PROSPEZIONE SISMICA MASW - REMI








INDAGINE GEOFISICA HVSR








STENDIMENTI SISMICI A RIFRAZIONE





 

   

SONDAGGI ELETTRICI VERTICALI S.E.V.


 

TOMOGRAFIA ELETTRICA



SISMICA IN FORO

 

 


PROSPEZIONE SISMICA MASW-REMI

Scopo dell’indagine è quello di ricostruire l’andamento della velocità delle onde sismiche di taglio con la profondità (Vs-z). Il modello sismico monodimensionale costituisce, infatti, l’aspetto principale sia nella stima degli effetti sismici di sito che nella definizione dell’azione sismica di progetto in quanto consente di conoscere l’incidenza delle locali condizioni stratigrafiche nella modifica della pericolosità sismica di base (amplificazioni di natura litologica). Ciò permette una corretta progettazione strutturale in relazione alle condizioni sitospecifiche, garantendo un adeguato livello di protezione antisismica delle costruzioni (nuove Norme Tecniche per le Costruzioni).

Elaborazione dei dati
Lo strumento utilizzato è il sismografo GEOMETRICS “GEODE” a 24 bit con geofoni verticali Geospace (f0= 4.5 Hz). I dati sperimentali, acquisiti in formato SEG-2, vengono trasferiti su PC per l’interpretazione attraverso l’utilizzo di uno specifico programma di elaborazione (MASW 2007). Tale programma permette di elaborare i dati acquisiti sia con il metodo attivo che con quello passivo. L’analisi consiste nella trasformazione dei segnali registrati in uno spettro bidimensionale “phase velocity-frequency (c-f)” che analizza l’energia di propagazione delle onde superficiali lungo la linea sismica. Gli spettri bidimensionali ottenuti dalle registrazioni con il metodo attivo e con quello passivo, elaborati in fasi separate, vengono successivamente combinati in modo da ottenere uno spettro unico. Dall’elaborazione grafica è possibile distinguere il “modo fondamentale” delle onde di superficie, in quanto le onde di Rayleigh presentano un carattere marcatamente dispersivo che le differenzia da altri tipi di onde (onde riflesse, onde rifratte, onde multiple). Inoltre, la combinazione dei due metodi MASW-REMI consente di individuare il “modo fondamentale” delle onde di superficie nel campo di frequenze compreso tra i 4 e i 60-70 Hz e di ottenere informazioni sia superficiali che profonde. Sullo spettro di frequenza viene eseguito un “picking” attribuendo ad un certo numero di punti una o più velocità di fase per un determinato numero di frequenze. Tali valori vengono successivamente riportati su un diagramma periodo-velocità di fase per l’analisi della curva di dispersione e l’ottimizzazione di un modello interpretativo. Variando la geometria del modello di partenza ed i valori di velocità delle onde S si modifica automaticamente la curva calcolata di dispersione fino a conseguire un buon fitting con i valori sperimentali.
L’analisi dello spettro bidimensionale c-f consente in questo modo di ricostruire un modello sismico monodimensionale del sottosuolo, il quale risulta costituito dall’andamento della velocità delle onde di taglio Vs in funzione della profondità.

Dall’inversione della curva di dispersione si ottiene il modello medio di velocità delle onde sismiche di taglio con la profondità, rappresentativo dell’area investigata.

Infine, dai dati si ricavano i valori di Vs30 che permettono di classificare il terreno di Fondazione.

INDAGINE GEOFISICA MEDIANTE TECNICA DEI RAPPORTI SPETTRALI O HVSR

Lo scopo di questa indagine è la caratterizzazione sismica del sottosuolo e, in particolare, l’individuazione delle discontinuità sismiche, nonché la profondità della formazione rocciosa compatta (bedrock geofisico). Con tale metodo viene stimata la velocità di propagazione delle onde di taglio (Vs30) come esplicitamente richiesto dalle nuove Norme Tecniche per le Costruzioni. L’indagine geofisica proposta si avvale della metodologia basata sulla tecnica di Nakamura e sul rapporto spettrale H/V.

