SP prove sismiche in sito - scienzeambientali.unicam.itscienzeambientali.unicam.it/matdid/geotecnica/fotsit.pdf · Acquisitore Geofoni 3D Sorgente ondeP o ondeS Acquisitore Geofoni

Sebastiano Foti

POLITECNICO DI TORINO

Dipartimento di Ingegneria

Strutturale e Geotecnica

Le prove in sito:

scelta e validazione delle indagini sismiche

Corso di aggiornamento professionale avanzato

Ingegneria Geotecnica

La Spezia, 14 ottobre 2011

POLITECNICO DI TORINOLA SPEZIA 14 Ottobre 2011 Sebastiano Foti

Le prove in sito: scelta e validazione delle indagini sismiche

Sommario

• Risposta sismica locale

• Scopo: stima in sito del profilo di VS (� G0)

• Prove Geofisiche– Invasive

– Non-Invasive

• (Esempio interpretazione Prova Down Hole)

• Casi di Studio

• Scelta e pianificazione delle indagini

• Controlli di qualità



Onde di Volume

(Animation courtesy of prof.Braile)ρ

GV S =



Studi di risposta sismica locale

NTC 2008 (3.2.2):

Ai fini della definizione dell’azione sismica di progetto,

si rende necessario valutare l’effetto della

risposta sismica locale mediante specifiche analisi,

come indicato nel § 7.11.3. In assenza di tali

analisi, per la definizione dell’azione sismica si può

fare riferimento a un approccio semplificato,

che si basa sull’individuazione di categorie di

sottosuolo di riferimento (Tab. 3.2.II e 3.2.III).



Risposta sismica locale: metodo lineare equivalente

Terremoto El Centro 1940

-0.6

-0.5

-0.4

-0.3

-0.2

-0.1

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0 20 40 60 80

tempo (s)

accelerazione (g)

top

Terremoto El Centro 1940

-0.6

-0.5

-0.4

-0.3

-0.2

-0.1

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0 20 40 60 80tempo (s)

accelerazione (g) outcrop

Onda S

Caratterizzazione dei depositi:

• Definizione della geometria

(posizione del tetto del

substrato sismico)

• Comportamento meccanico

dei terreni soggetti a carichi

ciclici



Esempio RSL

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4

Periodo [s]

Accelerazione spettrale [g]

acc1

acc2

acc3

acc4

acc5

acc6

acc7

medio

NTC08

-0.2

-0.1

0

0.1

0.2

0 10 20 30 40 50

Tempo [s]

Accelerazione [g]

-0.2

-0.1

0

0.1

0.2

0 10 20 30 40 50

Tempo [s]

Accelerazione [g]

-0.2

-0.1

0

0.1

0.2

0 10 20 30 40 50

Tempo [s]

Accelerazione [g]

-0.2

-0.1

0

0.1

0.2

0 10 20 30 40 50

Tempo [s]

Accelerazione [g]

-0.2

-0.1

0

0.1

0.2

0 10 20 30 40 50

Tempo [s]

Accelerazione [g]

-0.2

-0.1

0

0.1

0.2

0 10 20 30 40 50

Tempo [s]

Accelerazione [g]

-0.2

-0.1

0

0.1

0.2

0 10 20 30 40 50

Tempo [s]

Accelerazione [g]

0.0

5.0

10.0

15.0

0 400 800 1200 1600

Vs [m/s]

Profondità [m]

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

0.0001 0.001 0.01 0.1 1

Deformazione [%]

G/Gmax [-]

Sabbia molto addensata

Sabbia mediam. addensata

Roccia

0

5

10

15

20

25

30

0.0001 0.001 0.01 0.1 1 10

Deformazione [%]

Smorzamento [%]

Sabbia molto addensata

Sabbia mediam. addensataRoccia

Prove in sito

VS �� G0

Prove lab

G/G0(γγγγ) e D(γγγγ)

(Lai et al., 2009)

