REGIONE UMBRIA Direzione Regionale Ambiente Territorio ed Infrastrutture

Servizi Tecnici Regionali

Osservatorio Sismico “A. Bina”

FRANA DI LORETO - TODI

CARATTERIZZAZIONE DEI DEPOSITI ATTRAVERSO

INDAGINI GEOFISICHE DI SISMICA A RIFRAZIONE E MASW

INDAGINI COMBINATE DI:

1) SISMICHE A RIFRAZIONE IN ONDE SH E P

2) INDAGINI MASW IN ONDE RAYLEIGH E LOVE

3) CORRELAZIONI TRA VELOCITA’ DELLE ONDE SISMICHE P ED SH,

MONITORAGGIO INCLINOMETRICO E SONDAGGI

A

B

Ricerca scientifica svolta nell’ambito del rapporto di Convenzione tra

Regione Umbria e Osservatorio Sismico “A. Bina”

FRANA DI LORETO - TODI

CARATTERIZZAZIONE SISMICA

DEL MOVIMENTO GRAVITATIVO

INDAGINI COMBINATE DI:

1) SISMICHE A RIFRAZIONE IN ONDE P ED SH

2) INDAGINI MASW IN ONDE RAYLEIGH E LOVE

-Valutazione delle velocità delle onde sismiche P ed S.

- Determinazione della categoria di sottosuolo e del parametro Vs30;

- Correlazioni con dati litostratigrafici diretti

- Ricostruzione geometrica del piano di scorrimento

Gruppo di Lavoro

REGIONE UMBRIA

Dott. Geol. Arnaldo Boscherini

Dirigente Servizi Tecnici Regionali

OSSERVATORIO SISMICO “A. BINA”

Dott. Padre Martino Siciliani

Direttore

Dott. Geol. Andrea Motti

Responsabile tecnico

Geol. Orazio Fabrizi

Responsabile sez. monitoraggio aree in

frana

Geol. Maria Teresa Barba

Collaboratrice monitoraggio aree in frana

Geom. Roberto Forbicioni

Collaboratore monitoraggio sismico aree

in frana

Dott. Geol. Michele Arcaleni

Responsabile settore Indagini Sismiche

Sergio Tardioli

Tecnico operatore

Ricerca scientifica svolta nell’ambito del rapporto di Convenzione esistente tra Regione Umbria e

l’Osservatorio Sismico “A. Bina” di Perugia.

Ottobre 2011

INTRODUZIONE

Viene realizzata una campagna geofisica integrata di sismica a rifrazione in onde SH e P e

Masw in onde di Rayleigh e Love in una zona coinvolta da un importante movimento franoso,

presso Loreto di Todi, attraverso l’esecuzione e l’analisi di oltre 1300 m complessivi di profili

sismici (tra rifrazione in onde SH e P e Masw in onde di Rayleigh e Love).

Lo scopo principale è quello di ottenere una ricostruzione geometrica del piano di

scorrimento ed una caratterizzare sismica del movimento gravitativo stesso.

Per raggiungere l’obiettivo prefissato, vengono utilizzati i metodi di sismica a rifrazione in

onde P ed SH (con elaborazione in tecnica tomografica e profili a tracce coincidenti e MASW

in analisi congiunta onde di Rayleigh ed onde di Love.

Il progetto si configura come ricerca scientifica effettuata nell’ambito della Convenzione

esistente tra la Regione Umbria e l’Osservatorio Sismico “A. Bina”.

Gli scopi principali sono i seguenti:

- ricostruzione geometrica del piano di scorrimento lungo la linea di massima pendenza;

- valutazione delle velocità delle onde sismiche P ed S dei depositi coinvolti dal

movimento gravitativi e di quello in posto.

- determinazione della categoria sismica di sottosuolo in base a quanto prescritto dalle

N.T.C. 14/01/08 e determinazione del parametro Vs30;

- parametrizzazione geotecnica indicativa dei deositi in base a correlazioni empiriche tra

Vp e Vs, con valutazione di moduli di elasticità.

