INDAGINI GEOFISICHE Le prospezioni geofisiche appartengono alla categoria delle prove indirette. Un’ampia gamma di metodologie permette di creare un modello del sottosuolo o di ricercare oggetti e strutture sepolte in modo non invasivo. Una serie di misure condotte in superficie o in fori di sondaggio consente di analizzare la variazione nello spazio di alcune proprietà dei terreni, quali densità, elasticità, suscettibilità magnetica, conducibilità elettrica. Questa variazione può essere determinata da un cambiamento della natura del terreno o da un diverso assetto strutturale nell’ambito della stessa massa litologica: in ogni caso essa marca una discontinuità che rappresenta un limite geologico (stratigrafico, petrografico o dovuto a determinate situazioni geomorfologiche). La possibilità di riprodurre con rappresentazioni 2D e 3D i dati geofisici raccolti determina gli importanti vantaggi rispetto all’isolato utilizzo di prove dirette puntiformi.

INDAGINI SISMICHE

Sismogramma onde SH

Le prospezioni sismiche sono metodi di indagine geofisica basati sullo studio della propagazione delle onde sismiche sia naturali che generate artificialmente. Esse dipendono dalle caratteristiche elastiche dei terreni: i principi di tale metodologia si basano per questo sulla teoria dell’elasticità. Le onde sismiche viaggiano nel sottosuolo a differente velocità attraverso i diversi litotipi e subiscono sulle superfici di discontinuità geologica i fenomeni della riflessione, rifrazione e diffrazione. La velocità di propagazione di un impulso sismico, può mutare anche nell’ambito di uno stesso litotipo perché, per variazioni di compattazione, fratturazione, porosità, ecc., cambiano le caratteristiche elastiche. I principali metodi di prospezione sismica si avvalgono delle onde riflesse (metodo a riflessione) delle onde rifratte (metodo a rifrazione) o rumore ambientale (tecniche passive) Molte delle metodologie della sismica si basano sulla tecnica di generare onde sismiche in un punto del terreno (cariche esplosive,cannoncino sismico,mazza battente, etc.) e di rilevarne l’arrivo, mediante sensori (geofoni), in altri punti. Attraverso lo studio dei sismogrammi e l’individuazione dei tipi di onda si può risalire alla disposizione geometrica e alle proprietà elastiche dei litotipi presenti al di sotto della zona di indagine. Per l’indagine del sottosuolo vengono utilizzate sia onde di volume (onde P) sia onde di taglio (onde S) che onde di superficie (Rayleigh o Love). Le onde di volume e di taglio si utilizzano principalmente nelle tecniche a riflessione, rifrazione e down hole mentre le onde superficiali nelle tecniche tipo MASW–SASW. Onde P e onde S Le velocità delle onde P misurate per terreni perfettamente saturi (Sr = 100%) dipendono talora in maniera decisiva dalle vibrazioni trasmesse dal fluido interstiziale e non dallo scheletro solido del materiale e perciò

tale valore può non essere rappresentativo delle proprietà meccaniche del materiale in questione; invece le velocità delle onde S sono caratteristiche delle vibrazioni trasmesse prevalentemente dal solo scheletro solido e perciò rappresentative delle proprietà meccaniche del terreno. Ne consegue che per alcuni terreni al di sotto della falda le uniche onde in grado di fornire informazioni precise sulla rigidezza del terreno sono quelle di taglio (S).

MICROZONAZIONE SISMICA La microzonazione sismica è una tecnica di analisi sismica che ha lo scopo di riconoscere ad una scala comunale o sub comunale le condizioni geologiche e geomorfologiche che possono alterare più o meno sensibilmente le caratteristiche del movimento sismico atteso e/o produrre deformazioni permanenti e critiche per le costruzioni e le infrastrutture in loco. In altri termini tale analisi ha l’obiettivo di individuare eventuali effetti di sito a seguito di un sisma.

