Le indagini sismiche in campo sono tecniche geofisiche utilizzate per la caratterizzazione dei terreni e delle rocce attraverso l’analisi della propagazione delle onde sismiche. Sono fondamenti per l a progettazione e per la valutazione della risposta sismica dels uolo
Ingegneria Geotecnica e Civile
Sismologia e Microzonazione sismica
Monitoraggio e prevenzione di rischi naturali
Esplorazione di risorse naturali
Archeologia e beni culturali
MASW (Multichannel Analysis of Surface Waves) è una tecnica di indagine non invasiva che consente la definizione del profilo di velocità delle onde di taglio verticali Vs, basandosi sulla misura delle onde superficiali fatta in corrispondenza di diversi sensori posti sulla superficie del suolo. Il contributo predominante alle onde superficiali è dato dalle onde di Rayleigh, che si trasmettono con una velocità correlata alla rigidezza della porzione di terreno interessata dalla propagazione delle onde. In un mezzo stratificato le onde di Rayleigh sono dispersive, cioè onde con diverse lunghezze d’onda si propagano con diverse velocità di fase e velocità di gruppo o detto in maniera equivalente la velocità di fase (o di gruppo) apparente delle onde di Rayleigh dipende dalla frequenza di propagazione, cioè sono onde la cui velocità dipende dalla frequenza: onde ad alta frequenza e ridotta lunghezza si propagano negli strati più superficiali, mentre onde a bassa frequenza ed elevata lunghezza si propagano negli strati più profondi.
Tramite le MASW è possibile determinare il profilo di velocità delle onde di taglio Vs, e quindi: il tipo di suolo sismico (A, B, C, D, E) a differenza della sismica a rifrazione si usano in qualunque situazione stratigrafica anche in presenza di falda.
La caratterizzazione basata sul metodo delle onde superficiali può essere suddivisa in tre fasi:
acquisizione;
processing;
inversione.
ACQUISIZIONE
Il metodo di indagine MASW si distingue in metodo attivo e metodo passivo (Zywicki, D.J. 1999) o in una combinazione di entrambi. Nel metodo attivo, adottato nel caso in esame, le onde superficiali generate in un punto sulla superficie del suolo sono misurate da uno stendimento lineare di sensori. Nel metodo passivo lo stendimento dei sensori può essere sia lineare, sia circolare e si misura il rumore ambientale di fondo esistente. Il metodo attivo generalmenteì consente di ottenere una velocità di fase (o curva di dispersione) sperimentale apparente nel range di frequenze compreso tra 5Hz e 70Hz, quindi da informazioni sulla parte più superficiale del suolo, sui primi 30m-50m, in funzione della rigidezza del suolo. Il metodo passivo in genere consente di tracciare una velocità di fase apparente sperimentale compresa tra 0Hz e 10Hz, quindi da informazioni sugli strati più profondi del suolo, generalmente al di sotto dei 50m.
PROCESSING
Si deve trasformare i dati in dominio spazio-tempo in informazione sulla dispersione in dominio frequenza- velocità di fase Vr. Si sfrutta l’elevata energia delle onde superficiali e le tecniche di analisi spettrale messe a punto nella sismica di prospezione per il riconoscimento e il filtraggio del ground-roll. L’approccio più diffuso è basato sull’analisi spettrale dei segnali in dominio fk. Lo spettro f-k del segnale consente di ottenere una curva di dispersione per le onde di Rayleigh, nell’ipotesi che nell’intervallo di frequenze analizzato le onde che si propagano con il maggiore contenuto di energia siano proprio le onde di Rayleigh, e se le caratteristiche del sito sono tali da consentire la propagazione delle onde superficiali e un comportamento dispersivo delle stesse.
Si dimostra infatti che la velocità delle onde di Rayleigh è associata ai massimi dello spettro f-k; si può ottenere facilmente una curva di dispersione individuando ad ogni frequenza il picco spettrale, al quale è associato un numero d’onda k e quindi una velocità delle onde di Rayleigh VR, determinabile in base alla teoria delle onde dalla relazione:
VR (f) = 2πf/k
INVERSIONE
La fase di inversione deve essere preceduta da una parametrizzazione del sottosuolo, che viene di norma schematizzato come un mezzo (visco)-elastico a strati piano-paralleli, omogenei ed isotropi, nel quale l’eterogeneità è rappresentata dalla differenziazione delle caratteristiche meccaniche degli strati.
Il processo di inversione è iterativo: a partire da un profilo di primo tentativo, costruito sulla base di metodi semplificati, ed eventualmente delle informazioni note a priori riguardo la stratigrafia, il problema diretto viene risolto diverse volte variando i parametri che definiscono il modello. Il processo termina quando viene individuato quel set di parametri di modello che minimizza la differenza fra il set di dati sperimentali (curva di dispersione misurata) e il set di dati calcolati (curva di dispersione sintetica). Usualmente, algoritmi di minimizzazione ai minimi quadrati vengono utilizzati per automatizzare la procedura.
