Caratterizzazione sismica del suolo

Come tutti sanno, un sisma genera onde sismiche. Sappiamo anche che queste possono costituire un elemento di rischio sia per le strutture che per la vita umana stessa

Abbiamo imparato a farne buon uso,

allo scopo di investigare il sottosuolo (specialmente alle maggiori profondità) spesso in un modo molto più efficace rispetto alla prospezione diretta (sondaggi e pozzi profondi).

Le conoscenze che abbiamo sull’interno del nostro pianeta, ad esempio, derivano tutte dallo studio sulla propagazione delle onde sismiche generate da eventi naturali o artificiali, specie a partire dagli anni ’50 del secolo scorso. Nessuna perforazione petrolifera, sondaggio, pozzo sovietico siberiano che dir si voglia ha consentito di ottenere la stessa mole di informazioni sull’interno del pianeta fornite invece dall’analisi delle onde sismiche. Se per le maggiori profondità, tuttavia, l’interesse della comunità scientifica si concentra prevalentemente sulle onde di volume, le onde P ed S, a profondità minori subentra anche l’interesse rivolto alle onde superficiali (R ed L).

Nel passato

Già negli anni ’50 molti ricercatori svilupparono metodi di analisi basati sullo studio delle onde superficiali allo scopo, ad esempio, di investigare lo spessore della crosta terrestre. Tuttavia è solo negli ultimi 30 anni che tali tecniche hanno trovato largo uso nella prospezione degli strati di terreno più superficiali per scopi non solo scientifici ma anche meramente applicativi.

L’onda di superficie viene generata al momento in cui l’onda di volume si approssima alla superficie libera del suolo, presso la quale si propaga con ampiezza esponenzialmente decrescente con la profondità. Le onde di superficie sono di duplice natura: le onde di Rayleigh (onde R) e le onde di Love (onde L). Le prime costituiscono la risultante tra un movimento polarizzato sul piano verticale, normale alla direzione di propagazione, ed uno polarizzato sul piano orizzontale, coerente con la direzione di propagazione. Una generica particella di roccia si muoverà dunque seguendo una traiettoria ellittica, sul piano verticale, con moto retrogrado.

Tecniche di prospezione

Le  tecniche di prospezione con le onde superficiali afferiscono alla cosiddetta “sismica attiva”, per la quale il moto di vibrazione viene innescato artificialmente dal geofisico stesso. In questa categoria si inquadra la metodologia prospettiva denominata Multichannel Analysis of Surface Waves, meglio nota con l’acronimo MASW.

La tecnica MASW, che fornisce proprio come output il profilo monodimensionale di velocità delle onde S, si prestava ad essere ottimale per tale scopo, in termini di costi di esercizio e facilità di esecuzione. Naturalmente anche dopo l’entrata in vigore delle NTC 2018, che come è noto richiedono il valore della Vseq (la velocità equivalente delle onde S fino al bedrock sismico) e non più quello delle VS30, l’uso della MASW resta di fatto ancora una delle migliori tecniche in grado di restituire il profilo delle Vs. A questo punto occorre fare una breve precisazione. Si è detto che la MASW analizza le onde di superficie (R e/o L), ma restituisce il profilo delle onde S.

La generazione di onde sismiche comporta la propagazione lungo la superficie libera di un particolare tipo di onde, altrimenti dette “di superficie”. La loro penetrazione in profondità dipende, oltre che dalle proprietà elastiche del mezzo attraversato, anche dalla lunghezza d’onda con cui le stesse si propagano: infatti, elevate lunghezze d’onda corrispondono in genere a maggiori profondità di substrato investigato. Le onde di superficie però sono in genere dispersive: ossia i treni d’onda che viaggiano a diverse frequenze sono caratterizzati da velocità differenti, caratteristica che le rende tra l’altro distinguibili dalle onde di volume. Esistono due diversi tipi di onde superficiali: le onde di Rayleigh e le onde di Love. La proprietà di dispersione delle onde di superficie è determinata dalle diverse proprietà elastiche dei materiali come la densità e la variazione della velocità delle onde P ed S con la profondità. Tra questi due parametri la variazione della velocità delle onde S è il fattore determinante. Per tale motivo, le onde superficiali sono spesso utilizzate per definire il profilo mono/bidimensionale delle velocità Vs del sottosuolo per indagini non profonde. Le onde di Rayleigh sono caratterizzate da un movimento delle particelle che avviene sia in senso longitudinale sia in senso trasversale. Infatti, le particelle di un solido, attraversato da un onda superficiale di Rayleigh, descrivono una traiettoria di tipo ellittico il cui asse maggiore è perpendicolare alla superficie del solido.

Aumentando la profondità all’interno del solido, la larghezza del percorso ellittico decresce

Fig.1 – Schema del moto di particelle al passaggio di onde di Rayleigh.

