INDAGINI GEOFISICHE

Vs30 (O.P.C.M. 3274)

La nuova normativa in materia di progettazione antisismica, introdotta dal O.P.C.M. 3274 e dal D.M. 2018 Testo Unico – Norme Tecniche per le Costruzioni, al fine di caratterizzare la risposta sismica del sito in esame, prevede tra le altre cose, di calcolare i valori di velocità delle onde di taglio mediate sui primi 30 m (cosiddette Vs30), Il valore della Vs30, che si ottiene mediante indagini di sismica a rifrazione, sismica in foro (down hole), e MASW, è definita dalla relazione:

 in cui Vsi e hi sono rispettivamente la velocità delle onde di taglio e lo spessore dell’i-esimo strato.

MASW

La tecnica MASW (Multichannel Analysis of Surface Waves) è una tecnica di prospezione sismica che, attraverso la registrazione della propagazione delle onde di superficie (Rayleigh e/o Love), permette di risalire alla velocità di propagazione delle onde di taglio S nel sottosuolo, portando quindi a determinare anche il parametro Vs30 (velocità media delle onde S nei primi 30m).
In un mezzo stratificato le onde di superficie (Rayleigh e Love) danno vita al fenomeno della dispersione, cioè lunghezze d’onda diverse si propagano con diverse velocità di fase e gruppo: le componenti ad alta frequenza (con piccola lunghezza d’onda) “sentono” solamente gli strati più superficiali del suolo, mentre le componenti a più bassa frequenza “sentono” anche gli strati più profondi consentendo quindi di determinarne le caratteristiche.
Il metodo si sviluppa attraverso la determinazione delle proprietà dispersive del mezzo individuabili dall’analisi dello spettro di velocità dei dati. Il range di frequenza si sviluppa comunemente tra i 5Hz e i 70Hz, fornendo informazioni sino a profondità di circa 30m a seconda della rigidezza del suolo: la profondità massima di penetrazione è determinata dalla relazione fra velocità di propagazione dell’onda e più bassa frequenza identificabile. Questa tipologia di prospezione si realizza con uno stendimento sismico costituito da 12/24 o più geofoni allineati a distanza intergeofonica variabile tipicamente fra 1 e 5 m (la lunghezza dello stendimento incide sulla focalizzazione del segnale nello spettro di velocità) che registrano le onde sismiche generate in corrispondenza di X punti di energizzazione effettuati tipicamente ad una distanza compresa fra 2 e 20 m dal primo geofono. L’obiettivo della registrazione è quindi l’individuazione del treno di onde superficiali (Rayleigh e/o Love), che a causa della stratificazione del mezzo subisce una dispersione le cui modalità sono direttamente correlate alla velocità delle onde di taglio S. 

Per le onde di Rayleigh l’acquisizione può essere fatta mediante geofoni verticali oppure mediante geofoni orizzontali con asse posto parallelo (radiale) allo stendimento (in entrambi i casi si utilizza una sorgente verticale – piastra-martello); per le onde di Love si utilizza una sorgente di taglio (martello-asse di legno, trasversale alla linea) con geofoni orizzontali con asse posto perpendicolare allo stendimento. 

Analisi congiunta onde di Rayleigh e onde di Love
I dati acquisiti con entrambe le componenti (onde di Rayleigh e Love) possono essere elaborati congiuntamente (determinazione spettro di velocità, identificazione curve di dispersione, inversione/modellazione di queste ultime) per ricostruire in maniera più precisa il profilo verticale della velocità delle onde di taglio (Vs). Analisi congiunta significa utilizzare tutti dati a disposizione all’interno dello stesso strumento di analisi. Questo tipo di analisi offre numerosi vantaggi, primo fra tutti quello di diminuire il numero dei possibili modelli sismostratigrafici (spessori/velocità) determinati dal problema della non-univocità (cioè dell’equivalenza di modelli diversi per una data curva di dispersione) che in effetti tocca tutti i metodi geofisici di superficie. In buona sostanza più dati si hanno e meglio si riesce a focalizzare il modello di sottosuolo. 

Esempio di analisi congiunta Rayleigh+Love I dati acquisiti, componente Rayleigh (Fig.A) e componente Love (Fig.B), sono stati elaborati congiuntamente. Notare come alle frequenze comprese tra i 20 e i 40Hz le velocità relative al segnale che domina le onde di Rayleigh siano decisamente più alte (attorno ai 400m/s) rispetto a quelle mostrate dalle onde di Love (circa 250 m/s). Un’analisi con le sole onde di Rayleigh avrebbe potuto far sovrastimare le velocità considerando come modo fondamentale, quello che in realtà è il primo superiore. Il modo fondamentale domina le onde di Love, mentre è presente solo tra 25 e 35 Hz nelle onde di Rayleigh. 

