4. CLASSIFICAZIONE DELLA STRUMENTAZIONE

4.1. Misura degli spostamenti superficiali

4.1.1. Misure geodetiche terrestri

4.1.1.1. GPS (Global Positioning System)

4.1.1.2. Teodolite a puntamento automatico

4.1.2. Estensimetri superficiali

4.1.2.1. Estensimetri meccanici rimovibili

4.1.2.2. Estensimetri elettrici

4.1.3. Distometri

4.1.4. Inclinometri rimovibili

4.2. Misura degli spostamenti profondi

4.2.1. Estensimetri in foro di sondaggio

4.2.2. Misure inclinometriche ed inclinometri fissi

4.2.3. Misure estenso-inclinometriche (TRIVEC)

4.2.4. Misure deflettometriche

4.2.5. Pendolo rovescio

4.2.6. Il sistema TDR (Time Domain Reflectometer)

4.2.7. Il Sistema Increx per il monitoraggio dei cedimenti

4.3. Misura delle pressioni interstiziali

4.3.1. Piezometri tipo tubo aperto

4.3.2. Piezometri idraulici tipo Casagrande

4.3.3. Piezometri pneumatici

4.3.4. Piezometri a corda vibrante ed elettrici

4.3.5. Piezometri multipunto

4.4. Misura delle emissioni acustiche e dell’attività microsismica

4.4.1. Campo di applicazione e considerazioni generali

4.4.2. Principali caratteristiche dei sensori impiegati

4.5. Misura dei parametri meteorologici

4.5.1. Pluviometri

4.5.2. Nivometri

4.5.3. Termometro

4.5.4. Termoigrometro

4.5.5. Misuratore della direzione e della velocità del vento

4.6. Strumentazione, tipologia e pericolosità del dissesto

RIFERIMENTI BIBLIOGRAFICI
 

Indice Fascicolo IV

In questo capitolo è presentato un elenco degli strumenti principali solitamente utilizzati nei problemi di instabilità dei versanti, quindi con particolare riferimento alla misura degli spostamenti superficiali e profondi, delle pressioni interstiziali, delle emissioni acustiche nonché della misura dei parametri meteorologici.

4.1. Misura degli spostamenti superficiali

La determinazione degli spostamenti superficiali, di solito semplice operativamente in quanto eseguibile dal piano campagna, consente di avere indicazioni sulla esistenza di movimenti in atto nel sottosuolo. Le misure di spostamento sono tutte basate sulla misura della posizione relativa del punto da considerare rispetto ad un riferimento assunto stabile o almeno noto. Lo spostamento del punto nel tempo si ricava dalle variazioni della sua posizione relativa al riferimento. Il collegamento tra il punto ed il riferimento può essere realizzato a distanza senza unione fisica, ad esempio mediante l’impiego di strumenti basati sull’emissione e la ricezione di onde di frequenza opportuna, oppure meccanicamente.

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4.1.1. Misure geodetiche terrestri

I controlli di questo tipo sono frequentemente utilizzati in quanto presentano limitati costi d’installazione e consentono il monitoraggio in breve tempo di aree notevolmente estese. Gli strumenti impiegati sono generalmente teodoliti e distanziometri di alta precisione. Le misure sono effettuate installando riferimenti fissi in posizioni significative ed eseguendo le misure da capisaldi non interessati dal movimento (stazioni MASTER).

La misura degli spostamenti verticali è di semplice e rapida effettuazione mediante la tecnica della livellazione. L’errore medio su una livellazione di lunghezza pari a 1000 m è stata stimata dell’ordine di 2.5 mm con l’utilizzo di strumentazione di precisione. Questa tecnica di misura si presta, in particolare, per il controllo di opere ad andamento lineare come strade o opere idrauliche che attraversano pendii interessati da movimenti franosi.

Per la determinazione dello spostamento di un punto nello spazio, come nel caso specifico di capisaldi installati su versanti instabili, sono richiesti strumenti di maggior precisione e le misure risultano più impegnative. I metodi più comuni, con progressivo grado di accuratezza, sono quelli delle triangolazioni, trilaterazioni e triangolaterazioni: quest’ultimo metodo, per distanze non elevate, fornisce i migliori risultati.

Per le misure angolari vengono utilizzati teodoliti con sensibilità di lettura che può arrivare sino a 0.1" e precisione di lettura nominale sino a 0.5". Per le misure di distanza sono generalmente utilizzati elettrodistanziometri all’infrarosso che possono coprire distanze sino ad oltre 10 km con precisione di lettura nominale fino a 1 mm + (1 ×10-6)D, ove D = distanza misurata in metri.

Questo tipo di tecniche topografiche presentano notevoli vantaggi, legati soprattutto all’accuratezza delle misure ed alla loro economicità, ma evidenziano alcuni limiti di non secondaria importanza. La possibilità di eseguire misure topografiche è, infatti, condizionata dalla distanza di riferimento, dalla stabilità dei capisaldi fissi e dalle condizioni meteoclimatiche.

La distanza tra riferimenti e capisaldi ha un limite che varia secondo gli strumenti utilizzati, sia come valore assoluto, sia in funzione della precisione richiesta per la misura (che risulta inversamente proporzionale alla distanza stessa). Il problema della distanza può diventare critico se, come spesso accade, non esistono posizioni vicine, adatte per installare il caposaldo di riferimento. Spesso nelle grandi frane si deve fare riferimento al versante opposto a quello da monitorare.

Il problema della stabilità delle posizioni di caposaldo è legato al fatto che, dovendo collocare il punto di riferimento nelle vicinanze della frana, non è infrequente il caso che anch’esso sia interessato da fenomeni d’instabilità. Per questo motivo l’installazione dei capisaldi fissi deve essere preceduta da indagini accurate per verificare la stabilità delle postazioni.

Le condizioni meteorologiche, infine, possono impedire lo svolgersi delle misure e, per alcune categorie di strumenti, influenzarne l’accuratezza, come nel caso degli effetti indotti dalle variazioni termiche sullo strato superficiale del terreno e sulle strutture di supporto dei capisaldi.

La strumentazione classica utilizzata per le misure topografiche è di tipo manuale e quindi non adatta per il monitoraggio di fenomeni che possono evolvere rapidamente e poco pratica quando il numero di punti da mantenere sotto osservazione sia elevato.

Uno sviluppo introdotto abbastanza recentemente è costituito dall’automazione delle misure dei distanziometri (teodolite motorizzato) e dai sistemi di posizionamento satellitare GPS (Global Positioning System).

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4.1.1.1. GPS (Global Positioning System)

Il sistema GPS di posizionamento di un punto a terra si basa sulla misura delle tre distanze del punto da almeno tre satelliti della costellazione statunitense NAVSTAR, dei quali siano note le coordinate; esse sono calcolate in un sistema di riferimento globale, geocentrico, rispetto al quale sono note le coordinate di alcune stazioni di osservazione dei satelliti sparse per il mondo.

Il sistema si compone di tre parti:

La sezione spaziale è costituita dai satelliti. Si tratta di 24 satelliti, distribuiti su 6 orbite inclinate di 55° rispetto al piano equatoriale, che ruotano ad una distanza di circa 20200 km dalla terra, con periodo di rotazione di poco inferiore alle 12 ore. Questa configurazione consente la visibilità contemporanea di almeno quattro satelliti da ogni luogo della terra a qualsiasi ora del giorno e della notte. Queste considerazioni valgono ovviamene per situazioni di pianura, mentre in zone di montagna la visibilità satellitare è limitata dalle caratteristiche morfologiche delle aree in cui sono eseguite le misure. L’attuale configurazione consente di lavorare anche in zone di montagna per buona parte della giornata senza grosse difficoltà.