0

0.5

1

1.5

2

2.5

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4

Periodo [s]

Accelerazione [g]

acc1

acc2

acc3

acc4

acc5

acc6

acc7

medio0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

0 1 2 3 4 5 6

Periodo [s]

Accelerazione spettrale [g]

Spettro medio

NTC08 suolo E



Studi di risposta sismica locale

NTC 2008 (3.2.2):

Ai fini della definizione dell’azione sismica di progetto,

si rende necessario valutare l’effetto della

risposta sismica locale mediante specifiche analisi,

come indicato nel § 7.11.3. In assenza di tali

analisi, per la definizione dell’azione sismica si può

fare riferimento a un approccio semplificato,

che si basa sull’individuazione di categorie di

sottosuolo di riferimento (Tab. 3.2.II e 3.2.III).



VS,30

h1 Vs1

h2 Vs2

h3 Vs3

Vs∞∞∞∞h4

30m VS,30

Onda SOnda SOnda SOnda S

Rappresenta la velocità media in termini di lentezza, basata sul tempo che

l’onda di taglio impiega a percorrere i 30 m

∑=

=

�i iS

iS

V

hV

..1 ,

30,

30

NB: 30m a partire dal piano di imposta della fondazione



Categorie di sottosuolo

NB: le categorie di sottosuolo sono rilevanti ai soli fini della valutazione dell’azione

sismica



Categorie di sottosuolo

Necessità di specifiche analisi per valutare l’azione sismica



Metodi Geofisici

• Metodi Invasivi– Prove Cross-hole

– Prove Down-hole

• In foro

• SCPT-SDMT

• Metodi Non-Invasivi– Prove sismica a rifrazione (onde SH)

– Analisi delle onde superficiali

• Metodi attivi (SASW, MASW)

• Metodi passivi (fk, SPAC, ReMi, H/V)



Cross-Hole(standard ASTM D-4428-M)

(after Santamarina and Stokoe, 2000)

- 2 o 3 fori rivestiti e cementati

con controllo verticalità (costi ��)

- onde P Sv Sh

- tempi di arrivo -> Vp & Vs

- attenuazione -> Dp & Ds

(problema: attenuazione geometrica)

Sorgente

onde P o

onde S

Acquisitore

Geofoni

3D

Sorgente

onde P o

onde S

Acquisitore

Geofoni

3D

Sorgente

onde P o

onde S

Acquisitore

Geofoni

3D



0

10

20

30

40

50

60

70

0 500 1000 1500 2000 2500

Vs

Vp

Prove Cross-Hole (Pisa)Profondità[m

]

Velocità di Propagazione [m/s]Prova Cross-

Hole



Down-Hole

geofono

tridimensionale

acquisitore

Un solo foro; minore sensibilità

verticalità foro di sondaggio

limitazione a profondità di 50-60m

Interpretazione diretta dei

tempi di arrivo � valori medi

P SH



Down Hole

Due ricevitori (true interval)

geofoni

tridimensionali

acquisitore0

5

10

15

20

25

30

0 200

400

600

800

1000

Vs (m/s)

Profondità(m)

DH direct

travel

time

DH true-

interval

Analoga interpretazione con successive posizioni singolo geofono

(pseudo-interval) – SCONSIGLIATA

Down-Hole



Esempio: Prova Down Hole

• Profilo di Vs– Metodo tempi intercetti

– Metodo true interval

• Vs,30

• Classificazione sismica



Esempio: Prova Down Hole Stringa 8 geofoni da foro

con riaggancio



Sismogramma



Interpretazione “manuale”

11m / 0.065s = 170m/s

10m / 0.025s = 400m/s

20m / 0.087s = 230m/s

6m /

0.007s =

860m/s



Interpretazione “manuale”

∑=

=

�i iS

iS

V

hV

..1 ,

30,

30

smVS /230

230

5.7

400

5.10

170

12

3030, =

++

=

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

0 200 400 600 800 1000

VS [m/s]

Pro

fondità [m

]

Categoria C

Inversione di velocità !!

