Integrazione strumentale di misure deflettometriche e misure con georadar su campo

Integrazione strumentale di misure deflettometriche e misure con georadar su campo

Sommario

INTRODUZIONE .................................................................................................................... 3

Indagini sperimentali tramite FWD (Falling Weight Deflectometer), LFWD (Light Falling Weight Deflectometer) e GPR (Ground Penetrating Radar) .................................................. 3

STRUMENTI D’ANALISI ...................................................................................................... 7

Il Light Falling Weight Deflectometer (L.F.W.D.) ................................................................ 7

Riferimenti normativi ........................................................................................................ 17

La teoria di Boussinesq ..................................................................................................... 20

Dominio d’influenza del LFWD ....................................................................................... 24

Il Ground Penetrating Radar (GPR) ..................................................................................... 24

Configurazioni tipiche ed elettronica ................................................................................ 28

Analisi del segnale ............................................................................................................ 30

Scattering di Rayleigh ....................................................................................................... 34

Sezioni GPR (radargrammi) ............................................................................................. 38

PROVE SU CAMPO .............................................................................................................. 40

Strumenti per le prove su campo .......................................................................................... 41

Il Light Falling Weight Deflectometer Prima100 (LFWD Prima100) ............................. 41

Strumentazione GPR ......................................................................................................... 46

Il campo prove e le misure effettuate ................................................................................... 48

Raccolta dati con Light Falling Weight Deflectometer Prima100 ........................................ 51

Raccolta dati con Georadar IDS RIS 99 ............................................................................... 54

Raccolta dati con Georadar con antenna centrata a frequenza pari a 1000 MHz-2000 MHz Eu-2000 MHz NA ............................................................................................................... 58

RISULTATI PROVE ............................................................................................................. 60

Elaborazione e filtraggio dei dati LFWD ............................................................................. 60

Analisi Radar ........................................................................................................................ 67

Presentazione del software MATLAB e procedura di calibrazione ................................. 69

Codice del modello MATLAB per la suddivisione del campo prove in tratti omogenei . 70

Correlazione moduli osservati e variazione dello strato di base ....................................... 73

Codice del modello MATLAB per calibrazione Modulo Predetto in funzione dello spessore della base ............................................................................................................ 74

Studio del segnale tramite i picchi delle frequenze .............................................................. 85

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Osservazioni riguardo le condizioni del piano di rotolamento tramite le lesioni, i risultati del LFWD e i dati GPR ........................................................................................................ 89

Punti analizzati .................................................................................................................. 89

CONCLUSIONI ................................................................................................................... 103

ALLEGATI ........................................................................................................................... 104

Organizzazione dei 151 punti di prova in sito .................................................................... 105

Confronto moduli elastici osservati e lesioni ..................................................................... 106

Spessori della base .............................................................................................................. 107

Codice di calcolo delle costanti dielettriche dei punti di prova .......................................... 122

Codice di calibrazione del modello per il calcolo del modulo predetto in funzione dello spessore della base .............................................................................................................. 124

Codice di calcolo per la realizzazione dell’andamento dei picchi di frequenza ................. 127

BIBLIOGRAFIA .................................................................................................................. 129

RINGRAZIAMENTI ........................................................................................................... 133

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Introduzione

Indagini sperimentali tramite FWD (Falling Weight Deflectometer), LFWD (Light Falling Weight Deflectometer) e GPR (Ground Penetrating Radar)

Negli ultimi anni, in diversi Stati, si è tentato sempre più di ricorrere a strumenti ad alto contenuto tecnologico di tipo non distruttivo in ambito stradale, al fine di consentire una ricognizione continua, rapida, affidabile, efficiente e sicura per il rilievo delle sovrastrutture.

Le tecnologie non distruttive hanno trovato recentemente una grande applicazione in molti settori dell’Ingegneria Civile, risultando sicuramente molto più economiche, in termini di costi e tempi di implementazione, anche se applicate su grande scala e non puntualmente, assai più affidabili, operativamente più rapide e di semplice esecuzione.

Per la misura delle caratteristiche della pavimentazione, come la portanza, vengono usati ad oggi sistemi ad alto rendimento, quali il GPR (Ground Penetrating Radar o Georadar) ed il FWD (Falling Weight Deflectometer), ovvero il deflettometro a massa battente (leggera o pesante).

Recentemente, sono state condotte delle indagini sperimentali con il FWD e il GPR al fine di monitorare lo stato della pavimentazione delle principali infrastrutture. Lo scopo dei rilievi è stato quello di integrare i risultati dei vari strumenti al fine di:

• Individuare le zone “deboli”, in prossimità delle quali si riscontra una notevole variazione dei moduli elastici degli strati e/o del modulo resiliente del sottofondo;
• Definire il valore residuo della pavimentazione;
• Progettare gli interventi di riabilitazione necessari.

Sin dal principio ci si è quindi resi conto che l’indagine radar dovesse essere assistita da altre misurazioni: oggi lo standard di associare al radar altre forme di acquisizione di informazioni (FWD, telecamere, profilometri, laser, ecc.) è effettivamente diffuso nella gran parte delle applicazioni su scala reale.