La sezione di controllo rappresenta il sistema attraverso il quale sono determinate continuamente le posizioni dei satelliti rispetto ad un certo numero di stazioni fisse distribuite sulla superficie terrestre. La sezione di controllo è composta da 5 monitor stations, che determinano la posizione dei satelliti, 3 upload stations, che hanno il compito di trasmettere ai satelliti i dati relativi alla loro posizione attuale e futura, e, infine, da una master control station, che coordina il funzionamento dell’intero sistema. La sezione di controllo consente infine la sincronizzazione degli orologi di bordo dei satelliti, requisito fondamentale dal quale dipende l’accuratezza delle determinazioni di posizione dei punti a terra. Tutte queste informazioni, come già detto, sono trasmesse ai satelliti, e costituiscono parte integrante del messaggio che questi ultimi trasmettono alle stazioni a terra.

La sezione utente è costituita dai ricevitori, dalle antenne e da tutta la strumentazione accessoria che è utilizzata per l’alimentazione delle attrezzature, la misura dei parametri meteorologici e l’elaborazione dei dati.

Le applicazioni del GPS sono essenzialmente di due tipi, corrispondenti alle diverse tecniche di misura enunciate nel seguito.

Pseudorange: è basata sulla determinazione delle distanze tra il punto a terra e ciascuno dei satelliti osservati (note appunto come pseudorange) e consente la determinazione delle coordinate assolute di un punto in modo istantaneo, con precisione massima ottenibile dei 20 m, normalmente dei 100 m a causa della degradazione del segnale, nota come Selective Availability, intenzionalmente operata dalla Difesa Americana al fine di consentire ai soli militari il posizionamento preciso. Vi sono varie tecniche di elaborazione differenziale della misura che consentono di ottenere precisioni più elevate, da metriche a submetriche. Questa metodologia è utilizzata in navigazione, trasporti e per tutte le applicazioni che non richiedano una precisione più che metrica, ma non può esser presa in considerazione per applicazioni topografiche.

Interferenziale (misura di fase): questa tecnica può essere utilizzata per misure sia statiche sia cinematiche. La precisione nel caso di misure cinematiche è di alcuni centimetri mentre per misure statiche è migliore del centimetro. Tale precisione, sulla base della nostra esperienza, può essere ottenuta su distanze fino a 10 km. Questa tecnica di misura consente di eseguire quindi controlli topografici, geodetici e tracciamento preciso di traiettorie di veicoli.

II principali vantaggi del GPS sono:

Quindi l’impiego del GPS si traduce in una minor perdita di tempo e in una maggior resa delle operazioni di campagna.

Gli svantaggi del GPS sono i seguenti:

Gli errori nelle misure GPS sono essenzialmente legati a:

In realtà la maggior parte di questi errori viene annullata attraverso una serie di differenziazioni successive, eseguendo misure di distanza e dislivello rispetto ad uno o più punti ritenuti stabili, ubicati in aree esterne a quella controllata.

Le foto di figura 7 mostrano due esempi d’installazione di un’antenna GPS, rispettivamente su un perno filettato solidale con l’affioramento roccioso e su un pilastrino di cemento armato.

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4.1.1.2. Teodolite a puntamento automatico

Un teodolite a puntamento automatico è un teodolite elettronico (Fig. 8) abbinato ad un EDM ad infrarossi, dotato di motore per il movimento sul piano orizzontale e verticale e munito di un sistema di puntamento automatico che consente di traguardare un certo numero di riferimenti secondo una sequenza preordinata, ad intervalli di tempo programmati. Di tali riferimenti sono misurati la distanza, l’angolo orizzontale rispetto ad un orientamento di riferimento e l’angolo verticale, al fine di calcolare le coordinate planoaltimetriche di ogni punto e seguirne l’evoluzione nel tempo. Il sistema generalmente è governato da un personal computer, che consente anche l’archiviazione dei dati.

I teodoliti a puntamento automatico sono stati ideati per consentire l’esecuzione di rilievi celerimetrici da parte di un solo operatore. Poiché sono in grado di inseguire un riferimento in movimento, purché dotato di opportuni accessori (prisma riflettente, emettitore radio, o altro), tali strumenti possono essere utilizzati nel controllo continuo di versanti instabili.

I sistemi attualmente in commercio sono generalmente realizzati con i teodoliti di classe più elevata tra quelli disponibili nel catalogo delle diverse case produttrici. Essi differiscono sostanzialmente per il principio di ricerca e puntamento dei punti, che può essere basato su diversi criteri. I più frequentemente usati sono elencati nel seguito.

Mentre il secondo sistema può essere in pratica utilizzato solo per l’esecuzione di rilievi topografici, il primo ed il terzo sono utilizzabili per il controllo degli spostamenti su versanti instabili. Va segnalato inoltre che il puntamento basato sull’analisi d’immagine è più preciso, anche se vi sono al momento poche informazioni, poiché il sistema è disponibile sul mercato solo da poco tempo.

I limiti d’impiego dei teodoliti a puntamento automatico sono gli stessi della strumentazione topografica tradizionale, ai quali va aggiunto l’elevato consumo, che richiede necessariamente il ricorso ad alimentazione da rete. Alla luce di tali considerazioni si può pertanto affermare che lo strumento in questione può essere applicato con successo nei seguenti casi:

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4.1.2. Estensimetri superficiali

Il principio di funzionamento di questi strumenti si basa sulle variazioni di distanza di coppie di punti poste a cavallo di una o più fessure.

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4.1.2.1. Estensimetri meccanici rimovibili

Il più pratico fra gli estensimetri è quello meccanico rimovibile, disponibile in diverse lunghezze (tipicamente 20 o 40 cm). Per utilizzarlo si cementano in posizione simmetrica rispetto alle fessure, coppie di piccole piastrine di acciaio inox, che recano al loro centro una sede conica per l'alloggiamento dell'estensimetro rimovibile durante la lettura. Un comparatore azionato da un sistema a leva permette di misurare le variazioni di lunghezza tra le coppie di piastrine. La precisione di questi strumenti può arrivare a valori pari a 0.005 mm. Un solo estensimetro rimovibile permette perciò il controllo di un alto numero di punti di misura ed esistono estensimetri ad astina ed estensimetri a filo.

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4.1.2.2. Estensimetri elettrici

Il principio di funzionamento si basa sulla misura delle variazioni di distanza di coppie di punti, mediante un filo o un’asta. Dette variazioni permettono di determinare, grazie a idonei trasduttori di spostamento (lineari o rotativi), i movimenti relativi tra i due punti. Il grosso vantaggio degli estensimetri elettrici, rispetto ad analoghi sistemi a lettura manuale, è che consentono misure automatiche, con trasmissione via radio dei dati acquisiti.

Estensimetri a base corta ad asta e tubo telescopico

Gli estensimetri ad asta, snodi sferici o congegni analoghi (Fig. 9) permettono all’elemento di misura di seguire senza subire danni gli spostamenti relativi delle basi. Questi strumenti hanno generalmente un interasse tra i supporti dell’ordine di 400÷500 mm e diametri fino a 40 mm. Grazie alle dimensioni limitate (vedi Fig. 10), sono facilmente trasportabili ed installabili, ma necessitano la messa in opera in luoghi riparati o richiedono la protezione di apposite strutture. La lettura degli spostamenti può avvenire mediante comparatori rimovibili o con trasduttori elettrici con risoluzione fino a 0.001 mm, di solito di tipo potenziometrico, collegabili ad un sistema di acquisizione automatica dei dati.

