Rifrazione Rifrazione Rifrazione Rifrazione –––– onde onde onde onde superficiali riflessionesuperficiali riflessionesuperficiali riflessionesuperficiali riflessione

concetti fisici concetti fisici concetti fisici concetti fisici –––– acquisizione dati acquisizione dati acquisizione dati acquisizione dati strumentazione strumentazione strumentazione strumentazione –––– tecniche analisi datitecniche analisi datitecniche analisi datitecniche analisi dati

Geofisica Applicata Scienze Geologiche

LM - UNIFEMetodi sismici

Rifrazione – onde superficiali - riflessioneconcetti fisici – acquisizione dati strumentazione – tecniche analisi

dati

AA 2018-2019N. Abu Zeid

2

Metodi sismici

Concetti fisici

Equazione del moto 1D

Velocità onde di volume/di superficie

Acquisizione dati

Strumentazione

Tecniche di analisi dati

parte 01

Metodi sismici attiva-concetti generali

Sviluppo delle prospezioni sismiche:

� Maillet (1845) =� i primi tentativi per misurare la

velocità delle onde elastiche (sorgente naturale:

terremoti),

� Ia guerra mondiale =� localizzazione posizione artigliere

pesanti,

� 1930 =� nasceva il metodo della sismica a rifrazione poi

seguita dal metodi della sismica a riflessione,

� 1989 =� uso dei microtremori (sismica passiva) per la

microzonazione sismica (metodo H/V o Nakamura),

� fine anni ’90 =� indagini tomografiche (non ben viste!)

� Inizio anni 2000 =� onde superficiali per la

caratterizzazione sismica del sottosuolo in aree urbane

Metodi sismici: importanza nel campo della geologia applicata

oltre per la microzonazione sismica

NB:

I metodi sismici trovano largo impiego nella

caratterizzazione dinamica del sottosuolo grazie

al loro legame fisico con la resistenza dei

materiali agli sforzi:

-normali e,

-tangenziali

==� Moduli Elastici Dinamici

Metodi sismici: importanza nel campo della geologia applicata

oltre per la microzonazione sismica

NB:

==� Moduli Elastici Dinamici (µµµµ)

Da Richart et al., 1977

(µµµµ)

γγγγ (%)

Si basano sui principi della teoria dell’elasticità:

Utilizzano le onde sismiche per ottenere:

(1) i valori di velocità di propagazione delle onde P ed S (onde di

volume) nel range di applicabilità della parte lineare della legge

di Hooke (cioè & di deformazione di volume e di forma (γγγγ < 10-3),

(2) Ricostruire la geometria del sottosuolo:

� profondità superficiali (applicazioni ingegneristiche),

� profondità oltre 30 metri e fino a 300 m (costruzioni speciali) ,

� profondità oltre 300 m (esplorazioni geologiche profonde

finalizzate a: ricerca strutture tettoniche, ricerca risorse idriche

profonde, risorse petrolifere (petrolio e gas),

(3) Monitoraggio indiretto attività stoccaggio metano

Metodi sismici: in generale

In che maniera queste caratteristiche influenzano

la propagazione delle onde elastiche

Metodi sismici: quali

Perché la velocità

delle onde di taglio

è importante

Correlazioni parametri geotecnici - Vs

Correlazioni parametri geotecnici - Vs

La letteratura

scientifica riporta più

di 30 equazioni per

la determinazione

della velocità di

propagazione delle

onde di taglio

basandosi sui

parametri geotecnici

standard di largo

uso.

NB: la validità è

locale ovvero sito

specifico

Osservare il

coefficiente di

determinazione R2

Correlazioni parametri geotecnici - Vs

Correlazioni parametri geotecnici – Vs sperimentali (triangoli)La correlazione non è lineare!

Lo stesso valore del parametro geotecnico può assumere valori di Vs

differenti!

