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SASW (Spectral Analysis of Surface Waves), MASW (Multichannel Analysis of Surface Waves), ReMi (Refraction Microtremor)

La necessità dettata dalle NTC08 di fornire una solida stima della velocità di propagazione delle onde S nel sottosuolo ha dato un forte slancio alla diffusione di tecniche basate sull’analisi della dispersione delle onde di superficie (Rayleigh e Love). La dispersione rappresenta una deformazione di un treno d’onde dovuta ad una variazione di propagazione di velocità con la frequenza. In un mezzo stratificato le varie componenti (lunghezza d’onda, quindi frequenza  l = v / f) del segnale sismico si propagano ad una velocità diversa in funzione delle caratteristiche del mezzo. Le componenti a frequenza minore (lunghezza d’onda maggiore) penetrano più in profondità e sono quindi influenzate dagli strati più profondi rispetto a quelle a frequenza maggiore (lunghezza d’onda minore) che risentono delle proprietà fisiche dei livelli superficiali, e presentano normalmente più elevate velocità di fase.

Il calcolo del profilo delle velocità delle onde di Rayleigh, Vr (fase)/frequenza, può essere convertito nel profilo di Vs/profondità.

Il profilo sismostratigrafico delle Vs può infatti essere ricavato per inversione o per modellazione diretta della velocità di fase delle onde di superficie (Rayleigh e/o Love). Il rapporto costi-benefici di queste tecniche risulta decisamente favorevole, non dovendo eseguire dei fori per la stima media delle Vs e essendo le diverse tecniche applicabili anche in situazione di forte disturbo antropico.

Le tecniche di misura delle onde superficiali differiscono essenzialmente nel tipo di sorgente: attiva nelle prove SASW/MASW (generalmente costituita da una massa battente), passiva (microtremore) quando si utilizza il ReMi, oltre che nella geometria, dimensioni dell’array geofonico e durata del tempo di acquisizione. Le prove attive hanno in genere una migliore risoluzione nel determinare il profilo delle Vs nei livelli più superficiali, mentre le prove passive consentono di estrapolare informazione sulle caratteristiche dinamiche medie del sottosuolo a profondità più elevate.

Si segnala infatti che i fondamenti teorici di questi metodi (MASW, ReMi) fanno riferimento ad un semispazio stratificato con strati paralleli e orizzontali, quindi il profilo stratigrafico delle onde di taglio (Vs) è relativo ad un dato mediato, riferito per convenzione al centro dello stendimento, che non tiene conto di eventuali eterogeneità laterali nelle caratteristiche elasto-dinamiche e della presenza di pendenze significative.

La prova MASW (Park et al., 1999) è un miglioramento del metodo SASW (Nazarian e Stokoe, 1984), che utilizza una sorgente attiva e due soli sismometri da 1 Hz, polarizzati verticalmente, spaziati da 1m fino a 500m. In particolare la registrazione simultanea di 12 o più canali fornisce una ridondanza statistica delle misure di velocità di fase e ne avvalora la veridicità, superando la difficoltà dell’applicazione del SASW in ambienti rumorosi.

L’acquisizione dei dati per prospezioni MASW è simile a quella utilizzata per la realizzazione di un comune profilo sismico a rifrazione. Si utilizza infatti uno stendimento sismico lineare multicanale con geofoni verticali (4.5 Hz) e sorgente a impatto ortogonale (mazza) per il rilievo delle onde di Rayleigh o a componente orizzontale e sorgente di taglio per le onde di Love.

Parametri indicativi di acquisizione dati per MASW

 

Nel metodo dei “Refraction Microtremor” (Louie, 2001) si registra il segnale relativo a microtremori spontaneamente presenti nell’ambiente (cioè sollecitazioni di qualsiasi origine, anche antropica, provenienti da sorgenti ignote e isotropiche (disposte in tutte le direzioni) rispetto allo stendimento geofonico. A causa della bassa intensità dei microtremori il rapporto segnale rumore non è ottimale e, quindi si incrementa il tempo di registrazione (minimo 30 secondi). Per evidenziare la dispersione delle onde di Rayleigh alle basse frequenze abbiamo inoltre bisogno di stendimenti sismici abbastanza lunghi (da 60 a 150-200 m); a volte, per valutare l’influenza della direttività del segnale, può essere infine necessario utilizzare 2 stendimenti ortogonali o uno stendimento circolare.

Parametri indicativi di acquisizione dati per ReMi

 

Metodi di interpretazione e elaborazione dati

Uno degli aspetti critici nella utilizzazione dei dati ricavati da prove sismiche per onde superficiali (attive e/o passive) per scopi ingegneristici è infatti dato dalla non-unicità della soluzione. Diverse combinazioni dei parametri di modello possono essere associate a curve di dispersione molto simili e praticamente equivalenti rispetto ai dati sperimentali disponibili. L’utilizzo di metodi di inversione deterministici con ricerca locale del minimo, quale ad esempio il metodo dei minimi quadrati, portano all’individuazione di un unico profilo di Vs, spesso fortemente condizionato dalla scelta del modello iniziale.