Una variante di questi strumenti è costituita dagli estensimetri a tubo telescopico, che hanno il vantaggio di essere assai più robusti e possono sopportare anche carichi esterni, come la neve, la caduta di detriti, ecc.. Lo strumento è costituito da una struttura a tubi telescopici in acciaio inox di diametro esterno di 76 mm e lunghezza tra i due punti di appoggio fino a 5 m (la foto di Fig. 11 mostra un esempio d’installazione). All’interno di essi è montato un trasduttore di spostamento lineare con corsa fino a 500 mm, isolato dal punto di vista elettrico ed idraulico. Una variante di tale estensimetro (rappresentato schematicamente in Fig. 12) permette di montare due trasduttori elettrici di rotazione con assi perpendicolari tra di loro e all’asse della struttura telescopica. Con questo strumento si possono misurare le tre componenti dello spostamento relativo dei punti della base di misura, quindi controllare movimenti di compressione e dilatazione, di abbassamento, innalzamento e di scorrimento delle fratture.

Estensimetri a filo a base lunga

La variazione di lunghezza della base di misura è rilevata misurando gli spostamenti di un filo opportunamente teso tra due punti. Lo schema dello strumento (Fig. 13) prevede che un filo in acciaio inossidabile o invar fissato ad un supporto a valle, passi su una puleggia o una serie di pulegge a monte (Fig. 14). La tensione costante sul filo è fornita da un contrappeso. Al filo o al contrappeso è collegato un trasduttore di tipo elettrico per l’acquisizione automatica dei dati. In relazione alle necessità si possono prevedere trasduttori con campo di misura da 1 mm a 500 mm e risoluzione inferiore al millimetro. Raggiunto il limite della corsa è tuttavia possibile il riazzeramento del trasduttore.

La lunghezza dei fili può andare da pochi metri fino a 20÷25 m. (Fig. 15); per distanze più lunghe si deve ricorrere a catene estensimetriche (Fig. 16). Poiché le oscillazioni o le deformazioni del filo per il vento, la neve, ecc., si riflettono sulla misura, la soluzione ideale è quella di proteggere il cavo con un opportuno tubo di protezione, come evidente nella succitata figura 16. Questo è abbastanza facile per lunghezze limitate, ma diventa complesso per basi di misura lunghe, anche perché in tale caso il filo deve correre ad una certa altezza dal suolo per superare le irregolarità del terreno.

La precisione dello strumento dipende da quella del trasduttore (compresa generalmente tra 0.1% e 0.5% del fondo scala) e dagli effetti che le condizioni ambientali hanno sulla lunghezza del filo. Per ridurre le variazioni termiche si usano fili in invar (per i quali l’errore teorico dovuto ad un salto termico di 10°C su 10 m di lunghezza è di 0.1 mm) o si tiene conto, nelle elaborazioni, delle variazioni di temperatura alle quali il filo è soggetto. In questo caso alla lettura estensimetrica deve essere abbinata una misura di temperatura. Anche per gli estensimetri a filo è disponibile una versione con tre sensori sullo stesso strumento, per misurare le tre componenti di spostamento relativo.

Nel caso in cui la zona da monitorare sia particolarmente estesa, è possibile realizzare una catena estensimetrica, collegando in serie un certo numero di estensimetri. In terreni di copertura è indispensabile realizzare un’accurata fondazione per evitare agli strumenti di misura movimenti superficiali, dovuti a variazioni termiche e del contenuto d’acqua. Particolare cura va dedicata alla protezione dei fili.

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4.1.3. Distometri

Il distometro, strumento comunemente impiegato per misure di convergenza in galleria, può essere impiegato per basi di lunghezza superiore al metro. Le variazioni di lunghezza sono rilevate dalla misura di distanza tra una serie di coppie di ancoraggi, fissati sulle pareti rocciose o su supporti metallici cementati nel terreno.

Esistono 2 tipi di distometri: a filo e a nastro (Fig. 17).

Distometro a filo: le caratteristiche tecniche più importanti per i distometri a filo sono:

Distometro a nastro:  le caratteristiche tecniche del distometro a nastro sono le seguenti:

Ad uno dei due ancoraggi è collegato lo strumento, dal quale parte un filo o un nastro d’acciaio invar, che è collegato con il secondo ancoraggio. La ripetibilità delle letture è assicurata tesando il filo o il nastro tramite un opportuno dispositivo tarato, di cui lo strumento di misura è provvisto. La distanza è rilevata per misura diretta su nastro (parte intera) e tramite un comparatore centesimale per la parte frazionaria. La foto della figura 18 mostra un esempio di lettura distometrica eseguita in parete.

Nei distometri a filo si dispone di un filo in acciaio invar per ogni base da misurare. Il filo è tagliato in funzione della distanza tra gli ancoraggi e munito degli accoppiamenti necessari al suo collegamento con un ancoraggio e con l’unità di lettura. Il suo impiego è però poco frequente per le frane, in cui le basi differiscono molto fra loro. Si preferisce invece utilizzare i distometri a nastro che consentono di variare il campo di misura.

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4.1.4. Inclinometri rimovibili

Si usano per misurare movimenti di innalzamento relativo tra le due zone limitate da una frattura. Sono costituiti da una livella a bolla d’aria munita, da un lato, di un comparatore o di un micrometro. Lo strumento è messo in bolla mediante il comparatore/micrometro e posto su due riferimenti situati da una parte e dall’altra della frattura. Esistono modelli di inclinometro rimovibile più perfezionati e di tipo elettronico; questo strumento presenta lo svantaggio di essere difficilmente utilizzabile a temperature inferiori 0°C. La precisione raggiunge 0.001 mm/m.

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4.2. Misura degli spostamenti profondi

La determinazione delle zone instabili nel sottosuolo comporta l’esecuzione di misure di spostamenti sotto il piano campagna. Gli strumenti sono messi in opera in fori di sondaggio realizzati dalla superficie, dall’interno di cunicoli sperimentali o di gallerie che attraversino la zona d’interesse. Con l’impiego di estensimetri profondi o di sonde estensimetriche si possono determinare gli spostamenti in direzione assiale al foro. Mediante il rilievo con sonde inclinometriche in appositi tubi, si possono determinare gli spostamenti in direzione normale al foro.

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4.2.1. Estensimetri in foro di sondaggio

Un estensimetro profondo (rappresentato schematicamente nella parte alta della Fig. 19) è costituito da: uno o più ancoraggi, messi in opera a differenti profondità in un foro; da una testa di riferimento (un esempio è nella foto della Fig. 19, in basso), situata generalmente alla bocca del foro medesimo; da un’asta o un filo, che collegano gli ancoraggi; da un tubo di protezione, che serve per evitare il contatto dell’asta o del filo con il terreno circostante. Lo spostamento relativo tra gli ancoraggi e la testa è misurato con appositi trasduttori. Il numero delle basi di misura per strumento è funzione del diametro del foro. Con gli usuali diametri dei fori (101-158 mm) si possono installare fino a 6 basi, anche se è consigliabile non superare le 3-4 basi.

Gli estensimetri ad astina presentano generalmente i problemi minori di quelli a filo. In relazione al tipo di impiego si possono realizzate le astine in ferro zincato (materiale che si presta ad applicazioni di breve durata, per lo meno in ambiente molto umido), in acciaio inossidabile (per uso in ambienti umidi o sotto falda) o in acciaio invar (per garantire maggiore stabilità dove esistano gradienti di temperatura, per esempio in prossimità della superficie).

La misura degli spostamenti alle teste di misura si può eseguire con trasduttori di spostamento di tipo meccanico o di tipo elettrico. Il maggiore svantaggio dei primi (comparatori) consiste nella necessità di eseguire le misure manualmente sul posto, mentre con i sensori di tipo elettrico (induttivi, potenziometrici, a corda vibrante, ecc.) sono possibili letture automatiche a distanza. In questo caso le teste di riferimento degli estensimetri possono essere studiate in maniera che, in parallelo alle misure con i trasduttori elettrici, possano essere eseguite anche letture con strumenti meccanici. Questa opzione ha il duplice vantaggio di consentire la taratura delle misure elettriche (per esempio per il controllo delle derive nel tempo o quando sussistano dubbi sui valori rilevati) e di permettere l’utilizzo dell’estensimetro anche quando lo strumento elettrico debba essere smontato.