1. Cenni teorici
La tecnica dei rapporti spettrali o HVSR (Horizontal to Vertical Spectral Ratio) è totalmente non invasiva, molto rapida, si può applicare ovunque e non necessita di nessun tipo di perforazione, né di stendimenti di cavi, né di energizzazione esterne diverse dal rumore ambientale che in natura esiste ovunque. I risultati che si possono ottenere da una registrazione di questo tipo sono:

la frequenza caratteristica di risonanza del sito che rappresenta un parametro fondamentale per il corretto dimensionamento degli edifici in termini di risposta sismica locale in quanto si dovranno adottare adeguate precauzioni nell’edificare edifici aventi la stessa frequenza di vibrazione del terreno per evitare l’effetto di “doppia risonanza” estremamente pericolosi per la stabilità degli stessi;

la frequenza fondamentale di risonanza di un edificio, qualora la misura venga effettuata all’interno dello stesso. In seguito sarà possibile confrontarla con quella caratteristica del sito e capire se in caso di sisma la struttura potrà essere o meno a rischio;

la velocità media delle onde di taglio Vs calcolata tramite un apposito codice di calcolo. È necessario, per l’affidabilità del risultato, conoscere la profondità di un riflettore noto dalla stratigrafia (prova penetrometrica, sondaggio, ecc.) e riconoscibile nella curva H/V. E’ possibile calcolare la Vs30 e la relativa categoria del suolo di fondazione come esplicitamente richiesto dalle nuove Norme Tecniche per le Costruzioni.

la stratigrafia del sottosuolo con un range di indagine compreso tra 0.5 e 700 m di profondità anche se il dettaglio maggiore si ha nei primi 100 metri. Il principio su cui si basa la presente tecnica, in termini di stratigrafia del sottosuolo, è rappresentato dalla definizione di strato inteso come unità distinta da quelle sopra e sottostanti per un contrasto d’impedenza, ossia per il rapporto tra i prodotti di velocità delle onde sismiche nel mezzo e densità del mezzo stesso.
Le basi teoriche della tecnica HVSR si rifanno in parte alla sismica tradizionale (riflessione, rifrazione, diffrazione) e in parte alla teoria dei microtremori. La forma di un’onda registrata in un sito x da uno strumento dipende: 1) dalla forma dell’onda prodotta dalla sorgente s; 2) dal percorso dell’onda dalla sorgente s al sito x (attenuazioni, riflessioni, rifrazioni, incanalamenti per guide d’onda); 3) dalla risposta dello strumento.

segnale registrazione al sito x =
sorgente * effetti di percorso * funzione trasferimento strumento

Il rumore sismico ambientale, presente ovunque sulla superficie terrestre, è generato dai fenomeni atmosferici (onde oceaniche, vento) e dall’attività antropica oltre che, ovviamente, dall’attività dinamica terrestre. Si chiama anche microtremore poiché riguarda oscillazioni molto piccole, molto più piccole di quelle indotte dai terremoti. I metodi che si basano sulla sua acquisizione si dicono passivi in quanto il rumore non è generato ad hoc, come ad esempio le esplosioni della sismica attiva.
Nel tragitto dalla sorgente s al sito x le onde elastiche (sia di terremoto che microtremore) subiscono riflessioni, rifrazioni, intrappolamenti per fenomeni di guida d’onda, attenuazioni che dipendono dalla natura del sottosuolo attraversato. Questo significa che se da un lato l’informazione relativa alla sorgente viene persa e non sono più applicabili le tecniche della sismica classica, è presente comunque una parte debolmente correlata nel segnale che può essere estratta e che contiene le informazioni relative al percorso del segnale ed in particolare relative alla struttura locale vicino al sensore. Dunque, anche il debole rumore sismico, che tradizionalmente costituisce la parte di segnale scartate dalla sismologia classica, contiene informazioni. Questa informazione è però sepolta all’interno del rumore casuale e può essere estratta attraverso tecniche opportune. Una di queste tecniche è la teoria dei rapporti spettrali o, semplicemente, HVSR che è in grado di fornire stime affidabili delle frequenze principali dei sottosuoli; informazione di notevole importanza nell’ingegneria sismica.

 

2. Strumentazione e metodologia

Per l’acquisizione dei dati si utilizza un tromometro digitale modello “Tromino” che rappresenta la nuova generazione di strumenti ultra-leggeri e ultra-compatti in alta risoluzione, adatti a tali misurazioni. Lo strumento racchiude al suo interno tre velocimetri elettrodinamici ortogonali tra loro ad alta definizione con intervallo di frequenza compreso tra 0.1 e 256 Hz. I dati vengono memorizzati in una scheda di memoria interna da 512 Mb, evitando così la presenza di qualsiasi cavo che possa introdurre rumore meccanico ed elettronico. I dati vengono convertiti in file ASCII mediante il software “Grilla”, quindi elaborati per ottenere spettri di velocità in funzione della frequenza. Per evitare di introdurre basse frequenze spurie i dati vengono corretti per offset e trend ma non filtrati così come raccomandato dalla norma DIN 4150-3. In fase operativa vengono effettuate le seguenti operazioni: 1) il rumore sismico viene registrato nelle sue tre componenti per un intervallo di tempo dell’ordine delle decine di minuti (circa 20 minuti); 2) la registrazione viene suddivisa in intervalli della durata di qualche decina di secondi ciascuno; 3) per ogni segmento viene eseguita un’analisi spettrale del segmento nelle sue tre componenti; 4) per ciascun segmento si calcolano i rapporti spettrali fra le componenti del moto sui piani orizzontale e verticale; vengono calcolati i rapporti spettrali medi su tutti i segmenti.