Correlazioni velocità onde di taglio con i parametri geotecnici

Vs sperimentale

Semi-empiriche

Metodi sismici: quali

Tecniche sismiche:

I geofoni sono di diverso tipo:

Analogico e/o digitale

Analogico collegato a sistema di RX-TX wireless

Geofono completamente wireless

V2>V1

PSsismografosensore: Geofoni

PS

sismografo

Geofoni

V2>V1 - V2<V1

Indagini superficiali di tipo geologico applicato

all’ingegneria

16

Prova Down-Hole - convenzionalesismografo

foro ben cementato

Intervallo di misura

Geofono orizzontaleMeglio usare un geofono 3D

cuscinetto gonfiabile

pompaTrave di legno solidale con

il terreno (peso)

Vs = ∆∆∆∆R/∆∆∆∆t

z1

z2

∆∆∆∆t

R12 = z1

2 + x2

R22 = z2

2 + x2

x

martellocolpo sinistro

∆∆∆∆R

SH

ASTM D 4428D4428MSTANDARD Inter.

Metodi sismici equazione del moto – onde sismiche

di volume. La velocità..

18

Cross-Hole Vs: concetto

PVC-foro ben cementato

∆∆∆∆t

∆∆∆∆x

profondità della prova

ASTM D 4428D4428M/STANDARD Inter.

inclinometroinclinometro

sismografo

pompa

cuscinetto gonfiabile

PVC-foro ben cementato

Geofono verticalemeglio usare un

geofono 3D

Vs = ∆∆∆∆x/∆∆∆∆t

Standard UNI possono essere consultati gratuitamente presso la biblioteca del Polo Scientifico dell’Università di Ferrara, V. Saragat, 1Standard ASTM possono essere consultati gratuitamente presso la biblioteca della Facoltà di Ing., Università di Bologna, Porta Saragoza (BO)

Geofono 3D per misure sismiche in foro - onde P ed S

Foro-1

Foro-2

Foro-3

3m5m

prof. 12m

Sismografo ABEM

S

S: sorgente da foro (P ed S

Sorgenti onde sismiche: sorgente standard per energizzare onde polarizzate tipi SH

Trave di legno

Mazza n. 1porta mazza n. 2

Automezzo attrezzato

Sorgenti onde sismiche: sorgente standard per energizzare onde polarizzate tipi SH

Castelmaggiore (BO), 2018

Sorgente onde polarizzate tipo SH

Sorgenti onde sismiche: sorgente standard per energizzare onde polarizzate tipi SH (colpo direzionale)

Sorgenti onde sismiche: sorgente standard per energizzare onde polarizzate tipi SH. Il sismogramma è stato acquisito con due colpi opposti.

24

Seismic Cone PenetrationTest ‘SCPT’concetto

h1

h2

SH

Mazza (5-8 kg)

sismografo Sensore di triger per segnalare il tempo zero

Vs : velocità d’intervallo onde S (o P) (m/s)

h1 : profondità alla quale è stato determinato il tempo d’arrivo dell’onda ricevuta al geofono,

th1 : tempo d’arrivo della prima fase (primo arrivo) (geofono n. 1)

−−=

12

12

hhtt

hhVs

Caratterizzazione mezzi competenti e manufatti

(Sheriff and Geldart, 1995) sorgente

sorgente

R:Ricevitoredi solito si tratta di trasduttori

tomografia

Foro di sorgente sismica Foro di ricezione

segnale sismico

Cross-hole

Onde dirette

Cross-hole

tomografia

3-9 m massimo

Ogni tipo di onde induce, al loro passaggio, un particolare modo di movimento delle particelle. Ciascuno tipo di onda è chiamato fase sismica:

(1)Onde di volume P, S ==� rifrazione e riflessione(2)Onde convertite SP e SV (3)Onde superficiali (R e L) =� modelli Vs (NTC2018),

sismologia(4)Onde T ==� sismologia (non di interesse del geologo)

Cosa rappresenta l’onda elastica?

Onde sismiche o elastiche

Trasferimento di energia mediante il movimento delle particelle del terreno.