HVSR (Horizontal-to-Vertical Spectral Ratio)

E’ una tecnica di indagine passiva basato sulla misura e l’analisi delle vibrazioni del terreno indotte da sorgenti non controllate, definite rumore sismico, microtremori o rumore ambientale. Il rilievo dei microtremori consiste nella misurazione del rumore ambientale, attraverso un apparato di registrazione dotato di 3 velocimetri (o accelerometri) disposti nelle tre direzioni dello spazio. L’elaborazione/analisi del segnale viene poi effettuata facendo il rapporto tra lo spettro di ampiezza della componente verticale a quello medio orizzontale. Le misure H/V (rapporto tra la componente orizzontale e quella verticale) forniscono indicazioni sul periodo proprio di sito (o frequenza di risonanza f0), permettendo ai tecnici di progettare le strutture con diversa frequenza per evitare la doppia risonanza. Il periodo proprio di sito (la frequenza è l’inverso del periodo) è indicato dalla formula T0 = 4H/Vs
Dove: Vs è la velocità delle onde di taglio media fino al bedrock (inteso come un orizzonte con forte contrasto di Vs che dà origine ad un picco dell’H/V) H = spessore dei sedimenti sovrastanti il bedrock. Attraverso l’utilizzo esclusivo di tale tecnica è difficile ricavare corrette misure di Vs e non è in alcun modo possibile ottenere un modello sismostratigrafico attendibile a causa del problema della non univocità, cioè l’equivalenza di modelli diversi per una certa curva H/V. Un buon risultato può essere ottenuto mediante analisi congiunta con dati MASW acquisiti con onde di Rayleigh e/o onde di Love. L’utilità delle misure H/V risiede quindi nella possibilità di ricavare empiricamente la frequenza di sito e, a fianco di curve di dispersione date da misure MASW, a vincolare il modello Vs specie in profondità (vedi esempio sotto).

Re.Mi. (Refraction Microtremor Analysis)

E’ una tecnica di indagine passiva ad array lineare analoga nel principio a quella MASW, analizzando in effetti la dispersione delle onde di Rayleigh (in generale la tecnica ReMi non consente di analizzare le onde di Love). I geofoni utilizzati sono quelli verticali da 4.5Hz (gli stessi geofoni utilizzati per indagini MASW e Rifrazione in onde P). La differenza sostanziale tra le indagini MASW e quelle ReMi è che in questo secondo caso la sorgente (la sua distanza e posizione) non è in generale chiaramente nota. 

SISMICA A RIFRAZIONE

Il principio di questa tecnica sismica è basato sull’analisi del tempo che impiega un’onda sismica ad attraversare differenti strati del sottosuolo e ritornare quindi in superficie a causa delle molteplici rifrazioni subite. E’ possibile considerare tanto le onde longitudinali/compressionali (onde P) che quelle trasversali (onde S, o di taglio).
La tecnica si basa sulla misura dei tempi dei primi arrivi registrati da una serie di sensori (geofoni) disposti in superficie.
Lo studio della propagazione delle onde sismiche consente di valutare le proprietà meccaniche e fisiche dei terreni; geometria e spessori delle coltri superficiali e delle unità sottostanti; la profondità e l’andamento del “bedrock”; ed eventualmente, in terreni alluvionali, la profondità della falda (se questa non è troppo profonda). L’acquisizione viene eseguita tramite sismografi a trasmissione digitale del segnale proveniente da geofoni verticali e/o orizzontali del tipo elettromagnetico a bobina mobile con frequenza propria di 4.5 Hz o 10Hz. Generalmente l’energizzazione avviene mediante martello su piastra per le onde compressionali P e su trave di legno per le onde di taglio S. 

TOMOGRAFIA SISMICA

La tomografia sismica consiste nell’analisi delle tempi di percorso delle onde sismiche nel sottosuolo e consente la ricostruzione di sezioni bidimensionali (2D). Tale metodo permette di individuare anomalie nella velocità di propagazione delle onde sismiche, aumenti lineari di velocità con la profondità, e di ricostruire situazioni stratigrafiche complesse. Si rivela particolarmente utile ad esempio per la ricostruzione dei corpi di frana e dell’andamento del substrato roccioso (bedrock) e per l’individuazione di faglie.