Negli ultimi anni sono state sviluppate sonde estensimetriche rimovibili, per determinare le variazioni di distanza di punti lungo l’asse di un foro di sondaggio opportunamente attrezzato. Con questa tecnica di misura è necessario installare in un foro un tubo di rivestimento con una serie di ancoraggi all’interno, disposti generalmente alla distanza di 0.5 m o 1.0 m l’uno dall’altro. Con una sonda rimovibile sono rilevate le distanze tra le coppie di ancoraggi adiacenti. Le misure sono effettuate, secondo il tipo di sonda impiegata, per via elettromagnetica o meccanica. Nel secondo caso la sonda dispone di particolari accoppiamenti meccanici che sono mandati in battuta contro due ancoraggi adiacenti. La distanza tra le teste è misurata con un traduttore di spostamento di tipo induttivo. Per entrambi i tipi di strumenti, la precisione di lettura arriva a 0.005 mm. Inoltre le letture possono essere effettuate anche in fori pieni d’acqua o comunque orientati.

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4.2.2. Misure inclinometriche ed inclinometri fissi

Rilievi inclinometrici manuali

I rilievi inclinometrici manuali consistono nelle misure di deviazione dalla verticalità di punti significativi disposti lungo una verticale. Dalle misure, mediante integrazione numerica, si risale agli spostamenti, evidenziando così le zone in movimento nel sottosuolo.

I rilievi sono generalmente effettuati in modo manuale con attrezzature removibili munite di guide (sonde inclinometriche) che sono calate in appositi tubi scanalati, cementati in un foro di sondaggio (Figg. 20-22).

Un rilievo comporta di solito l’esecuzione di quattro cicli di misura, ruotando la sonda di 90° nel foro per annullare gli errori sistematici. Le misure possono essere effettuate sia in discesa sia in risalita, con passo di solito pari a 0.5 m o 1 m.

Ogni elaborazione di rilievi inclinometrici è confrontata con la deformata della lettura iniziale (di zero) (Fig. 22). Gli spostamenti lungo la verticale possono essere riferiti alla testa della tubazione inclinometrica (la cui posizione deve essere determinata con misure ottiche) oppure al fondo foro (considerato fisso).

Inclinometri fissi

Le sonde removibili si utilizzano laddove sia necessario disporre della deformata per tutta la lunghezza del tubo e dove non siano richieste letture continue nel tempo per motivi di sicurezza.

Se i movimenti del terreno devono essere controllati con osservazioni molto frequenti o in forma automatica, si ricorre invece a catene inclinometriche fisse, collegate ad un sistema di acquisizione dati automatico, che può anche prevedere la generazione di segnali di allarme. In questo caso la configurazione strumentale prevede un certo numero di sensori (inclinometri), collegati tra loro da aste rigide e snodi oppure da cavi, che sono inseriti in modo permanente nel foro.

Sonda inclinometrica automatica

Per ovviare alle limitazioni delle catene inclinometriche e garantire comunque l’automaticità della misura sono stati recentemente sviluppati sistemi che consentono l’esecuzione di misure automatiche con sonda removibile (Fig. 23). Il sistema provvede automaticamente all’inserimento e al recupero della sonda testimone, all’inserimento della sonda inclinometrica ed all’acquisizione delle misure, alla rotazione della sonda e all’esecuzione delle altre misure previste.

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4.2.3. Misure estenso-inclinometriche (TRIVEC)

Recentemente, ad una sonda estensimetrica di tipo meccanico, è stato aggiunto un inclinometro di elevata precisione, che consente di eseguire misure inclinometriche su due piani perpendicolari fra di loro. Lo strumento, denominato TRIVEC (Figg. 24-25), ha la stessa precisione delle sonde estensimetriche per le misure assiali, mentre quella delle misure inclinometriche raggiunge 0.05 mm/m. Per questa applicazione il foro di sondaggio deve essere però strettamente verticale.

Questi strumenti sono tra i più precisi oggi disponibili, ma le misure sono attualmente eseguibili solo in modo manuale.

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4.2.4. Misure deflettometriche

Uno strumento relativamente economico per misurare gli spostamenti lungo l’asse di un foro di sondaggio è il deflettometro. La sua convenienza dipende dal fatto che lo strumento è rimovibile e pertanto si possono eseguire misure in vari fori con la stessa sonda. Il foro è attrezzato con opportuni ancoraggi collegati da tubi in PVC.

La sonda è mandata in battuta contro tali ancoraggi; questa procedura assicura un posizionamento della sonda di elevata ripetibilità e precisione. Il foro in cui questa strumentazione è installata deve avere un diametro minimo di 120 mm. La precisione raggiunge 0.002 mm/m per la funzione deflettometrica.

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4.2.5. Pendolo rovescio

Il pendolo rovescio (Figg. 26-27) è costituito da un filo d’acciaio, teso verticalmente all’interno di un foro; l’estremità inferiore del filo è ancorata al substrato, quella superiore è fissata ad un galleggiante libero di muoversi e sospeso in un liquido (olio).

Questo strumento, utilizzato soprattutto per il controllo delle fondazioni delle dighe, può essere anche utilizzato nel monitoraggio dei versanti in virtù della sua elevatissima precisione e sensibilità (fino a 0.01 mm di spostamento orizzontale), nettamente superiore anche a quella dei migliori inclinometri.

Si deve considerare, però, che il pendolo rovescio consente la misura degli spostamenti in modo diretto ed in punti discreti, mentre con gli inclinometri la misura è ottenuta per interpretazione e fornisce una curva pressoché continua della deformazione. Il sistema si presta facilmente peraltro ad una automazione della letture, mediante l’impiego di telecoordinometri (Fig. 28).

Occorre sottolineare che il pendolo rovescio fornisce una misura dello spostamento in un solo punto e la sua installazione risulta notevolmente costosa per la necessità di adottare fori di grande diametro (314 mm) realizzati con uno stretto controllo della verticalità.

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4.2.6. Il sistema TDR (Time Domain Reflectometer)

Principio di funzionamento

Il sistema TDR, sviluppato principalmente dall’industria delle telecomunicazioni per la localizzazione di interruzioni nei cavi, si basa sulla tecnica dell’ecometria applicata ai cavi. Un impulso elettrico è inviato all’interno del cavo mediante una centralina che successivamente provvede ad analizzare la riflessione dall’impulso. Attraverso l’analisi della polarità, dell’ampiezza, della frequenza e di altre caratteristiche elettriche della riflessione, sono localizzate, con alta precisione, la posizione e l’entità della deformazione.

Principio di funzionamento del TDR

Applicazioni

Controllo della stabilità di pendii in frana e versanti

Rilievo degli spostamenti orizzontali in terreno e roccia

Misura cedimenti di terreno sotto serbatoi e fondazioni

Misura deformazioni di piloni portanti e di fondazioni in funzione dei carichi

Controllo deformazioni in strutture in calcestruzzo.

Monitoraggio spostamenti in frana

Descrizione del sistema di misura

Il sistema di misura utilizzato si compone delle seguenti parti:

Modello CC1.0 CC2.0
     
Deformazione    
Diametro cavo 6 mm 10 mm
Campo di misura 0-5 mm 0-10 mm
Risoluzione 0.1 mm a 5 m - 1 mm a 60 m  
Precisione +/- 0.25 mm +/- 0.25 mm
     
Localizzazione    
Risoluzione +/- 26 mm a 5 m - +/- 150 mm a 60 m +/- 26 mm a 5 m - +/- 150 mm a 60 m
Precisione 0.5% f.s. 0.5% f.s.

Caratteristiche tecniche dei cavi

 

Sezione del cavo coassiale

Il cavo di misura è accoppiato alla struttura da analizzare in modo che le deformazioni della stessa si trasmettano integralmente al cavo. Mediante un connettore terminale esterno, che completa il cavo, si collega lo strumento di misura e, mediante il software applicativo, i dati sono elaborati e graficati.