GMS esegue l’elaborazione dei dati acquisiti utilizzando uno specifico software commerciale (WinMasw), che consente di gestire il sismogramma digitale, selezionare le tracce utili, eseguire l’analisi spettrale, individuare le curve di dispersione delle onde di superficie ed effettuare le procedure di inversione per l’interpretazione in termini di modello sismostratigrafico di Vs. In particolare per l’inversione dei dati il software applica metodi euristici (Algoritmi genetici) che meglio gestiscono la soluzioni di problemi multimodali, quali quello di derivare i parametri di un modello sismostratigrafico in funzione della curva di dispersione sperimentale delle onde di Rayleigh. I metodi euristici non richiedono la definizione di un modello di partenza, ma è sufficiente definire un intervallo di valori per ogni parametro (spazio dei parametri) all’interno del quale vengono valutate le possibili soluzioni. Lo scopo dell’intera procedura è identificare il modello la cui curva di dispersione meno si scosta dai dati osservati. Tale modello sarà evidentemente caratterizzato dal minor errore di adattamento (misfit o funzione obiettivo), che in questo caso è rappresentato dalla deviazione standard tra le velocità di fase osservate e calcolate.

Per la complessità del fenomeno fisico e delle eventuali complicazioni che possono sperimentalmente manifestarsi in funzione della litostratigrafia del sito di indagine (presenza di onde canalizzate, problematica distinzione dei differenti modi) è sempre consigliato di procedere con una modellazione diretta in cui si cerca di trovare una sintesi coerente tra la distribuzione di energia nello spettro di velocità (unico dato sperimentale) e la curva di dispersione teorica di un modello ipotizzato sulla base delle conoscenze geologico-geofisiche pregresse. Tale metodo è generalmente preferibile alla procedura di inversione eseguita considerando soltanto il picking dei massimi di ampiezza nello spettro di velocità (MASW) o ancora più aleatoriamente i minimi della curva spettrale (ReMi).

Con le tecniche descritte vengono analizzati i dati acquisiti, i cui risultati sono riportati, ad esempio per il MASW, nelle 2 tavole grafiche seguenti:

- nella prima sono raffigurati il sismogramma con le tracce normalizzate, lo spettro di velocità con le curve sintetiche del modello finale e la colonna sismostratigrafica;

- nella seconda sono rappresentati graficamente i risultati dell’inversione della curva di dispersione (spettro di velocità con “picking” e modello migliore e medio, evoluzione dell’errore di adattamento, profilo verticale di Vs con tracciati i diversi modelli e lo spazio di ricerca) con evidenziati i valori di Vs30 del modello migliore e medio.

VANTAGGI

-  Tali tecniche sono basate su un fenomeno fisico non soggetto a discussione o perplessità riguardo la sua esistenza (la dispersione delle onde superficiali);

-  Particolarmente indicato per suoli fortemente attenuanti ed ambienti rumorosi [la percentuale di energia convertita in onde di Rayleigh è di gran lunga predominante (67%) rispetto quella coinvolta nella generazione e propagazione delle onde P (7%) ed S (26%) e l’ampiezza delle onde superficiali dipende dalla radice quadrata della distanza (r1/2) e non da r come per le onde di corpo (Vp, Vs)];

-  Riconosce le inversioni di velocità (limite del metodo a rifrazione);

-  Costo moderato, tempi rapidi di esecuzione, scarso impatto sui luoghi di indagine.

LIMITI

- disponibilità di spazi sufficienti per gli stendimenti sismici (particolarmente sensibile nel caso della tecnica ReMi, in cui occorre disporre di una superficie libera dell’ordine del centinaio di metri);

- forniscono un profilo monodimensionale di Vs, non quantificando eventuali variazioni laterali.

- la profondità di penetrazione dipende dalla frequenza più bassa rilevabile nella curva di dispersione (approssimativamente prof. = lmax / 2)

- il problema della non-univocità della soluzione del problema inverso (comune a tutti i metodi indiretti) e la conseguente affidabilità dei risultati in assenza di altre conoscenze (geologico-geofisiche) è molto delicato in quanto le onde di Rayleigh sono soggette a scattering e a generazione di modi superiori (che a volte interagiscono in modo complesso), producendo delle curve di dispersione in cui il massimo dell’energia sismica non è sempre e necessariamente nelle onde superficiali e nel modo fondamentale (modi superiori e onde guidate possono dare segnali molto complessi)