Prova MASW

La tecnica Masw permette di realizzare una modellazione del sottosuolo mediante l’analisi delle onde di superficie (di Rayleigh e di Love), attraverso una dettagliata ricostruzione della distribuzione delle onde S nel sottosuolo, realizzata mediante modellizzazione diretta della velocità di fase delle onde superficiali, registrate da opportuno sismografo, con l’ausilio di geofoni di superficie a bassa frequenze ed indotte mediante energizzazione con fonte artificiale (massa battente).

Nelle prospezioni sismiche per le quali si utilizzano le onde di tipo P, la maggior parte dell’energia sismica totale generata si propaga come onde superficiali S.

Ipotizzando una variazione di velocità dei terreni in senso verticale, ciascuna componente in frequenza di queste onde è caratterizzata da una diversa velocità di propagazione (chiamata velocità di fase) e quindi da una diversa lunghezza d’onda.

Questa proprietà si chiama dispersione. Sebbene le onde superficiali siano considerate rumore per le indagini sismiche che utilizzano le onde di volume (riflessione e rifrazione), la loro proprietà dispersiva può essere utilizzata per studiare le proprietà elastiche dei terreni superficiali.

La costruzione di un profilo verticale di velocità delle onde di taglio (Vs), ottenuto dall’analisi delle onde piane della modalità fondamentale delle onde di Rayleigh è una delle pratiche più comuni per utilizzare le proprietà dispersive delle onde superficiali.

Per ottenere un profilo verticale di velocità Vs bisogna produrre un treno d’onde superficiali a banda larga e registrarlo minimizzando il rumore. La configurazione base di campo e la routine di acquisizione per la procedura sono generalmente le stesse utilizzate in una convenzionale indagine a rifrazione. Le componenti a bassa frequenza (lunghezze d’onda maggiori), sono caratterizzate da forte energia e grande capacità di penetrazione, mentre le componenti ad alta frequenza (lunghezze d’onda corte), hanno meno energia e una penetrazione superficiale. Grazie a queste proprietà, una metodologia che utilizzi le onde superficiali può fornire informazioni sulle variazioni delle proprietà elastiche dei materiali prossimi alla superficie al variare della profondità. La velocità delle onde S (Vs) è il fattore dominante che governa le caratteristiche della dispersione.

La procedura MASW può sintetizzarsi in tre stadi distinti:

1) acquisizione dei dati sperimentali;

2) estrazione della curva di dispersione;

3) inversione della curva di dispersione per ottenere il profilo verticale delle Vs (profilo 1-D), che descrive la variazione di Vs con la profondità.

Una mappa bidimensionale (mappa 2-D) può essere costruita accostando e sovrapponendo più profili 1-D consecutivi.

Tali onde si trasmettono sulla superficie libera di un mezzo isotropo ed omogeneno e sono il risultato dell’interferenza tra onde di pressione (P-waves) e di taglio verticali (Sv-waves).

All’interno dell’area in esame sono state effettuate due indagini MASW (agosto 2012 e aprile 2014).

Le indagini effettuate sono state condotte con l’ausilio della tecnica MASW (Multichannel Analysis of Surface Waves), alla luce degli spazi e della logistica operativa riscontrata in cantiere, nonché tenendo conto delle finalità dell’indagine e del grado di dettaglio auspicabile dai risultati.

Per entrambe le indagini MASW è stato realizzato uno stendimento sismico lungo 34,5 metri, composto da 24 geofoni ad asse verticale ed a bassa frequenza, posti ad un’interdistanza pari a 1,5 metri l’uno dall’altro;

tale configurazione ha consentito l’acquisizione dei dati relativi ai primi 30 metri della verticale indagata rispetto al piano di posa fondale. La sorgente energizzante è stata posta a 15 metri di distanza dall’estremità W dello stendimento.

Le prove MASW in sito sono state eseguite utilizzando un sismografo multicanale ad incrementi di segnale, della P.A.S.I. mod. 16SG24 a 24 canali.

Le specifiche tecniche dello strumento sono:

 processore: Pentium 200 MMx Intel;

 rattamento dati: Floating Point 32-Bit;

 Canali: 24;

 Display: VGA colori LCD_TFT 10,4”;

 Supporto memorizz.: Hard Disk 2,1 Gb;

 Risoluzione acquisizione: 6/24 bit ;

 Sonde ambiente interne: temperatura, umidità relativa;

 Formato dati: Pasi (.osv) e SEG-2 (.dat);

 Durata acquisizioni: Rifrazione, 32÷2048 ms Riflessione, 32÷16384 ms;

 Tempi campionamento: da 16 s a 2 ms;

 Filtri digitali: Passa alto (25÷400 Hz) Passa Basso (100÷250 Hz) Notch (50÷180 Hz);

 Attivazione filtri: in acquisizione o manualmente;

 Trigger: inibizione impulsi dovuti a rimbalzi;

 Ricevitori – 24 geofoni da 4,5 Hz collegati in serie da due cavi con lunghezza 110 m l’uno;

 Sorgente impulsiva: mazza battente da 10 Kg con piastra metallica 15x15 cm su cui battere.

