Roadside Masw

La metodologia sismica “Roadside MASW” è finalizzata allo studio delle caratteristiche del sottosuolo  anche in aree fortemente urbanizzate e soggette ad un traffico veicolare elevato. E’ possibile ottenere la stratigrafia sismica lungo profili quasi continui se l´acquisizione viene eseguita in rollalong.

I propositi di questa applicazione geofisica sono:

• Rilevare, tramite indaggini superficiali non distruttive, i principali livelli geofisici e geologici del sottosuolo, lungo tracciati predeterminati;
• Differenziare i materiali del sottosuolo in base alle velocità  delle onde di taglio (Onde “S”);
• Valutare lo spessore dei materiali di copertura (discariche superficiali, roccia alterata e altri materiali di varia natura) e definire la profondità e avanzamento del substrato roccioso (bedrock), dove presente, a una profondità approssimativa di 40 m;
• Contribuire alla definizione del grado di fratturazione e alterazione del substrato;
• Restituire un profilo continuo delle condizioni geologiche del tracciato.

Introduzione

La “Roadside MASW”  è una tecnica indiretta per valutare la densità e il grado di compattazione del terreno, validamente applicata in vari tipi di studi geotecnici per informazioni sul formato 1D, 2D e 3D del sottosuolo.

Que sto metodo nasce alla fine delgli anni 90 ed è attualmente applicato con successo in tutto il mondo. Quando è correttamente applicato, permette un’ottima descrizione delle caratteristiche del sottosuolo e della sua geometria, utilizzando sorgenti di energizzazione di potenza limitata.
La tecnica completa prevede l’utilizzo congiunto di due metodologie in grado di fornire tutte le informazioni che desiderate:

• “MASW ATTIVA”, effettuata con l’uso di una fonte di energizzazione fornita dall’impatto di una mazza o peso (Figura 1);
• “MASW PASSIVA”, dove l’energia, in aree urbanizzate, è fornita dal traffico veicolare sulle strade (Figura 2).

Prova “MASW ATTIVA”

Attraverso la misura delle onde sismiche generate in superfice è possibile calcolare la variazione con la profondità della velocità delle onde di taglio (onde “S”). Questo valore è fondamentale per ottenere il calcolo dei parametri elastici del terreno.

La “Vs” è un parametro direttamente relazionato con la compattazione del terreno (stiffness), pertanto è validamente utilizzata anche per estimare la capacità di carico del terreno.

Con la MASW “Attiva” e l’uso di 24 geofoni equispaziati è possibile raggiungere una profondità di ivestigazione intorno ai 15-20 m. Integrando questa misura con la MASW “Passiva” (descritta in seguito) è possibile approfondire la ricerca fino a 40-50 m di profondità.

 

Prova “MASW PASSIVA”

Il metodo “Passivo”, sviluppato da Park e Miller nel 2006, usa il medesimo dispositivo multicanale della MASW “Attiva”: 24 geofoni equispaziati collocati in linea retta sui marciapiedi o sulla pavimentazione stradale e usa come fonte delle onde superficiali il traffico veicolare della stessa.

L’acquisizione dei dati è di tipo continuo (modalità Roll-Along) per coprire l’intero tracciato daindagare: in pratica, per evitare problemi alla viabilità e per preservare i delicati cavi multipolari, l’acquisizione si sospende in corrispondenza delle strade principali e incroci densamente trafficati, per essere ripresa dopo.

Adeguate protezioni per la strumentazione (cavo multipolare e geofoni di misura) devono essere predisposte per evitare interruzioni dell’acquisizione agli incroci con strade minori e poco trafficate.

 

unità di acquisizione dei dati

Per registrare gli impulsi sismici è utilizzato il sismografo EEG BR-24, uno strumento multicanale (24 canali in acquisizione simltanea – Foto 1) con bassissimo rumore interno, alta velocità di campionamento e supporto per la registrazione dei dati. Le specifiche tecniche sono descritte nella pagina “le nostre attrezzature”.

L’acquisizione dei dati avviene dopo l’adeguata verifica del corretto funzionamento della strumentazione e del circuito “time-break” (“tempo T0”). I dati saranno registrati dopo adeguata amplificazione, filtraggio e conversione A/D.