Scopo delle indagini
l profilo delle onde di taglio Vs nei primi 30 m di profondità risulta necessario per:
valutare l’azione sismica di progetto al livello delle fondazioni di qualunque struttura
valutare il rischio di liquefazione del terreno in sito
valutare rischi di instabilità dei pendii e/o delle opere di sostegno
valutare i cedimenti dei rilevati stradali, delle opere di sostegno, delle fondazioni degli edifici
valutare la trasmissione delle vibrazioni generate dai treni, dalle macchine vibranti, dalle esplosioni in superficie o in sotterraneo, dal traffico veicolare
Lo scopo delle prove svolte è di determinare la categoria sismica del terreno (A, B, C, D, E) in riferimento al D.M. 17 Gennaio 2018 “Aggiornamento alle Norme tecniche per le costruzioni” e agli eurocodici 7 e 8. La categoria del terreno consente di quantificare l’amplificazione sismica, di definire lo spettro di risposta sismico del sito e quindi di determinare le azioni sismiche agenti sulle opere che interagiscono con il terreno. Per la definizione dell’azione sismica di progetto la nuova normativa sismica identifica le seguenti categorie di profilo stratigrafico del suolo di fondazione (le profondità si riferiscono al piano di posa delle fondazioni):
A – Ammassi rocciosi affioranti o terreni molto rigidi caratterizzati da valori di velocità delle onde di taglio superiori a 800 m/s, eventualmente comprendenti in superficie terreni di caratteristiche meccaniche più scadenti con spessore massimo pari a 3 m.
B – Rocce tenere e depositi di terreni a grana grossa molto addensati o terreni a grana fina molto consistenti, caratterizzati da un miglioramento delle proprietà meccaniche con la profondità e da valori di velocità equivalente compresi tra 360 m/s e 800 m/s
C – Depositi di terreni a grana grossa mediamente addensati o terreni a grana fina mediamente consistenti con profondità del substrato superiori a 30 m, caratterizzati da un miglioramento delle proprietà meccaniche con la profondità e da valori di velocità equivalente compresi tra 180 m/s e 360 m/s.
D – Depositi di terreni a grana grossa scarsamente addensati o di terreni a grana fina scarsamente consistenti, con profondità del substrato superiori a 30 m, caratterizzati da un miglioramento delle proprietà meccaniche con la profondità e da valori di velocità equivalente compresi tra 100 e 180 m/s
E – Terreni con caratteristiche e valori di velocità equivalente riconducibili a quelle definite per le categorie C o D, con profondità del substrato non superiore a 30 m.
La tecnica HVSR permette in primo luogo di valutare la frequenza di vibrazione naturale di un sito. Successivamente, come ulteriore sviluppo, la stima del parametro normativo Vseq attraverso un processo di inversione del problema iniziale. Le ipotesi alla base della tecnica sono: una concentrazione del contenuto in frequenza localizzato maggiormente in quelle basse (tipicamente al di sotto dei 20 Hz); assenza di sorgenti periodiche e/o con contenuto in alte frequenze; le sorgenti di rumore sono uniformemente distribuite intorno alla stazione di registrazione. Se queste sono soddisfatte, la tecnica può essere suddivisa nelle fasi che vengono di seguito illustrate.
Si esegue una registrazione del rumore ambientale lungo tre direzioni ortogonali tra loro (x,y,z) con una singola stazione. Tale registrazione deve essere effettuata, secondo le indicazioni del progetto SESAME, per una durata non inferiore ai 20 minuti.
Si esegue un’operazione detta di windowing, in cui le tre tracce registrate vengono suddivise in finestre temporali di prefissata durata. Secondo le indicazioni del succitato progetto SESAME tale dimensione, detta Long Period, deve essere almeno pari ai 20 secondi. Si ottiene così un insieme di finestre “long”, che sono sincronizzate fra le tracce.
Queste finestre vengono filtrate in base a dei criteri che permettono di individuare l’eventuale presenza di transienti (disturbi temporanei con grandi contributi nelle frequenze alte) o di fenomeni di saturazione.
Per ciascuna delle finestre rimanenti, quindi ritenute valide, viene valutato lo spettro di Fourier. Quest’ultimo viene sottoposto a tapering e/o lisciamento secondo una delle varie tecniche note in letteratura e ritenute all’uopo idonee.
Successivamente si prendono in considerazione gli spettri delle finestre relative alle tracce orizzontali in coppia. Ovvero, ogni spettro di una finestra per esempio della direzione X, ha il suo corrispettivo per le finestre nella direzione Y, vale a dire che sono relative a finestre temporali sincrone. Per ognuna di queste coppie viene eseguita una somma tra le componenti in frequenza secondo un determinato criterio che può essere, ad esempio, una semplice media aritmetica o una somma euclidea.