SISMICA A RIFRAZIONE

Sezione sismostratigrafica onde SH

Il metodo della sismica a rifrazione è una delle indagini geofisiche più utilizzate dall’ingegneria civile per la conoscenza del sottosuolo. Esso è basato sul tempo necessario perché la perturbazione elastica, indotta nel sottosuolo da una determinata sorgente di energia, giunga agli apparecchi di ricezione (geofoni) percorrendo lo strato superficiale con onde dirette e gli strati più profondi con onde rifratte. L’apparecchiatura necessaria per le prospezioni sismiche è costituita da una serie di geofoni (generalmente 12 o 24) che vengono spaziati regolarmente lungo un determinato allineamento e da un sismografo che registra l’istante di partenza della perturbazione ed i tempi di arrivo delle onde a ciascun geofono.

Sismogramma onde SH

La registrazione, sia del momento dell’esplosione che del segnale amplificato da ciascun geofono, avviene simultaneamente su di un unico diagramma (sismogramma). La sorgente di energia può essere costituita da cariche esplosive, cannoncino sismico, mazza battente, etc.

Campi di applicazione:

• Classificazione del terreno di fondazione in base alle nuove norme antisismiche (Vs30 – OPCM 3274) (DM 14/01/2008)

• Studi di carattere geotecnico (individuazione delle proprietà elastiche dei mezzi, rilevati stradali, ponti, gallerie, dighe e tracciati ferroviari);

• Studi geomorfologici (individuazione e controllo della stabilità dei versanti); • Valutazione dello spessore dei corpi di frana; • Modellazione bidimensionale e tridimensionale del sottosuolo; • Studi per la pianificazione del territorio (microzonazione sismica) • Determinazione del substrato in zone di riempimento alluvionale, detritico o di riporto • Definizione delle coperture di alterazione e delle zone fratturate in un bedrock; • Studi di rippabilità, etc.

SISMICA A RIFLESSIONE

Sismica a riflessione

La sismica a riflessione è una metodologia largamente utilizzata nell’esplorazione del sottosuolo per ricostruire l’assetto stratigrafico e strutturale dei corpi geologici: geometrie deposizionali, stratificazione, superfici di discordanza, faglie, sovrascorrimenti, etc.. È “il più geologico” dei metodi geofisici, infatti permette di effettuare una ricostruzione, talora molto fedele, delle porzioni sepolte della superficie terrestre e può essere applicato in qualsiasi ambiente: terrestre, marino e di transizione (fluviale, lacustre, deltizio, ecc.). La sismica a riflessione si è sviluppata a grandi passi a partire dagli anni ’50 con il sostegno delle grandi compagnie petrolifere, negli ultimi decenni la diffusione della tecnologia digitale e l’abbattimento dei costi strumentali ha consentito sempre maggiori e più valide applicazioni in svariati campi (dall’ingegneria civile, agli studi ambientali, alla ricerca di base). Il metodo d’indagine consiste nel produrre uno scoppio e nel registrare le riflessioni da esso generate attraverso uno stendimento di diversi geofoni, le onde sismiche indotte dalla sorgente nel sottosuolo daranno origine ad una riflessione ogni qualvolta incontreranno un’interfaccia tra due mezzi caratterizzati da parametri fisico-elastici differenti e, quindi, da diversi valori di impedenza acustica. A differenza dalla sismica a rifrazione, nella sismica a riflessione non viene misurato solo il tempo di primo arrivo dell’onda elastica ai singoli geofoni, ma viene effettuata una accurata analisi dei treni d’onda ricevuti, attraverso la quale si giunge a riconoscere i segnali provenienti dalle superfici di separazione di terreni caratterizzati da differenti velocità sismiche. In questo modo sarà possibile risalire non solo alla profondità delle diverse superfici incontrate, ma anche di stabilirne con esattezza la geometria, l’estensione e le reciproche relazioni tra i corpi che esse suddividono. Campi di applicazione: • Studio di strutture geologiche di grandi dimensioni. • Contatti tettonici. • Ricostruzioni stratigrafiche profonde. • Ricerche idriche profonde. • Stratigrafia di terreno alluvionale fino a diverse centinaia di metri di profondità.

• Indagini di supporto per la costruzione di grandi opere (dighe, ponti, strade, autostrade, ecc.).

