155

Alenka ROBAS mag., univ.dipl.inž.grad., Univerza v Ljubljani, Katedra za mehaniko tal z laboratorijem

Janko LOGAR

doc.dr., univ.dipl.inž.grad., Univerza v Ljubljani, Katedra za mehaniko tal z laboratorijem

PRVE IZKUŠNJE S SEIZMIČNIM DILATOMETROM V SLOVENIJI

POVZETEK: V letu 2007 smo v Sloveniji izvedli prve meritve hitrosti strižnih valovanj z novo tehnologijo – seizmičnim dilatometrom (SDMT), ki ga je v preteklih letih razvil Marchetti kot dodatek njegovemu vse bolj uveljavljenemu ploščatemu dilatometru (DMT). Članek predstavlja opremo in postopek meritve ter rezultate, povzema pa tudi pregled relevantne literature.

FIRST EXPERIENCE WITH SEISMIC DILATOMETER IN SLOVENIA

SUMMARY: In 2007, first measurements of shear wave velocities were performed in Slovenia using new technology – seismic dilatometer. This apparatus was developed recently by Marchetti as an additional tool to his well recognized and widely used flat dilatometer (DMT). He paper presents the equipment, measurement procedure and results. A short literature review can also be found in the paper.

156

UVOD Poznavanje razporeda hitrosti strižnega valovanja vs z globino tal pridobiva na pomenu. Profil hitrosti strižnega valovanja:

- je potreben vhodni parameter pri seizmičnih analizah konstrukcij po Evrokodu 8 in obvezen za vse pomembne konstrukcije na potresnem območju, torej v večini Slovenije,

- je pomemben vhodni podatek za analizo amplifikacije seizmičnih valov pri potresih, - omogoča oceno potenciala likvifakcije zemljin na določeni lokaciji, - omogoča izračun referenčne točke (G0) vsake G-γ krivulje (krivulja upadanja togosti z

naraščajočo strižno deformacijo) za določeno zemljino. Marchettijev seizmični dilatometer (SDMT) je razmeroma nov instrument za terensko merjenje hitrosti strižnih valov in od tod tudi G0 modula zemljine pri zelo majhnih deformacijah. Zasnovan je bil kot dopolnilna oprema k Marchettijevemu ploščatemu dilatometru (Marchetti, 1980). Meritev s seizmičnim dilatometrom torej običajno vsebuje standardno dilatometrsko meritev (Gaberc, Logar, Robas, Majes, 2004), ki postreže predvsem s podatkom o modulu zemljine pri »inženirski« deformaciji, poleg nje pa še meritev intervalne hitrosti strižnega valovanja na s senzorji opremljenem drogu naprave neposredno nad dilatometrsko sondo (slika 1).

Senzor Z1

Senzor Z2

Sonda dilatometra

Slika 1. Oprema in princip SDMT meritev (Marchetti, 2007) Hitrost strižnega valovanja je v neposredni zvezi z modulom zemljine pri zelo majhnih deformacijah (enačba 1). G0 = ρ vs

2 (1) OPREMA Bistveni deli opreme so bili že opisani v uvodu in predstavljeni na sliki 1. Celotno opremo predstavljajo:

− seizmična enota z dvema sprejemnikoma na medsebojni razdalji 0,5 m, potrebno elektroniko ter fiksnim električnim kablom

− kontrolna enota dilatometra in kontrolna enota seizmičnega dilatometra, − izvor tlaka (jeklenka s plinom),

Kladivo – vir seizmičnega valovanja

157

− izvor strižnih valov – nihajno kladivo (slika 2), − električni kabel za prenos izmerjenih signalov, − prenosni osebni računalnik, − konica, oz. v primeru, ko poleg seizmičnih meritev izvajamo tudi dilatometrske meritve,

ploščata sonda dimenzij 95*225*15 mm s pločevinasto membrano premera 60 mm in debelino 0,2 mm,

− cevka za dovod plina iz kontrolne enote do sonde, ki vsebuje tudi električni kabel.

