ITTO930865A1 - Sonda per carotaggio sonico in opere di calcestruzzo. - Google Patents

Description

Descrizione a corredo di una domanda di brevetto per Invenzione Industriale dal titolo: Sonda per carotaggio sonico in opere di calcestruzzo.

Descrizione

La presente invenzione trova applicazione nel settore dei carotaggi sonici in generale, e si riferisce, in particolare, ad una sonda per effettuare carotaggi sonici nelle opere civili in calcestruzzo quali dighe, muri di sostegno, pilastri e pali di fondazione.

Come e1 noto, la tecnica del carotaggio sonico sfrutta una sonda sonica da introdurre in un foro precedentemente ricavato nel materiale da indagare. La sonda comprende uno o piu' trasmettitori, che emettono onde elastiche di pressione, e di uno o piu'ricevitori atti a rilevare tali onde dopo il loro transito nella massa del materiale circostante il foro. La misurazione del tempo di percorrenza delle onde di pressione tra i trasmettitori ed i ricevitori sonici della sonda, permette la valutazione qualitativa del materiale in cui e' stato praticato il foro.

La tecnica del carotaggio sonico e' correntemente usata nell'ambito delle indagini geofisiche finalizzate allo studio delle formazioni geologiche di un terreno. L'indagine mediante carotaggio sonico prevede:

a) che siano praticati nel terreno uno o piu' fori e che questi vengano riempiti d'acqua per consentire l'accoppiamento acustico tra la sonda e la parete dei fori;

b) che una sonda sonica sia calata in ciascun foro da indagare.

Nelle sonde soniche di tipo tradizionale i trasmettitori e ricevitori sonici sono tra loro convenientemente distanziati tramite sezioni di isolamento acustico. Ad intervalli, un trasmettitore sonico emette degli impulsi di onde elastiche di pressione che, attraversata l'acqua, raggiungono la parete del foro e penetrano nella formazione geologica ad esso circostante. Una volta transitate nella formazione geologica, le onde di pressione vengono rilevate dai ricevitori della sonda stessa. I segnali elettrici in uscita dai ricevitori vengono amplificati e quindi trasmessi alla superficie tramite un cavo di collegamento della sonda.

Una volta raggiunta la superficie, i segnali provenienti dai ricevitori, unitamente al segnale di trigger di eccitazione del trasmettitore, vengono convertiti in forma digitale. Un elaboratore, gestito da appositi programmi, effettua quindi la misurazione dei tempi intercorrenti tra il segnale di trigger di eccitazione del trasmettitore sonico della sonda ed i primi arrivi dei segnali rilevati dai ricevitori. E' cosi' possibile ottenere il tempo di transito, e quindi la velocita', delle onde elastiche di pressione nella forma geologica indagata, e risalire alle caratteristiche della formazione geologica che circonda il foro.

L'indagine viene ripetuta a vari livelli nel foro in modo da ottenere informazioni sulla stratigrafia del sottosuolo. La tecnica del carotaggio sonico e1diffusamente applicata nel campo dell'industria della ricerca e dell'estrazione del petrolio allo scopo di indagare le formazioni geologiche attraversate dai pozzi petroliferi. Le sonde usate per prospezioni geofisiche profonde o per l'indagine delle formazioni geologiche circostanti i pozzi petroliferi sono progettate per resistere ad elevate pressioni e temperature, e sono caratterizzate da notevoli dimensioni e peso. Tali sonde convenzionali sono fisicamente suddivise in piu' sezioni, tra loro unite con giunzioni a tenuta idraulica.

Prendendo ad esempio una delle versioni meno complesse dei suddetti strumenti, cio? una sonda contenente un trasmettitore e due ricevitori, si pu?' constatare che essa e'normalmente suddivisa in otto sezioni distinte, rese solidali tramite altrettante giunzioni a tenuta idraulica.

Ognuna delle otto sezioni svolge una particolare funzione:

- la prima sezione contiene l'elettronica di eccitazione di un trasduttore trasmettitore dei segnali sonici;

- la seconda sezione contiene il trasduttore trasmettitore;

- la terza sezione svolge compiti di isolamento acustico.

