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ESECUZIONE DI UNA PROVA PENETROMETRICA STATICA
CON PIEZOCONO SISMICO
INTRODUZIONE
La seguente relazione descrive l’esecuzione di un prova penetrometrica statica con
piezocono sismico eseguita nel mese di dicembre 2005.
Vengono presentati la strumentazione utilizzata, le modalità esecutive della prova,
l’analisi e la elaborazione dei dati acquisiti nonché l’utilizzo di tali elaborati a fini geotecnici.
Il piezocono sismico consiste fondamentalmente in una punta penetrometrica elettrica
standard con trasduttore di pressione piezometrico (piezocono) per la misura dei tradizionali
valori di resistenza alla punta qc, resistenza di attrito laterale fs e pressione neutra U, nella
quale sono stati incorporati tre geofoni disposti secondo i tre assi X, Y e Z per il rilievo delle
vibrazioni sismiche generate artificialmente sul terreno.
La prova penetrometrica sismica (SCPTU) consiste essenzialmente nell’infissione nel
terreno di tale piezocono e procede con il normale avanzamento della punta a velocità costante
di 2 cm/s per la misura dei valori di qc, fs e U, venendo arrestata a profondità prestabilite per
effettuare l’acquisizione sismica.
IL PIEZOCONO SISMICO
Il cono sismico TP CPT SISMI impiegato per l’esecuzione di questa prova in situ è il
piezocono TECNO PENTA TP CPL2IN che presenta caratteristiche standard secondo le
normative vigenti:
• AGI (1977) “Raccomandazioni sulla programmazione ed esecuzione delle indagini
geotecniche”.
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• ASTM D3441-98 “Standard test method for mechanical cone penetration tests of soil”
• ISSMFE (1988) “Technical Committee on Penetration Testing, Cone Penetration Test
(CPT): International reference test procedure”.
Ad esso, nella parte sommitale della sonda, è stato
aggiunto un manicotto di 49 mm di diametro contenente tre
geofoni con frequenza naturale di 4.5 Hz: due di tipo orizzontale
disposti lungo le direzioni ortogonali X e Y ed un terzo di tipo
verticale disposto lungo la direzione Z.
Dal momento che le aste standard utilizzate per le prove
penetrometriche, a sezione circolare, non permettono il
mantenimento di una orientazione nota, l’utilizzo di due geofoni
orizzontali posti l’uno ortogonale all’altro permette di acquisire
comunque un segnale significativo dell’onda sismica di taglio S trasmessa attraverso il terreno.
IL SISMOGRAFO
Il sistema di acquisizione sismico è il sismografo TECNO PENTA 10 LOG 16 AD costituito
da:
• un computer PC 104 con CPU da 300 MHz o
superiore ed autonomia con la sola batteria interna
di circa 4 ore; il sistema operativo è Windows 98 e la
macchina è in tutto e per tutto utilizzabile come un
normale PC disponendo di un Hard-Disk da 20 GB o
superiore, 1 presa USB, 1 presa COM (RS232), 1
presa LAN 10/100;
• scheda di acquisizione TP-10-16AD che dispone di 16
canali analogici ed una velocità massima di
campionamento di 330 KHz;
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• software EOLO che permette di memorizzare e salvare i dati provenienti dai 16 canali
analogici della scheda TP-10-16AD; permette di impostare in modo flessibile i sensori e
di eseguire l’acquisizione di fenomeni a seguito di un segnale di interrupt esterno;
esegue rapidamente la graficazione dei fenomeni e il salvataggio dei dati avviene in
formato testo compatibile con MS-Excel e in formato SEG-Y compatibile con i maggiori
software commerciali di elaborazione sismica.
IL SISTEMA DI ENERGIZZAZIONE
L’energizzazione del terreno, per generare le onde
sismiche, avviene a piano campagna con due differenti
sistemi che permettono rispettivamente di meglio
individuare, nel segnale sismico registrato, le onde
compressionali P e le onde di taglio S.
Il primo consiste in una piastra circolare di diametro
di 300 mm posta a diretto contatto col terreno e colpita con
una mazza di 7 kg di peso in modo da ottenere un impulso
verticale sul terreno che generi prevalentemente onde
compressionali P.