DESCRIZIONE TECNICA RIASSUNTIVA DELLE INDAGINI EFFETTUATE ED

APPARECCHIATURE UTILIZZATE

Ambito indagine: RICERCA SCIENTIFICA - INDAGINI GEOFISICHE

COMBINATE PER LO STUDIO DI UN IMPORTANTE

MOVIMENTO GRAVITATIVO

Tipo di indagini: SISMICA A RIFRAZIONE IN ONDE SH E P

- N. 3 PROFILI DI SISMICA A RIFRAZIONE IN ONDE SH di

lunghezza 96 m, 120 m E 120 m. Acquisizioni a 24 canali, n. 5 punti

di energizzazione per profilo, elaborazione in tecnica tomografica,

geofoni orizzontali e verticali da 14 Hz e 4.5 Hz.

- N. 3 PROFILO DI SISMICA A RIFRAZIONE IN ONDE P a

traccia coincidente con i profili in onde SH.

Tot. 672 m di stendimenti

M.A.S.W. CONGIUNTA RAYLEIGH E LOVE (tarata con i dati

di sismica a rifrazione)

- N. 3 profili M.A.S.W. in onde di Rayleigh lunghezza 96, 120 e 120

m, acquisizione a 24 canali con geofoni verticali 4.5 Hz.

- N. 3 profili M.A.S.W. in onde di Love con geofoni orizzontali.

Le traccie dei profili Masw sono coincidenti con quelle dei profili a

rifrazione

Località: Loreto di Todi – Coordinate geografiche indicative:

Lat. 42.840972 Long. 12.630547

Strumentazione: Acquisitore PASI mod. 16S/24 (sismografo a 24 canali) per

Rifrazione; n. 24 geofoni orizzontali da 14 Hz; n. 24 geofoni

verticali da 4.5 Hz,

Software utilizzati SeisOpt 2D, SeisOpt Picker, WinMasw Pro

LOCALIZZAZIONE DELLE INDAGINI GEOFISICHE REALIZZATE

A

B

Sismica a rifrazione: Profili effettuati sia in onde Sh che in onde P, per un totale di 672 m di

stendimenti

A

B

Profili Masw in onde Rayleigh e Love. Le tracce sono coincidenti con i profili di sismica a

rifrazione, per un totale di ulteriori 672 m di stese sismiche.

CENNI TEORICI ED APPLICATIVI SULLE INDAGINI

REALIZZATE PER LA CARATTERIZZAZIONE DEL

MOVIMENTO FRANOSO

1 – SISMICA A RIFRAZIONE CONGIUNTA IN ONDE SH e P

L’indagine di sismica a rifrazione in onde SH e P ha lo scopo di ricostruire l’assetto

sismostratigrafico dei livelli più superficiali, mettere in evidenza eventuali contrasti di rigidità

sismica (associabili, ad esempio, al passaggio tra il materiale in frana e quello in posto),

fornire la velocità delle onde S entro i primi trenta metri, così come indicato dalle N.T.C. del

14/01/2008. Altro scopo è quello di “tarare e vincolare” l’altro metodo di indagine (MASW)

per tutto lo spessore investigato dalla tomografia sismica, contribuendo a diminuire

l’incertezza sulla determinazione delle velocità delle onde sismiche Vs e Vp nei livelli più

profondi. Le lunghezze dei profili realizzati (96 m per il profilo A-B, 120 m per i profili C-D

ed E-F) sono risultate soddisfacenti per una caratterizzazione geometrica e geotecnica del

corpo di frana e del substrato e per la valutazione del parametro Vs30 (e quindi anche per

determinazione della categoria di sottosuolo in base alle N.T.C. 14/01/2008).

I dati dei profili Masw in onde Rayleigh e Love, utilizzati solo a carattere puramente

qualitativo a causa delle limitazioni fisiche del metodo, confermano quanto emerso dai

risultati delle elaborazioni topografiche di sismica a rifrazione. Anche i dati geologici diretti

messi a disposizione si allineano ai risultati geofisici.

I profili in onde S (SH) e P sono stati effettuati con 24 geofoni (acquisizione simultanea) a

14 Hz e 4.5 Hz orizzontali e verticali e con base sismica per energizzazione per onde SH

(trave solamente appoggiata al suolo con contrappeso di 1.5 tonnellate, perpendicolare

rispetto alla direzione dello stendimento, acquisizioni con inversione di polarità e sommatoria

dei segnali). Sono stati realizzati n. 5 punti di energizzazione equidistanti per profilo, in modo

tale da poter avere una caratterizzazione di eventuali eteropie laterali. Si è energizzato con

martello pesante La trave per la base di onde SH non è stata ancorata a terra ma solamente

appoggiata, al fine di ridurre al massimo la produzione di onde P. I sismogrammi sono stati

acquisiti con sismografo ad alta dinamica e l’elaborazione è stata svolta in tecnica

tomografica, per avere una caratterizzazione parametrica per celle di velocità.