Compito di questa sezione e'di aumentare il tempo di percorrenza delle onde elastiche di pressione generate dal trasmettitore in modo che raggiungano il primo ricevitore in un tempo certamente superiore a quello impiegato dalle medesime per transitare attraverso il materiale circostante il foro in cui e'stata calata la sonda.

Allo scopo vengono correntemente usati tratti di tubazione in metallo in cui sono trasversalmente praticati fori a forma di losanga, oppure tratti in gomma; gli uni e gli altri sono caratterizzati da una velocita'delle onde di pressione significativamente inferiore a quella del materiale da indagare.

- La quarta sezione contiene il primo trasduttore ricevitore;

- la quinta sezione contiene un circuito amplificatore dei segnali in uscita dal primo trasduttore ricevitore;

- la sesta sezione e' nuovamente una sezione di isolamento acustico che svolge funzioni analoghe a quelle svolte dalla terza sezione; - la settima sezione contiene un secondo trasduttore ricevitore;

- l'ottava sezione contiene un circuito amplificatore dei segnali in uscita dal secondo trasduttore ricevitore.

In tali sonde, oltre ai punti di giunzione a tenuta idraulica presenti ai confini delle appena elencate sezioni, esiste un ulteriore punto di giunzione a tenuta idraulica; questo e'posto tra il corpo sonda e la testa di connessione del giunto del cavo di sostegno e di collegamento elettrico della sonda.

Ognuno degli otto appena citati punti di giunzione, oltre ad essere costruito in modo da garantire una perfetta tenuta idraulica, deve assicurare la connessione elettrica tra le sezioni adiacenti.Vi e', infatti, un fascio di conduttori di trasporto dei segnali e delle alimentazioni ai circuiti elettronici il quale attraversa longitudinalmente il corpo sonda e che viene per lo pi?' interrotto ad ogni confine meccanico presente tra due sezioni.

Per poter applicare la tecnica del carotaggio sonico anche alle opere civili in calcestruzzo, e' indispensabile che nel calcestruzzo siano ricavati fori d? indagine di piccolo diametro che non indeboliscano la struttura sottoposta ad indagine. Non possono, perci?', essere usate sonde simili a quelle sfruttate per prospezioni geofisiche. Si incontrano considerevoli difficolta' nella progettazione, costruzione e manutenzione di sonde di dimensioni minori, da introdurre in fori di diametro non superiori a qualche centimetro, anche a causa del gran numero di sezioni che caratterizza le sonde di tipo tradizionale.

Scopo della presente invenzione e'di realizzare una sonda di piccole dimensioni atta ad essere introdotta in un foro ricavato in una massa di calcestruzzo per compiere un'indagine del materiale a diversi livelli e quindi indicare la presenza di eventuali zone di degrado.

Altro scopo dell'invenzione e' quello di proporre una sonda di estrema semplicit?' costruttiva e dal costo di costruzione contenuto.

Un ulteriore scopo dell'invenzione e'di realizzare una sonda del tipo suddetto che, grazie alla sua semplicit?', renda le operazioni relative alla manutenzione estremamente rapide.

Per questi ed altri scopi e vantaggi, che saranno compresi meglio dalla lettura della seguente descrizione, l'invenzione propone di realizzare una sonda secondo la rivendicazione 1.

Verranno ora descritte le caratteristiche strutturali e funzionali di una forma di realizzazione preferita ma non limitativa della sonda secondo l'invenzione; si fa riferimento ai disegni allegati, in cui:

la fig. 1 e' una vista laterale dell?interno di una sonda secondo l'invenzione, illustrata scomposta in due tronconi per esigenze di rappresentazione;

la fig. 2 e'una vista laterale dell'involucro esterno della sonda; la fig. 3 e' una sezione longitudinale della sonda di fig. 1;

la fig. 4 e' una sezione longitudinale dell'involucro di fig. 2; la fig. 5 e' la vista frontale della sonda completamente montata.

Facendo inizialmente riferimento alle fig. 1 e 2, la sonda per carotaggio sonico in opere di calcestruzzo secondo la presente invenzione e' essenzialmente composta dall'unione di tre parti principali tra loro disaccoppiabili:

- un supporto continuo 1 di forma allungata, sul quale sono collocati un trasduttore trasmettitore 2, due trasduttori ricevitori 3 e 4, con relativi circuiti elettronici 6 di eccitazione del trasduttore trasmettitore 2 e due circuiti 7 e 8 di amplificazione dei segnali in uscita dai trasduttori ricevitori 3 e 4;

- un involucro esterno 16 di forma sostanzialmente tubolare;

- un tappo inferiore 17 di chiusura di una delle estremit?' dell'involucro tubolare esterno 16.