DOWN-HOLE | CROSS-HOLE

Elaborato Down Hole

Le prove sismiche in foro di tipo Down Hole e Cross Hole vengono realizzate, in fori di sondaggio appositamentepredisposti, con l’uso di geofoni da pozzo di tipo tridimensionale ed opportuni sistemi di energizzazione. Il metodo down-hole prevede la sorgente energetica in superficie ed i sensori all’interno del perforo. Si adoperano geofoni particolarmente assemblati per essere calati e fissati a profondità via via crescenti contro la parete di un perforo opportunamente condizionato; energizzando il terreno in superficie e misurando i tempi di arrivo del primo impulso ai geofoni, si ha la possibilità di determinare la velocità dei litotipi riscontrati nella perforazione ed i loro moduli elastici. Le prove denominate cross-hole consistono in una serie di misure della velocità di propagazione delle onde sismiche tra due perforazioni.

Sismogramma Down hole

La sorgente energetica deve essere in grado di generare onde elastiche ad alta frequenza e ricche di energia, con forme d’onda direzionali, cioè con la possibilità di ottenere prevalentemente onde di compressione e/o di taglio polarizzate su piani verticali. Le prove in foro tipo cross hole sono eseguite sia per il calcolo delle velocità delle onde P e S sia per la realizzazione di tomografie sismiche tra i fori di sondaggio. Campi di applicazione indagini sismiche down-hole: Sono gli stessi della sismica di superficie, ma consentono un maggiore dettaglio dei parametri elastici indagati.

Le prospezioni down-hole risultano quindi molto utili nel determinare: • la stratigrafia delle coperture alluvionali sul bedrock • Classificazione del terreno di fondazione in base alle nuove norme antisismiche (Vs30 – OPCM

3274) (DM 14/01/2008) • la localizzazione di zone fratturate (meccanicamente degradate) • microzonazione sismica • la presenza di cavità, etc.

CONO SISMICO

Cono sismico

L’indagine con cono sismico viene realizzata grazie a una punta metallica opportunamente equipaggiata con una terna geofonica. La prova viene svolta successivamente ad una prova penetrometrica statica o dinamica, allo scopo di determinare anche le caratteristiche dinamiche del sito. Il cono sismico utilizza lo stesso principio della prova down-hole: vengono misurati i tempi di percorrenza delle onde sismiche che si propagano dal piano campagna alla terna geofonica all’interno della punta sismica posta a profondità diverse. La prova è affidabile, economica e veloce pemettendo analogamente alla prova down hole di avere un profilo molto dettagliato della velocità sismiche senza ricorrere all’esecuzione del sondaggio e successivo equipaggiamento. Dalle velocità delle onde di compressione (Vp) e di taglio (Vs) riscontrate durante l’indagine, è possibile calcolare i principali moduli elastici (coeff. di Poisson, modulo di Young, modulo di taglio dinamico) e metterli in relazione ai parametri geotecnici ricavati dalla prova penetrometrica, direttamente per sovrapposizione dei grafici. Campi di applicazione: Sono gli stessi della sismica di superficie, ma consentono un maggiore dettaglio dei parametri elastici indagati. Risultano quindi molto utili nel determinare: • la Vs30 per la classificazione del terreno di fondazione (DM 14/01/2008); • la stratigrafia delle coperture alluvionali sul bedrock; • Microzonazione sismica; • la presenza di cavità, etc.

TOMOGRAFIA SISMICA

tomografia sismica

La tomografia sismica è un metodo che permette di individuare anomalie nella velocità di propagazione delle onde sismiche con un elevato potere risolutivo offrendo la possibilità di ricostruire stratigraficamente situazioni complesse, non risolvibili con differenti tecniche di indagine. Per questo tipo di indagini occorre avere un numero maggiore di sorgenti e di ricevitori. L’analisi del gradiente di velocità effettuata sulla sezione tomografica, permette di evidenziare i principali passaggi stratigrafici e/o di consistenza.