Il software utilizzato elabora un modello teorico compiendo alcune migliaia di iterazioni

sulla base dei primi arrivi delle onde sismiche trasversali. Tale modello viene affinato

automaticamente fino a che i dati teorici coincidono il più possibile con quelli acquisiti

direttamente nella campagna di indagini sismiche. Attraverso questo tipo di elaborazioni, si

riduce sensibilmente il rischio di eventuali errori dovuti a fattori soggettivi di interpretazione.

L’elaborato finale fornisce la velocità relativa a singole celle aventi lati inferiori ai due metri.

In questo modo si riconoscono con chiarezza anche eventuali anomalie laterali di velocità.

Unitamente ai profili in onde SH, come precedentemente riportato, vengono realizzati

anche profili in onde P a traccia coincidente. Lo scopo principale, oltre ad una

parametrizzazione tomografica del corpo di frana in onde P, è quello di poter ottenere anche

informazioni geotecniche e la determinazione di moduli di elasticità, utilizzando alcune

relazioni empiriche che analizzano il rapporto Vp/Vs.

Con le stesse geometrie dei profili in onde S, sono stati quindi effettuati profili in onde P

sostituendo i geofoni orizzontali con geofoni verticali ed energizzando in onde P (quindi con

battuta verticale su un piano orizzontale).

Tabella 2: Alcune relazioni empiriche tra Vs e NSPT. Il valore di Vs è espresso in m/s

Autori Espressioni

Imai & Yoshimura (1970) 0.33

S SPTV 76N

Ohba & Toriumi (1970) 0.31

S SPTV 84N

Ohta e Goto (1978) 0.17 0.2

S SPTV 69N z EF

z profondità (m)

E 1.0 (Olocene) F 1.0 arg illa

1.3 (Pleistocene) 1.09 sabbia fine

1.07 sabbia media

1.14 sabbia grossolana

1.15 sabbia ghiaiosa

1.45 ghiaia

Ohta e Goto (1978) 0.193

0.173

S SPT

ZV 54.33 (N )

0.303

Z= profondità (m)

= fattore di età: Olocene = 1.000

Pleistocene= 1.303

= fattore di geologia: sabbie = 1.086

argille = 1.000

Ohta e Goto (1978) modificato da Seed et

al. (1988)

0.17 0.20

S 60 A G

m

60 m

A

G

V 53.3 (N ) z f f

N numero di colpi nella prova SPT

ERN N numero dei colpi normalizzati

60

z profondità (m)

1 per Olocenef fattore dipendente dall 'età geo log ica

1.3 per Pleistocene

f fattore dipendente dalla natura del deposito

1 per arg ille

1.086 per sabbie fini

1.066 per sabbie medie

1.135 per sabbie grossolane

1.153 per sabbie o ghiaie

1.448 per ghiaie

Imai (1977) b

S SPTV aN

a 102 b 0.29 arg ille Oloceniche

81 0.33 sabbie Oloceniche

114 0.29 arg ille Plioceniche

97 0.32 sabbie Plioceniche

Yoshida e Ikeni e Kokusho (1988) 0.25 ' 0.14

S SPT voV (N )

= fattore di geologia: sabbie fini= 49

25% di ghiaia=56

50% di ghiaia=60

qualsiasi terreno = 55

Okamoto et al. (1989) ePliocenichsabbieN125V 3.0

SPTS

Zuccarello (1999) 0.31

S SPT SPTV 80 (N ) '

SPT= fattore legato ad NSPT (TAB. IV)

’ = fattore di geologia (TAB. V)

Maugeri M. & Carrubba P. (1983) 0.832

S SPTV 15N argille compatte

0.430

S SPTV 80N alternanze di marne e argilliti

0.630

S SPTV 36N alternanze di calcari e marne

0.55

S SPTV 48N in generale

Fase di energizzazione in onde P lungo il profilo C-D onde P.