Il secondo consiste invece in una pesante traversina
di legno alla cui terminazione sono poste due piastre di
ferro colpite con una mazza di 18 kg di peso sostenuta da un particolare supporto ed azionata
tramite un sistema a pendolo che permette una buona ripetibilità di energizzazione (il colpo
viene ripetuto in fasi successive su entrambe le terminazioni della traversina per ottenere in tal
modo due segnali con opposta polarizzazione). Tale sistema permette di generare
preferenzialmente onde di taglio di larga ampiezza
con poca o nessuna componenete compressionale.
I punti di energizzazione sono stati posti ad
una distanza non superiore ai 3.00 metri dalla
verticale di prova.
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MODALITA’ ESECUTIVE DI UNA PROVA PENETROMETRICA SISMICA
La prova SCPTU è stata spinta fino alla
profondità di 30.00 m da p.c. e l’acquisizione dati
è iniziata a partire da 4.00 m di profondità. La
prova è stata condotta seguendo le normative
tecniche standard di una prova penetrometrica
statica elettrica con piezocono ed è stata
arrestata alle profondità di 7.00, 8.00, 15.50,
20.10 e 29.14 metri di profondità per effettuare
l’acquisizione dati ai tre geofoni incorporati nel
piezocono.
Durante l’energizzazione del terreno le
aste sono state svincolate dal penetrometro in
modo tale che le vibrazioni dell’autocarro non
potessero trasmettersi ai geofoni attraverso le
aste di perforazione.
Ad ogni profondità stabilita l’energizzazione del terreno è quindi avvenuta con i sistemi
sopradescritti.
L’energizzazione è stata ripetuta più volte per assicurarsi che ogni registrazione erronea
fosse individuata ed eliminata, ed almeno quattro segnali, ad ogni profondità di acquisizione,
sono stati “salvati” per la successiva elaborazione.
ANALISI DEI SEGNALI ED ELABORAZIONE DATI
L’elaborazione dei dati avviene rappresentando graficamente ed analizzando ogni
singolo segnale dinamico registrato dai tre geofoni.
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La elaborazione dei segnali avviene generalmente attraverso una prima operazione di
stacking ovverosia la somma dei segnali di ogni singolo geofono per meglio amplificare il
segnale soprattutto alle maggiori profondità dove i segnali rilevati dai geofoni sono più deboli.
Successivamente all’operazione di stacking si individua sui sismogrammi il tempo di
arrivo delle onde P ed S (picking) eventualmente, se necessario, operando un semplice
filtraggio passa basso del segnale per eliminarne le alte frequenze.
Per quanto riguarda la determinazione del tempo di arrivo delle onde P per la prova
realizzata a Noventa di Piave sono stati presi in considerazione i sismogrammi registrati dal
geofono Z (cioè disposto verticalmente) energizzando il terreno con impulso verticale su
piastra circolare.
In figura 1 vengono riportati come esempio i sismogrammi registrati alla profondità di
7.00 metri dai geofoni X (traccia rossa), Y (traccia nera) e Z (traccia blu) ottenuti energizzando
il terreno con impulso verticale su piastra circolare.
FIG. 1
In figura 2 vengono riportati invece i sismogrammi di due segnali registrati alla
profondità di 8.00 metri dal geofono Z ottenuti sempre energizzando il terreno con impulso
verticale su piastra circolare.
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FIG. 2
In figura 3 si possono osservare i segnali (una volta operato stacking e filtraggio)
registrati dal geofono Z alle profondità di 7.00 (traccia nera), 8.00 (traccia rossa), 15.50
(traccia blu), 20.10 (traccia verde), 29.14 (traccia gialla) metri.
FIG. 3
Per la determinazione quindi dei tempi di arrivo delle onde P sono stati quindi utilizzati i
sismogrammi registrati dal geofono Z energizzando il terreno con un colpo di mazza sulla
piastra circolare.
Per quanto riguarda invece l’individuazione del tempo di arrivo delle onde S sono stati
utilizzati i sismogrammi registrati dai geofoni X e/o Y a seconda della migliore orientazione dei
due geofoni orizzontali stessi.