Per ciascuna coppia di cui sopra, esiste lo spettro nella direzione verticale Z, ovvero relativo alla finestra temporale sincrona a quelle della coppia. Ogni componente in frequenza di questo spettro viene usato come denominatore nel rapporto con quello della suddetta coppia. Questo permette quindi di ottenere il ricercato rapporto spettrale H/V per tutti gli intervalli temporali in cui viene suddivisa la registrazione durante l’operazione di windowing.
Eseguendo per ciascuna frequenza di tali rapporti spettrali una media sulle varie finestre, si ottiene il rapporto spettrale H/V medio, la cui frequenza di picco (frequenza in cui è localizzato il massimo valore assunto dal rapporto medio stesso) rappresenta la deducibile stima della frequenza naturale di vibrazione del sito.
L’ulteriore ipotesi che questo rapporto spettrale possa ritenersi una buona approssimazione dell’ellitticità del modo fondamentale della propagazione delle onde di Rayleigh, permette di confrontare questi due al fine di ottenere una stima del profilo stratigrafico. Tale procedura, detta di inversione, consente di definire il profilo sostanzialmente in termini di spessore e velocità delle onde di taglio. Avendo quindi una stima del profilo della velocità delle onde di taglio, è possibile valutarne il parametro normativo Vseq.
La sismica a rifrazione è una metodologia diffusa e consolidata che permette la ricostruzione delle velocità sismiche e delle geometrie del sottosuolo. Nella prospezione sismica a rifrazione, si sfrutta la diversa velocità di propagazione delle onde longitudinali (onde P o “di compressione e dilatazione”), o trasversali (onde SH o “di taglio”), per determinare spessori e geometrie dei diversi sismostrati presenti nel sottosuolo. La prospezione consiste nel generare un’onda sismica di compressione o di taglio nel terreno attraverso una determinata sorgente di energia e nel misurare il tempo impiegato da questa a compiere il percorso nel sottosuolo dal punto di energizzazione fino agli apparecchi di ricezione (geofoni) seguendo le leggi di rifrazione dell’ottica (Legge di Snell), cioè rifrangendosi sulle superfici di separazione tra due strati sovrapposti di densità (o meglio di modulo elastico) crescente. L’apparecchiatura necessaria per le prospezioni è costituita da una serie di ricevitori (geofoni) che vengono spaziati lungo un determinato allineamento (base sismica) e da un sismografo che registra l’istante di inizio della perturbazione elastica ed i tempi di primo arrivo delle onde a ciascun geofono. Così, osservando i primi arrivi su punti posti a distanze diverse dalla sorgente energizzante, è possibile costruire una curva tempo-distanza (dromocrona) rappresentante la variazione del minimo percorso in funzione del tempo. Attraverso metodi analitici si ricavano quindi le velocità delle onde elastiche longitudinali (Vp) o trasversali (Vs) dei mezzi attraversati ed il loro spessore.
Le indagini geofisiche basate sulle onde sismiche rivestono un ruolo chiave nella caratterizzazione geotecnica dei siti e nella valutazione della risposta sismica locale. Negli ultimi anni si sono affermate tecniche innovative in grado di definire con precisione le proprietà meccaniche dei terreni.
Tra le metodologie più avanzate spiccano le indagini sismiche MASW e HVSR. La prima sfrutta onde superficiali generate artificialmente, la seconda si basa sull’analisi del rumore ambientale. Entrambe consentono di ricavare il profilo di velocità delle onde S, parametro fondamentale per classificare la categoria di sottosuolo.
Ogni tecnica presenta vantaggi e limiti che è importante conoscere per scegliere l’approccio più idoneo al contesto. In generale le indagini attive come la MASW forniscono risultati più accurati, mentre quelle passive come l’HVSR sono più rapide ed economiche. La scelta dipende da obiettivi, budget e tempistiche progettuali.
Questi metodi avanzati stanno rivoluzionando il settore della caratterizzazione geotecnica e sismica, fornendo al geologo e al progettista strumenti all’avanguardia per l’analisi del sottosuolo. Ne consegue un decisivo passo in avanti nella qualità e sicurezza delle opere di ingegneria civile.
L’indagine sismica MASW (Multichannel Analysis of Surface Waves) è una moderna tecnica di prospezione sismica che consente di ricostruire il profilo verticale di velocità delle onde di taglio S (Vs) dei terreni, analizzando la dispersione delle onde superficiali di Rayleigh. Si tratta di una metodologia non invasiva, basata sulla misura delle vibrazioni in superficie, che permette di investigare in continuo i primi 30-50 metri del sottosuolo con un dettaglio molto maggiore rispetto alle tradizionali prove sismiche a rifrazione.