BREVE NOTE SULLE APPLICAZIONI E METODOLOGIE DELLE INDAGINI DI

SISMICA A RIFRAZIONE

Applicazioni:

• Stratigrafia geologica a piccola e media profondità

• ricostruzioni di movimenti franosi

• Determinazione della profondità del substrato roccioso

• Studio di fondazioni

• Indagini preliminari per la realizzazione di grandi opere (ferrovie, strade, oleodotti)

• Valutazione del costo di operazioni di scavo e sbancamento

• Valutazione depositi di ghiaia, sabbia, argilla

• Ricerche minerarie

Metodologia:

La sismica a rifrazione consente di determinare con buona approssimazione la stratigrafia del

sottosuolo, limitando così, con notevole risparmio di tempo e denaro, il numero di sondaggi

geognostici da effettuare nell’area da investigare.

Un’apparecchiatura per sismica a rifrazione è costituita generalmente da un sismografo e da un

gruppo di geofoni (freq.10-14 Hz): si tratta di energizzare il terreno mediante l’onda d’urto prodotta

dall’esplosione di una piccola carica o dall’impatto di una mazza di battuta. Il compito del

sismografo è quello di misurare il tempo impiegato dalla perturbazione sismica indotta nel terreno a

percorrere la distanza tra la sorgente e ciascun geofono, opportunamente spaziato lungo un profilo.

La velocità di propagazione dell’onda sismica dipende dalle caratteristiche elastiche del sottosuolo e

dalla sua conformazione; la relazione tra velocità dell’onda e distanza sorgente-geofono

(dromocrona) consente, applicando una serie di formule matematiche, di risalire agli spessori degli

strati esistenti nel sottosuolo.

APPARECCHIATURA NECESSARIA PER LA SISMICA A RIFRAZIONE

L’apparecchiatura utilizzata per questo tipo di prove si deve comporre delle seguenti parti:

- Sistema sorgente;

- Sistema di ricezione;

- Sistema di acquisizione dati;

- Trigger.

SCHEMA DELLA PROVA

La prova consiste nel produrre sulla superficie del terreno, in prossimità del sito da investigare,

sollecitazioni dinamiche orizzontali per le onde SH e verticali per le onde P e nel registrare le

vibrazioni prodotte, sempre in corrispondenza della superficie, a distanze note e prefissate mediante

sensori a componente orizzontale.

L’interpretazione dei segnali rilevati e la conseguente stima del profilo di velocità delle onde P ed

SH può scomporsi in queste fasi fondamentali:

- Individuazione del primo arrivo in SH e Vp;

- Ricostruzione delle dromocrone e relativa interpretazione.

DESCRIZIONE DEL SISMOGRAFO PER RIFRAZIONE PASI 16 S

Funzioni principali:

• Attivazione filtri: in acquisizione o post-acquisizione

• Filtri antialiasing: attivi, LPF, 6°ordine Butterworth; pend.asint.-36dB/oct (-120dB/dec);

accuratezza. ±1% freq.di taglio

• Start acquisizione: con trigger esterno o comando software (ASAP)

• Trigger: hammer o geofono starter (7 livelli di sensibilità selezionabili via software); inibizione

impulsi dovuti a rimbalzi; segnalazione di accettazione impulso

• Guadagni: tutti selezionabili via software

• Enhancement con/senza preview totale/parziale

• Marker per determinare la posizione dei punti video sulla scala dei tempi

• A.G.C. Automatic Gain Control

• Delay: Pre-trigger 0-10ms (step di 1ms); Post-trigger 0-16000ms (step di 1ms)

• Visualizzazione in wiggle-trace o area variabile

• Noise-monitor con visualizzazione “real time” a cascata

• Determinazione risorse disponibili sullo strumento in funzione dello spazio libero su disco

• Trace-size automatica o manuale per ogni canale

• Registrazione automatica delle acquisizioni

• Scaricamento dati a PC via porta seriale tramite software dedicato PCLINK32

• Scaricamento dati a periferiche con collegamento su porta parallela (es. I/Omega ZIP o JAZZ)

• Calibrazioni automatiche : doppia taratura offset, taratura ingressi su tensione di riferimento,

taratura guadagno

• Codifica dati in formato SEG-2

CARATTERISTICHE TECNICHE

Processore: Pentium 266 Intel

Trattamento dati: Floating Point 32-bit

Ambiente operativo: Windows©

Interfaccia multilingue: Italiano,Inglese,Francese,Spagnolo,etc.