Il corpo del supporto centrale 1 e' ricavato di pezzo mediante tornitura e fresatura da una barra, preferibilmente in politetrafluoroetilene o teflon. All'estremo superiore del supporto 1 e' saldamente congiunta una testa 10, preferibilmente in ottone, per il collegamento con il giunto (non illustrato) del cavo di sostegno e di collegamento elettrico della sonda.

Facendo riferimento anche alla fig. 3, al centro della testa 10 e' posizionato un connettore elettrico a tenuta idraulica 11, che si interconnette con quello complementare (non illustrato) del giunto del cavo di sostegno e di collegamento elettrico.La testa di connessione 10 e' esternamente provvista di una filettatura 12 e di un anello di tenuta idraulica 13 per l'interconnessione a tenuta con il giunto del cavo di sostegno della sonda.

Alla base della testa di connessione 10 e'ricavata esternamente una filettatura 14 ed un anello di tenuta idraulica 15 che assicurano l'interconnessione a tenuta con l'involucro tubolare 16 di copertura esterna della sonda. Anche l'involucro 16 e' preferibilmente ricavato da un tubo di teflon.

Facendo ancora riferimento alle fig.1 e 3, il supporto centrale 1 forma due porzioni tubolari intermedie 25 e 26, separate da un tratto centrale a sezione aperta 27 ed unite alla testa 10 superiore ed all'estremit?' inferiore del supporto da due ulteriori tratti a sezione aperta, indicati rispettivamente con 28 e 29.

Il tratto a sezione aperta superiore 28 e' quello su cui sono montati i circuiti elettronici 6 di eccitazione del trasduttore trasmettitore 2, il quale e' costituito da un tubo di ceramica piezoelettrica posta coassialmente sulla sommit?'della porzione cava superiore 25. Il trasmettitore 2 e' mantenuto in posizione sul supporto 1 per mezzo di una coppia di flange 5 che, opportunamente fissate sul supporto, impediscono al trasmettitore 2 di scorrere. Il primo trasduttore ricevitore 3, costituito da un tubo di ceramica piezoelettrica, e'collocato coassialmente all'esterno della sommit?1della porzione cava inferiore 26, a meta' tra il trasmettitore 2 ed il secondo ricevitore 4; quest'ultimo e' posto all'estremo inferiore del supporto, coassialmente ed esternamente ad una ulteriore porzione cava 30 ed e' costituito anch'esso da un tubo in ceramica piezoelettrica.

Sul tratto centrale a sezione aperta 27, superiormente al primo ricevitore 3, sono disposti circuiti elettronici 7 per l'amplificazione dei segnali elettrici in uscita dal ricevitore 3. Analogamente, sul tratto inferiore a sezione aperta 29, sono disposti i circuiti elettronici 6 di amplificazione dei segnali elettrici in uscita dal ricevitore 4. Come per il trasmettitore 2, anche i ricevitori 3 e 4 sono bloccati sul supporto da coppie di flange 5 in teflon.

Il supporto 1 e' percorso per tutta la sua lunghezza da un fascio 9 di conduttori per il trasporto dei segnali e per l'alimentazione delle varie elettroniche montate sul supporto. Come si pu?' notare, questo fascio di conduttori non e' interessato da alcun tipo di giunzione o connettore, ne'da altri dispositivi di sezionamento.

Il trasduttore trasmettitore ed ? ricevitori sono preferibilmente costituiti da tubi di ceramica piezoelettrica polarizzati in thickness mode.

Facendo riferimento alla fig. 4, sia l'estremo superiore che quello inferiore (non illustrato) dell'involucro 16 sono internamente filettati in 18 per essere rispettivamente accoppiati alla filettatura 14 della testa 10 del supporto ed alla filettatura 19 del tappo inferiore di ottone 17.