L’utilizzo di questo tipo di onde, finalizzato alla ricostruzione della distribuzione delle Vs nel sottosuolo, comporta diversi vantaggi rispetto alle metodologie convenzionali (prospezioni Vs a rifrazione, down-hole ecc.). Tra questi vi sono:

  • l’acquisizione di dati in campagna è semplice ed efficace, difatti le onde di superficie rappresentano la parte di energia dominante;
  • la procedura di elaborazione dei dati è piuttosto rapida;
  • è possibile investigare vaste aree in tempi relativamente brevi e a costi non onerosi.

Il metodo Masw

Il metodo MASW è una tecnica che consente di ricostruire l’andamento delle Vs nel sottosuolo utilizzando l’energia delle onde superficiali. Il contributo predominante alle onde superficiali è dato dalle onde di Rayleigh, che si trasmettono con una velocità che dipende dalla rigidezza della porzione di terreno interessata dalla propagazione delle onde. In un mezzo stratificato le onde di Rayleigh, essendo dispersive, e caratterizzate da diverse lunghezze d’onda, si propagano con diverse velocità di fase e/o velocità di gruppo.

La fase di acquisizione dei dati prevede il posizionamento di geofoni verticali lungo un profilo; la cui lunghezza è correlabile alla maggiore lunghezza d’onda investigabile. La sorgente sismica artificiale (mazza battente o minibang) consente di eseguire una o diverse energizzazioni, a seconda anche della geometria di acquisizione prescelta. Il segnale sismico generato artificialmente viene rilevato dai velocimetri (geofoni) e quindi registrato da un sismografo. In tal modo si  ottengono i cosiddetti “shot records”. In aree urbane è consigliato eseguire uno stacking del segnale sismico, cioè effettuare diverse energizzazioni e registrazioni in corrispondenza dello stesso punto, al fine di attenuare, attraverso la sommatoria sincrona delle diverse tracce acquisite, il rumore ambientale del sito e dunque esaltare l’energia di interesse.

Elaborazione dei dati

I dati vengono utilizzando un sismografo Pasi 16S24 con conversione A/D a 24 bit e dinamica a 135 dB. Esso è corredato da 24 geofoni verticali, prodotti dalla OYO Geospace, con una frequenza di taglio pari a 4.5 Hz e curve di risposta piatte per ampi intervalli di frequenza.

L’unità di registrazione è costituita da un PC portatile munito di software per acquisizione, pre-elaborazione e archiviazione dei dati sismici nei formati più comuni (SEGY, SEG2). Per generare l’energia necessaria alle indagini è stata impiegato un martello da 8 Kg.

SISMOGRAFOPASI 16S24
FORMATO DI REGISTRAZIONESEG2
INTERVALLO DI CAMPIONAMENTO0.5 ms
DURATA REGISTRAZIONE2000 ms
NUMERO DI GEOFONI24
SORGENTI
SORGENTE DI ENERGIZZAZIONEMARTELLO e Bang
RICEVITORI
TIPO DI GEOFONI4.5 Hz
DISTANZA TRA GEOFONI2  m
DISTANZA SORGENTE- STENDIMENTOVariabile da 2 a 10 m
Tabella 1- Caratteristiche geometriche dello stendimento e parametri di acquisizione.

È davvero importante la prospezione sismica del suolo?

Una prospezione ben eseguita e ben interpretata risulterà un potente strumento investigativo del sottosuolo, con notevoli potenzialità dal punto di vista della rosa di applicazioni nella quale poter essere impiegata. Cosa potremo mai fare con un profilo delle Vs? Come prima cosa avremo la possibilità di individuare la posizione del bedrock, anche a notevoli profondità rispetto al piano di indagine. Questa informazione risulta essenziale in numerosi campi di applicazione. Basti pensare ad esempio agli studi di risposta sismica locale microzonazione sismica. Valutare la RSL vuol dire determinare il modo in cui il moto sismico subisce variazioni, in termini di ampiezza, frequenza e durata, nell’attraversare le successioni di copertura comprese tra il bedrock e la superficie topografica. La conoscenza della posizione del bedrock sismico e della sismostratigrafia delle coperture, risulterà dunque essere una informazione cruciale anche ai fini della delimitazione e perimetrazione delle aree a comportamento sismico omogeneo, svolta negli studi di microzonazione sismica. L’utilità della conoscenza della sismostratigrafia del sito tuttavia, in termini di profilo delle Vs, si estende anche ad ulteriori campi della geologia applicata.

Altri campi di applicazione.

Oltre che nelle applicazioni geotecniche per le quali occorre ricostruire il modello geologico del sito di fondazione, è ampiamente documentato l’uso della prospezione MASW nella geologia ambientale (nello studio delle discariche, ad esempio), della geomorfologia applicata (modellazione dei corpi di frana), ecc.

Conclusioni

Naturalmente risulterà in questi casi opportuna la correlazione tra la prospezione MASW ed i risultati di altre prospezioni di diversa tipologia. La calibrazione del profilo Vs ottenuto con la MASW con il log di un sondaggio o con l’output di altre tecniche di indagine geofisica, ci consentirà di ottenere un modello di maggior dettaglio oltre che di maggiore attendibilità, nel quale i dati raccolti risulteranno reciprocamente complementari.

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