L’indagine MASW sfrutta il principio che le onde di Rayleigh, nel propagarsi in un mezzo stratificato, subiscono un effetto di dispersione: le diverse componenti in frequenza che costituiscono il segnale complesso viaggiano a velocità differenziate in relazione alle caratteristiche meccaniche degli strati attraversati. In pratica, le frequenze elevate tenderanno a concentrarsi negli strati più superficiali, mentre le basse frequenze si propagheranno maggiormente in profondità.
La tecnica prevede una fase di acquisizione in cui le vibrazioni generate artificialmente in un punto della superficie vengono registrate da una serie di sensori (geofoni o accelerometri) equispaziati lungo un allineamento rettilineo. L’energizzazione può avvenire tramite esplosione di cariche impulsive o utilizzando appositi sistemi vibratori. I dati vengono acquisiti mediante un sistema multicanale collegato ad un sismografo digitale.
La successiva elaborazione dei dati è finalizzata ad estrarre, tramite sofisticate tecniche di analisi spettrale nel dominio frequenza-numero d’onda (fk), la curva di dispersione sperimentale delle onde di Rayleigh. Tale curva rappresenta la variazione della velocità di fase in funzione della frequenza ed è la firma caratteristica del mezzo investigato.
Infine, tramite un procedimento di inversione matematica che minimizza le differenze tra curve simulate e curve reali, si ottiene il profilo 1D di Vs che meglio approssima i dati sperimentali. I moderni algoritmi di ottimizzazione rendono esta fase completamente automatica.
Le applicazioni della MASW sono numerose sia nell’ingegneria geotecnica che nell’ingegneria sismica. Consente di determinare la categoria sismica del sito in accordo alle normative, valutare rischi di liquefazione, definire l’azione sismica e il potenziale di amplificazione locale. Risulta quindi uno strumento imprescindibile per il geologo Torino nella progettazione geotecnica delle opere e nelle analisi di microzonazione sismica.
L’indagine HVSR (Horizontal to Vertical Spectral Ratio) è una moderna tecnica di prospezione sismica passiva che permette di valutare la risposta sismica di un sito analizzando il rumore ambientale. Si basa sul rapporto spettrale tra componente orizzontale e verticale del moto e sull’identificazione della frequenza fondamentale di risonanza del terreno.
Il principio alla base è che le vibrazioni ambientali, in particolare le microtremori, tendono a far vibrare il terreno sulle frequenze proprie del sito. Analizzando la forma spettrale del segnale si può dunque ricavare informazioni sulla stratigrafia sismica. La tecnica prevede l’acquisizione del rumore sismico tramite una singola stazione tridirezionale per una durata di almeno 20 minuti. Il segnale viene suddiviso in finestre temporali sincrone su cui si applica la trasformata di Fourier.
Il rapporto H/V tra gli spettri delle componenti orizzontali e quello verticale presenta tipicamente un picco in frequenza corrispondente alla frequenza fondamentale di vibrazione del sito. Tramite tecniche di inversione che sfruttano modelli semplificati, dal picco H/V si può risalire a una stima approssimativa del profilo di Vs. Conoscendo la velocità delle onde S è poi possibile classificare il tipo di suolo sismico ai sensi della normativa.
L’HVSR trova numerose applicazioni nelle analisi di risposta sismica locale e di microzonazione sismica. Risulta complementare alle indagini sismiche attive come la MASW e un utile strumento nella relazione geologica e geotecnica per la caratterizzazione semi-quantitativa del sottosuolo.
Le indagini sismiche consentono di determinare le proprietà elastiche e dinamiche del sottosuolo analizzando la propagazione delle onde sismiche. Esistono tecniche attive e passive con caratteristiche differenti. La MASW è un’indagine attiva ad alta risoluzione che, tramite l’analisi delle onde superficiali, permette di ricostruire il profilo di Vs. Necessita di una sorgente artificiale e ha costi più elevati, ma restituisce un profilo continuo di velocità con elevato dettaglio fino a 50 m di profondità.
L’HVSR è una tecnica passiva che sfrutta le vibrazioni ambientali. È più economica e rapida ma fornisce solo la frequenza fondamentale di risonanza del sito, da cui si ricava un profilo velocità approssimato.
La prospezione sismica a rifrazione utilizza sorgenti artificiali e misura i tempi di arrivo delle onde rifratte. Permette di ricostruire discontinuità fisiche ma con minore risoluzione rispetto alla MASW.
La scelta dell’indagine più idonea dipende dal contesto e dagli obiettivi. Ad esempio per il collaudo sottofondi la MASW è preferibile, mentre l’HVSR può bastare in una prima fase di screening. Entrambe sono utili nella progettazione di opere come ponti, dighe o opere di presa e pozzi. Il geologo deve valutare caso per caso quale tecnica impiegare.
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