Categoria S2



Valutazione diretta della VS,30

30m

0.151s

sms

mVS /199

151.0

3030, ==



Tempi di primo arrivo



Tempi corretti

z

d

22zd +

22 zd

ztt miscorr

+=

Tempo associato al percorso verticale

p.c. � z



Interpretazione Dromocrone

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25

Tempi corretti [s]

Pro

fondità [m]

y = 174.87x - 2.5614

y = 396.63x - 21.992

y = 211.8x - 1.8255

y = 279.87x - 11.874

y = 209.13x - 0.0959

y = 919.41x - 149.51

y = 134.61x - 0.2471

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25

Tempi corretti [s]

Pro

fondità [m]

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

0 200 400 600 800 1000

VS [m/s]

Pro

fondità [m

]

smVS /202

230

8

400

9

170

5

135

8

3030, =

+++

=



Interpretazione True Interval

Due ricevitori (true interval)

geofoni

tridimensionali

acquisitore



Cono sismico (SCPT)

Dilatometro sismico (SDMT)

- molto efficiente (no fori sondaggio)

- ottimo accoppiamento geofono-terreno

(niente rivestimento)

- possibile eseguire prova SCPT in modalità

CHT usando due coni

- stesse limitazioni CPT/DMT

(www.fugro.com)

(Marchetti et al., 2006)

SDMT: trasmissione del segnale digitalizzato



Cono sismico (SCPT) (Mayne, 2007)



Dilatometro sismico (SDMT)

(Marchetti et al., 2006)



Metodi Geofisici

• Metodi Invasivi– Prove Cross-hole

– Prove Down-hole

• In foro

• SCPT-SDMT

• Metodi Non-Invasivi– Prove sismica a rifrazione (onde SH)

– Analisi delle onde superficiali

• Metodi attivi (SASW, MASW)

• Metodi passivi (fk, SPAC, ReMi, H/V)



Sismica a rifrazione Onde P: risoluzione

influenzata dalla falda

(ok per localizzazione

substrato roccioso)

Limitazioni intrinseche: strati

nascosti ed inversioni velocità



Sismogramma SHInterpretazione standard

Rifrazione

Onde SHmigliore definizione stratigrafica

(no interferenza con falda)

stima del modulo G0

Energizzazione piu’ complessa

(necessità di adeguata zavorra per

trasmettere energia sufficiente)

Migliore risoluzione

(lunghezze d’onda minori)



Vs (m/sec)

profondità(m)

rifrazione Sh

prova SASW

down-hole

10002000 400 600 800

12

9

6

0

3

(Foti et al., 2002)

Sismica a rifrazione

Rifrazione per onde SH

Castelnuovo Garfagnana

Progetto VEL (Regione Toscana)



Strati Nascosti

Inversione di velocità (strato “lento”)

(da Reynolds, 1997)

3

V <V2

1

dirette (V1)

arrivi dallo strato

3 (V3)

2 1

Tempo t

V1

V3

Distanza x2)



Strati Nascosti

(da Reynolds, 1997)

V1

1

V2

V3

V1

V2

V3

Distanza x

Tempo t

Distanza x

Tempo t

Distanza x

dirette (V1)

1

2

3

arrivi dallo strato

3 (V3)arrivi dallo stra

to 2 (V

2)

2

1

3 dirette (V )

arrivi dallo

strato 3 (V3

)arrivi dallo strato 2 (V

2)

arrivi dallo strato 2

(non campionati)



Prove basate sulla propagazione di onde superficiali (SWM)

XD

1 n32

X

Two-station (SASW)

Multistation

(f-k, τ-p, MASW, CSW,....)

X

1 n32

X

Spatial Array

SPAC, ESAC, f-k (FBDF, Capon, Music,I)

Linear array (ReMi)

Tecniche Attive

Tecniche passives

?