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Inoltre si sono registrati i segali ottenuti energizzando il terreno con un impulso di taglio
con il sistema precedentemente descritto che permette di ottenere, per ogni geofono
orizzontale, due segnali con opposta polarzizzazione per meglio individuare il tempo di arrivo
(picking) grazie al sistema del cross-over (sovrapposizione di due segnali con opposta
polarizzazione).
Le figure seguenti (FIG. 4, 5 e 6) rapprensentano i segnali con opposta polarizzaione
registrati a diverse profondità (7.00, 8.00 e 15.50 metri) dal geofono orizzontale X dove bene
si individua l’arrivo delle onde di taglio S.
FIG. 4
FIG. 5
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FIG. 6
L’elaborazione di tali segnali sismici permette l’individuazione dei tempi di arrivo alle
varie profondità delle onde P e S e quindi di calcolare le rispettive velocità (Vp - Vs) di
propagazione nel terreno.
Come è possibile osservare nelle seguenti tabelle l’acquisizione sismica è stata
effettuata alle profondità di 7.00, 8.00, 15.50, 20.10 e 29.14 metri di profondità. E’ stato
quindi possibile calcolare la velocità media delle onde P e S dei terreni attraversati alle varie
profondità e la velocità delle onde per ogni strato di terreno considerato.
Di seguito vengono riportati i grafici della prova penetrometrica con i valori di resistenza
alla punta qc, resistenza di attrito laterale fs, pressione neutra U, tempi di arrivo delle onde P e
S, velocità media ad ogni profondità di acquisizione sismica e velocità per ogni strato
considerato; vengono inoltre riportate le tabelle di calcolo delle velocità Vp e Vs e dei moduli
elastici ricavati dai valori di Vp e Vs.
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PROVA PENETROMETRICA STATICA ELETTRICA CON PIEZOCONO SISMICO UNINGEOindagini geologiche
piezocone depthseismic data
acquisition depth
distance source P-wave - triaxial geophone (L)
arrival time P-wave (t)
Vp to travel L L2 - L1 t2 - t1Vp for each level
(L2 - L1)/(t2 - t1)
m m m s m/s m s m/s
7.00 6.40 6.71 0.0114 588 6.71 0.0114 588
8.00 7.40 7.67 0.0122 628 0.96 0.0008 1200
15.50 14.90 15.03 0.0171 879 7.37 0.0049 1504
20.10 19.50 19.60 0.0203 966 4.57 0.0032 1428
29.14 28.54 28.61 0.0261 1096 9.01 0.0058 1553
TABELLA DI CALCOLO VELOCITA' ONDE P
PROVA PENETROMETRICA STATICA ELETTRICA CON PIEZOCONO SISMICO UNINGEOindagini geologiche
piezocone depthseismic data
acquisition depth
distance source S-wave - triaxial geophone (L)
arrival time S-wave (t)
Vs to travel L L2 - L1 t2 - t1Vs for each level
(L2 - L1)/(t2 - t1)
m m m s m/s m s m/s
7.00 6.40 6.57 0.0416 158 6.57 0.0416 158
8.00 7.40 7.55 0.0455 166 0.98 0.0039 251
15.50 14.90 14.98 0.0745 201 7.42 0.0290 256
20.10 19.50 19.56 0.0905 216 4.58 0.0160 286
29.14 28.54 28.58 0.1254 228 9.02 0.0349 259
Vs30= 242
TABELLA DI CALCOLO VELOCITA' ONDE S
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CANTIERE
CPT N°
DATA TP CPL2IN - n° matr. 200304
NOTE
SCPTU 04
16/12/05 TIPO PUNTA
QUOTA p.c. (m s.l.m.m.)PROF. FALDA (m da p.c.)
PREFORO (m da p.c.)
-1.40
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
q c (MPa)
Pro
fon
dit
à (
m)
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5
f s (MPa)
-0.2 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8
U (MPa)0.00 0.05 0.10 0.15
Tempo di arrivo onde P e S (s)
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CANTIERE
CPT N°
DATA TP CPL2IN - n° matr. 200304
NOTE
SCPTU 04
16/12/05 TIPO PUNTA
QUOTA p.c. (m s.l.m.m.)PROF. FALDA (m da p.c.)
PREFORO (m da p.c.)