Numero canali: 24

Puntamento: VersaPoint Mouse

Display: VGA a colori in LCD-TFT 10.4"

Supporto di memorizzazione: Hard-Disk 3.2 Gb

Risoluzione di acquisizione: 24bit con sovracampionamento e post-processing

Stampante (opzionale): Seiko DPU-414 thermal printer

Porte dati esterne: RS232, parallela, stampante

Sensore ambiente interno: temperatura

Protezioni termiche: prevenzione e controllo surriscaldamenti interni (warning sul display e blocco)

Compatibilità dati acquisiti: SEG-2

Connettori cavo geofoni: standard NK-27-21C

Alimentazione: 12VDC (batteria esterna su richiesta); allarme di batteria scarica

Temperatura di funzionamento: 0°C ÷ 55°C:

Umidità: 5% ÷ 90%, non condensante

Dimensioni fisiche: 50x40x22cm (valigia antiurto)

Peso: 16 kg

GEOFONI

Sono stati utilizzati geofoni verticali ed orizzontali dedicati per sismica a rifrazione (14 Hz) e

Masw (4.5 Hz). Si tratta di sensori elettromagnetici a bobina mobile. Tali dispositivi convertono il

movimento del suolo causato dall’energizzazione in tensione. Ogni geofono è collegato, tramite il

cavo principale, all’acquisitore.

SORGENTE DI ENERGIA

Per realizzare i profili sismici è stato sufficiente energizzare con martello pesante. Il rumore di

fondo è risultato essere molto contenuto. Il sito, infatti, risulta in posizione isolata, lontano da

importanti vie di comunicazione e stabilimenti industriali.

TRIGGER

Come sistema di trigger per fornire il tempo zero (T0) all’acquisitore, è stato utilizzato un

accelerometro piezoelettrico posto in corrispondenza della testa del martello pesante (con

sensibilità settabile attraverso il sismografo).

CONFIGURAZIONE DELLE LINEE SISMICHE

Punti di energizzazione:

Per ogni base sismica (profilo) sono state effettuate cinque rigistrazioni (scoppi o tiri) equidistanti,

secondo il seguente schema:

Estremo a sx Intermedio a sx Centrale Intermedio a dx Estremo a dx

Geofoni

Punti di energizzazione

Schema geometrico degli stendimenti di sismica a rifrazione.

Primo tratto del profilo A-B

RISULTATI SISMICA A RIFRAZIONE

PROFILO SISMICO A RIFRAZIONE A-B onde SH

A B

PROFILO SISMICO A RIFRAZIONE A-B onde P

A B

PROFILO SISMICO A RIFRAZIONE C-D onde SH

C D

PROFILO SISMICO A RIFRAZIONE C-D onde P

C D

PROFILO SISMICO A RIFRAZIONE E-F onde SH

E F

PROFILO SISMICO A RIFRAZIONE E-F onde P

E F

UNIONE ED INTERPRETAZIONE – PROFILI IN ONDE SH

UNIONE - PROFILI IN ONDE P

CALCOLO DEL PARAMETRO VS30

(in base a quanto previsto dalle N.T.C. 14/01/2008)