Slika 2. Kladivo kot vir seizmičnega valovanja Izvor strižnega valovanja je nihajno kladivo na površju tal, ki v vodoravni smeri udari po kovinskem kvadru, ta pa je s težo tovornjaka čvrsto pritisnjen ob tla. Udarec kladiva mora biti usmerjen vzporedno z osjo sprejemnikov na SDMT enoti, da je sprejem signala kar najboljši. »Intervalna« zasnova SDMT enote z dvema sprejemnika reši problem nenatančnosti določitve ničnega časa ob trenutku udarca kladiva, ki so ga pogosto opazili pri konfiguraciji opreme z enim samim sprejemnikom. Poleg tega sta dva izmerjena akcelerograma na obeh sprejemnikih na neki globini posledica istega udarca in ne dveh zaporednih, ki ne bi bila nujno identična. S tem je bistveno izboljšana ponovljivost rezultatov meritev strižne hitrosti Vs (ugotovljena odstopanja pri ponovitvah meritev znašajo 1-2% - glej sliko 5). IZVEDBA MERITEV Seizmično dilatometrsko preiskavo lahko izvajamo v vseh vrstah zemljin in hribin. V glinastih do peščenih tleh (premer zrnja do cca 2 mm) in v mehkih kamninah seizmično enoto, z ali brez dilatometrske sonde, vtiskujemo v tla (standardna izvedba). Če želimo izmeriti seizmične hitrosti v gramoznih tleh in kamninah, moramo pred izvedbo testa izdelati vrtino, ki jo zapolnimo z drobnim peskom – mivko, v katero vtiskujemo sondo. Vzporedne up-hole ali down-hole meritve so pokazale, da tudi taka izvedba SDMT preiskave daje zanesljive in točne rezultate. Meritve potekajo kontinuirno z intervalom globine vsakih 50 cm, ki je pogojen z zasnovo sonde (razmik med senzorjema znaša 50 cm). Pri majhnih globinah (z=1,0-2,0 m) se lahko zgodi, da zaradi vibracij vtiskovalnega stroja ali drugih ambientnih vibracij meritve niso zanesljive ali sploh niso izvedljive.

158

Vtiskanje sonde se najlažje izvaja s CPT opremo (tovornjakom). Seizmična enota in sonda preneseta silo vtiskovanja do 250 kN (lahko prodirata tudi skozi sloje proda in mehke kamnine). Na vsaki testni globini se seizmična enota ustavi, preko računalnika se zažene postopek zajema podatkov in sproži seizmično valovanje (udarec s kladivom). Za kontrolo odstopanja se meritev vsaj trikrat ponovi. Sprejeti seizmični signal se ojača in digitalizira v sami sondi, obdela pa na računalniku. Hitrost Vs dobimo kot razmerje med razlikama razdalj med izvorom seizmičnega valovanja in obema sprejemnikoma ter časovnim zamikom med prihodom valovanja do prvega in drugega sprejemnika. Časovni zamik se dobi preko algoritma, ki ugotavlja najboljše ujemanje obeh merjenih signalov. Če sočasno z meritvami seizmičnih hitrosti izvajamo tudi standardne dilatometrske meritve, ki potekajo na vsakih 20 cm globine, je postopek dela sledeč:

• x m + 0 cm: DMT + SDMT • x m + 20 cm: DMT • x m + 40 cm: DMT • x m + 50 cm: SDMT • x m + 60 cm: DMT • x m + 80 cm: DMT

REZULTATI Rezultati so prikazani na slikah 3, 4 in 5.

Slika 3. Rezultati kombinirane DMT in SDMT meritve. SDMT meritev prispeva rezultate o strižni hitrosti (Vs) in največjem strižnem modulu (G0)

159

Slika 4. Rezultati SDMT meritve. Računska določitev časovnega zamika z ujemanjem dveh merjenih signalov strižnega valovanja.

160

Slika 5. Tabelarični rezultati SDMT meritev. Na desni strani so navedeni rezultati vseh ponovitev meritve na posamezni globini in na osnovi njih izračunan koeficient variacije, ki je v večini primerov pod 1%. RAZPRAVA Eden od najpomembnejših dosežkov raziskav zadnjih 20 let je vsesplošno priznanje pomena proučevanja obnašanja zemljin pri majhnih deformacijah in nelinearnega odnosa med togostjo in deformacijami (Slika 6). Tak pristop je dandanes splošno sprejet kot ključna točka podrobneših raziskav tal za geotehnično projektiranje. Jamiolkowski (1999) je izpostavil, da so rezultati raziskav odnosa med togostjo in deformacijami po zgodovinskem članku Burlanda (1989) mejniki v trenutem stanju znanj. Ugotovitve, pridobljene na osnovi laboratorijskih meritev togosti pri zelo majhnih deformacijah, so veliko pripomogle k oblikovanju nove generacije konstitutivnih modelov za geomateriale. Za takšne modele je togost zemljin pri zelo majhnih deformacijah (G0), eden osnovnih materialnih parametrov za zemljine in predstavlja referenčno točko nelinearnega odnosa med strižnim modulom (G) in strižno deformacijo (γ), označeno tudi kot G-γ krivulja upadanja togosti na celotnem področju deformacij, od zelo majhnih pa vse do