Per la determinazione delle velocità delle onde di taglio si utilizza un codice di calcolo appositamente creato per interpretare i rapporti spettrali (HVSR) basati sulla simulazione del campo di onde di superficie (Rayleigh e Love) in sistemi multistrato a strati piani e paralleli secondo la teoria descritta in AKI (1964) e Ben-Menahem e Singh (1981). Il codice può elaborare modelli con qualsiasi numero di strati (limitati a 50 nella tabella d’input), in qualsiasi intervallo di frequenze e in un qualsiasi numero di modi (fondamentale e superiori). Operativamente si costruisce un modello teorico HVSR avente tante discontinuità sismiche quante sono le discontinuità evidenziate dalla registrazione eseguita. Successivamente, tramite uno specifico algoritmo, si cerca di adattare la curva teorica a quella sperimentale; in questo modo si ottengono gli spessori dei sismostrati con la relativa velocità delle onde Vs.

INDAGINE SISMICA A RIFRAZIONE E A RIFLESSIONE

La rifrazione e la riflessione dell'energia elastica sono fenomeni che si verificano quando un pacchetto d'onde sismiche, incontra una superficie di discontinuità (litologica o, nell'ambito dello stesso litotipo, per variazioni di compattazione, fratturazione, ecc.) di due mezzi diversi. Le indagini di sismica a rifrazione e/o riflessione consentono di definire lungo un profilo indagato, tramite la velocità di propagazione delle onde di compressione e di taglio, le unità litologiche presenti e la loro geometria (spessori e superfici di contatto). Inoltre, esse consentono di stimare i moduli elastici dinamici e di valutare il coefficiente di Poisson dei terreni investigati. L'unità sismica in dotazione è costituita da un sismografo Geode a 24 canali ES-3000, prodotto dalla Geometrics Ltd.

Sismica a rifrazione
Il metodo fornisce informazioni dettagliate areali con una vasta applicabilità. I risultati dell'interpretazione sono correlati a importanti parametri geomeccanici e geotecnici; inoltre consentono di valutare alcune caratteristiche fondamentali per il calcolo della risposta sismica di un sito.
Le applicazioni
indagini per la valutazione dello stato di conservazione di aree archeologiche;
ricostruzione della stratigrafia geologica a piccola e media profondità;
identificazione del limite substrato roccioso-depositi di copertura;
studio di fondazioni;
valutazione dei depositi di ghiaia, sabbia, argilla;
localizzazione di faglie e fratture;
ricerca di falde idriche;
localizzazione della posizione della superficie di scivolamento in aree di frana.

Esecuzione dell'indagine di sismica a rifrazione
La prospezione prevede uno stendimento di geofoni in superficie, generalmente in numero di 12 o 24, e diversi punti di energizzazione che, nelle modalità operative più semplici, vengono posizionati al centro e agli estremi dello stendimento. Per l’applicazione della tecnica tomografica il numero di energizzazioni minimo è 5 o 7. All'atto di trasmissione dell'impulso elastico al terreno viene avviato un registratore che permette di misurare il tempo impiegato dalla perturbazione sismica indotta nel terreno a percorrere la distanza tra la sorgente e i geofoni, disposti a distanze equispaziate lungo il profilo.
L'elaborazione di opportuni diagrammi spazio-tempo (dromocrone) conduce alla ricostruzione di un profilo del sottosuolo (in termini di disposizione geometrica e di caratteristiche meccanico-elastiche dei litotipi presenti al di sotto della zona di indagine), che permette di definire la velocità di trasmissione delle onde elastiche per diverse stratificazioni.

Sismica a riflessione
Le applicazioni
indagini per la valutazione dello stato di conservazione di aree archeologiche;
individuazione delle geometrie e delle proprietà elastiche del sottosuolo (velocità, impedenza acustica), dalle quali si può risalire, grazie ad un'interazione con le conoscenze geologiche della zona, al tipo di rocce che lo compongono ed alle loro caratteristiche di resistenza, compattezza, porosità ecc.;
valutazione della profondità del substrato roccioso;
ricerca di falde acquifere;
individuazione di piani di scollamento in zone caratterizzate da movimenti franosi;
individuazione di faglie e fratture.

