PROSPEZIONI SISMICHE FINALIZZATE ALLA CARATTERIZZAZIONE DEL SOTTOSUOLO

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1 COMUNE DI IRSINA (MT) Committente: FIUMANO TOMA TRIVELLAZIONI S.R.L.

2 INDICE 1. INTRODUZIONE PIANIFICAZIONE ED ESECUZIONE DEI LAVORI Rilievo sismico Metodologie Impiegate... 5 Prospezione sismica a rifrazione... 5 Acquisizione tipo M.A.S.W.-S.A.S.W Elaborazione dati sismici... 9 Prospezione sismica a rifrazione... 9 Acquisizione sismica M.A.S.W Strumenti e Mezzi Utilizzati Specifiche tecniche degli strumenti RISULTATI E CONCLUSIONI Interpretazione dei risultati Sismica a rifrazione Acquisizione MASW DOCUMENTAZIONE FOTOGRAFICA

3 1. INTRODUZIONE La presente relazione fa seguito all incarico affidato alla Geotek Plus S.r.l. dalla Società Fiumano Toma S.r.l. al fine di caratterizzare dal punto di vista geofisico i terreni di fondazione interessati dai lavori di ripristino della strada comunale Fosso Martelli - 1 stralcio, sito in agro di Irsina (MT). Il giorno 10 Aprile 2012 è stata eseguita una indagine sismica con l intento di definire l andamento delle velocità delle onde di volume primarie (V P ) e di classificare il suolo secondo il D.M. del 14 gennaio 2008 Norme Tecniche per le Costruzioni. Le indagini sono state eseguite in un terreno arato ubicati a circa 1.5 Km a nord-est del Comune di Irsina (Figura 1). Il campo è adiacente al canale denominato Fosso Martelli e al ponte dissestato. Morfologicamente l area su cui sono state eseguite le indagini risulta leggermente accidentata, trovandosi sui fianchi di un fosso che in alcuni casi risulta abbastanza inciso all interno dei terreni argilloso e sabbiosi ivi affioranti. Figura 1. Ubicazione del sito oggetto di studio. 2

4 2. PIANIFICAZIONE ED ESECUZIONE DEI LAVORI 2.1 Rilievo sismico L indagine geofisica è consistita nell esecuzione di 2 profili di sismica a rifrazione (P1, P2) e di una acquisizione di tipo M.A.S.W. (Multichannel Analysis of Surface Wave) realizzata lungo lo stendimento P2 perché eseguito su un tratto di terreno più pianeggiante e con un dislivello tra inizio e fine inferiore rispetto a P1. Difatti la possibilità di ottenere dei risultati soddisfacenti per quanto riguarda la determinazione dell andamento della Vs30 dipende anche dalla regolarità geometrica ed altimetrica del profilo. L ubicazione degli stendimenti è quello indicato in Figura 2. Figura 2 Ubicazione su ortofoto degli stendimenti sismici (linee rosse) e dell acquisizione MASW (triangolo giallo) eseguiti. 3

5 Per le misure è stato utilizzato un sistema costituito da un sismografo DMT Summit Compact Unit a 24 canali e due set di geofoni a 14 Hz per la sismica a rifrazione e a 4,5 Hz per il M.A.S.W, in grado di rilevare con elevata sensibilità le vibrazioni del terreno. Compatibilmente con la profondità di indagine richiesta e lo spazio disponibile, i sensori sono stati disposti con una interdistanza di 3 m e 2.5 m rispettivamente per P1 e P2. La lunghezza dei singoli profili è di 90 m per P1 e 70 m per P2. L acquisizione dei dati si è svolta secondo le seguenti fasi: I. allestimento del profilo: a. infissione dei geofoni. b. collegamento geofoni-cavi. c. collegamento cavi-sismografo-batteria esterna. II. test strumentazione: a. noise check. b. determinazione durata di acquisizione e frequenza di campionamento. III. acquisizione dati. IV. smantellamento del profilo. Per la prospezione di sismica a rifrazione, i tempi di arrivo delle onde P sono stati registrati effettuando 7 o 6 distinte energizzazioni in modo da poter utilizzare in fase di elaborazione un algoritmo di inversione tomografico. Lo schema di acquisizione è quello riportato in Figura 3. Per le acquisizioni di tipo M.A.S.W. sono state acquisite 10 registrazioni della durata di 1,5 secondi ciascuna. La sorgente per la generazione delle onde sismiche è stata ubicata a 6.5 metri di distanza dal primo geofono. Interdistanza tra i geofoni Figura 3 Schema di acquisizione utilizzato per le prospezioni di sismica a rifrazione. 4