161

velikih deformacij pri porušitvi oziroma doseženi vrhunski trdnosti. Modul pri zelo majhnih deformacijah (G0) je v neposredni zvezi s hitrostjo strižnega valovanja Vs skozi zemljino. Hitrost strižnega valovanja lahko na terenu kot tudi v laboratoriju izmerimo z veliko natačnostjo. Trenutni razvoj laboratorijske raziskovalne opreme in metod za neposredno merjenje modula G0 kaže, da je to trenutno izvedljivo le v posebej za to opremljenih raziskovalnih laboratorijih. Po drugi strani pa obstajajo številne terenske metode merjenja hitrosti strižnega valovanja Vs: geoseizmične metode (geoseizmično refleksijsko in refrakcijsko profiliranje, down-hole, up-hole in cross-hole metode), seizmični konus (SCPTU) in nedavno vpeljan seizmični dilatometer SDMT.

Slika 6. Nelinearna G-γ krivulja (Marchetti, 2007) V laboratoriju je možno G-γ krivuljo določiti z različnimi zahtevnimi raziskovalnimi postopki kot je triaksialni test z lokalnim merjenjem deformacij, resonančni test, ciklični torzijski in direktni strižni test, vsi dopolnjeni z meritvami G0 s pomočjo upogibnih (bender) elementov. S slike 6 lahko razberemo, da so različni avtorji predlagali različne G-γ krivulje v odvisnosti od tipa preiskovane zemljine, njenih osnovnih lastnosti in stanja. Dilatometrska meritev z dodano meritvijo hitrosti strižnega valovanja omogoča meritev dveh točk na tej krivulji, saj poleg modula pri zelo majhnih deformacijah (G0) izmerimo s klasično dilatometrsko meritvijo še modul Mdmt pri »inženirski« deformaciji, ki danes ni natančno poznana. Preliminarno sta Ishihara (2001) in Mayne (2001) ocenila, da je rang strižne deformacije, ki ustreza Mdmt, od 0,05-0,1% do 1,0%. (Slika 6). Za analizo amplifikacije seizmičnega valovanja pri prehodu iz trdne podlage skozi sloje mehkih zemljin rabimo kot osnovno lastnost zemljine hitrost strižnega valovanja (Schnabel, 1972). Študije medsebojnih dinamičnih vplivov zemljine in konstrukcije so pokazale pomemben vpliv tal na dinamično obnašanje objektov in drugih gradbenih objektov. Praktičen rezultat teh spoznanj so novi evropski predpisi za projektiranje potresno varnih zgradb (Evrokod 8), ki izpostavijo pomembnost poznavanja hitrosti strižnega valovanja kot ključnega parametra tal pri potresno odpornem projektiranju stavb. Meritve hitrosti strižnega valovanja namreč omogočajo klasifikacijo tal skladno z Evrokodom 8. Ta pomembna novost sistematično vključi pomen vpliva tal v analizo odziva zgradb in gradbenih konstrukcij na potresnih območjih. V Evrokodu 8 so zemljine razdeljene v pet skupin, ki temeljijo na stratigrafiji in geotehničnih lastnostih tal, kot je hitrost strižnega valovanja Vs v zgornjih 30 m tal. Meritve hitrosti strižnega valovanja Vs so torej osnovni in večstransko uporabni element vsake raziskave tal in so potrebne tudi za določitev seizmičnih vplivov. Tudi za identifikacijo potencialno likvifabilnih zemljin so bili rezultati DMT in SDMT meritev že uspešno uporabljeni (Monaco, 2005, Maugeri in Monaco, 2006, Monaco in Marchetti, 2007).

162

ZAKLJUČEK SDMT oprema je že bila uspešno preizkušena na različnih lokacijah v Italiji in še nekaterih državah. Nabrane izkušnje (Marchetti D. et al. 2007, 2008, Marchetti S. et al. 2008) kažejo, da daje intervalni SDMT točne in vsoko ponovljive meritve strižnih hitrosti Vs. Mnoge primerjave na lokacijah različnih raziskovalnih polj (Fucino, AGI 1991; Bothkennar, Hepton 1988; Treporti, McGillivray, Mayne 2004; Zelazny Most, Mlynarek et al. 2006) kažejo precej dobro primerljivost med hitrostmi strižnih valovanj Vs dobljenimi s seizmičnim dilatometrom in drugimi terenskimi meritvami. Prve SDMT meritve smo uspešno izvedli že tudi v Sloveniji. LITERATURA (1) Atkinson J.H. 2000. Non-linear soil stiffness in routine design. Géotechnique, 50(5), 487-508. (2) Burland J.B. 1986. Small is Beautiful. The Stiffness of Soils at Small Strains. IX Bjerrum

Memorial Lecture, Oslo, published in 1989 in Canadian Geotech. Jnl, 4, 499-516. (3) Elhakim A.F., Mayne P.W. 2003. Derived stress-strain-strength of clays from seismic cone tests.