Comportamento ideale del cavo RG59/U sul piano di taglio

Elaborazione dati

L’elaborazione dei dati avviene mediante un software applicativo appositamente sviluppato che permette i seguenti tipi di elaborazione dei dati:

 

La figura seguente riporta un esempio di elaborazione dei dati

Esempio di elaborazione di dati TDR

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4.2.7. Il Sistema Increx per il monitoraggio dei cedimenti

Il sistema di misura dei cedimenti Increx, messo a punto dalla società tedesca Interfels, è utilizzato all’interno di tubi inclinometrici per disporre di misure ad alta risoluzione della deformazione del terreno lungo l’asse del foro di sondaggio.

 

Applicazioni

Le applicazioni tipiche comprendono:

Funzionamento

Il sistema Increx consiste in un certo numero di anelli di ottone, posti a intervalli di 1 m lungo il tubo inclinometrico e di una sonda, che, collegata ad un’unità di acquisizione dati, serve a misurare le distanze tra due anelli successivi. Un’indagine Increx si inizia di solito dal fondo del tubo. Si posiziona la sonda all’altezza dei due anelli più profondi e si esegue una lettura. Successivamente la sonda è sollevata di circa 1 m, in modo da trovarsi all’altezza del secondo e del terzo anello (in ordine decrescente di profondità), e si effettua un’altra lettura. Questa operazione si ripete finché non sono state eseguite le letture lungo tutto il tubo.

La prima serie di letture fornisce il dato di riferimento delle distanze tra gli anelli allorché avviene l’installazione. I dati delle successive campagne di misura sono confrontati a quelli della prima al fine di evidenziare variazioni di distanza tra gli anelli. Se la distanza diminuisce si è verificata una compressione, se aumenta è avvenuto un allungamento. I movimenti possono essere determinati considerando come riferimento l’anello situato alla massima profondità se quest’ultimo si trova in terreno stabile o eseguendo le letture su un caposaldo con mira ottica.

Vantaggi

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4.3. Misura delle pressioni interstiziali

La presenza delle falde nel sottosuolo ha un ruolo fondamentale per la stabilità dei pendii e, pertanto, la rilevazione periodica delle pressioni dell’acqua nei vuoti (interstizi) dei terreni costituisce una delle applicazioni più frequenti del monitoraggio geotecnico.

Per la misura delle pressioni si utilizzano i piezometri. Essi, in generale, si basano su un elemento poroso, messo in opera nel terreno e la roccia, nel quale si raggiunge la condizione d’equilibrio della pressione idrostatica con la falda circostante. Esiste pertanto un problema di ritardo nella risposta strumentale, che si esprime mediante la cosiddetta costante di tempo. Per molti piezometri moderni tale costante è trascurabile negli usi normali.

Il livello idrico rappresenta un punto della superficie di falda; se si esegue una perforazione che interessa più falde sovrapposte, si può optare per condizionamenti particolari che consentono di misurare vari livelli attraverso più tubi piezometrici o posti nello stesso foro, oppure utilizzare tanti fori quanti sono le falde.

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4.3.1. Piezometri tipo tubo aperto

Il tubo piezometrico aperto è lo strumento più semplice per misurare i livelli dell’acqua in suoli permeabili o semipermeabili. In pratica si tratta di un tubo di PVC o di metallo (Fig. 29), forato alla quota in cui si vuole misurare la pressione, che è inserito in un foro, isolando la zona di misura con materiale impermeabile. I limiti della soluzione risiedono nella scarsa selettività (la zona finestrata può mettere in comunicazione falde diverse) e nell’elevata costante di tempo con cui lo strumento segnala le variazioni d’altezza piezometrica. Salvo che il suolo non sia molto permeabile, occorre, infatti, molto tempo perché il livello dell’acqua nel tubo si stabilizzi con il nuovo livello piezometrico.

Di solito la misura di livello nella falda viene effettuata manualmente, da boccaforo, con un freatimetro munito di nastro centimetrico, di precisione scarsa, ma comunque spesso sufficiente nel quadro generale della modesta precisione del metodo. Per eseguire letture automatiche si possono usare trasduttori di pressione o sistemi acustici che misurano il tempo impiegato da un’onda, generata dallo strumento, per percorrere il tratto emettitore - superficie dell’acqua - ricevitore.

Il più grave problema di funzionamento cui il tubo piezometrico a volte va incontro è quello dell’intasamento. Si può porvi rimedio iniettando acqua per pulire l’unità filtrante. Un altro possibile inconveniente è rappresentato, nel caso si utilizzino tubi metallici, dalla corrosione del metallo.

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4.3.2. Piezometri idraulici tipo Casagrande

Per ridurre la costante di tempo del tubo piezometrico in zone caratterizzate da medi valori di permeabilità (conducibilità idraulica K > 10-8 m/s) è utilizzata, come sezione filtrante, una cella porosa collegata con l’esterno tramite un tubetto di sezione sottile (Fig. 30). La misura si esegue con un apposito sondino da infilare nel tubetto. Il piezometro di questo tipo è stato sviluppato da Casagrande.

Poiché nei materiali di bassa permeabilità la costante di tempo è ancora elevata, è pratica consueta munire il piezometro di due tubetti, invece di uno.

Questa configurazione è nota come piezometro idraulico (Fig. 29, a destra). I principali vantaggi risiedono principalmente nella buona rapidità di risposta.

Piezometro Casagrande chiuso

Costituisce una variante del piezometro Casagrande appena descritto; consente l’automatizzazione delle misure mediante l’installazione di un trasduttore di pressione.

Esso è costituito (Fig. 31) da una cella porosa collegata con l’esterno mediante due tubi in PVC di diametro differente. Il raccordo avviene mediante un’apposita struttura d’acciaio inox munita di due alloggiamenti, dedicati l’uno al posizionamento di un tappo di chiusura, l’altro alla sistemazione di un trasduttore di pressione. Il traduttore di pressione è contenuto all’interno di una custodia in acciaio inossidabile che assicura la perfetta tenuta idraulica tra porta trasduttore e manicotto di collegamento. Il cavo di alimentazione e trasmissione dei segnali è collegato direttamente al trasduttore senza utilizzo di connettori.

Lo strumento consente di avere tempi di risposta brevi, di automatizzare le misure e di recuperare il trasduttore per eventuali verifiche o sostituzioni.

La cella piezometrica è composta da un filtro e da un corpo. Il filtro ha diametro di 55 mm e lunghezza 120 mm; è realizzato in agglomerato di silice con porosità variabile tra 0.2 e 0.6 µm; il corpo ha diametro esterno di 55 mm e lunghezza 200 mm; è realizzato in PVC e presenta ad un’estremità due raccordi da (1/2)".

Le principali caratteristiche tecniche sono le seguenti:

Trasduttore di pressione:

Tubi di misura e di spurgo

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4.3.3. Piezometri pneumatici

Nel piezometro pneumatico la pressione dell’acqua agisce su un diaframma ed è bilanciata dall’applicazione di una pressione esterna a mezzo generalmente di idrogeno o di altro fluido. Quando la pressione esterna uguaglia quella dell’acqua, si apre una valvola che permette al fluido di defluire lungo una tubazione di ritorno verso un rilevatore che segnala la compensazione della pressione di falda. Il sensore viene inserito in un apposito elemento poroso da sigillare nei fori.

I vantaggi di questo piezometro sono la durata nel tempo, la relativa semplicità di operazione, l’elevata velocità di risposta, la precisione (dell’ordine di +0.2 m di carico idrostatico). Lo svantaggio è che le letture sono quasi esclusivamente manuali e la distanza massima tra sensore e unità di misura non può superare, per problemi pratici di esecuzione della misura stessa, i 150200 m, anche se si possono realizzare installazioni a distanze maggiori.