VS30 PROFILO A-B ONDE SH

Velocità di propagazione delle Onde di taglio

hi=(m) Vsi=(m/s) hi/vs

295,971 m/s

1,5 254 0,005906

1,5 259 0,005792

1,5 264 0,005682

1,5 269 0,005576

1,5 273 0,005495

1,5 277 0,005415

1,5 280 0,005357

1,5 283 0,0053

1,5 285 0,005263

1,5 288 0,005208

1,5 290 0,005172

1,5 296 0,005068

1,5 304 0,004934

1,5 317 0,004732

1,5 331 0,004532

1,5 342 0,004386

1,5 342 0,004386

1,5 342 0,004386

1,5 342 0,004386

1,5 342 0,004386

30 0,101361

Vs30 a 48 m dal punto A

Ni i

i

S

V

hV

,1

30

30

VS30 PROFILO C-D ONDE SH

Velocità di propagazione delle Onde di taglio

hi=(m) Vsi=(m/s) hi/vs

261,2131 m/s

1,875 147 0,012755

1,875 159 0,011792

1,875 181 0,010359

1,875 212 0,008844

1,875 244 0,007684

1,875 263 0,007129

1,875 271 0,006919

1,875 283 0,006625

1,875 299 0,006271

1,875 315 0,005952

1,875 330 0,005682

1,875 345 0,005435

1,875 360 0,005208

1,875 378 0,00496

1,875 396 0,004735

1,875 417 0,004496

30 0,114849

Vs30 a 60 m dal punto C

Ni i

i

S

V

hV

,1

30

30

VS30 PROFILO E-F ONDE SH

Velocità di propagazione delle Onde di taglio

hi=(m) Vsi=(m/s) hi/vs

211,7067 m/s

1,875 143 0,013112

1,875 149 0,012584

1,875 162 0,011574

1,875 176 0,010653

1,875 186 0,010081

1,875 192 0,009766

1,875 198 0,00947

1,875 206 0,009102

1,875 217 0,008641

1,875 232 0,008082

1,875 249 0,00753

1,875 268 0,006996

1,875 287 0,006533

1,875 306 0,006127

1,875 321 0,005841

1,875 334 0,005614

30 0,141705

Vs30 a 20 m dal punto E

Ni i

i

S

V

hV

,1

30

30

VS30 PROFILO E-F ONDE SH

Velocità di propagazione delle Onde di taglio

hi=(m) Vsi=(m/s) hi/vs

235,644 m/s

1,875 137 0,013686

1,875 148 0,012669

1,875 162 0,011574

1,875 174 0,010776

1,875 187 0,010027

1,875 202 0,009282

1,875 220 0,008523

1,875 241 0,00778

1,875 265 0,007075

1,875 292 0,006421

1,875 320 0,005859

1,875 350 0,005357

1,875 371 0,005054

1,875 404 0,004641

1,875 427 0,004391

1,875 447 0,004195

30 0,127311

Vs30 a 60 m dal punto E

Ni i

i

S

V

hV

,1

30

30

ATTRIBUZIONE DI MODULI ELASTICI

Vengono di seguito determinati, in modo qualitativo, il coefficiente di Poisson ed alcuni moduli

elastici (Modulo di Young, Modulo di Taglio, Modulo di Lamé, Modulo di Compressione)

relativi ai depositi più superficiali presenti al centro della traccia dei profili sismici a rifrazione.

La modellazione è stata possibile utilizzando correlazioni empiriche che mettono in relazione la

velocità delle onde S (ricavate dal profilo di sismica a rifrazione in onde SH), la velocità delle

onde P (ricavate dai profili in onde P) e la densità.

Sono state quindi messe in relazione le velocità Vp e Vs relative alle celle che rappresentano la

verticale al centro di ogni profilo sismico (quindi a 48 m dal punto A, 60 m dal punto C e 60 m

dal punto E).

Tabella 1: Alcune formule che permettono di determinare empiricamente alcuni moduli

geotecnici in funzione di Vp e Vs.

Nota: In linea di massima, una roccia massiccia può avere un rapporto di Poisson da circa

0.15 sino a 0.30 (valori tipici attorno a 0.25), mentre materiali inconsolidati (silt ed argille)

hanno tipicamente valori tra 0.35 e 0.45. Le sabbie presentano valori molto variabili (da 0.3

sino quasi al valore massimo teorico di 0.5). L’idea di massima è che tanto più “sciolto” ed

“inconsistente” è un materiale tanto più alto è il valore del modulo di Poisson (sino appunto al

massimo teorico di 0.5 – valore valido per i fluidi).

Dist. da A

(m)

Prof. della cella dal

p.c. (m)

Vp

(m/s)

Vs

(m/s)

Poisson Young

(Mpa)

Shear

(Mpa)

Lamè

(MPa)

48 4.5-6.0 550 269 0.34 331 116 252

48 9.0-10.5 623 280 0.37 345 125 370

48 13.5-15.0 652 288 0.38 389 141 441

48 19.5-21.0 780 317 0.4 479 171 693

48 24.0-25.5 998 342 0.43 604 211 1372

Tabella 2: Profilo A-B - correlazione Vp, Vs e parametri elastici

Dist. da C

(m)

Prof. della cella

dal p.c. (m)

Vp

(m/s)

Vs

(m/s)

Poisson Young

(Mpa)

Shear

(Mpa)

Lamè

(MPa)

