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Sismica a rifrazione tomografia elettrica indagini geofisiche Sassari Nuoro Olbia Cagliari Sardegna

SISMICA: METODOLOGIE E STRUMENTAZIONE

Principi

Il metodo sismico si occupa dell'esplorazione del sottosuolo, attraverso lo studio della propagazione delle onde elastiche generate mediante l'utilizzazione di masse battenti o tramite esplosioni controllate. Lo scopo delle indagini sismiche è di risalire a modelli di terreni caratterizzati da una differente velocità delle onde elastiche, nell'individuare i loro spessori e la loro distribuzione spaziale. Inoltre poiché la velocità delle onde elastiche di volume, (onde "P" ed onde "S"), è funzione dei parametri elastici del mezzo in cui si propagano, conoscendone la densità, si possono ricavare i moduli elastici dinamici che caratterizzano il mezzo stesso. Viene pertanto applicato con ottimi risultati nelle indagini geognostiche e per molti problemi di ingegneria.

Caratteristiche principali dei vari metodi

La rifrazione permette di ricostruire l'andamento stratigrafico (nel senso di spessori elastomogenei) del terreno. La profondità esplorata è legata sia alle caratteristiche geologiche dei sito investigato che alla lunghezza dello stendimento, o meglio alla distanza massima tra lo shot (punto di energizzazione) e il geofono più lontano. L'elaborazione risulta di facile esecuzione e vede la necessità di riconoscere "i primi arrivi" sui sismogrammi registrati a partire da un tempo t0.

Con la rifrazione si possono ottenere profili di velocità e spessore lungo lo stendimento realizzato. I metodi di elaborazione dei dati acquisiti vedono varie strade di interpretazione: tempo delle intercette o convenzionale, Metodo del Reciproco Generalizzato di Palmer '72 (G.R.M.), metodo Tomografico con i raggi sismici. (continua)

La riflessione, come la rifrazione, permette di ricostruire l'andamento stratigrafico ma in termini di risposta di frequenza e di ampiezza nel dominio del tempo. A mezzo di equalizzazioni e deconvoluzioni dei segnali, seguendo il criterio generale che vede l'andamento dell'incremento del tempo di una certa riflessione dalla sorgente energetica secondo la legge:

t2= V/x2 + V/z2 (dove, t= tempo di ritardo, V= velocità di transito, x= distanza shot-ricevitore, z= profondità dell'orizzonte riflettente)

si ricostruiscono le sezioni sismiche.

Le MASW permettono la ricostruzione di una colonna di velocità di taglio (Vs), generalmente considerata in centro stendimento. L'acquisizione dei dati è simile ad una rifrazione ma si considerano le onde di Rayleigh e la permanenza delle frequenze nel tempo, individuando la velocità di rotazione delle varie frequenze.

Dalla relazione Z= Vs/4F (dove, Z= profondità dal piano campagna, Vs= velocità delle onde dii taglio, e F = frequenza) si ricavano le varie velocità di taglio (Vs) e gli spessori. L'elaborazione si avvale del confronto delle curve di dispersione con una serie di modelli predeterminati. (continua)

Il ReMi, similmente al MASW, ricostruisce una colonna di velocità delle Vs, ma raggiungendo profondità consistenti, fino anche a 100 m dal piano di campagna. Contrariamente al MASW si utilizza il trasferimento di un certo treno d'onde, riconoscibile sull'intero stendimento, valutando poi le variazioni di frequenza e ampiezza dei vari treni d'onda. Con questo tipo di indagine non si provvede ad una energizzazione come nelle MASW ma si utilizza il rumore ambientale. Analogamente al precedente metodo, si confronta la curva di dispersione con una serie di modelli predeterminati, scegliendo il miglior "fittaggio".


SISMICA A RIFRAZIONE

In ambito di indagini indirette l'esplorazione geofisica di sismica a rifrazione risulta tra le metodologie più affermate e meglio sperimentate. Il metodo si basa sugli effetti di rifrazione del segnale sismico in corrispondenza dell'interfaccia tra un mezzo soprastante a velocità sismica (sia essa relativa alle onde compressionale Vp che alle onde di taglio Vs) minore rispetto ad uno strato sottostante al primo con velocità sismica inferiore.

La tecnica di prospezione sismica a rifrazione consiste nella misura dei tempi di primo arrivo delle onde sismiche  generate in un punto in superficie (punto di sparo), in corrispondenza di  una molteplicità di ricevitori (geofoni) disposti allineati sulla superficie topografica.

Varie metodologie di interpretazione si sono susseguite nel tempo, passando dalle valutazioni di spessori e velocità in funzione del tempo all'intercetta fino a giungere alle più classiche interpretazioni mediante il General Reciprocal Method di Palmer '72.

Lo studio della propagazione delle onde sismiche consente di valutare le proprietà fisico - meccaniche dei terreni e il grado di addensamento e/o la compattezza dei materiali da queste attraversati. 