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4.3.4. Piezometri a corda vibrante ed elettrici

Nei piezometri a corda vibrante (Fig. 32) il sensore contenuto nell’elemento poroso è costituito da un trasduttore di pressione a corda vibrante. Lo schema strumentale prevede che un estremo di un filo in acciaio armonico sia fissato al corpo del piezometro mentre l’altro sia fissato ad un diaframma che separa la zona dello strumento a contatto dell’acqua da quella contenente il filo. Le variazioni di pressione dell’acqua sul diaframma provocano la sua deformazione, che, a sua volta, provoca la variazione della tensione del filo. Questo è fatto vibrare ed in dipendenza del suo stato tensionale si ottiene una diversa frequenza di vibrazione, correlabile alla pressione misurata secondo una funzione sperimentale ricavata da prove di taratura.

Il pregio maggiore di questi piezometri è la stabilità. In letteratura sono riportati esempi nei quali i piezometri a corda vibrante, utilizzati in dighe, sono in funzione da più di 30 anni. In compenso essi necessitano di centraline di misura particolari.

I piezometri elettrici (Fig. 33) differiscono da quelli a corda vibrante unicamente perché montano altri tipi di trasduttori di pressione, appunto di tipo elettrico. Le caratteristiche tecniche tipiche di questi piezometri sono le seguenti:

Uno dei limiti dei sensori elettrici è quello della deriva di zero per misure per lunghi periodi di tempo. Per ovviare a questo inconveniente sono stati realizzati piezometri che permettono di controllare in campagna il segnale di zero. Il principio di funzionamento prevede di poter isolare il trasduttore sottoponendolo ad una pressione nota. Con questi sistemi è possibile ricalibrare numerose volte lo strumento ed aumentarne così l’affidabilità.

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4.3.5. Piezometri multipunto

I piezometri di tipo multipunto sono utilizzati per conoscere la distribuzione delle pressioni non idrostatiche o laddove si debbano studiare problemi di filtrazione. Possono essere utilizzati in fori di sondaggio (con diametro generalmente compreso tra 76 e 115 mm), realizzati in roccia o in terreni coerenti.

Una verticale piezometrica (Fig. 34 e 35) è composta da un tubo di accesso e da punti di misura, isolati tra loro tramite packer gonfiati con acqua, il cui numero e profondità sono stabiliti in funzione della lunghezza del foro e delle caratteristiche stratigrafico-idrogeologiche del materiale investigato. I tubi di accesso sono in materiale plastico con diametro massimo di circa 50 mm. I packer sono costituiti da membrane in plastica uretanica lunghe circa 1.5 m, calzate su spezzoni di tubo dotati di una valvola in acciaio inox per il gonfiaggio del packer stesso. I punti di misura sono inoltre dotati di valvole d’acciaio inox per la misura della pressione neutra esterna.

La misura delle pressioni neutre è realizzata mediante una sonda rimovibile, dotata di un sistema d’apertura meccanica della valvola e da un trasduttore per la lettura della pressione della falda. Poiché la sonda può essere attrezzata con trasduttori aventi fondi scala diversi in relazione al carico idraulico atteso, le misure ottenute risultano molto precise.

Date le caratteristiche del sistema, l’utilizzo di piezometri multipunto non è possibile in terreni incoerenti o semicoerenti o in rocce molto fratturate, a causa della difficoltà di garantire la tenuta idraulica dei packer sulle pareti del foro. È inoltre impiegato in fori aventi diametro compreso tra 76 e 115 mm.

Il sistema descritto è completabile con una zona finestrata che, all’occorrenza, può essere chiusa o aperta mediante un’ulteriore apposita sonda per l’esecuzione di prove di permeabilità o il prelievo di campioni d’acqua.

Il piezometro multipunto, se correttamente installato, costituisce una valida alternativa in terreni e rocce di caratteristiche adeguate, all’impiego di numerosi piezometri singoli.

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4.4. Misura delle emissioni acustiche e dell’attività microsismica

4.4.1. Campo di applicazione e considerazioni generali

L’impiego dei sistemi di rilevazione delle emissioni acustiche (EA) per il monitoraggio ed il controllo della stabilità dei versanti si basa sul fatto che i fenomeni di rottura o di scorrimento relativo, dei terreni e delle rocce, sono sempre associati a un rilascio di energia sotto forma di vibrazioni soniche o ultrasoniche. I processi, seppure a scala diversa, sono affini a quelli sismici. Per questo nella letteratura spesso si parla di sistemi microsismici applicati al controllo dei versanti, anche se nelle misure propriamente microsismiche (MS) il campo di frequenza di interesse è compreso di solito fra 1Hz e 100 Hz, mentre le emissioni acustiche interessano in generale frequenze più elevate, da qualche centinaio di Hz a diversi kHz.

Il monitoraggio delle emissioni acustiche si esegue distribuendo nella zona d’interesse una rete di opportuni sensori (accelerometri, sismometri, geofoni, idrofoni) ad alta sensibilità, in grado di captare i segnali generati dai processi di deformazione della roccia.

I sismometri e i geofoni sono in grado di rilevare segnali nella banda di frequenza di 100¸2 Hz corrispondenti all’attività microsismica e sismica propriamente detta, mentre idrofoni e accelerometri, oltre all’alta sensibilità, sono caratterizzati dalla capacità di operare in una banda più estesa, in particolare verso le alte frequenze (fino a qualche kHz). Le principali caratteristiche dei sensori sono riassunte nel successivo paragrafo.

Nel caso in cui il segnale sia generato localmente in materiali con buona trasmissività, come le rocce compatte, la sua ricezione contemporanea da parte di almeno quattro sensori può consentire anche la localizzazione delle sorgenti in due o anche in tre dimensioni, mediante appositi programmi di calcolo.

Quando il mezzo è molto assorbente o comunque non sia possibile la localizzazione, si devono impiegare altri tipi di analisi di trattamento dei dati. Benché queste tecniche siano ancora largamente da sviluppare, i risultati ottenuti in alcuni casi sono incoraggianti. Per esempio si è potuta realizzare una significativa rispondenza tra il numero dei segnali acustici rilevati e l’apertura delle fratture esistenti in una zona instabile. Il rilievo delle emissioni acustiche, tuttavia, perde significatività nel caso di dissesti che interessano i terreni di copertura o ammassi rocciosi intensamente fratturati, a causa della maggiore dispersione del segnale. Inoltre occorre considerare le difficoltà operative del metodo qualora l’area da controllare risulti particolarmente estesa.

La rete, analoga concettualmente ad una qualsiasi altra rete di monitoraggio, deve però consentire l’esame dei segnali nel tempo per distinguere quelli d’interesse dal rumore di fondo (filtraggio). Poiché l’operazione è, di solito, eseguita presso il centro di acquisizione è necessario il trasferimento completo del segnale. Questo richiede in generale un sistema di trasmissione (via cavo o radio) e di registrazione dedicato, in grado di trattare grandi quantità di dati. Per ridurre questa necessità la ricerca è orientata allo sviluppo di sistemi in cui il filtraggio e l’identificazione dei segnali di interesse possano essere eseguiti automaticamente in sito, con una notevole riduzione dei costi.

Il progresso tecnologico nella dinamica dei sistemi di acquisizione permette la registrazione di segnali in una banda più ampia di frequenza. La trasmissione dei segnali ad alta frequenza rimane soggetta ad una limitazione, in quanto non può avvenire via radio (per far ciò devono essere modulati e demodulati) ma solo via cavo. Per contenere la lunghezza dei cavi di collegamento occorre perciò disporre di un centro di acquisizione remoto nelle vicinanze dell’area monitorata, la quale, a sua volta, non deve essere eccessivamente vasta.