60 3.750-5.625 391 181 0.36 143 52 140

60 9.375-11.25 1004 263 0.46 324 111 1391

60 15.0-16.875 1634 299 0.48 451 152 4235

60 18.75-20.62 1766 330 0.48 581 196 5222

Tabella 3: Profilo C-D - correlazione Vp, Vs e parametri elastici

Dist. da E

(m)

Prof. della cella

dal p.c. (m)

Vp

(m/s)

Vs

(m/s)

Poisson Young

(Mpa)

Shear

(Mpa)

Lamè

(MPa)

60 3.750-5.625 733 162 0.47 124 42 776

60 9.375-11.25 1226 202 0.48 194 65 2274

60 15.0-16.875 1793 265 0.49 335 119 5226

60 18.75-20.62 2299 320 0.49 549 184 9145

Tabella 4: Profilo E-F - correlazione Vp, Vs e parametri elastici

INDAGINI CON TECNICA M.A.S.W.

Sono state effettuate anche indagini M.A.S.W (Multichannel Analysis of Surface Waves) in analisi

congiunta onde di Rayleigh ed onde di Love, con profili sovrapporti a quelli della rifrazione. Lo

scopo principale dell’indagine è quello di valutare la corrispondenza tra il modello

sismostratigrafico ottenuto con le onde Sh e P con quello ottenuto dalle onde superficiali R e L.

Per acquisire in onde Rayleigh sono stati utilizzati 24 geofoni verticali da 4.5 Hz ed è stato

energizzato in verticale. Per le onde di Love sono stati impiegati 24 geofoni orizzontali ed è stato

energizzato con base sismica per onde di taglio. Il tempo di acquisizione del segnale (2 secondi) ed

il campionamento del segnale (0.25 ms) si sono rilevati idonei per l’analisi delle onde superficiali.

CENNI TEORICI SULLE PROSPEZIONI SISMICHE BASATE SULL’ANALISI DELLE

ONDE SUPERFICIALI DI RYLEIGH.

Le onde di Rayleigh sono polarizzate in un piano verticale e si generano in corrispondenza della

superficie libera del mezzo quando viene sollecitato acusticamente. In questo tipo di onde le

particelle descrivono un movimento di tipo ellittico (moto retrogrado) la cui ampiezza decresce

esponenzialmente con la distanza dalla superficie libera. L’asse maggiore delle ellissi è normale alla

superficie libera del mezzo ed alla direzione di propagazione delle onde e le particelle compiono

questo movimento ellittico in senso retrogrado rispetto alla direzione di propagazione delle onde

che vengono generate. Le onde di Love sono onde superficiali generate dall’incontro delle onde di

taglio (SH) con la superficie libera. I fronti d’onda delle Love fanno vibrare il terren sul piano

orizzontale in direzione ortogonale rispetto alla direzione di propagazione.

Le onde superficiali di Rayleigh, quando si propagano in un mezzo omogeneo, non presentano

dispersione e la loro velocità è uguale a 0.92 VS. In un mezzo disomogeneo, quale la Terra, la loro

velocità varia in funzione della lunghezza d’onda tra i limiti 0 e 0.92 VS. La teoria della

propagazione delle onde superficiali è ben conosciuta ed è descritta dettagliatamente da Ewing et al.

(1957).

La determinazione della velocità delle onde di taglio VS tramite le misure delle onde superficiali di

Rayleigh risulta particolarmente indicata per suoli altamente attenuanti e ambienti rumorosi poiché

la percentuale di energia convertita in onde di Rayleigh è di gran lunga predominante (67%) rispetto

a quella coinvolta nella generazione e propagazione delle onde P (7%) ed S (26%). Inoltre

l’ampiezza delle onde superficiali dipende da √r e non da r come per le onde di volume. I metodi

basati sull’analisi delle onde superficiali di Rayleigh forniscono una buona risoluzione e non sono

limitati, a differenza del metodo a rifrazione, dalla presenza di inversioni di velocità in profondità.

Inoltre la propagazione delle onde di Rayleigh, anche se influenzata dalla VP e dalla densità, è

funzione innanzitutto della VS, parametro di fondamentale importanza per la caratterizzazione

geotecnica di un sito secondo quanto previsto dalle recenti normative antisismiche (n.t.c.