Tali indagini garantiscono una risposta più puntuale di quella della sismica a rifrazione e permette un maggiore dettaglio nella descrizione della morfologia delle superfici di discontinuità indipendentemente dalla loro profondità.

Esecuzione dell'indagine di sismica a riflessione

Come nel caso della sismica a rifrazione, la strumentazione base è costituita da un sismografo, da un cavo sismico e da geofoni. Il sistema di acquisizione dati però ha delle caratteristiche particolari per poter registrare anche le onde sismiche riflesse dalle discontinuità del terreno, caratterizzate da minore velocità, minore energia e maggiore frequenza rispetto alle onde rifratte.
Tale metodologia considera i tempi che intercorrono tra l'istante di generazione e l'istante di ricezione di un impulso elastico in superficie, dopo una o più riflessioni contro altrettante superfici riflettenti. Tale tecnica consente di mettere in evidenza l'esistenza di superfici con diversa impedenza sismica, di determinarne la profondità, di studiarne la forma e, in definitiva, di trarre elementi di giudizio sulle caratteristiche strutturali del sottosuolo.
Diversamente dalla sismica a rifrazione, nella sismica a riflessione non viene misurato solo il tempo di primo arrivo dell'onda elastica ai singoli geofoni, ma viene effettuata una accurata analisi dei treni d'onda ricevuti, attraverso la quale si giunge a riconoscere i segnali provenienti dalle superfici di separazione di terreni caratterizzati da differenti velocità sismiche. Per raggiungere questo scopo sono necessarie numerose energizzazioni, con particolare geometrie degli stendimenti, e l'utilizzo di apparecchiature di registrazione di categoria superiore a quelle idonee per la rifrazione, in grado di registrare con più accuratezza il segnale. L'interpretazione dei dati richiede, poi, una fase di processing, attraverso la quale si giunge ad elaborati grafici, denominati "sezioni sismiche", nei quali viene evidenziato l'andamento delle superfici di riflessione provenienti dal sottosuolo associabili a strutture geologiche.

SONDAGGI ELETTRICI VERTICALI S.E.V.

Metodo Schlumberger: la metodologia prevede l'immissione nel terreno di corrente continua o alternate a bassa frequenza, dalla disposizione dei punti di immissione e dalla conduttività elettrica del sottosuolo, dipende la forma del campo elettrico che viene misurato in superficie. L'immissione diretta di corrente dà vita al metodo della resistività, con il quale si misura il gradiente di potenziale tra due punti di misura, provocato dalla circolazione della corrente immessa.

Le applicazioni:

  • Ricerche idriche nel sottosuolo;
  • Ricostruzioni elettrostratigrafiche del sottosuolo.

TOMOGRAFIA ELETTRICA

Pur partendo dai principi di base della geoelettrica, questa metodologia apre un nuovo capitolo nella storia delle indagini geofisiche. Anziché utilizzare solo 4 elettrodi come nei S.E.V. tradizionali, l’indagine sul terreno viene realizzata con un set di elettrodi (a partire da un minimo di 16 per arrivare anche a diverse centinaia), distribuiti lungo un profilo a distanza ravvicinata (generalmente qualche metro). Questi elettrodi risultano collegati tra loro in modo da poter funzionare alternativamente come elettrodi di corrente o di misura. In questo modo, vengono ricavati valori di resistività apparente a differenti profondità e ubicazioni lungo il profilo stesso. Il risultato finale dell’elaborazione di questi dati è una vera sezione in due dimensioni che rappresenta la distribuzione dei valori di resistività nel terreno.

Le applicazioni:

  • indagini di dettaglio a piccola profondità per l’individuazione di aree di diffusione di inquinanti
  • ricerche archeologiche
  • indagini pedologiche
  • monitoraggio aree destinate a discarica
  • controllo messe a terra
  • studi di contaminazione della falda da parte di acqua salata

SISMICA IN FORO

Le indagini sismiche che utilizzano un sondaggio sono utili per avere informazioni sulla natura litologica del sottosuolo.
Metodologia uphole (sorgente di energia inserita nel foro e gli apparecchi di registrazione alla superficie disposti in maniera radiale);
Metodologia downhole (sorgente di energia in superficie e misura delle onde di arrivo in foro).

Le applicazioni:

  • studi stratigrafici a piccola e media profondità;
  • ricerche geologiche finalizzate alla costruzione di - strade, autostrade, oleodotti;
  • studio di fondazioni;
  • determinazione del modulo di Young.