In base all’esperienza degli ultimi decenni, il monitoraggio mediante reti EA/MS si è dimostrato efficace sia per seguire l’evoluzione di un versante interessato da un movimento franoso, registrando i movimenti di materiale (cadute di massi, colate ecc.) lungo il pendio, sia per prevedere eventi franosi in roccia, correlabili con un aumento dell’attività EA e/o con un incremento dei movimenti di cui sopra (p.e. nel caso della frana della Val Pola).

Altri pregi della tecnica EA/MS si sono rivelati la rapidità d’installazione e la capacità di fornire informazioni su un’area e non su un singolo punto quindi la possibilità di monitorare un’area relativamente più ampia rispetto alla strumentazione “geotecnica” (estensimetri, inclinometri, piezometri), nell’arco delle 24 ore ed in qualunque condizione meteorologica.

Con questa tipologia di monitoraggio si sono ottenuti interessanti nei seguenti casi:

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4.4.2. Principali caratteristiche dei sensori impiegati

Sismometri

Sono i sensori usati normalmente per lo studio dei terremoti. Nella loro versione attuale sono di tipo elettromagnetico (Fig. 37) e permettono di quantificare la velocità delle onde di volume e di superficie che si propagano nel terreno correlandola alla corrente elettrica indotta in una bobina dal movimento di un magnete. Tra i sensori normalmente usati si possono citare i Mark, di fabbricazione americana, che hanno una frequenza propria, a seconda dei modelli, da 1 Hz a 4.5 Hz e sensibilità di circa 100÷300 Vsm-1. La risposta lineare si ha per frequenze superiori a 0.8 Hz. Esistono inoltre sismometri a larga banda, adatti a rilevare sia la sismicità locale che quella lontana (telesismi). Per esempio la banda standard di frequenza del sismometro Guralp CMG-40T è di 0.02÷50 Hz. I sismometri verticali misurano la componente verticale della velocità del terreno mentre i sismometri tridirezionali sono in grado di misurare anche due componenti orizzontali, tra loro ortogonali, orientate di solito NS ed EW. Se impiegati in superficie, i sismometri sono alloggiati in pozzetti prefabbricati assieme agli apparati di trasmissione ed alimentazione. In foro sono impiegati sensori a tenuta stagna per proteggere le parti elettriche dall’azione delle acque di falda.

Geofoni

Si possono considerare un tipo particolare di sismometro, di massa minore, che risponde alle alte frequenze del moto del terreno. I geofoni sono strumenti robusti e normalmente utilizzati per la sismica attiva, ossia per registrare vibrazioni indotte artificialmente con scopi di prospezione; come i sismometri, possono essere verticali o tridirezionali, superficiali o da pozzo; il tipo verticale è dotato di una punta per l’infissione in terreni sciolti. Le frequenze proprie sono più elevate rispetto ai sismometri e vanno da 4.5 a 40 Hz, le sensibilità da 20 a 50 Vsm-1. Il loro costo contenuto li rende preferibili ai sismometri.

Idrofoni

Gli idrofoni sono strumenti in grado di misurare le vibrazioni all’interno di un foro di sondaggio rivestito e riempito d’acqua. Il segnale, preamplificato di 500-1000 volte da un apposito modulo, è rilevato per mezzo di una ceramica piezoelettrica ed è inviato via cavo ad un sistema di acquisizione. L’ISMES ha utilizzato sia sensori disponibili in commercio sia strumenti di fabbricazione propria, particolarmente sensibili, quindi adatti per la rilevazione delle EA. Tra i sensori in commercio ricordiamo i Mark P40, caratterizzati da una impedenza inferiore a 100 Ω e da una sensibilità dell’ordine di 10-6÷-4 V/Pa. Gli idrofoni ISMES hanno impedenza di 2 MW e sensibilità di circa 10-2÷-1 V/Pa, che sale a circa 10-4 V/Pa tenendo conto della preamplificazione. Si possono dare valori approssimativi della sensibilità a causa della risposta non lineare nella banda di frequenza d’interesse.

Accelerometri

Gli accelerometri sono sensori in grado di misurare l’accelerazione cui sono sottoposti il terreno o una struttura. Il monitoraggio di edifici e di altri manufatti, come le dighe, rappresenta, in zone sismiche, l’impiego tipico di questo genere di sensore. Per il monitoraggio EA/MS sono utilizzabili accelerometri dotati di alta sensibilità e con una risposta lineare per un’ampia banda di frequenze. Normalmente sono collegati a un modulo di pre-amplificazione del segnale.

Un accelerometro utilizzato per il monitoraggio EA, attualmente fuori produzione, è il Vibro-meter mod. CA 424 M201, ha una sensibilità di 8.2×10-3 Vs2m-1 e risposta lineare per frequenze comprese tra 1 kHz e 4 kHz. Sul mercato sono disponibili sensori con caratteristiche adatte: l’unica controindicazione è rappresentata dal costo elevato.

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4.5. Misura dei parametri meteorologici

Sono descritte di seguito le caratteristiche tecniche principali dei sensori comunemente utilizzati nell’allestimento di una stazione di misura di parametri meteorologici (Fig. 38).

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4.5.1. Pluviometri

Consentono di misurare nel tempo la quantità di precipitazioni. Il pluviometro è costituito da un corpo, realizzato in acciaio e alluminio o in materiale plastico, suddiviso in due parti, delle quali una è il cono collettore e l’altra contiene il meccanismo di misura (Fig. 39). Il principio di funzionamento è a vaschetta basculante (bilanciere). Il pluviometro può essere dotato di una resistenza collegata ad un termostato, regolato automaticamente da una sonda di temperatura.

Le principali caratteristiche tecniche sono le seguenti:

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4.5.2. Nivometri

Questi strumenti sono in grado di misurare la distanza tra un punto fisso e la superficie del manto nevoso, permettendo di conoscere lo spessore del manto medesimo. Il sensore è un misuratore di livello ad ultrasuoni (Fig. 40), costituito da un corpo in alluminio anodizzato. Il funzionamento è basato sul sistema di misura telemetrico, compensato in temperatura, che sfrutta il principio della riflessione d’impulsi di onde ultrasoniche. Le caratteristiche tecniche sono le seguenti:

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4.5.3. Termometro

Lo strumento consente di rilevare le variazioni termiche dalla misura delle differenze di tensione o corrente. Si utilizza generalmente una termoresistenza che si compone di un cilindro in acciaio al cui interno è inserita una resistenza al platino variabile in funzione della temperatura. L’alternativa è rappresentata da un sensore costituito da una termocoppia.

Il rilievo della temperatura permette la correzione di parametri sensibili alle variazioni termiche e permette di valutare la posizione dello zero termico.

Le principali caratteristiche di una termoresistenza sono le seguenti:

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4.5.4. Termoigrometro

Il termoigrometro (Fig. 41) ha un corpo in materiale plastico ed è dotato di schermo protettivo antiradiante per consentire misure di temperatura e umidità relativa non influenzate dalla radiazione solare. L’elemento termosensibile è costituito da una termoresistenza Pt100, mentre l’elemento igrosensibile è del tipo a film conducimetrico.

Le caratteristiche tecniche sono le seguenti:

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4.5.5. Misuratore della direzione e della velocità del vento

Il misuratore è costituito da un unico elemento in alluminio anodizzato ed acciaio inossidabile (Fig. 42).

La velocità viene misurata per mezzo di un tacoanemometro a 3 coppe montato su 2 cuscinetti a sfere in acciaio inox. La velocità di rotazione è rilevata tramite un sensore ad effetto Hall.

La direzione del vento è misurata con il gonianemometro, apparecchio a banderuola ad uscita potenziometrica, con senso di incremento angolare orario.