MASW – REMI La metodologia MASW-SASW permette una dettagliata ricostruzione della distribuzione delle velocità di propagazione delle onde superficiali (S e P) nei primi metri del sottosuolo; mentre, la tecnica REMI, permette, a scapito di una minore accuratezza nei primi metri, di raggiungere profondità maggiori. Entrambe le metodologie di indagine sono molto utili per ricavare il parametro Vs30, richiesto dalla nuova normativa sismica, in maniera semplice ed economica ma decisamente affidabile. Tramite la prova, vengono misurate le velocità sismiche delle onde superficiali a diverse frequenze. Campi di applicazione indagini sismiche Masw – Remi:

• la stratigrafia delle coperture alluvionali sul bedrock • Classificazione del terreno di fondazione in base alle nuove norme antisismiche (Vs30 – OPCM

3274) (DM 14/01/2008) • microzonazione sismica

TROMINO (HVSR SISMICA PASSIVA) Metodo a Stazione Singola HVSR (Tromino)

HVSR

Fra le prospezioni sismiche, stanno assumendo sempre maggior importanza quelle basate sull’acquisizione e sull’analisi del Rumore Sismico Ambientale (Seismic Noise) ovvero la continua vibrazione del suolo dovuta sia a cause antropiche che naturali. Questa tipologia di tecniche (definite metodi sismici passivi) , dunque, non ha bisogno di alcuna energizzazione esterna poiché utilizza come sorgente il traffico veicolare, la

produzione industriale, il vento, la pioggia e tutto ciò che è in grado di produrre una minima vibrazione sulla superficie del suolo. Quanto detto comporta rispetto alle più affermate metodologie sismiche di tipo attivo (MASW , Rifrazione, Down-Hole) svariati vantaggi:

• le acquisizioni di sismica passiva difficilmente vengono “sporcate” da interferenze esterne poiché sfruttano come sorgente quella porzione del segnale sismico che altre tecniche considerano un disturbo.

• non necessitando di alcuna energizazzione esterna al sistema tali indagini possono raggiungere con facilità profondità dell’ordine del centinaio di metri.

• non richiedono più di un operatore e sono molto più veloci rispetto alle comuni tecniche sismiche. Ovviamente la sismica passiva non è in grado di fornire il dettaglio di una rifrazione o un down-hole nelle applicazioni stratigrafiche, tuttavia è molto utile per una rapida individuazione del substrato sismico nelle problematiche legate alla risposta di sito. In particolar modo con la tecnica a “ Stazione Singola” viene valutato il rapporto di ampiezza fra le componenti orizzontali e verticali del moto (metodo HVSR ovvero “Horizontal to Vertical Spectral Ratios) (Nakamura, Y. [1989]). Analizzando misure di questo tipo è possibile identificare le modalità di vibrazione del terreno e individuare la frequenza fondamentale ( f ) di questa vibrazione. Sapendo che in generale esiste una relazione semplice fra f, lo spessore della parte più soffice del terreno (ovvero la parte di materiali sovrastante il bed-rock) e la velocità media (Vs) delle onde simiche nel sottosuolo (ricavata per esempio dai metodi con antenna), attraverso le misure HVSR è possibile risalire allo spessore di questo strato. Tuttavia essendo questa tipologia d’indagine per lo più preliminare, non sempre si dispone del parametro “Vs media”da inserire nella relazione. In questi casi è comunque possibile effettuare delle considerazioni di tipo “qualitativo” comunque molto utili nella programmazione delle successive indagini ed inoltre è possibile verificare possibili interferenze tra le frequenze risonanti del suolo e degl’edifici sovrastanti. Campi di applicazione indagini sismiche HVSR (Tromino): • Definizione della frequenza di risonanza di sito • Definizione della frequenza di risonanza di un edificio/struttura • Microzonazione sismica • Misure vibrometriche su strutture/edifici

GEOELETTRICA

Linee parallele

Le indagini geoelettriche si basano sull’immissione di correnti elettriche nel terreno con due o più elettrodi, detti “elettrodi di corrente”, e sulla misura della tensione (differenza di potenziale) tra altri due elettrodi, detti “di potenziale”. A seconda della distanza reciproca tra gli elettrodi che immettono la corrente e gli altri due che la misurano si possono investigare profondità sempre maggiori di terreno. Il parametro che viene misurato è la resistività elettrica che dipende dalla porosità, dalla permeabilità e dal contenuto ionico dei fluidi di ritenzione.

Campi di applicazione: • studi per la ricerca di acqua; • modellazione degli acquiferi; • studi di vulnerabilità delle falde; • mappatura della permeabilità dei terreni; • monitoraggio ingressione marina nelle falde; • analisi bi-tridimensionale del sottosuolo; • controllo edifici lesionati • individuazione delle successioni alluvionali; • studi per la bonifica ambientale; • valutazione estensione e spessore discariche abusive; • monitoraggio e controllo dell’integrità dei teli di contenimento in vasche e/o discariche • valutazione del rischio archeologico; • studi pedologici.