Di seguito, in questo lavoro, si propone di integrare il sondaggio tramite GPR con le indagini effettuate tramite il Light Falling Weight Deflectometer (LFWD), la versione leggera del FWD, volendo sfruttare, tramite questo approccio, la possibilità di correlare le caratteristiche geometriche e fisiche, come la costante dielettrica degli strati della pavimentazione o il loro spessore, estratti dalle mappe GPR, alle proprietà meccaniche, ad esempio il modulo di elastico dinamico, misurate utilizzando il LFWD. La mancanza di una relazione tra le caratteristiche elettromagnetiche e fisiche di una pavimentazione e le qualità di resistenza del dominio del pacchetto della sovrastruttura stradale ha reso necessario operare delle prove su campo.

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Inoltre si è dovuta tenere in considerazione un’ulteriore variabile che ha un peso importante nelle valutazioni che si dovranno fare a seguito dei test condotti dai due tipi di strumenti, ossia le lesioni superficiali e visibili della pavimentazione, per la cui individuazione non si ha bisogno dell’utilizzo del georadar, il quale diventa di massima utilità laddove gli strati più profondi della pavimentazione presentino delle discontinuità o delle deformazioni che non sono state trasmesse agli strati superficiali.

Come si avrà modo di approfondire in seguito, esistono molti studi a cui potersi affidare come valido supporto, fornendo una conoscenza di base da cui partire e integrare tutto ciò che si sa sull’argomento. In essi si afferma che valori ottenibili dalle informazioni georadar, come la costante dielettrica, siano correlate con le caratteristiche meccaniche degli strati che si stanno analizzando.

In letteratura si possono trovare molti studi riguardo l’utilizzo del georadar, il quale è stato anche utilizzato nella valutazione dell’umidità nel calcestruzzo.

Nell’articolo “Effect of concrete moisture on radar signal amplitude; Sbartai, Laurens, Balayssac, Ballivy e Arligue; 2006” si studia l’effetto dell’umidità del CLS sull’ampiezza del segnale radar. Secondo questo studio la variazione del contenuto d’acqua nei pori porta a cambiamenti significativi della permittività e della velocità di propagazione dell’onda radar. Nei campioni di calcestruzzo la permittività decresce inversamente al tempo di polarizzazione. L’incremento del contenuto d’acqua va ad influire sulla parte reale ed immaginaria (si vedrà nei capitoli successivi) della costante dielettrica.

Un altro studio su questo argomento è stato condotto nell’articolo “Non-destructive evaluation of concrete moisture by GPR: experimental study and direct modeling; Laurens, Balayssac, Rhazi, Klysz e Arligue; 2005” secondo cui, in presenza di maggiori umidità, le alte frequenze risultano più attenuate delle basse nei calcestruzzi. Essendo la frequenza centrale dipendente dalla costante dielettrica, si può notare uno spostamento dei picchi di frequenza negli spettri.

Sebbene l’utilizzo delle apparecchiature Georadar sia rivolto a settori lontani dall’ingegneria civile e dall’ingegneria stradale, i potenziali sviluppi nel settore stradale sono invece molto significativi e gli studi effettuati negli anni passati dimostrano ampiamente come la sperimentazione in questi campi abbia portato a risultati consolidati.

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In passato già alcuni studi (Saarenketo;1995;2006) hanno sostenuto come vi sia una correlazione tra le proprietà dielettriche, fisiche e meccaniche del terreno analizzato. In particolare si attribuiscono alla variazione del valore della costante dielettrica varie condizioni, ossia con l’aumentare di questo parametro si possono registrare o aumenti di umidità o diminuzione dei vuoti potenzialmente causati da inquinamento di materiale fino negli strati (o terreni) analizzati.

Numerosi studi passati sono stati effettuati con la compartecipazione dei due strumenti.

L’articolo “Il LFWD per lo studio dei degradi di pavimentazioni flessibili: uno studio esplorativo; Bella, D’Aloja; 2009” ha analizzato i risultati ottenuti da prove su campo utilizzando il deflettometro e il georadar al fine di valutare le condizioni strutturali delle pavimentazioni stradali flessibili. L’analisi comparativa dei risultati forniti dal LFWD e dal georadar ha messo in evidenza la possibilità di utilizzare il LFWD per lo studio degli ammaloramenti, evidenziando il contributo derivante dalla cooperazione dei due strumenti nella valutazione del degrado della pavimentazione.

Sono stati effettuati ulteriori studi in campo stradale utilizzando sia le misure deflettometriche che i dati radar. Uno di questi è riportato nell’articolo “Large-scale analysis of dielectric and mechanical properties of pavement using GPR and LFWD; Benedetto, Tosti, Pajewski, Schettini”: in questo studio in base a dei risultati effettuati su un campo prove con entrambi gli strumenti, si è creato un modello di previsione che potesse fornire un valore di Modulo elastico dall’ampiezza del segnale nei vari punti di prova. Il modello è stato calibrato confrontando il valore predetto con i valori osservati con il LFWD.