Le profondità raggiunge sono al massimo la metà della distanza compresa tra lo shot esterno e l'ultimo geofono della stesa sismica sviluppata. E' comunque generalmente considerato che la profondità esplorata non superi 1/3 dello sviluppo geometrico sopradescritto.

La capacità risolutiva in termini di spessore degli strati sismici viene ad essere valutato in circa il 25% della distanza geofonica. In genere vengono svolte cinque o sette energizzazioni, due o quattro esterne e tre interne, al fine di meglio descrivere la geometria degli orizzonti rifrattori lungo l'intera base sismica

Per condizione matematica propria, tutte le metodologie sopra dette risultano incapaci di verificare le geometrie che vedano la presenza di spessori a bassa velocità compresi tra spessori con velocità sismiche maggiori. Tale condizione, detta inversione di velocità, non trova possibile la risoluzione matematica dei sistemi improntati sulle metodologie di calcolo ove gli spessori e le velocità di transito sono valutate in modo tra loro dipendente.

Appare quindi ovvio che il metodo non riesce a raggiungere gli scopi preposti laddove l'indagine geofisica sia svolta al fine di individuare spessori con inversione di velocità, a meno di agganciare le indagini “indirette” a delle conoscenze stratigrafiche derivanti da sondaggi svolti ad-hoc.

 


 

TOMOGRAFIA SISMICA

Di recente sviluppo è l'esplorazione geofisica di sismica a rifrazione con elaborazione secondo il metodo tomografico.

Questo metodo permette il superamento dei limiti imposti a livello geometrico dagli strati con inversione di velocità sismica. Di fatto lo sviluppo numerico vede la ricerca dei percorsi dei raggi sismici nello spessore sottostante la stesa sismica, individuando quei tratti a velocità uguale (o comunque contenuta in intervalli preordinati); una successiva campitura del grigliato di celle costruito al di sotto della base sismica permette una rappresentazione grafica che rende meglio leggibile le valutazioni che, per la gran mole di calcoli richiesti in fase di sviluppo del modello numerico, può essere affrontato solo mediante elaboratore elettronico.

Le energizzazioni richieste per la ricostruzione dei modelli di calcolo, affinché siano ritenuti attendibili e soddisfacenti in termini statistici (condizione propria nella metodologia d'elaborazione), risultano essere numerose e si deve considerare un passo intergeofonico non superiore a 3, meglio se due.

La profondità d'indagine raggiunta in fase di elaborazione, dipendente dal numero di campi di varianza di velocità imposta e dalle condizioni di rapporto d'impedenza sismica presente nel sito investigato, risulta generalmente limitato ad 1/5 dello sviluppo della base sismica. Eventuali shot esterni alla stesa geofonica non risultano significativi anche se, in particolari condizioni di calcolo, possono risultare “consultati” .

Per natura propria di metodo di calcolo, possono essere risolte le inversioni di velocità alla condizione di una sufficiente disponibilità di energizzazioni.

Esempio applicativo: nella seguente sezione l'indagine sismica in rifrazione ha permesso di ottenere una sezione delle velocità delle onde longitudinali Vp, dalla quale si evincono i seguenti elementi:

•  nella parte destra della sezione si rileva la presenza di materiale di riporto impiegato per la realizzazione della strada di accesso all'area e caratterizzato da Vp <800 m/s

•  nella parte centrale una zona con velocità Vp più elevata che verso valle si interrompe verticalmente per una passaggio litologico o tettonico (linea rossa)

 

 

 


MASW (Multichannel Analysis of Surface Waves)

Di recentissimo sviluppo è l'esplorazione geofisica del sottosuolo mediante l'analisi dei segnali acquisiti dalla catena geofonica non più ricercando il manifestarsi dei “primi arrivi” legati al segnale prodotto (onde P od onde S) ma analizzando l'evolvere di questi segnali nel tempo e nello spazio.

Il metodo geofisico M.A.S.W. consente la caratterizzazione meccanica dei terreni investigati mediante stima indiretta della velocità di propagazione delle onde elastiche di taglio VS derivate dalle velocità di rotazione delle Raylegh (o delle Love); inoltre, qualora si conosca anche la densità permette di ricavare le caratteristiche meccaniche dei terreni investigati.

L'uso delle indagini M.A.S.W. si è diffuso quale strumento rapido ed efficace per ottenere una sismo stratigrafia atta a permettere di discretizzare la categoria di suolo di fondazione per le categorie semplificate indicate in Decreto Ministeriale 14 gennaio 2008.

Le “Norme Tecniche per le Costruzioni” – D.M. del 14/01/2008 definiscono le regole per progettare l'opera sia in zona sismica che in zona non sismica.Per la valutazione delle azioni sismiche di progetto deve essere valutata l'influenza delle condizioni litologiche e morfologiche locali sulle caratteristiche del moto nel suolo superficiale. Per tale motivo si esegue una classificazione dei terreni compresi fra il piano di campagna ed il “bedrock” attraverso la stima delle velocità medie delle onde di taglio (V S30 ). Il sito può essere classificato con il valore delle V S30 o in alternativa sulla base del valore N spt o di cu secondo la seguente tabella.