TOMOGRAFIA ELETTRICA 2D

Tomografia elettrica

La tomografia elettrica è un metodo di acquisizione ed elaborazione del dato che restituisce rappresentazioni bidimensionali ad alta risoluzione delle caratteristiche elettriche del sottosuolo, attraverso l’utilizzo di particolari softwares. Essa implica un diverso sistema di acquisizione del dato rispetto al tradizionale S.E.V. di cui tuttavia ne conserva il principio fisico: invece di energizzare e misurare da quattro elettrodi che vengono spostati di volta in volta, vengono utilizzati più elettrodi (16, 24, 32, 48 ecc.) con cui è possibile ottenere un numero molto alto di combinazioni, indagando quindi non più solo lungo una verticale, ma lungo tutta una sezione ottenendo un’informazione bidimensionale.

tomografia elettrica

Linee tomografia elettrica

Campi di applicazione tomografia elettrica 2D: • studi per la ricerca di acqua; • modellazione degli acquiferi; • studi di vulnerabilità delle falde; • mappatura della permeabilità dei terreni; • monitoraggio ingressione marina nelle falde; • analisi bi-tridimensionale del sottosuolo; • controllo edifici lesionati • individuazione delle successioni alluvionali;

• studi per la bonifica ambientale; • valutazione estensione e spessore discariche abusive; • monitoraggio e controllo dell’integrità dei teli di contenimento in vasche e/o discariche • valutazione del rischio archeologico; • studi pedologici.

TOMOGRAFIA ELETTRICA 3D

Area indagata

Con particolari tecniche ed appositi softwares è possibile acquisire e restituire il dato anche in maniera tridimensionale. Operando mediante una griglia di elettrodi, all’interno della quale vengono effettuate misure su tutte le combinazioni fattibili, è possibile risalire a un reale modello tomografico 3D. Inoltre combinando singoli profili 2D acquisiti con una adeguata configurazione spaziale si possono ricostruire modelli pseudo-3D. Il vantaggio del modello 3D è senza dubbio la completezza dell’informazione oltre alla possibilità di ricavare infinite sezioni del modello, disposte su piani qualsiasi.

Tomografia elettrica 3D

Sezioni 2D acquisite

Campi di applicazione tomografia elettrica 3D: • studi per la ricerca di acqua; • modellazione degli acquiferi; • studi di vulnerabilità delle falde;

• mappatura della permeabilità dei terreni; • monitoraggio ingressione marina nelle falde; • analisi bi-tridimensionale del sottosuolo; • controllo edifici lesionati • individuazione delle successioni alluvionali; • studi per la bonifica ambientale; • valutazione estensione e spessore discariche abusive; • monitoraggio e controllo dell’integrità dei teli di contenimento in vasche e/o discariche • valutazione del rischio archeologico; • diagnostica 3D fondazioni; • studi pedologici.

Discarica 3D

Volume 3d

Sezioni

TOMOGRAFIA ELETTRICA IN FORO

Schema elettrodi in foro

Tra le varie modalità di acquisizione, la tomografia elettrica in foro, offre senza dubbio alcuni vantaggi, sia nei casi di tecnica classica (tra due fori di sondaggio) che multi-borehole. Tra i vantaggi, la possibilità di ottenere un elevata risoluzione in profondità e l’applicazione anche in contesti in cui lo spazio per geometrie di superficie è ridotto. Inolte l’istallazione di elettrodi in foro, è senza dubbio vantaggiosa per le misure di monitoraggio da ripetere nel tempo (time lapse) abbinate a tecniche di recupero ambientale dei suoli (air sparging e altro). Applicandola in fori a piccola profondità può essere utile per problematiche ingegneristiche (studio di fondazioni, iniezioni, pedologia ecc.) Campi di applicazione tomografia elettrica in foro: • studi per la ricerca di acqua; • modellazione degli acquiferi; • studi di vulnerabilità delle falde; • monitoraggio ingressione marina nelle falde; • analisi bi-tridimensionale del sottosuolo; • controllo edifici lesionati • individuazione delle successioni alluvionali; • studi per la bonifica ambientale; • valutazione estensione e spessore discariche abusive;