Dispositivo di ricezione

per registrare le vibrazioni del terreno vengono utilizzati 24 geofoni di tipo elettromagnetico con bobina mobile a bassa frequenza (4,5 Hz), i quali permettono di convertire in segnale elettrico gli spostamenti verificatisi nel terreno (Foto 2).

Per permettere una rapida movimentazione dei sensori e, al medesimo tempo un buon contatto con la pavimentazione stradale, i geofoni sono montati su delle piastre di acciaio spesse 4,5 cm, questi supporti hanno un foro centrale per collocare i geofoni verticalmente (Foto 3).

Questi ricettori sono collegati al sismografo tramite cavi multipolari ad elevato isolamento elettrico, costruiti con una distanza tra i contatti adeguata alla profondità di indagine.

 

Dispositivo di energizzazione

Per realizzare il profilo sismico “Roadside MASW” è utile disporre di una fonte di energizzazione di impulsi elastici (onda sismica) per le acquisizioni “Attive”.

In aree urbane può essere utilizzato un energizzatore meccanico ad alta potenza e efficacia, come l’energizzatore elettro-meccanico di Foto 4. L’impulso di “Sparo” è trasmesso istantaneamente al sismografo per permettere la registrazione dei dati sincronizzata col “Tempo 0”.

Il traffico stradale della città è qui utilizzato per effettuare l’acquisizione “Passiva”, per questo motivo l’indaggine viene eseguita in orario diurno.

Nelle aree con intenso traffico la qualità dei dati è generalmente superiore  dato che il transito di auto, camion ecc. costituiscono la fonte primaria di energizzazione per questa tecnica.

 

Procedimento operazionale

Ogni linea sismica è realizzata con un numero variabile di profili 1D successivi e allineati, realizzati in sequenza, come nello schema di Figura 3.

I dati di campo saranno acquisiti attraverso la generazione di un treno di onde superficiali a banda larga (ground roll) e registrati per mezzo di un sistema multicanale (24 canali).

La geometria base dello stendimento viene spostata, per ogni energizzazione, lungo l’asse di lavoro a un passo costante di 5 o 10 m. I geofoni sono trainati da un veicolo mantenendo la posizione relativa tra loro (Foto da 5 a 8).

Foto 5, 6 e 7 – Preparazione di una linea “Roadside MASW”

Foto 8 – Disposizione classica per acquisizione dati sismici “Roadside Masw”

 

A ogni 5-10 metri il veicolo si ferma per permettere la registrazione dei dati. Il sistema staziona per circa 3 minuti (tempo necessario per realizzare entrambe le misure “Attiva” e “Passiva” – Foto 9, 10 e 11) , poi prosegue per altri 5-10 m nella direzione di avanzamento della linea, per realizzare la misura successiva.

Foto 9, 10 e 11 – Misura “Attiva” con energizzatore elettro-meccanico

I piccoli incroci possono essere attraversati senza interrompere il traffico. I veicoli potranno transitare a velocità ridotta sopra il cavo tra due geofoni quando il sistema è fermo, grazie l’adozione di un sistema di protezione dei cavi (Foto da 12 a 16)

Foto da 12 a 16 – Sistemi per la protezione dei cavi da adottare nei punti critici di attraversamento veicoli

Con questo procedimento è possibile registrare un profilo 1D ad ogni 10 m, questo rappresenta un elevato numero di puntiinvestigati, una elevata precisione nelle misure e una elevata qualità di interpretazione.

A partire da questi dati, per mezzo di un appropriato metodo di interpolazione, sono elaborate le sezioni 2D di velocità delle Onde “S” (superfice/profondità), attribuendo, per convenzione, una informazione di ogni profilo 1D al punto centrale di ogni stesa di 24 canali.

Così, è possibile effettuare un’analisi combinata “attiva/passiva” delle onde sismiche, con il proposito di ottenere simultaneamente informazioni superficiali (0-15 m) e più profonde (15-40 m) della distribuzione delle “Vs” nel sottosuolo (Figura 4)

Quando le due immagini “Attiva” e “Passiva” sono combinate (procedimento di “stacking” verticale), le due curve generano una unica immagine che copre l’intera gamma di frequenze (tipicamente 6-50 Hz), così come mostrato in Figura 4. Le  Figure 5 e 6 mostrano esempi dei due sismogrammi grezzi comparati.