14/01/2010). Infatti, mentre la velocità delle onde P misurata in terreni saturi dipende in maniera

sostanziale dalle vibrazioni trasmesse dal fluido interstiziale e non dallo scheletro solido del

materiale, la velocità delle onde S è caratteristica delle vibrazioni trasmesse dal solo scheletro solido

e, pertanto, a differenza delle onde P, risulta rappresentativa delle reali proprietà meccaniche del

terreno. La proprietà fondamentale delle onde superficiali di Rayleigh, sulla quale si basa l’analisi

per la determinazione delle VS, è costituita dal fenomeno della dispersione che si manifesta in mezzi

stratificati.

Analizzando la curva di dispersione, ossia la variazione della velocità di fase delle onde di Rayleigh

in funzione della lunghezza d’onda (o della frequenza, che è inversamente proporzionale alla

lunghezza d’onda), è possibile determinare la variazione della velocità delle onde di taglio con la

profondità tramite processo di inversione. La velocità delle onde di Rayleigh (VR) è pari a circa il

90% delle onde di taglio (VS).

La metodologia per la realizzazione di una indagine sismica MASW prevede 4 passi fondamentali:

1. Ripetute acquisizioni multicanale dei segnali sismici, generati da una sorgente energizzante

artificiale (maglio battente su piastra in alluminio), lungo uno stendimento rettilineo di sorgente-

geofoni

2. Estrazione del modo fondamentale dalle curve di dispersione della velocità di fase delle onde

superficiali di Rayleigh (una curva per ogni acquisizione);

3. Inversione delle curve di dispersione per ottenere profili verticali 1D delle VS

4. Ricostruzione di una sezione delle VS

Quando vengono generate onde sismiche usando una sorgente impattante come un martello su una

piastra vengono generate sia onde di volume (P ed S), sia onde di superficie (Rayleigh e Love), che

si propagano in tutte le direzioni. Alcune di queste onde vengono riflesse e disperse quando

incontrano oggetti superficiali o poco profondi (ad esempio, fondazioni di edifici, canali sotterranei,

trovanti lapidei, ecc.) e diventano rumore. Inoltre, vengono quasi sempre rilevate vibrazioni da

rumore ambientale proveniente dal traffico veicolare, dall’attività industriale e, in generale,

dall’attività umana. Il vantaggio principale dell’approccio multicanale della tecnica MASW sta

nella sua intrinseca capacità di distinguere tutte queste onde dovute al rumore e di isolarle dalle

onde superficiali di Rayleigh evidenziando solo il modo fondamentale di oscillazione dei terreni.

RISULTATI INDAGINE CONGIUNTA RAYLEIGH E LOVE

Per l’analisi dei dati non viene utilizzato il processo di inversione diretta (cioè fare direttamente il

picking della curva di dispersione per poi ottenere il profilo verticale delle Vs), sconsigliato

fortemente a causa della possibilità di errori di interpretazione ed alla non univocità tra curva di

dispersione e modello sismostratigrafico. Si è preferito quindi procedere con una “modellazione

diretta”, grazie alla quale, partendo da un modello di Vs ricavato dalla media delle Vs determinate

dai profili di sismica a rifrazione in onde S, è stato possibile verificare una buona corrispondenza tra

la curva calcolata (riferita al modello di Vs medio di input) e la curva di dispersione dei dati

acquisiti sia in Rayleigh che il Love. Naturalmente, trattandosi di una media di Vs, è del tutto

naturale che ci siano delle leggere disomogeneità tra i massimi della curva di dispersione e la curva

calcolata.

Profilo A-B onde di Love

Profilo A-B onde di Rayleigh

Profilo C-D onde di Love

Profilo C-D onde di Rayleigh

Profilo E-F onde di Love

Profilo E-F onde di Rayleigh

SISMOGRAMMI E DROMOCROME ONDE SH

SISMOGRAMMI ONDE SH

A-B onde SH 96 m

C-D onde SH 120 m

E-F onde SH 120 m

DROMOCROME A-B ONDE SH 96 M

DROMOCROME C-D ONDE SH 120 M

DROMOCROME E-F ONDE SH 120 M

SISMOGRAMMI E DROMOCROME ONDE P

SISMOGRAMMI ONDE P

A-B ONDE P 96 M

C-D ONDE P 120 M

E-F ONDE P 120 M

DROMOCROME A-B ONDE P 96 M

DROMOCROME C-D ONDE P 120 M

DROMOCROME E-F ONDE P 120 M

DOCUMENTAZIONE FOTOGRAFICA