Onde R (Rayleigh)

Animation courtesy of Dr. Larry Braile, Purdue University



Moto indotto dalle Onde di Rayleighf

VRR =λ

(after Richart et al., 1970)f

VRR =λ



Dispersione geometrica

Curva di Dispersione

Onde armoniche

VS1

VS2

VS3

PROBLEMA INVERSO

Sperimentale

?VR

Frequency f



Campo di spostamenti in superficie

Acquisizione Dati

Curva di dispersione delle onde di Rayleigh:

velocità di fase vs frequenza

Analisi dei Segnali VR

ωωωω

Z

VS

Profilo di velocità delle onde di taglio

Processo di Inversione

Modulo di rigidezza a taglio (G0 vs profondità)

2

0 SVG ⋅= ρ

G 0

Prove SASW: diagramma di flusso



1) Acquisizione dati

� profondità di indagine ≈ 1/2 lunghezza stendimento

� risoluzione diminuisce con la profondità (difficile risolvere strati

relativamente poco spessi)

Sorgente

Armonica o

Impulsiva

Seismografo o Analizzatore di Segnali

1 2 3 n

Geofoni verticali a bassa frequenzacomponenti armoniche

VS1

VS2

VS3



Seismograph or Signal Analyzer

Impulsive or

harmonic

source

1 2 3 n

D X X

Low frequency vertical geophones

receiver offset (m)

time (s)

wavenumber, rad/m

frequency, Hz

2D FFT

wavenumber, rad/m

frequency, Hz

experimental dispersion curve

feachk

ffv

PP

R

max

2)(

=

⋅=

π

frequency, Hzphasevelocity, m/s

experimental dispersion

curve

2) Processing (analisi dei segnali)



3) Soluzione problema inverso

Obiettivo: trovare i parametri di modello tali da minimizzare la differenza tra curve di dispersione sperimentale e numerica

H1 =?=?=?=? Vs1=?=?=?=?

H2 =?=?=?=? Vs2=?=?=?=?

H3 =?=?=?=? Vs3=?=?=?=?

Vs∞∞∞∞=?=?=?=?

0 10 20 30 40 50 60 70100

200

300

400

500

600

700

frequenza, Hz

phase velocity, m/s

sperimentale

Strati piani e paralleli

omogenei lineari elastici



3) Soluzione problema inverso

Obiettivo: trovare i parametri di modello tali da minimizzare la differenza tra curve di dispersione sperimentale e numerica

H1 =?=?=?=? Vs1=?=?=?=?

H2 =?=?=?=? Vs2=?=?=?=?

H3 =?=?=?=? Vs3=?=?=?=?

Vs∞∞∞∞=?=?=?=?

0 10 20 30 40 50 60 70100

200

300

400

500

600

700

frequenza, Hz

phase velocity, m/s

sperimentale

numerica

Strati piani e paralleli

omogenei lineari elastici

100 200 300 400 500 600 700 800

5

10

15

20

25

30

35

Vs (m/s)

profondità(m

)

Analogia con prove di collaudo strutturali



120

140

160

180

0 5 10 15 20 25 30

frequenza, Hz

velocitàdi fase, m/s

sperimentale

120

140

160

180

0 5 10 15 20 25 30

frequenza, Hz

velocitàdi fase, m/s

sperimentale

numerica

0

5

10

15

20

25

30

100 150 200 250 300

VS, m/s

profondità, m

SASW

0

5

10

15

20

25

30

100 150 200 250 300

VS, m/s

profondità, m

SASW

CHT

Casi di Studio: Pisa

(Foti, 2003)



Risoluzione spaziale delle prove SWM

(Jamiolkowski et al., 2008)

Prove nelle Ghiaie di Messina

(Ponte sullo Stretto di Messina –

Blocco di ancoraggio lato Sicilia)



Profili Equivalenti

InversioneInversione con con metodometodo

Monte Carlo Monte Carlo

(Foti et al., 2007)

Non unicità della soluzione



Accuratezza ed incertezza della stima di VS,30

(Comina et al., 2010)



(Foti et al., 2008)

Valutazione della risposta sismica locale

Dati sperimentali

Prove SWM

Profili equivalenti

Risposta di sito(spettri di risposta)

Consequenze della non unicità

Inversione Monte Carlo Simulazioni con Shake



Prove basate sulla propagazione di onde superficiali (SWM)

XD

1 n32

X

Two-station (SASW)

Multistation

(f-k, τ-p, MASW, CSW,....)