Onde sismiche di volume: compressione ‘P’

Animation courtesy Larry Braile, Purdue University

tem

po

movimento particelle terreno

Direzione di propagazione

Onde sismiche di volume: secondarie ‘S’

Animation courtesy Larry Braile, Purdue University

tem

po

movimento particelle terreno

Direzione di propagazione

Onde elastiche: la velocità dipende dalla densità ma

soprattutto dai moduli elastici dinamici (diapositive successive)

31

Onde R

vibrazione particelle delle onde superficiali: Love e Rayleigh

Trasformazione onde P in Sv. Ciò spiega perché l’energizzazione verticale non può essere impiegata per la determinazione della Vs. Occorrono sorgenti polarizzate.

Le onde SH non si trasformano in altri tipi di onde nell’attraversamento di mezzi differenti.

Onde L

Vs1, Vp1, ρ1

Vs2, Vp2, ρ2

NB: le onde Love per la loro formazione richiedono che il mezzo superficiale sia caratterizzato da bassi valori di velocità o un gradiente crescente di velocità al fine di permettere la formazione di onde riflesse multiple come si vede nell’animazione

Rayleigh Wave (R-Wave) Animation

Deformation propagates. Particle motion consists of elliptical motions (generally retrograde elliptical) in the vertical plane and parallel to the direction of propagation. Amplitude decreases with depth. Material returns to its original shape after wave passes.

Induce movimento di tipo retrogrado (antiorario) con ampiezza decrescente verso il basso (profondità).Ha due componenti di movimento delle particelle:

verticale ed orizzontale

Onde sismiche di superficie: Rayleigh “R”- Animazione (fornita in un file separato)

Courtesy of Dr. Dan Russell, Penn State University

� Le onde di Rayleigh (R) durante la propagazione in mezzi stratificati (cioè eterogenei) inducono vibrazioni, a forma di elisse con asse maggiore in direzione verticale, perpendicolari alla direzione di propagazione.

� L’ampiezza delle vibrazioni decresce esponenzialmente con la profondità e la maggior parte dell’energia associata è contenuta in uno spessore all’incirca equivalente a quello della lunghezza d’onda (λλλλ). Già a quella profondità l’ampiezza è < 10% di quella in superficie.

Onde sismiche superficiali e loro importanza negli s tudi sismologici e geotecnici

T0

direzione di propagazione dell’onda

direzione di vibrazione delle particelle

Propagazione onde Love . Induce un movimento delle particelle in direzione trasversale a quella di propagazione. Il movimento delle particelle è su un piano orizzontale. Al fine di apprezzare il movimento delle particelle occorre fissare l’asse Y quando viene interessato dalle deformazioni. L’Ampiezza decresce con la profondità. Il materiale essendo elastico le deformazioni indot te non sono permanenti

Onde sismiche di superficie: L - animazione (fornite in un file separato)

Si dimostra che la derivazione (non tratta qui) dell’equazione di propagazione delle onde Rayleigh in un mezzo omogeneo dipende soltanto dalle velocità di propagazione P e S del mezzo . Quindi non dipendono dalla frequenza. Cioè suggerisce che le onde Rayleigh che si propagano in mezzi omogenei NON SONO DISPERSIVE (cioè la velocità di propagazione è costante). Tale equazione è stata successivamente semplificata a quella riportata nella diapositiva precedente.

Confronto equazione caratteristica onde Rayleigh verso quella

semplificata

SRVV ×

++=ν

ν1

14.1862.0

Rapporto di Poisson (υ)

SR VV ×≅ 92.0

� Le onde di Rayleigh (R) si formano alla superficie libera dei corpi per

interferenza costruttiva delle onde P ed SV,

� Le onde di Love si formano per interferenza costruttiva delle

riflessioni multiple delle onde SH alla superficie libera del suolo.,

� le onde di Love si formano solo se tali riflessioni possono avvenire,

� Ovvero, la velocità vari con la profondità o a gradini (in aumento od

in diminuzione) o che cresca con continuità,

� Risulta che le onde di Love non si formano alla superficie di un

semispazio omogeneo.