-1.40
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
q c (MPa)
Pro
fon
dit
à (
m)
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5
f s (MPa)
-0.2 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8
U (MPa)0 200 400 600 800 1000 1200
Vp - Vs percorrenza L (m/s)
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CANTIERE
CPT N°
DATA TP CPL2IN - n° matr. 200304
NOTE
SCPTU 04
16/12/05 TIPO PUNTA
QUOTA p.c. (m s.l.m.m.)PROF. FALDA (m da p.c.)
PREFORO (m da p.c.)
-1.40
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
q c (MPa)
Pro
fon
dit
à (
m)
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5
f s (MPa)
-0.2 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8
U (MPa)0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600
Vp - Vs (m/s)
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Density Shear modulus Poisson's ratio Young's modulus
Vp Vs r Gmax = m s E
m m m/s m/s t/m3 MPa MPa
0.00 6.40 588 158 1.88 4.7E+03 0.46 1.4E+04
6.40 7.40 1200 251 1.89 1.2E+04 0.48 3.5E+04
7.40 14.90 1504 256 1.91 1.2E+04 0.49 3.7E+04
14.90 19.50 1428 286 1.92 1.6E+04 0.48 4.7E+04
19.50 28.54 1553 259 1.94 1.3E+04 0.49 3.9E+04
STRATO
TABELLA DI CALCOLO MODULI ELASTICI
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AZIONE SISMICA
La prova penetrometrica sismica appena descritta permette, con riferimento al D.M. del
14 settembre 2005 “Norme tecniche per le costruzioni” e all’O.P.C.M. del 20 marzo 2003 n°
3274 “Primi elementi in materia di criteri generali per la classificazione sismica del territorio
nazionale e di normative tecniche per le costruzioni in zona sismca”, di valutare le
caratteristiche geologiche e geotecniche del sottosuolo costituente l’area di progetto in
relazione all’azione sismica generata dal moto non uniforme del terreno di sedime per effetto
della propagazione delle onde sismiche.
CLASSIFICAZIONI
La determinazione della velocità media di propagazione delle onde sismiche di taglio
entro i 30.00 metri di profondità (Vs30 = 240 m/s) permette di classificare il terreno di
fondazione, secondo le normative sopra menzionate, nella categoria C: depositi di sabbie e
ghiaie mediamente addensate, o di argille di media consistenza, con spessori variabili da
diverse decine fino a centinaia di metri, caratterizzati da valori di Vs30 compresi tra 180 m/s e
360 m/s.
Ai fini della valutazione dell’azione sismica il territorio nazionale è stato suddiviso in
zone sismiche ciascuna individuata secondo i valori di accelerazione di picco orizzontale del
suolo (ag) con probabilità di superamento pari al 10% in 50 anni.
Il comune è classificato ZONA 3, con valore di accelerazione
orizzontale con probabilità di superamento pari al 10% in 50 anni ag = 0.05g÷0.15g ed un
valore di accelerazione orizzontale massima convenzionale su di un suolo di categoria A, ag =
0.15g.
SUSCETTIBILITA’ ALLA LIQUEFAZIONE
Secondo le normative di riferimento “il termine liquefazione denota una diminuzione di
resistenza al taglio e/o rigidezza causata dall’aumento di pressione interstiziale in un terreno
saturo non coesivo durante lo scuotimento sismico, tale da generare deformazioni permanenti
significative o persino l’annullamento degli sforzi efficaci nel terreno.”
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“Deve essere verificata la suscettibilità alla liquefazione quando la falda freatica si trova
in prossimità della superficie ed il terreno di fondazione comprende strati estesi o lenti spesse
di sabbie sciolte sotto falda, anche se contenenti una frazione fine limo-argillosa.”
“Nel caso di edifici con fondazione superficiali, la verifica della suscettibilità alla
liquefazione può essere omessa se il terreno sabbioso saturo si trova a profondità superiore a
15 metri dal piano campagna. Si può inoltre trascurare il pericolo di liquefazione quando S ag <
0.15g e, al contempo, la sabbia in esame soddisfi almeno una delle condizioni seguenti:
- contenuto in argilla superiore al 20% con indice di plasticità > 10;
- contenuto di limo superiore al 35% e resistenza N1(60) > 20;
- frazione fine trascurabile e resistenza N1(60) > 25;
dove N1(60) è il valore di resistenza penetrometrica NSPT misurato nella prova Standard
Penetration Test, normalizzato ad uno sforzo efficace di confinamento di 100 kPa e ad un
fattore di rendimento energetico 0.6 nell’esecuzione della prova.”
