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INTEGRATED GEOPHYSICAL AND GEOLOGICAL INVESTIGATIONSFOR SEDIMENTARY ROCK MASS CHARACTERIZATIONM.T. Carrozzo, G. Leucci, , S. Margiotta, F. Mazzone, , S. NegriOsservatorio di Chimica, Fisica e Geologia Ambientali, Dipartimento di Scienza deiMateriali -Università del Salento-, , via Monteroni (plesso M), 73100 LecceIl lavoro che si presenta si inserisce nel contesto di ricerche volte alla definizione di strumentidi lettura e valutazione della qualità degli ammassi rocciosi sedimentari, con metodologie integrategeofisiche e stratigrafiche.In altri contesti geologici, numerose sono le applicazioni a tale e scopo, mentre, per quantoriguarda le rocce sedimentarie mancano dei riferimenti.Partendo da queste considerazioni, gli Autoripropongono delle relazioni che consentono una valutazionedella qualità degli ammassi rocciosi sedimentari.

CARATTERIZZAZIONE DEGLI AMMASSI ROCCIOSIRilievo geomeccanico (insieme di operazioni che permette di caratterizzare atterizzare unammasso roccioso a comportamento rigido dal punto di vista meccanico);Classificazione dell’ammasso rocciosoProve di laboratorioIndagini geofisiche??I dati del rilievo geomeccanico vengono utilizzati per la determinazione della qualità dell’ammassoroccioso, esprimibile attraverso appositi indici, , che hanno lo scopo di permettere una valutazionepreliminare delle caratteristiche meccaniche dell’ammasso nel suo complesso.I metodi di classificazione più noti in letteratura sono:1. RQD di Deere (1964)2. RSR di Wickham (1972)3. RMR di Bieniawski (1973 e successive modifiche)4. Q di Barton (1979)I parametri principalmente utilizzati per la classificazione dell’ammasso roccioso sono:discontinuità raggruppabili in famiglie;persistenza delle discontinuità, , apertura e geometria;tipo di riempimento delle discontinuità;condizioni idrauliche.

Il metodo di classificazione più adottato è quello di Barton (1979)Questa classificazione è basata sull’analisidi 212 casi reali di tunnels e caverne.RQD % (Rock Quality Designation): tiene conto della suddivisione della massa rocciosa;Jn (JointSet Number): dipende dal numero di famiglie di giunti presenti nell’ammassoroccioso;Jr (JointRoughness Number): dipende dalla rugosità delle superfici di discontinuità;Ja (JointAlteration Number): dipende dal grado di alterazione delle fratture, dallospessore e dalla natura del riempimento;Jw (JointWater Number): dipende dalle condizioni idrologiche;SRF (Stress Redaction Factor):è indicativo dello stato di sollecitazione che interessal’ammasso roccioso.

Come gran parte degli schemi di classificazione questi risultano appropriatiquando applicati in contesti confrontabili con quelli dove sono stati sviluppati;L’obiettivo di questo lavoro è quello di presentare una metodologia di valutazionedella qualità degli ammassi rocciosi di natura sedimentaria.Lo sviluppo del sistema che si propone è basato sullo studio di circa 105 casi distudio.

Si propone la seguente equazione per la valutazione degli ammassi rocciosisedimentari:Qsrm = RQD/Jn* Jr/Ja * Jw/SRF * Rs/S * T/VRQD (PalmstrÖm, 1982) è:RQD = 115-3.3Jv (4)e RQD=100% dove Jv ≤ 4.5. PalmstrÖm definisce Jv come il numero di jointspresenti in un metro cubo di roccia:Jv = S (1/Si ) (5)dove: S= distanza per ogni singola famiglia di discontinuità per metro.Jn, Jr e Ja, hanno lo stesso significato di Barton (1979).Jw è legato ai caratteri di permeabilità degli ammassi rocciosi,SRF dipende da particolari fattori di stress legati al tipo di esposizione (peresempio se essa è una parete di cava, di una falesia,…).Rs è un parametro introdotto per considerare il peso della stratificazioneS è un paramtero introdotto per tenere conto del tipo di stratificazione(reggipoggio, franapoggio più o meno inclinato della parete);T considera la tessitura degli ammassi rocciosi (uniformità litologica,disomogeneità….);V considera la presenza di vuoti nell’ammasso roccioso .