• valutazione del rischio archeologico; • diagnostica 3D fondazioni; • studi pedologici. GEORADAR – GPR

Carrello multiantenna

Nell’indagine georadar (GPR) si impiegano onde elettromagnetiche generate dalla strumentazione, che penetrano nel sottosuolo raggiungendo varie profondità in funzione della frequenza utilizzata. Il sistema trasmette nel terreno impulsi elettromagnetici di una determinata frequenza tramite un trasduttore (antenna). L’impulso si propaga nel terreno con una certa velocità; quando incontra un’interfaccia (superficie di contatto fra due materiali diversi, oggetti sepolti) parte dell’impulso viene riflessa verso la superficie. L’antenna riceve in superficie gli impulsi riflessi, permettendo di ottenere in tempo reale la radarstratigrafia del sottosuolo. Misurando l’intervallo di tempo che intercorre tra un segnale elettromagnetico emesso e quello riflesso da un oggetto sepolto, è possibile risalire alla sua posizione. E’ un’ indagine non invasiva estremamente versatile che si applica a vari settori: Campi di applicazione: • Indagini geologiche • Ricerca di cavità nel sottosuolo • Mappatura dei sottoservizi • Indagini su strutture murarie • Ricerca delle armature • Archeologia • Valutazione rischio archeologico

ELETTROMAGNETOMETRIA L’ elettromagnetismo è una tecnica di indagine che si basa sulla misura dei campi magnetici prodotti dalle correnti elettriche indotte nel terreno indagato, attraverso un altro sistema di campi elettromagnetici generati artificialmente in superficie.

Il sistema che non necessita di contatti con il terreno, è in grado di misurare con elevata rapidità la conducibilità elettrica dei terreni, (direttamente proporzionale alla corrente indotta) permettendo un’esplorazione veloce e dettagliata di vaste aree del territorio, grazie anche al sistema G.P.S. integrato. I dati relativi alle anomalie del campo magnetico indotto vengono messi in relazione alla presenza nel sottosuolo di infiltrazioni d’acqua, di corpi solidi e di sostanze inquinanti. L’individuazione di sostanze inquinanti nei terreni e nelle falde rappresenta uno dei campi di applicazione più diffusi perché può essere effettuata con semplici scansioni superficiali e senza ricorrere a prelievi e analisi chimiche di campioni, che invece richiedono tempi e costi maggiori. Le indagini elettromagnetiche possono essere usate per delimitare le aree inquinate su cui concentrare indagini più specifiche per ottimizzare lo studio oppure per controllare il grado di impermeabilizzazione di impianti di stoccaggio o di trattamento di rifiuti. Campi di applicazione: • Mappe di conducibilità • Studio di aree a rischio inquinamento • Ricerca di corpi metallici sepolti • Definizione aree inquinate • Individuazione di perdite in condotte idriche sepolte • Valutazione rischio archeologico

LOGS GEOFISICI IN FORO I Carotaggi geofisici, o Logs in foro consentono di ottenere una registrazione continua delle variazioni di un parametro fisico o chimico del terreno in funzione della profondità. Sono metodi che generalmente vengono utilizzati come strumento complementare alle tecniche di indagine tradizionali, si eseguono calando all’interno di un foro di sondaggio od un piezometro od un pozzo esistente, un’apposita sonda del diametro di pochi centimetri. Un argano motorizzato controlla l’avanzamento della sonda ed in modo sincronizzato vengono effettuate le misure. Con questa tecnica è possibile ottenere un risultato ad alta risoluzione (dell’ordine del decimetro) ed in condizioni pressoché “indisturbate”. Inoltre consente di effettuare la misura in situ di una vasta gamma di parametri fisici e fisico-chimici quali temperatura, resistività dei terreni e del fluido, radioattività naturale, ed indotta, scavernamenti, tratti finestrati di un tubo etc. La restituzione dei dati avviene in formato grafico con la profondità espressa in metri sull’asse delle ordinate e il parametro misurato su quello delle ascisse Campi di applicazione: • Ricostruzioni stratigrafiche di dettaglio