Proc. 3rd Int. Symp. Deformation Characteristics of Geomaterials, Lyon, 1, 81-87. (4) Fahey M. 1998. Deformation and in situ stress measurement. Proc. ISC'98, Atlanta, 1, 49-68. (5) Fahey M. 1999. Soil stiffness values for foundation settlement analysis. Proc. 2nd Int. Symp.

Pre-Failure Deformation Characteristics of Geomaterials, Torino, 2, 1325-1332. (6) Fahey M., Carter J.P. 1993. A finite element study of the pressuremeter test in sand using a

non-linear elastic plastic model. Canadian Geotech. Jnl, 30, 348-362. (7) Foti S., Lancellotta R., Marchetti D., Monaco P., Totani G. 2006. Interpretation of SDMT tests in

a transversely isotropic medium. Proc. 2nd Int. Conf. Flat Dilatometer, Washington, 275-280. (8) Gaberc A., Logar J., Robas A., Majes B. 2004. Prve izkušnje z uporabo dilatometra v Sloveniji.

Razprave četrtega posvetovanja slovenskih geotehnikov, Rogaška Slatina, str. 165-174. (9) Ishihara K. 2001. Estimate of relative density from in-situ penetration tests. Special Lecture,

Proc. In Situ 2001, Bali, 17-26. (10) Jamiolkowski M. 1999. "Where are we going?" Proc. 2nd Int. Symp. Pre-Failure Deformation

Characteristics of Geomaterials, Torino, 2, 1251-1262. (11) Jamiolkowski M., Lo Presti D.C.F. 1998. Oral presentation. ISC'98, Atlanta. (12) Marchetti S. 1980. In Situ Tests by Flat Dilatometer. ASCE Jnl GED, 106(GT3), 299-321. (13) Marchetti S. 1997. The Flat Dilatometer: Design Applications. Proc. 3rd Int. Geotech.

Engineering Conf., Cairo, Keynote Lecture, 421-448. (14) Marchetti S., Monaco P., Calabrese M., Totani G. 2004. DMT-predicted vs measured

settlements under a full-scale instrumented embankment at Treporti (Venice, Italy). Proc. ISC'2, Porto, 2, 1511-1518.

(15) Marchetti S., Monaco P., Calabrese M., Totani G. 2006. Comparison of moduli determined by DMT and backfigured from local strain measurements under a 40 m diameter circular test load in the Venice area. Proc. 2nd Int. Conf. Flat Dilatometer, Washington, 220-230.

(16) Martin G.K., Mayne P.W. 1998. Seismic flat dilatometer in Piedmont residual soils. Proc. ISC'98, Atlanta, 2, 837-843.

(17) Maugeri M., Monaco P. 2006. Liquefaction Potential Evaluation by SDMT. Proc. 2nd Int. Conf. Flat Dilatometer, Washington, 295-305.

(18) Mayne P.W., Schneider J.A., Martin G.K. 1999. Small- and large-strain soil properties from seismic flat dilatometer tests. Proc. 2nd Int. Symp. Pre-Failure Deformation Characteristics of Geomaterials, Torino, 1, 419-427.

(19) Mayne P.W. 2001. Stress-strain-strength-flow parameters from enhanced in-situ tests. Proc. In Situ 2001, Bali, 27-47.

(20) Mayne P.W. 2003. Class "A" footing response prediction from seismic cone tests. Proc. 3rd Int. Symp. Deformation Characteristics of Geomaterials, Lyon, 1, 883-888.

(21) Monaco P., Marchetti S., Totani G., Calabrese M. 2005. Sand liquefiability assessment by Flat Dilatometer Test (DMT). Proc. XVI ICSMGE, Osaka, 4, 2693-2697.

(22) Monaco P., Totani G., Calabrese M. 2006. DMT-predicted vs observed settlements: a review of the available experience. Proc. 2nd Int. Conf. Flat Dilatometer, Washington, 244-252.

(23) TC16 - Marchetti S., Monaco P., Totani G., Calabrese M. 2001. The Flat Dilatometer Test (DMT) in Soil Investigations. Report by the ISSMGE Technical Committee TC16 (Ground Property Characterisation from In-situ Testing).