Dall’analisi dei casi di studio si è ritenuto che i due nouvi rapporti (Rs/S e T/V)abbiano lo stesso peso degli altri tre. Per questo motivo noi abbiamo assegnato unpunteggio variabile, per i due rapporti, tra 10 e 0.1Fatte queste premesse, in tabella sono riportati i range per la definizione dellaqualità degli ammassi rocciosiQ value> 4000040000-10001000-400400-100100-44-11-0.010.01-0.0001

10_20Q srmV A L U Ejoint set 1 spacing 1 joint set 3 spacing 1 Jw (Joint W ater reduction factor)Jwjoint set 2 spacing 1 joint set 4 spacing 1 A Im perm eable or with m edium -low perm eability rocks (K>1*10 -Jv=Σ (1/Joint sets spacing)=4,00and 1*10 -2 and 50% 4SE Softening or low friction clay m ineral coatings and sm all1 1 quantities of swelling clays infilling void space of rock m ass50,5F Com petent m ineral and/or consolidated clay m inerals infillingvoid space of rock m ass22 34 Q srm = (R Q D /J n )*(J r/J a )*(J w /S R F )*(R s /S )*(T /V ) = 1,1351

La geofisica per la caratterizzazione delle rocceContributi della geofisica applicata per la caratterizzazione degli ammassirocciosi:•spessole prospezioni geofisiche vengono utilizzate per la definizionespaziale di alcuni elementi degli ammassi rocciosi (fratture, cavità, cambilitologici);Uno degli studi più importanti in letteratura che ha fatto una correlazione dellevelocità Vp con alcuni parametri degli ammasi rocciosi è stato B. Sjogren, et al.1979 , Geophysical Prospecting, 27, 409-442Velocity(m/s)300035004000450050005500Crackpermeter1913.59.56.543.5RQD(%)254563788894Più di recente Boadu et al., 1996, Geophys. J. Int. 127, 86–110, Boadu etal., 2000 J. Appl. Geophys. 44, 103–113; partendo da un modello teorico,correla i parametri che descrivono la qualità della roccia alla velocità delle ondesismiche e al coefficiente di attenuazione della energia sismica.Sia Sjogren che Boadu considerano velocità di circa Vp 3000-5000 m/s eVs 1000-2500, considerando rocce dure a pressioni elevate 100MPa

Correlazione tra velocità sismiche e classificazionemeccanica delle rocce secondo B. Sjogren, et all. 1979

N. Barton (2002) – ha cercato di correlare,attraverso relazioni empiriche, le velocità delle ondeP con la qualità della roccia Q e quest’ultima ultima conuna serie di parametri meccanici (…..).(I test site sono ubicati in Norvegia la dove sonopresenti rocce dure con pressioni dell’ordine 100MPaVp ≈ 3.5 +logQ; Vp in Km/sQ=10 (Vp-3.5) ; Vp in Km/s