X

1 n32

X

Spatial Array

SPAC, ESAC, f-k (FBDF, Capon, Music,I)

Linear array (ReMi)

Tecniche Attive

Tecniche passives

?



Curva di dispersione

V R

ωωωω

Inversione

Z

VS

AttivePassive

Attive

Passive

Integrazione Attive-Passive

AttivePassive



Limo argilloso

Sabbia, sabbia limosa

Limo argilloso, argilla limosa

PIANOLA PIANOLA –– Sondaggio e prove DH Sondaggio e prove DH -- SDMT (maggio 2009)SDMT (maggio 2009)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

0 200 400 600 800 1000 1200 1400

Velocità delle onde di taglio, Vs (m/s)Profondità, z (m)

MASW ( 1 )

MASW ( 2 )

DH

SDMT



ReMi (Refraction Microtremors)

= Prove Passive con ricevitori allineati

Ipotesi di base: distribuzione

spaziale uniforme delle sorgenti

di vibrazione

(Louie, 2001)

(Stephenson et al., 2005)

Seismograph or Signal Analyzer

1 2 3 n

X X

Low frequency vertical geophones

Sismografo o analizzatore di segnali

1 2 3 n

X X

Geofoni verticali a bassa frequenza



(Foti et al., 2007)

Prove Passive

Esempio: La Salle

Disposizione dei geofoni (pianta)

ReMi (pianta)



ReMi

(Parolai etal., 2007)

Confronto Attive-Passive



Prove SASW Rifrazione onde SH

Possibilità di utilizzo indipenden-temente dall’alternarsi di strati veloci e lenti

Tempi di acquisizione dati in sito estremamente ridotti

Parametri medi globali (comportamento dinamico dell’intero deposito)

Possibilità di ricostruzione 2D

Migliore posizionamento di interfacce ad alto contrasto di rigidezza

Tempi di elaborazione

Necessità di soluzione di un problema inverso

Modello 1D a strati piani e paralleli

Perdita di risoluzione con la profondità

Possibili errori (anche sostanziali) dovuti a strati lenti e strati nascosti

Acquisizione dati onerosa

Limitazione a pochi strati (2 o 3)

Profondità di indagine limitata

Vantaggi

Svantaggi

Confronto tra rifrazione SH e SASW



Prove Invasive Prove Non-Invasive

Misure dirette: intepretazionesemplice ed accurata

Buona risoluzione anche per strati profondi

Standard di prova (CHT-DHT)

Informazioni aggiuntive sulla stratigrafia dal foro di sondaggio o dalla penetrazione della sonda CPT-DMT

Costi ridotti e flessibilità in termini di tempi di esecuzione e localizzazione

Non intrusivi (importante per caratterizzazione di discariche o siti contaminati)

Proprietà medie (comportamento dinamico globale del deposito di terreno)

Caratterizzazione di vaste aree

Costi

Necessità di pianificazioneanticipata (esecuzione fori)

Misura locale

Interpretazione complessa (misure indirette basate su processi di inversione e/o elaborazione dati onerosa)

Accuratezza e risoluzione in profondità

Vantaggi

Svantaggi

Confronto tra prove invasive e non-invasive



QC delle prove SWM

• Assenza marcate irregolarità topografiche e/o stratigrafiche

• Acquisizione

– Preferire approcci multistation e array 2D per le passive

– Frequenza naturale dei geofoni (max 4,5Hz)