Il parametro S è un fattore che tiene conto del profilo stratigrafico del suolo di
fondazione e che per un terreno di categoria C, per la componente orizzontale dello spettro di
risposta elastico, vale 1.25.
Sebbene il prodotto S ag, considerando un valore medio di ag = 0.10g, sia inferiore a
0.15g viene effettuata in ogni caso una verifica della suscettibilità alla liquefazione.
La prova penetrometrica SCPTU 04 evidenzia, infatti, la presenza di uno strato di terreni
non coesivi costituito da sabbie più o meno limose da 1.70 a 5.50 metri di profondità, limi
argillosi e sabbiosi da 5.50 a 6.30 metri ed infine sabbie limose da 6.30 a 6.50 metri.
Tali terreni si trovano nei primi 13÷15 metri di profondità dal piano campagna, sono
sotto falda (il cui livello è stato misurato a 1.40 metri di profondità), quindi saturi, presentano
bassi valori di resistenza alla punta qc (10÷35 kg/cm2 per le sabbie limose presenti da 1.70 a
5.50 metri di profondità e 12÷30 kg/cm2 per i limi sabbiosi e argillosi) e basse velocità di
propagazione delle onde sismiche (Vp = 590 m/s e Vs = 160 m/s).
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Inoltre una preliminare identificazione dei terreni suscettibili a liquefazione può essere
anche effettuata utilizzando il grafico di classificazione dei terreni per prove penetrometriche
statiche elettriche nel quale P.K. Robertson e R.G. Campanella (Liquefaction potential of sands
using the CPT, 1985) propongono una zona di terreni liquefacibili.
Nella seguente figura vengono rappresentati, nel grafico appena descritto, i terreni
presenti da 1.70 a 6.50 metri di profondità.
La suscettibilità alla liquefazione viene valutata con una procedura proposta da R.D.
Andrus, K.H. Stokoe e R.M. Chung (Draft guidelines for evaluating liquefaction resistance using
shear wave velocity measurements and simplified procedures, 1999) basato sull’utilizzo della
misura della velocità di propagazione delle onde di taglio S.
Tale metodo si basa fondamentalmente sul calcolo del rapporto CSR (cyclic stress ratio)
che rappresenta lo sforzo di taglio indotto dal sisma:
CSR = tan/s’n = 0.65 (amax / g) (sn /s’n) rd
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tan = media equivalente dello sforzo uniforme di taglio generato dal terremoto, assunto essere
0.65 dello sforzo massimo indotto;
amax = accelerazione di picco orizzontale della superficie del suolo;
s’n = pressione verticale efficace alla profondità considerata;
sn = pressione verticale totale alla profondità considerata;
g = accelerazione di gravità;
rd = coefficiente di riduzione dello sforzo di taglio funzione della profondità,
e del rapporto CRR (cyclic resistance ratio) che rappresenta la resistenza al taglio dei terreni
considerati sottoposti a stress sismico:
CRR = {a (C VS1/100)2 + b [(1/V*S1-VS1) – (1/V*
S1)]} MSF
VS1 = velocità delle onde di taglio corretta;
V*S1 = valore limite superiore di VS1 perché avvenga la liquefazione;
C = fattore di correzione per valori elevati di VS1 dovuti a cementazione, età e pressione dei
pori negativa;
MSF = fattore di scala della magnitudo;
a, b = parametri di forma della curva.
Può essere quindi calcolato un fattore di sicurezza FS = CRR/CSR per cui un terreno può
essere considerato suscettibile a liquefazione se il rapporto è minore di 1.
Introducendo quindi i valori ottenuti dalla elaborazione della prova penetrometrica nelle
relazioni sopra descritte è stato possibile valutare come suscettibili a liquefazione i terreni
presenti da 5.00 a 6.40 metri di profondità per un evento sismico di magnitudo 6.5÷7 gradi
della scala Richter.
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