Relazione proposta da Barton:Vp ≈ 3.5 +logQ; Vp in Km/sTenendo conto che la velocità Vp, in una roccia litologicamente definita, dipende principalmentedal grado di fatturazione e dal contenuto in acqua abbiamo attribuito un peso (k) alla velocità Vp.Tale peso tiene conto del grado di saturazione.Altra osservazione; il valore che Barton attribuisce a V 0(3.5 km/s), riscontrabile nelle roccemetamorfiche, non è compatibile con i range di variabilità delle Vp tipiche delle roccesedimentarie altamente fratturate nel salento (0.6 - 2.2km/s). Si è posta quindi la necessità diriscrivere l’eqleq. . di (Barton(2002 ) come segue:Vp = V + k log 0 10/Q 0)10 (Q srm /Qdove V 0è il valore di riferimento (è il valore di Vp relativo alla formazione rocciosa quando Q 0=1)Si è posta quindi la necessità di stimare I valori numerici, medi per le zone indagate, di V 0e k.Sono state quindi appositamente eseguite misure in quattro aree campione, sedimenti calcarenitia grana grossa (Pliocene).Per migliorare il valore statistico di tale stima si sono prese in considerazione anche valori di Q srmgià stimati e misure di Vp già effettuate su medesime formazioni geologiche.Tenuto conto che le moderne tecniche di acquisizione dei dati geofisici consentono di effettuaretomografie bi e tri-dimensionali è quindi possibile, esaminando al momento il solo caso cbidimensionale, determinare una matrice di valori Vpij a cui corrisponderà una matrice di valoriQsrmij.Prendendo in considerazione i modelli di variazione di Vp è possibile valutare il valore medio diVp stesso.Il risultato indica un valore di Vp medio pari a 1204 m/s con un errore (deviazione standard) pari a37m/s.

Vp Saturated = 140.696Log(Qsrm) + 1212.9R 2 = 0.9745Vp (m/s)20001800160014001200100080060040020000.01 1 100 10000 1000000QsrmI risultati sono stati analizzati con il metodo della regressione e dei minimi quadrati che ha consentito di stimare l’equazionedella curva di best-fitfit, , al 95% di confidenza, e il coefficiente di correlazione R 2 .Nella equazione che rappresenta la curva di regressione il valore di V 0 è 1212.9.

La metodologia è stata testata in sito dove è avvenuto un crollo di unaparete rocciosaOtrantoFronte di scavo soggetto afenomeni di crollo

Il sedimento può essereclassificato come “roccia tenera,porosa”, , una calcarenite a debolelegante passante a sabbiacalcarea più o meno addensata.OtrantoLa presenza di uno stratoimpermeabile alla basedello scavo ha permessol’esistenza di una faldaidrica a regime stagionale.Il pacco sedimentario èinteressato da una serie didiscontinuità che lo attraversanoprincipalmente in senso verticale.

Rilievo geologico-strutturale

Ubicazione dei profili di geofisicaG1 = S1= R1S5

HWHWHUWScModelli di resistività: a) profilo G2, b) profilo G3, c)profilo G4,Tutti i tre profili sono stati acquisiti con dispositivo wenner, spaziatura interelettrodica 0.5m, G2 eG3 19 elettrodi, G4 21 elettrodi

Distance (m)Depth (m)S5S5Depth (m)WHS3S3S5Depth (m)HWHS2S2Vp (m/s)Modelli di distrubuzione della velocità Vpsono stati utilizzati 10 geofoni a 100Hz,distanza intergeofonica 1mS3S2

Depth (m)HWHS2Modello di Vp,Profilo S2Vp (m/s)WModello di resistivitàProfilo G2Depth (m)WHS3Modello di Vp,Profilo S3Modello di resistivitàProfilo G3

Qsrm=10 (Vp-V0)/KS5S3fattore Q utilizzando l’equazionelpropostaS2

RISULTATI DEL RILIEVO GEOLOGICO -STRUTTURALEQ srm = 1.33dal Q sono stati ricavati i seguenti parametri:C = 2.5 Kg/cm 2 intervallo non saturo1.9 Kg/cm 2 rocce satureφ= = 30°Le indagini effettuate in laboratorio hanno dato i seguenti risultati:C = 1.9 Kg/cm 2 φ = 30°Contenuto d’acqua dvariabile dal 60%(argille) dal 10% al 23%RISULTATI DEL RILIEVO GEOFISICOQ srm = 0.1 ÷ 4

Q value> 4000040000-10001000-400400-100100-44-11-0.010.01-0.0001