Caratteristiche tecniche del sensore di velocità:

Caratteristiche del sensore di direzione:

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4.6. Strumentazione, tipologia e pericolosità del dissesto

Se consideriamo l’attività di monitoraggio da un punto di vista generale, appare chiaro che il tipo di parametri da misurare (e, conseguentemente, la strumentazione adoperata), variano in relazione alle caratteristiche geologiche del dissesto ed al suo grado di pericolosità nei confronti del bene minacciato.

Se la pericolosità si presenta media o bassa è opportuno a monitorare gli spostamenti superficiali tramite misure topografiche su capisaldi topografici ed estensimetriche (queste ultime in caso di fenomeni di crollo); in terreni sciolti si potrà tenere sotto controllo l’andamento delle pressioni neutre tramite piezometri a tubo aperto.

Se la pericolosità è alta si può fare ricorso a sistemi di monitoraggio più complessi, con i quali, a seconda delle caratteristiche geologiche, siano misurabili anche i parametri idrometeorologici e gli spostamenti profondi.

Basandosi sulle conoscenze teoriche e sulle esperienze accumulate nel settore, è stato possibile redigere una tabella riassuntiva, che indica, in funzione di tre tipologie fondamentali di dissesto (crollo, scivolamento e colamento) e di due gradi di pericolosità (alta; media o bassa), il tipo di misure che si possono prevedere utili e la strumentazione adatta allo scopo. Tale tabella è riportata nella pagina seguente.

PERICOLOSITÀ

TIPOLOGIA

 

CROLLO

SCIVOLAMENTO

COLAMENTO

Misure

Strumenti

Misure

Strumenti

Misure

Strumenti

ALTA

Spostamenti superficiali

Capisaldi topografici

Spostamenti superficiali

Capisaldi topografici

Spostamenti superficiali

Capisaldi topografici

 

Misuratori di giunti

 

Deformazioni profonde

Inclinometri fissi

Deformazioni profonde

Inclinometri fissi

 

 

Estensimetri multibase

Estensimetri multibase

 

Pressioni neutre

Piezometri elettrici

Pressioni neutre

Piezometri elettrici

Pressioni neutre

Piezometri elettrici

 

Parametri idrometeorologici

Idrometri

Parametri idrometeorologici

Idrometri

 

Pluviometri

Pluviometri

Nivometri

Nivometri

Attività di EA/MS

Geofoni, idrofoni e sismometri

Attività di EA/MS

Geofoni, idrofoni e sismometri

     

MEDIA O BASSA

Spostamenti superficiali

Capisaldi topografici            Estensimetri a filo

Spostamenti superficiali

Capisaldi topografici

Spostamenti superficiali

Capisaldi topografici

 

 

Pressioni neutre

Piezometri a tubo aperto

Pressioni neutre

Piezometri a tubo aperto

 

Misure e strumentazione consigliabili in funzione della tipologia ed alla pericolosità del dissesto da monitorare

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RIFERIMENTI BIBLIOGRAFICI

Di seguito sono elencati gli articoli e i libri consultati nella stesura del rapporto.

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IMMAGINI

 


 

a)      esempio di stendimento di ricevitori in mare.

 

b)      esempio di sezione distanza –tempo e relativa interpretazione geologica (la sezione è riferita alla sede Enel.Hydro di Seriate – BG)

Figura 1. Sismica a riflessione.

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Figura 2. Sismica a rifrazione: diagramma tempo-distanza (in alto)

e relativa sezione sismica (in basso).

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Figura 3. A sinistra: curve di dispersione; sopra: profilo della velocità delle onde di taglio in funzione della profondità

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Figura 4. Esempio schematico di funzionamento di una prova GPR sul terreno.

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Figura 5. Risultati ottenuti durante la prova di un rilievo in una galleria autostradale

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Figura 6. Schema generale di un sistema per il monitoraggio e controllo dei versanti instabili.

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Figura 7. Esempio di antenna GPS installata su: un perno filettato solidale con affioramento roccioso (in alto); un pilastrino in cemento armato (in basso).

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Figura 8. Teodolite a puntamento automatico (frana di Masoni, Valtellina).

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Figura 9. Rappresentazione schematica di estensimetro superficiale a base corta.

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Figura 10. Esempio di installazione di estensimetro a base corta ad asta

(frana di Saviore dell’Adamello)

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Figura 11. Esempi di installazione di estensimetri a base corta a tubo telescopico

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Figura 12. Rappresentazione schematica estensimetro superficiale a base corta a tubo telescopico

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Figura 13. Rappresentazione schematica di un estensimetro superficiale a filo.

Indietro


 

 

 

 


 

 

Figura 14. Particolare di un estensimetro a filo superficiale.

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Figura 15. Esempi di installazione di estensimetri superficiali a filo, in alto frana di Val Torreggio ed in basso frana di Lanzada entrambe in Valtellina.

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Figura 16. Esempi di catena di estensimetri a filo superficiali in Val Pola (Alta Valtellina).

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Figura 17. Esempio di distometro a nastro

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Figura 18. Lettura distometrica manuale in parete (frana di Lanzada, Valtellina).

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Figura 19. In alto: schema di estensimetro multibase profondo a due basi di misura; in basso:particolare di testa estensimetrica a tre basi di misura.

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Figura 20. Rappresentazione schematica di un foro per misure inclinometriche e relativa sonda di misura ed accessori.

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Figura 21. Bocca foro di una tubazione inclinometrica in Val Torreggio.

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Figura 22. Metodologia per il calcolo della deviazione assoluta in profondità lungo un piano.

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Figura 23. Schema per misure inclinometriche e relativi apparati strumentali.

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Figura 24. Schema funzionale della sonda estenso-inclinometrica TRIVEC

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Figura 25. Misure con sonda estenso-inclinometrica TRIVEC.

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Figura 26. Schema di un pendolo rovescio.

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Figura 27. Pendolo rovescio e sue principali componenti:

a) vasca

b) galleggiante

c) sistema di ancoraggio in foro

Indietro


 

 

 

 


 

Figura 28. Telecoordinometro per l’automazione

delle misure con il pendolo rovescio.

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Figura 29. A sinistra: schema di installazione di un piezometro a tubo aperto; a destra: rappresentazione di un piezometro tipo Casagrande.

Indietro a 4.3.1

Indietro a 4.3.2


 

 

 

 

 


 

Figura 30. Piezometro Casagrande modificato: particolare della sezione filtrante.

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Figura 31. Schema d’installazione di un piezometro tipo Casagrande modificato e attrezzato con trasduttore di pressione per la misura del livello d’acqua.

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Figura 32. Caratteristiche schematiche di un piezometro a corda vibrante

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Figura 33. Piezometro di tipo elettrico.

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Figura 34. Verticale piezometrica con piezometro multipunto

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Figura 35. Principio di funzionamento dei piezometri multipunto

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Figura 36. Esempio di segnali di EA registrati e localizzati al contatto fra la roccia di fondazione e la struttura della diga del Passante in Calabria.

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Figura 37. Sismometri verticali, orizzontali e tridirezionale, con cavi di collegamento

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Figura 38. Esempio di stazione meteo con trasmissione dei dati via radio

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Figura 39. Pluviometro

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Figura 40. Esempio di nivometro con misuratore dell’altezza del manto nevoso ad ultrasuoni

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Figura 41. Misuratore di temperatura ed umidità (termoigrometro).

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Figura 42. Strumento per la misura della velocità e direzione del vento (tacoanemometro e gonianemometro).

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Figura 72a: Diga di Beauregard in Valle d’Aosta: planimetria con l’ubicazione dei sensori per il monitoraggio delle EA.


 

 

 

 

 

Figura 72b: Diga di Beauregard in Valle d’Aosta: sezione verticale con l’ubicazione dei sensori per il monitoraggio delle EA.


 

 

 

 


 

Figura 73. Santuario della Verna (Arezzo): posizione della strumentazione di monitoraggio


 

 

 

 

 

Figura 74. Santuario della Verna (Arezzo):misure degli spostamenti in profondità con sonda TRIVEC.

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