Quando la sonda viene assemblata, il supporto 1 di sostegno dei trasduttori 2, 3 e 4 e dei circuiti elettronici 6, 7 e 8, viene infilato centralmente nell'involucro di copertura esterna 16 avvitando la filettatura 14 con quella corrispondente 18 di cui e' dotata l'estremit?'della copertura stessa.

L'anello a tenuta idraulica 15 garantisce la tenuta idraulica della giunzione tra la testa 10 della sonda ed il tubo di copertura esterna 16. La sonda viene quindi capovolta e mantenuta in posizione verticale con la testa di collegamento 10 rivolta verso il basso; si versa quindi nell'imboccatura libera del tubo di copertura un fluido isolante non aggressivo, che realizza l'accoppiamento acustico del trasmettitore e dei ricevitori con l'involucro 16. Tale fluido e' caratterizzato da una velocita' di propagazione delle onde di pressione inferiore a quella dell'acqua. Una volta riempita completamente la sonda, si tappa l'imboccatura libera della sonda con il tappo di ottone 17 accoppiando la filettatura esterna 19 di questo con quella corrispondente 18 del tubo di copertura esterna 16; la tenuta idraulica e'assicurata da un apposito anello 20. In fig. 5 e' riportata la vista laterale della sonda completamente montata e pronta ad operare.

Per utilizzare la sonda si ricava nel calcestruzzo del manufatto da ispezionare un foro di diametro superiore a quello della sonda montata; il foro viene quindi riempito d'acqua e vi si infila la sonda introducendola per la sua estremit?' inferiore.

Il funzionamento della sonda e' il seguente: su azione di un segnale di trigger inviato da un?apposita apparecchiatura (non illustrata) collocata in superficie, il circuito elettronico 6 di eccitazione della ceramica piezoelettrica trasmettitrice 2 genera un impulso di alta tensione.Quest'impulso causa una espansione radiale della ceramica piezoelettrica trasmettitrice 2, con la conseguente generazione di onde elastiche di pressione che si trasmettono al fluido di riempimento, e, tramite questo, alla parete del tubo 16 di copertura esterna della sonda. Di qui le onde transitano, tramite l'acqua di riempimento del foro, alla massa di calcestruzzo da indagare.

Una volta propagate nella massa di calcestruzzo, le onde elastiche di pressione raggiungono in due tempi successivi le due ceramiche piezoelettriche ricevitrici 3 e 4, sempre tramite l'accoppiamento acustico garantito dall'acqua di riempimento del foro, dalla parete del tubo 16 di copertura e dal fluido di riempimento.

I segnali elettrici generati dalle due ceramiche ricevitrici 3 e 4 in risposta alle onde elastiche ad esse pervenute, vengono amplificati dai rispettivi circuiti elettronici 7 ed 8 ad esse collegati. I segnali in uscita dal circuiti amplificatori 7 ed 8 sono inviati, tramite apposite linee contenute nel fascio 9 di conduttori di alimentazione dei circuiti elettronici e di trasporto dei segnali, verso il connettore elettrico 11 della testa 10 della sonda. Da qui transitano ad un connettore complementare (non illustrato) contenuto nel giunto del cavo di sostegno e di connessione elettrica della sonda.

Raggiunta la superficie, i segnali in uscita dai due ricevitori 3 e 4 della sonda, unitamente al segnale di trigger del circuito di eccitazione del trasduttore trasmettitore 2, vengono inviati ad una strumentazione esterna di digitalizzazione e di lettura ed elaborazione dei tempi.

Il corretto rilevamento dei tempi che intercorrono tra l'istante di emissione delle onde elastiche di pressione da parte del trasmettitore sonico 2 e l?arrivo di queste in tempi successivi ai due trasduttori ricevitori 3 e 4, e' garantito dal fatto che il primo arrivo delle onde elastiche ricevuto e' sicuramente transitato all'interno della massa di calcestruzzo da indagare e non, in alcun modo, attraverso il corpo della sonda.