Il salvataggio delle tracce nel dominio temporale previsto dal metodo, permette di distinguere ed evidenziare, durante l’analisi, le onde di superficie presenti nel record che, normalmente, sono caratterizzate da un’elevata ampiezza del segnale (circa il 60% dell’energia prodotta dalla sorgente artificiale si distribuisce in onde superficiali). Una particolare analisi spettrale “overtone analysis”, produce il grafico “Velocità di

fase/frequenza” in cui si può distinguere il modo fondamentale delle onde di superficie da cui ricavare la curva di dispersione ed il profilo delle Vs per successiva inversione 1-D (Allegato 2).

I dati acquisiti in formato seg2 vengono elaborati tramite il programma SWAN che esegue l’interpretazione tramite le seguenti operazioni

 Creazione di un progetto MASW;

 Collegamento dei file contenenti i dati da elaborare al progetto creato;

 Eventuale fase di pre-processing per elaborare i dati stessi in modo da migliorare la qualità della successiva interpretazione;

 Passaggio dal sismogramma al dominio spettrale mediante trasformata FK;

 Estrazione della curva di dispersione sperimentale mediante interpretazione dello spettro FK;

 Fase di inversione, ovvero generazione di un modello sintetico a cui sia associata una curva di dispersione teorica ben sovrapposta a quella sperimentale.

L’osservazione dello spettro consente di notare che l’onda S si propaga a velocità variabile a seconda della frequenza dell’onda stessa, questo fenomeno è detto dispersione, ed è caratteristico di questo tipo di onde.

La teoria sviluppata suggerisce di caratterizzare tale fenomeno mediante una funzione detta curva di dispersione, che associa ad ogni frequenza la velocità di propagazione dell’onda. Tale curva è facilmente estraibile dallo spettro del segnale poiché essa approssimativamente posa sui massimi del valore assoluto dello spettro. La curva di dispersione in realtà può non essere così facile da estrarre, questo perché dipende molto dalla pulizia dei dati e da quanto disturbano gli altri segnali presenti nel sismogramma. Ecco perché questa fase in realtà deve essere considerata una interpretazione, e per questo i migliori software di analisi di dati MASW consentono di modificare anche manualmente la curva di dispersione per soddisfare le esigenze dell’utente più esperto. A questo punto la curva di dispersione sperimentale deve essere confrontata con quella relativa ad un modello sintetico che verrà successivamente alterato in base alle differenze riscontrate tra le due curve, fino ad ottenere un modello sintetico a cui è associata una curva di dispersione approssimativamente coincidente con la curva sperimentale. Questa delicata seconda fase di interpretazione è comunemente detta fase di inversione.

La dispersione è una deformazione di un treno d’onde dovuta ad una variazione di propagazione di velocità con la frequenza; le componenti a frequenza minore penetrano più in profondità rispetto a quelle a frequenze maggiori, per un dato modo e presentano normalmente più elevate velocità di fase.

Il calcolo del profilo delle velocità delle onde di superficie, V(fase)/frequenza, può essere convertito nel profilo di Vs/profondità (spessori):

Velocità media delle onde Vs (m/s) Spessore (m)

Tabella 4: Profilo sismo stratigrafico prova MASW 2014

Velocità media delle onde Vs (m/s) Spessore (m)

110 1,63

Tabella 5: Profilo sismo stratigrafico prova MASW 2012

Le analisi effetuate hanno mostrato una buona correlazione con il quadro generale stratigrafico riscontrato in zona e desunto dai dati delle prove penetrometriche eseguite nell’area di studio. Le indagini Masw eseguite hanno permesso di determinare i seguenti valori di Vs30:

Indagine Profondità Vs30 (m/s)

MASW 2014 (da p.c. a – 30,00 m da p.c.) 217

(da – 1,5 m da p.c. a – 31,5 m da p.c.) 231

MASW 2012 (da p.c. a – 30,00 m da p.c.) 225

(da – 1,0 m da p.c. a – 30,0 m da p.c.) 235

Tabella 6: Valori di Vs30 determinati dalle prove Masw effettuate in sito