Categoria

Descrizione

A

Ammassi rocciosi affioranti o terreni molto rigidi caratterizzati da valori Vs30 superiori a 800 m/s, comprendenti eventuali strati di alterazione superficiale di 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 con spessori superiori a 30m, caratterizzati da un graduale miglioramento delle proprietà meccaniche con la profondità e da Vs30 compresi tra 360 m/s e 800 m/s (ovvero NSPT > 50, o cu > 250 kPa).

C

Depositi di terreni a grana grossa mediamente addensati o terreni a grana fina mediamente consistenti con spessori superiori a 30 m caratterizzati da un graduale miglioramento delle caratteristiche meccaniche con la profondità e da valori Vs30 compresi tra 180 m/s e 360 m/s (ovvero 15<NSPT<50, oppure 70<cu<250 kPa).

D

Depositi di terreni a grana grossa scarsamente addensati o terreni a grana fina scarsamente consistenti con spessori superiori a 30 m caratterizzati da un graduale miglioramento delle caratteristiche meccaniche con la profondità e da valori Vs30 < 180 m/s (NSPT < 15, oppure cu < 70 kPa).

E

Profili di terreno costituiti da strati superficiali alluvionali, con valori di Vs30 simili a quelli dei tipi C o D e spessore non superiore a 20 m, posti su di un substrato di materiale più rigido con Vs30 > 800 m/s.

 

La metodologia MASW è capace di produrre adeguate investigazioni del sottosuolo, raggiungendo profondità significative anche laddove non sussistono condizioni morfologiche che permettano lo sviluppo di basi sismiche di lunghezza adeguata. Queste tipologie d'indagine vedono un impianto cantiere simile alle indagini di indagini di sismica a rifrazione ma viene sviluppata l'analisi spettrale delle onde di superficie (Multichannel Analisys of Surface Waves - M.A.S.W.)

Essendo di per sé capace di raggiungere profondità non inferiori a 2/3 della lunghezza della base sismica svolta, l'indagine M.A.S.W. permette di risolvere al meglio e con buon dettaglio le inversioni di velocità presente nel terreno. Una valida analisi dello spettro di potenza dei segnali acquisiti per ciascun canale per ciascuna stesa progressiva, permette la ricostruzione delle geometrie sepolte verificando le capacità elastiche dei terreni investigati. Ciò è possibile anche perché il metodo riesce a discretizzare le velocità di rotazione delle onde di Raylegh ed, essendo queste direttamente in relazione con le velocità di taglio, individuare le soglie elastiche degli spessori litostratigrafici presenti

Mediante svolgimento di varie M.A.S.W. in metodo walkaway, ovvero provvedendo alla associazione di profili M.A.S.W. eseguiti in modo sequenziale provvedendo allo spostamento della catena geofonica di uno o più intervalli geofonici, si può raggiungere la ricostruzione di sezioni sismostratigrafiche di dettaglio. Il metodo, pur richiedendo un maggior tempo esecutivo, trova comunque una capacità discrezionale in assoluto superiore rispetto alla sismica di superficie, sia in metodo GRM che in metodo tomografico, raggiungendo anche spessori non altrimenti pensabili con le altre metodologie investigative.

ReMi (Refraction Microtremor)

La metodologia ReMi , come la MASW, studia le proprietà dispersive delle onde superficiali ma, invece di utilizzare una sorgente nota, registra i rumori di fondo generati dalle attività antropiche, dal vento o da altro. Con la metodologia Re.Mi. è possibile ottenere una stratigrafia delle onde S e quindi fornire un valore per il parametro Vs30.


 

STRUMENTAZIONE

La Geoservice è dotata della seguente strumentazione

Sismografo DoReMi prodotto dalla Sara electronic instruments

  • Cavi sismici dotati di canali (sistema modulare) sino a 48 canali
  • n° 48 Geofoni da 4,5 – 10 – 14 Hz verticali e orizzontali
  • Supporti in PVC per geofoni per indagini su superfici rigide
  • Masse battenti di peso variabile da 10 Kg a 100 Kg
  • Piastra di battuta in duralluminio
  • PC portatili

DoReMi è un sistema innovativo che incorpora e distribuisce nel cavo sismico un sismografo modulare canale per canale. Ogni elemento contiene tutto l'hardware necessario per l'acquisizione dati per sismica attiva e passiva. La comunicazione digitale evita tutti problemi della strumentazione con cavo analogico.

È leggero, pratico e di elevatissime prestazioni:

  • fino a 155 dB di dinamica (con uso del PGA) a qualsiasi frequenza di campionamento
  • elevatissima immunità ai disturbi
  • assolutamente zero diafonia (crosstalk)
  • profondità di memoria 30 mila campioni
  • campionamenti da 2 millisecondi fino a 50 microsecondi (da 500Hz a 20000Hz)
  • fino a 255 canali per singolo cavo
  • per tutte le prove di superficie MASW, REMI, rifrazione, riflessione e prove in foro

Scheda tecnica

 

 

 

 

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