– Apertura totale-profondità (zmax≈½Lstend)

– Qualità registrazioni

• Processing

– Verifica dato sperimentale (panel fk)

• Inversione

– Metodo di inversione (automatico)

– Congruenza curva dispersione numerica-sperimentale

– Congruenza profondità raggiunta – intervallo frequenze (zmax≈½-1/3 λmax)

– Modi superiori (se andamento irregolare)



Criteri di verifica delle prove SWM

• Corrispondenza curva dispersione numerica-sperimentale

• Congruenza profondità raggiunta – range frequenze (zmax≈½-1/3 λmax)

0 10 20 30 40 50 60 70100

200

300

400

500

600

700

frequenza [Hz]

Velocitàdi faseondeR [m/s]

sperimentale

numerica

200 400 600 800

5

10

15

20

25

30

35

VS [m/s]

Profondità[m]

mzmHz

sm

f

V

f

R 35705.8

620maxmax

max

≈⇒=≈=λ



Rapporto spettrale H/V (HVSR)

Misure di rumore (sensore 3 componenti)

Rapporto in frequenza tra componente verticale e componente orizzontale



Risposta sismica locale:

Modello 1D elastico lineare

0

1

2

3

4

5

6

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

frequenza [Hz]

Funzione di Amplificazione

caso elastico lineare

S

Sz

V

V

ρ

ρα =

HG ,, ρ

ρ,G

ρ

GVS =

ρ

GVS =

-8

0

8

-0.03 0 0.03

γ %

τkPa

τ=G�γ

zα

1

H

Vf S

40 =

Onda S



Ricostruzione del campo d’onda associato ad una data stratigrafia. Tuttavia queste

interpretazioni presentano una marcata molteplicità di soluzioni. Per esempio, ad una

stessa curva HVSR possono corrispondere diversi possibili profili di velocità

(Albarello, 2011)

Inversione H/V



Commenti prove H/V

• Utili per:– Valutazione frequenza di risonanza

– Informazioni aggiuntive per vincolare inversione SWM

– Valutazione delle variazioni laterali

– Validazione del modello geotecnico-sismico

– Studi a scala territoriale

• Poco affidabili per:– Valutazione del profilo di VS

– Valutazione della VS,30



Correlazioni SPT – Otha e Goto (1978)

icipleistocen depositi 1.3

olocenici depositi 1=Af

( ) )/(69 2.017.060 smffz�V GAs ⋅=

ghiaie 1.45

ghiaie e sabbie 1.15

grosse sabbie 1.14

medie sabbie 1.09

fini sabbie 1.07

argille 1=Gf

z = profondità

(Mayneetal., 2002)



Correlazioni VS - NSPT

INTERVALLI DI VARIAZIONE DEI DATI SPERIMENTALI MOLTO AMPI

� Sconsigliato il ricorso a correlazioni empiriche per grandezze misurabili !!



Riferimenti Bibliografici

Foti S. [2007] “Prove sperimentali per la caratterizzazione geotecnica in zona sismica”, Atti del Convegno Nazionale Il laboratorio nel mondo delle costruzioni: Evoluzione Storica e Normativa, Firenze, 21 Novembre 2005, supplemento a Quarry and Construction, n.230, Edizioni PEI, Parma, pp.121-134

Foti S. [2008] “La caratterizzazione geotecnica per la progettazione in zona sismica”, Atti delle Conferenze di Meccanica ed Ingegneria delle Rocce, MIR2008, Politecnico di Torino, Patron Ed., Bologna, pp. 71-100

Lai C.G., Foti S., Rota M. [2009] “Input sismico e stabilità geotecnica dei siti di costruzione”, Collana di manuali di progettazione antisismica, vol. 6, IUSS Press, Pavia, 312 pp.

AGI [2005] “Aspetti Geotecnici della progettazione in zona sismica – Linee Guida”, Pàtron Editore, Bologna

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