Il calcestruzzo e' infatti caratterizzato da una velocita'media delle onde di pressione dell'ordine dei 4000 metri al secondo. All'interno della sonda, le onde elastiche di pressione si possono propagare solamente tramite il tubo di copertura esterna, tramite il supporto centrale di sostegno dei trasduttori o tramite il fluido di riempimento. I primi due corpi sono pero* costruiti in teflon, materiale in cui le onde elastiche si propagano con una velocita' di 1350 m/s. Il fluido di riempimento usato deve essere caratterizzato da una velocita' di propagazione delle onde elastiche inferiore a quella dell'acqua; ne consegue che il primo arrivo delle onde elastiche di pressione emesse dal trasmettitore e ricevuto in tempi successivi dai ricevitori e' sicuramente transitato attraverso la massa di calcestruzzo circostante il foro in cui viene posizionata la sonda.

Come si pu? apprezzare, la sonda sonica secondo la presente invenzione e' costruttivamente assai semplice; di conseguenza, la sua manutenzione e' rapida ed elementare. Per accedere alla totalit?1dei componenti della sonda e' infatti sufficiente mantenerla in posizione verticale, svitare il tappo di chiusura 17, vuotare, inclinandola, il fluido di riempimento in essa contenuto e quindi svitare dalla testa 10 della sonda il tubo 16 di copertura esterna.

La sonda secondo la presente invenzione, di dimensioni medio piccole, si adatta molto bene ad effettuare controlli qualitativi del calcestruzzo nelle opere civili. Vi sono solamente due punti di giunzione, che sono esclusivamente di tipo meccanico e non interferiscono con il fascio dei conduttori di trasmissione dei segnali e di alimentazione dei circuiti elettronici interno alla sonda.

Rispetto alle sonde di tipo tradizionale, la drastica riduzione delle giunzioni meccaniche a tenuta idraulica presenti nel corpo sonda e la totale abolizione di quelle elettriche comportano una altrettanto drastica riduzione delle cause di guasto.

Claims (6)

1. RIVENDICAZIONI 1. Sonda per carotaggio sonico, del tipo da introdurre in un foro praticato in un materiale da indagare e comprendente: mezzi trasduttori (2) per la generazione d? onde elastiche con relativi circuiti di eccitazione (6); mezzi trasduttori (3,4) per la ricezione di onde elastiche, convenientemente distanziati da detti mezzi trasduttori per la generazione di onde elastiche (2), e provvisti di circuiti di amplificazione (7,8)dei segnali in uscita; mezzi conduttori (9) per il trasporto in superficie di detti segnali e per l'alimentazione di detti circuiti (6,7,8); caratterizzata dal fatto di essere composta da un corpo continuo (1) per il supporto di detti mezzi trasduttori per la generazione (2) e la ricezione (3,4) di onde elastiche, ermeticamente accoppiabile con un involucro esterno (16) di forma sostanzialmente tubolare atto ad essere riempito di un mezzo fluido per l'accoppiamento acustico di detti mezzi trasduttori per la generazione (2) e la ricezione (3,4) di onde elastiche con l'involucro (16); il supporto (1), l'involucro (16) ed il mezzo fluido essendo composti da materiali in cui le onde di pressione si propagano con velocita' minore che nell'acqua.
2. 2. Sonda secondo la rivendicazione 1 caratterizzata dal fatto che il supporto (1) forma, per ciascuno di detti mezzi trasduttori (2,3,4), un tratto a sezione aperta facente da sede (27,28,29) per detti rispettivi circuiti (6,7,8).
3. 3. Sonda secondo le rivendicazioni 1 e 2, caratterizzata dal fatto che detti tratti a sezione aperta sono disposti alternati con porzioni tubolari (25,26,30); detti mezzi trasduttori (2,3,4) essendo fissati su dette porzioni tubolari in prossimit?' delle rispettive sedi (27,28,29) per detti circuiti (6,7,8).
4. 4. Sonda secondo le rivendicazioni precedenti, caratterizzata dal fatto che detti mezzi trasduttori (2,3,4) comprendono tubi di ceramica piezoelettrica montati esternamente e coassialmente sulle porzioni tubolari (25,26,30).
5. 5. Sonda secondo la rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto che il materiale che costituisce il supporto (1) e l'involucro (16) e' il teflon (politetrafluoroetilene).
6. 6. Sonda secondo la rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto che l'estremo superiore dell'involucro (16) e'ermeticamente accoppiabile ad una testa (10) saldamente congiunta all'estremo superiore del supporto (1), mentre l'estremo inferiore e' ermeticamente accoppiabile ad un tappo di chiusura inferiore (17).