Figure 5 e 6 –  Esempi di sismogrammi grezzi comparati

 

Il software di trattamento dei dati

Il software di processamento dei dati (Surfseis) fu sviluppato per Kansas Geological Survey (KGS) in EU per il processamento simultaneo della sismica “attiva e “passiva”. Il procedimento schematico del trattamento dei dati e visibile nella Figura 7.

Preparazione e trattamento preliminare dei dati grezzi

• Elaborazione della curva di dispersione (grafico di velocità di fase in relazione alla frequenza) a partire dai dati grezzi (una curva per ogni acquisizione di 24 canali);
• Inversione numerica della curva di dispersione realizzata iterativamente per ottenere il profilo verticale delle “Vs” (profilo 1-D), il quale descrive la variazione delle “Vs” con la profondità (un profilo 1D per ogni acquisizione di 24 canali).

Montaggio dei sismogrammi semplici in sismogrammi multipli

• Correlazione tra i profili 1D successivi a elaborare una sezione continua di velocità sismica;
• Interpretazione del modello di velocità sulla base dei dati geologici esistenti, principalmente i logs delle perforazioni realizzate lungo il tracciato.

La Figura 8 illustra anche il procedimento di acquisizione e processamento dei dati grezzi, mentre la Figura 9 mostra il procedimento di correlazione tra i profili 1D per raggiungere una sezione 2D iterpolata delle “Vs”.

Per finire, la Figura 10 mostra come è possibile combinare insieme le due curve di dispersione ottenute con i due metodi.

Risultati

I risultati della sezione sismica “Roadside MASW” si presentano nella seguente forma:

• La figura in alto mostra il sismogramma ottenuto dopo il trattamento (Modello delle velocità);
• La figura intermedia mostra la distribuzione del Modulo di taglio (“G”) lungo la stessa sezione;
• La figura in basso rappresenta l’interpretazione del modello geologico 2D del terreno, calibrato in base ai risultati delle perforazioni realizzate.

Conclusioni

La tecnica sismica “Roadside MASW” può essere applicata con una elevata percentuale di successo in aree fortemente urbanizzate.

Basandosi sullo studio di propagazione delle onde elastiche nel terreno, permette lo studio della stratigrafia del sottosuolo con una elevata definizione, dato che:

• Non è influenzata  da dispersori elettrici a terra, presenza di cavi elettrici, o altri effetti di induzione elettromagnetica; che sono molto frequenti in aree urbane e che, per esempio, invalidano quasi sempre le applicazioni geofisiche di tipo geoelettrico;
• Dipende, per la sua applicazione, dal rumore ambientale e veicolare, il quale non manca nelle città.

Si tratta pertanto di un eccellente strumento che permette di identificare la presenza del substrato roccioso e la eterogeneità del sottosuolo a una profondità di circa 40-50 m.

La velocità delle onde sismiche “S” (in m/s) dei differenti strati sono indicati nelle sezioni per classi di velocità.

Per una corretta e precisa determinazione della velocità delle onde sismiche è necessario disporre di uno spettro completo delle frequenze del sismogramma:

•  Le alte frequenze sono studiate per mezzo della MASW “Attiva” (con energizzazione manuale), mentre
•  Le basse frequenze, prodotte principalmente dal transito veicolare, sono utilizzate per studiare la parte più profonda del terreno.

La presenza di un’eventuale falda acquifera non rappresenta nessun impedimento in questa tipologia di studio, dato che le onde di taglio non sono influenzate dalla presenza di acqua. Questo rappresenta un ulteriore vantaggio nell’uso di questa metodologia geofisica: un dato materiale presenta la stessa velocità sia in presenza di acqua sia in assenza.

Il grado di precisione e affidabilità della interpretazione delle sezioni dipende dalla disponibilità di dati geofisici del sottosuolo (carotaggi), che permettono una calibrazione del modello di velocità e la corretta attribuzione delle velocità dei sismogrammi.

La corrispondenza tra i risultati geofisici e la geologia locale deve essere realizzata analizzando la stratigrafia dei sondaggi realizzati lungo il tracciato: i “logs” sono di fondamentale importanza nel processo di calibrazione del modello sismico interpretativo per una corretta attribuzione degli strati geo-litologici identificati nei sismogrammi.

In assenza di perforazioni, la tecnica può presentare indeterminazione relativamente all’attribuzione delle unità geologiche, garantendo comunque una buona precisione nella ricostruzione geometrica dei modelli di velocità del terreno.