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PROSPEZIONE SISMICA A RIFRAZIONE
La sismica a rifrazione è un metodo geognostico di tipo indiretto che permette di caratterizzare il sottosuolo in base alla propria capacità di far propagare le onde elastiche.
Il parametro utilizzato per definire le proprietà elastiche dei terreni è la velocità di propagazione delle onde sismiche, il cui valore dipende da alcune caratteristiche proprie dei mezzi attraversati: densità, porosità e stato di addensamento per le terre; grado di compattezza e stato di fratturazione per le rocce.
Dato che depositi geologici differenti possono restituire medesimi valori di velocità di propagazione, si introduce il concetto di sismostrato: in esso si riuniscono i depositi caratterizzati dalla stessa velocità propagazione delle onde sismiche.
Pertanto è possibile che litologie differenti siano caratterizzate da medesima velocità delle onda sismiche, il che comporta l’inserimento delle stesse in uno stesso sismostrato o viceversa la stessa litologia può essere caratterizzata da differenti valori di velocità sismica a causa, ad esempio, del maggiore o minore stato di addensamento ed integrità della roccia, inserendo i due corpi in sismostrati differenti.
Una prospezione sismica a rifrazione permette di effettuare una ricostruzione sismostratigrafica della porzione di sottosuolo sottesa da un allineamento di geofoni (solitamente 24).
La ricostruzione può essere eseguita sia in onda P (onda di compressione) che in onda S (onda di taglio).
Dall’ analisi congiunta tra analisi in onda P ed onda S è possibile stimare alcuni importanti parametri elastici utili per la caratterizzazione elastica dei sismostrati:
coefficiente di Poisson
modulo di Young E (MPa)
modulo di taglio G (MPa)
modulo di incompressibilità K (MPa)
rigidità sismica Ri (KNKm/m3s)
MASW - REMI - ESAC
Questi tre tipi di prospezione geofisica permettono di stimare l’andamento della velocità delle onde S relativamente al volume di suolo sotteso da uno stendimento lineare di geofoni (indagini MASW e ReMi) o areale di geofoni (indagine ESAC), sfruttando le caratteristiche di dispersività delle onde di superfice di Rayleigh e di Love.
La prospezione MASW (Multichannel Analysis of Surface Waves) è definita attiva in quanto per la sua esecuzione è necessario eseguire uno scoppio in asse con lo stendimento di geofoni. Questa indagine ha una migliore risoluzione nella parte superficiale del sottosuolo.
Al contrario, le prospezioni ReMi (Refraction Microtremor) ed ESAC (Extended Spatial Auto Correlation) sono prospezioni definite passive, in quanto sfruttano il rumore ambientale (noise). Esse hanno una migliore risoluzione nei sismostrati più profondi.
CAMPI DI APPLICAZIONE
Classificazione del terreno di fondazione secondo le NTC 2008 (Vs30)
Stima della sismostratigrafia
Studi di Microzonazione Sismica e Risposta Sismica Locale RSL
PROSPEZIONI SISMICHE IN FORO (Down Hole e Cross Hole)
Le prospezioni sismiche in foro permettono di definire, in maniera dettagliata, l’andamento della velocità delle onde P ed S nel sottosuolo e pertanto permettono di definirne in maniera accurata le caratteristiche elastiche dei sismostrati individuati.
Le tecniche più utilizzate sono quelle DOWN-HOLE e CROSS-HOLE.
Down Hole
La metodologia DOWN-HOLE consiste nell’inserire in un foro di sondaggio, opportunamente attrezzato con tubo in PVC del diametro di 80 mm, una sonda geofonica munita di 5 geofoni di cui 1 verticale per la misura delle onde di compressione (P) e 4 orizzontali (a 90° tra loro) per la misura delle onde taglio (S).
L’energizzazione avviene in superficie, seguendo lo schema in figura.
L’onda P viene generata percuotendo verticalmente un piattello metallico, appoggiato parallelamente al piano campagna, mentre per generare l’onda S si effettuano due “scoppi” coniugati rispetto al foro, utilizzando una trave in legno ancorata al suolo.
Gli scoppi vengono eseguiti per tutta la lunghezza del foro con frequenza di una misura per ogni metro.
Dopo una opportuna elaborazione dei dati acquisiti si otterrà la sismostratigrafia in onda P ed S lungo il foro di sondaggio.
Cross Hole
La metodologia CROSS-HOLE prevede il posizionamento della sorgente energizzante e della sonda di misura alla stessa quota in due fori di sondaggio posti solitamente a distanza non superiore a 10 m per limitare errori nella stima dei tempi di percorso delle onde elastiche generate.
I punti di scoppio e di misura sono eseguiti ogni metro lungo il foro.
In alternativa si può utilizzare come apparato di ricezione una batteria di idrofoni (solitamente 12) distanziati di 1 m tra loro. In questo caso, gli scoppi vengono eseguiti in più punti nel foro di energizzazione mantenendo fissa la batteria di idrofoni posta nel foro di ricezione.
In questo caso il risultato dell’indagine sarà la sismostratigrafia della sezione compresa tra i due fori.
CAMPI DI APPLICAZIONE
Ricostruzione sismostratigrafica dettagliata in onda P ed S (indagine Down Hole)
Calcolo dettagliato dei parametri elastici
Studi di Microzonazione sismica Risposta Sismica Locale RSL
PROSPEZIONE SISMICA A STAZIONE SINGOLA (HVSR)
Le misure HVSR (Horizzontal to Vertical Spectral Ratio) rappresentano una metodologia geofisica passiva, non invasiva e speditiva, che permette di verificare la presenza di effetti di amplificazione sismica locale e di definire la frequenza fondamentale di vibrazione del suolo oggetto di studio, attraverso l’analisi del rapporto spettrale fra la componente orizzontale e quella verticale del noise (rumore ambientale) (Nakamura 1989).
Pertanto questo tipo di prospezione è molto utilizzata nel campo della Microzonazione sismica.
Il valore della frequenza di vibrazione è definito dalla seguente relazione:
f=Vs/4H
con
f = frequenza
Vs = velocità delle onde S dello strato superficiale
H = spessore dello strato
Dalla relazione 1 si osserva che la frequenza è legata direttamente alla velocità di propagazione delle onde S e inversamente allo spessore dei sismostrati.
L’ampiezza del picco in frequenza è proporzionale alla impedenza acustica tra due sismostrati a contatto
Grazie a queste caratteristiche la metodologia geofisica HVSR permette, in maniera qualitativa, senza la pretesa di sostituire le indagini sismiche a rifrazione o le indagini in foro, di individuare ad esempio la presenza di riporti in ambienti urbani o di stimare lo spessore di terreni soffici posti su depositi rigidi, nel caso in cui si abbiano dati relativi alle velocità delle onde S dello stesso sito.
Un’altra applicazione è quella vibrometrica, nella quale vengono eseguite misure su edifici, prossimi ad esempio a zone di cava durante operazioni di scavo o in prossimità di reti ferroviarie al passaggio di treni, in modo da verificare se le vibrazioni prodotte sono al di sotto dei livelli di soglia normativi definiti dalla norma DIN 4150-3.
CAMPI DI APPLICAZIONE
Misura della frequenza caratteristica di un sito
Misura della frequenza propria di un edificio
Microzonazione sismica e Risposta Sismica Locale RSL
Misure vibrometriche sulle strutture
