registratore grafico analogico. Esistono inoltre sistemi di registrazione digitale installabili all’interno della punta stessa.

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2.3.2. Prove penetrometriche dinamiche

Le prove di resistenza dinamica alla penetrazione si effettuano nel corso di sondaggi geognostici oppure in apposite perforazioni. Si contano i colpi di maglio necessari ad infiggere la punta nel terreno, fino ad una profondità stabilita, salvo “rifiuto”.

La prova classica, prevalentemente adottata per i terreni sabbiosi, è detta Standard Penetration Test (SPT) ed un suo sviluppo è rappresentato dalla SPTL (la L sta per large), dove sono stati modificati il sistema di battitura e le dimensioni del tubo campionatore (lunghezza 600 mm, diametro interno 100 mm e diametro esterno 140 mm) e delle aste; il maglio pesa 570 kg. La prova SPTL può essere applicata anche a terreni ghiaiosi.

Dal numero dei colpi misurato si ricavano, in base a correlazioni empiriche, informazioni quantitative sulla densità relativa (Dr) del terreno, previsioni sui cedimenti di fondazioni superficiali e valutazioni del modulo di deformazione (E) del terreno, del modulo di taglio iniziale (G0) e del potenziale di liquefazione del terreno per un sisma di data intensità. Dalla Dr si risale all’angolo d’attrito di picco di un terreno sciolto.

Il problema principale delle prove penetrometriche dinamiche sta nella standardizzazione della prova in riferimento all’attrezzatura ed alle modalità esecutive, in particolare è importante conoscere il rapporto tra l’energia reale e quella fornita teoricamente alla massa battente.

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