Con il GPR inoltre si possono effettuare degli studi di analisi tali da poter prevedere o capire i fenomeni di rischio naturale. È possibile valutare le zone di umidità nelle aree al di sotto della pavimentazione che potrebbero causare frane.

Per esempio da uno studio pubblicato sull’articolo “GPR applications for geotechnical stability of transportation infrastructures” (A. Benedetto, F. Benedetto, F. Tosti;2012) si valuta l’umidità del terreno in tre modi:

• Per ampiezza del segnale;
• Per velocità di propagazione del segnale;
• Per segnale scattering.

Per i primi due casi entra in gioco l’equazione di Topp che fornisce il valore del contenuto d’acqua in funzione della costante dielettrica.

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Nel terzo caso invece l’umidità viene valutata in funzione del segnale scattering considerando appunto il fenomeno dello scattering di Rayleigh, facendo entrare in gioco i valori del picco di frequenza.

Anche lo spettro di frequenza e l’individuazione dei picchi di frequenza e la loro oscillazione possono fornire delle indicazioni riguardanti l’inquinamento degli strati sottostanti da parte di acqua e/o argilla. Il principio fisico su cui si basa questo fenomeno è riconducibile allo “Scattering di Rayleigh”, fenomeno dovuto allo rifrazione delle onde in funzione delle dimensioni della lunghezza d’onda e dell’oggetto attraversato.

La variabilità del segnale tramite l’ampiezza delle riflessioni e il cambio di posizione dei picchi nel dominio del tempo può essere un valido aiuto per capire meglio come vari il pacchetto della pavimentazione sia per caratteristiche fisiche che per caratteristiche geometriche.

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Strumenti d’analisi

Il Light Falling Weight Deflectometer (L.F.W.D.)

Attualmente, per la gestione e la manutenzione stradale, esistono tecnologie non distruttive ad alto rendimento che permettono, tramite la misura di indicatori di stato quali portanza, rugosità e regolarità, il monitoraggio rapido della pavimentazione.

Tali strumentazioni, come lo SCRIM (Sidway force Coefficient Investigation Machine), l'ARAN (Automatic Road ANalyzer) e il FWD (Falling Weight Deflectometer) consentono la raccolta quasi immediata di una grande quantità di dati, con precisione e con il minimo disturbo del traffico veicolare.

I procedimenti per la determinazione dei parametri di portanza consistono, nelle loro linee generali, nell’applicare un carico alla terra e nel misurare i corrispondenti cedimenti; possono suddividersi in un gruppo in cui gli stati tensionali e deformativi indotti dalle prove sono prossimi a quelli che si verificano in esercizio (prove di carico su piastra e prove deflettometriche) ed in un altro ove ciò non si verifica (prove di penetrazione CBR).

Il metodo attualmente più moderno per rilevare le condizioni strutturali delle pavimentazioni, quali la capacità portante e la deflessione, è rappresentato dalle prove deflettometriche: deflettometri a “massa cadente” che lasciano appunto cadere una massa da una certa altezza, per ottenere sulla pavimentazione (di cui voglio conoscere, ad esempio, la portanza) una sollecitazione analoga a quella del traffico. Tra questi, viene comunemente usato il FWD (Falling Weight Deflectometer, appartenente alla classe degli Impact Load Devices).

Il FWD è composto da una massa battente (variabile tra i 200 ed i 700 kg) che viene lasciata cadere da un'altezza determinata in base alla sollecitazione che si vuole imprimere, da una piastra di carico, da una serie di molle che scaricano un carico impulsivo e dinamico sulla pavimentazione, ed infine da dei geofoni (di solito 7, uno al centro della piastra e gli altri allineati a diverse distanze dal centro di carico), che misurano la risposta della pavimentazione in termini di bacino di deflessione (permettono così di registrare le deformazioni verticali prodotte a seguito dell'impatto massa-superficie, restituendo la linea di deformazione completa).

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Figura 1-Il Falling Weight Deflectometer

L’elaborazione dei risultati su tale bacino permette, conoscendo la stratigrafia del terreno, di determinare i moduli elastici dei diversi strati in un processo di calcolo iterativo, che prende il nome di Back Analysis, attraverso cui si può così risalire alle condizioni strutturali ed alla capacità portante della pavimentazione, comparando i valori delle deformazioni misurate con quelli restituiti dal modello strutturale di multistrato elastico, con cui è stata ipotizzata la composizione del pacchetto infrastrutturale in termini di moduli elastici E e coefficienti di Poisson ν.

La “backanalysis” è una procedura analitica attraverso la quale i dati raccolti durante prove deflettometriche vengono elaborati per determinare i moduli dei diversi strati della pavimentazione analizzata, effettuando il calcolo teorico delle deflessioni utilizzando un dei dati di input dei moduli dei vari strati. Le deflessioni calcolate vengono confrontate con quelle misurate. Se si notano delle differenze tra i valori calcolati de