� Mentre, in un semispazio omogeneo, le onde R si generano e si

propagano ad una velocità di fase Rayleigh VR data da

Velocità onde elastiche di superficie (R ed L)L ed R sono onde dispersive

SR VV ×

++=ν

ν1

14.1862.0

� Le onde di Rayleigh (R) e di Love sono dette onde dispersive cioè la

velocità di fase è funzione della frequenza. Siccome l’interferenza

costruttiva tra le onde P e le onde SV può avviene a diverse

frequenze il che significa differenti lunghezze d’onda quindi le onde

di superficie prodotte avranno diverse velocità in funzione appunto

della frequenza,

� Le animazioni riportate nella diapositiva successiva illustra il

fenomeno dell’interferenza costruttiva sia per le onde R che per

quelle di Love.

Velocità onde elastiche di superficie (R ed L)L ed R sono onde dispersive e multimodali (capitolo onde superficiali)

Velocità pacchetto onde (gruppo)

a bc a b

c

Velocità di fase ondina (a) Rayleigh

concetto della dispersione delle

onde superficiali

l

Distanza (km)

Am

pie

zza

(m

V,

m/s

, m

m/s

, m

/s*

sVelocità (Vp=3000 m/s)

Frequenza (f): n. di cicli compiuti in un secondo (Hz).

Se la frequenza è bassa si fa riferimento al periodo (T=1/f)

La propagazione delle onde di VOLUME induce un movimento verso l’alto e verso il basso nella

figura; la velocità dell’onda è indipendente dalla frequenza===� si dice onde NON DISPERSIVE.

Nell’esempio: la velocità dell’onda è costante

Al contrario se la velocità varia con la frequenza ==� ONDE DISPERSIVE (superficiali)

Onde: frequenza, periodo, onde dispersive, onde non dispersive

λ

λ

λλλλ

λλλλ

41

Andamento degli spostamenti relativi delle componen ti verticali ed orizzontali delle onde Rayleigh

Il moto sismico a seguito di un’energizzazione si irradia in tutte le direzioni.Le onde R inducono vibrazioni la cui componente verticale è più significativa rispetto a quella orizzontale pertanto per la loro rilevazione si impiegano sensori che registrino tale componente.

Nel grafico si nota che la componente verticale � si estingue ad una profondità (z) maggiore rispetto a quella orizzontale ed esplora uno spessore pari ad una lunghezza d’onda (λ) della componente verticale.

��

Variazione del rapporto Ampiezza-Profondità (z) in relazione all’Ampiezza in superficie

νννν: Poisson

42

Andamento degli spostamenti delle onde Rayleigh in funzione della profondità (anche per le onde L)

Riassumendo:

Le onde R con l maggiore producono maggiore spostamenti a maggiori profondità,

Le onde R con l minore producono maggiore spostamento a piccole profonditàZ: asse della profondità

Z

Am

piez

za (

com

pone

nte

vert

ical

e on

de R

)

43

frequenza alta

frequenza bassasorgente

frequenza alta

frequenza bassasorgente

sottosuolo eterogeneo

L’onda R è composta da numerose ondine ognuna con frequenza propria:le frequenze più elevate indagano profondità più superficiali cioè lente mentrequelle a frequenza più bassa interessano strati più profondi.

44

Onde superficiali tipo Rayleigh (R).Le onde R sono utilizzati per la determinazione del profilo di Vs dei terreni difondazione soprattutto nelle aree urbanizzate, ma non solo…….

Acquisizione mov. Particelle R_alta R_bassa disperzione modello 1D

Propagazione freq. Freq. curva (VR) Vs

Distanza (m) Freq. Velocità

l

Distanza (km)

Am

pie

zza

(m

V,

m/s

, m

m/s

, m

/s*

sVelocità (Vp=3000 m/s)

Frequenza (f): n. di cicli compiuti in un secondo (Hz).

Se la frequenza è bassa si fa riferimento al periodo (T=1/f)

La propagazione delle onde di VOLUME induce un movimento verso l’alto e verso il basso nella

figura; la velocità dell’onda è indipendente dalla frequenza===� si dice onde NON DISPERSIVE.

Nell’esempio: la velocità dell’onda è costante

Al contrario se la velocità varia con la frequenza ==� ONDE DISPERSIVE (superficiali)

Onde: frequenza, periodo, onde dispersive, onde non dispersive

λ

λ

λλλλ

λλλλ

Metodi sismici

Fine parte 01