6 2.2. Metodologie Impiegate Prospezione sismica a rifrazione La tecnica della sismica a rifrazione permette la determinazione della velocità di propagazione delle onde longitudinali o primarie P (Figura 4). Tali onde sono generate, e si propagano nel terreno, ogni qualvolta quest`ultimo è sottoposto a sollecitazioni sia di tipo naturale, sia artificiale (terremoti, esplosioni, masse battenti, ecc.). Il metodo si basa sulla misura dei tempi di arrivo delle onde sismiche rifratte all interfaccia tra corpi del sottosuolo caratterizzati da differenti proprietà elastiche. L energia elastica viene generata tramite una sorgente posta in superficie da cui le onde sismiche si irradiano in tutte le direzioni. L istante di arrivo dei segnali sismici a varie distanze dalla sorgente viene rilevato disponendo lungo allineamenti prefissati una serie di sensori (geofoni) ad intervalli regolari (distanza intergeofonica). Entro una certa distanza (distanza di cross-over) i primi arrivi registrati corrispondono alle onde che si sono propagate direttamente dalla sorgente ai geofoni. Per distanze maggiori, le onde rifratte lungo discontinuità tra strati a velocità crescente con la profondità, precedono quelle dirette. Misurando i tempi di arrivo ai geofoni delle onde dirette e rifratte, si ottengono informazioni sulla profondità, gli spessori, la geometria e i parametri elastici dei diversi strati. La sismica a rifrazione risulta particolarmente efficace per definire la stratigrafia del sottosuolo, la profondità e la morfologia del substrato litoide, la rippabilità (o scavabilità) dei terreni. x Figura 4 Dromocrona (in alto) e configurazione-tipo di una prospezione sismica a rifrazione. 5

7 Acquisizione tipo M.A.S.W.-S.A.S.W. Le metodologie generalmente impiegate per lo studio delle onde trasversali o di taglio S sono M.A.S.W.-S.A.S.W. (Multichannel Analysis of Surface Wave - Spectral Analysis of Surface Waves) e RE.MI. (Refraction Microtremors). Entrambe si basano sull analisi spettrale del sismogramma registrato durante l investigazione, attraverso cui è possibile separare il segnale relativo alle onde S da altri tipi di segnale, come quello dovuto alle onde P, alla propagazione in aria, ecc. In generale le onde S si propagano a velocità variabile a seconda della frequenza dell onda stessa; questo fenomeno è detto dispersione, ed è caratteristico delle onde di taglio. A prescindere dalla tecnica impiegata (M.A.S.W.-S.A.S.W. o RE.MI.), si effettua un analisi dello spettro di frequenza del segnale sismico registrato da cui è possibile ricavare la curva di dispersione delle onde S, nell ipotesi di modello del sottosuolo a strati piani e paralleli (con estensione laterale infinita). La curva di dispersione sperimentale ottenuta viene confrontata con quella relativa ad un modello sintetico derivante da una prima inversione dei dati. Questo modello viene modificato successivamente in maniera iterativa, in base alle differenze riscontrate tra le due curve e ad eventuali vincoli di tipo geologico derivanti da informazioni di altro tipo (per esempio da sondaggi geognostici). Ottenuto l andamento delle velocità delle onde S con la profondità, si procede al calcolo del parametro Vs30 che rappresenta la velocità media di propagazione delle onde S entro i primi 30 m di profondità dal piano campagna, calcolato mediante la seguente espressione: Vs30 = 30 / Σ i=1,n (h i /V i ) dove h i e V i indicano rispettivamente lo spessore in metri e la velocità delle onde di taglio dello strato i-esimo per un totale di N strati presenti nei 30 metri. Le metodologie M.A.S.W.-S.A.S.W. e RE.MI. differiscono tra loro per alcune peculiari caratteristiche. La prima tecnica è usualmente definita attiva, in quanto occorre che l operatore sia munito di una sorgente per energizzare il sistema. La tecnica RE.MI. invece viene definita passiva perché non vi è alcuna energizzazione da parte dell operatore; è necessario invece che sia presente un rumore ambientale omnidirezionale. Dal punto di vista pratico questo requisito non sempre è soddisfatto, soprattutto in siti dove, a causa della vicinanza di una strada, cantiere, ecc., gran parte 6

8 dei tremori giungono da una determinata direzione. Per tale ragione nel caso specifico si è preferito utilizzare la metodologia M.A.S.W. Le acquisizioni M.A.S.W.-S.A.S.W. devono essere eseguite con array lineari, ovvero stendimenti in cui i geofoni sono rigorosamente collocati su una linea retta. La distanza tra i geofoni deve essere costante e la sorgente va posizionata esternamente all array, e sempre in asse con esso. In Figura 5 è schematizzata una configurazione-tipo per una acquisizione con metodologia M.A.S.W. Figura 5 Configurazione-tipo di una prospezione sismica con metodologia M.A.S.W. Nella Tabella 1 sono indicati dei valori tipici delle velocità sismiche per alcuni materiali. 7

9 Tabella 1. Velocità sismiche e moduli elastici in terreni e rocce. I valori tra parantesi si riferiscono al materiale non saturo (Head e Jardine, 1992). 8

10 2.3 Elaborazione dati sismici Prospezione sismica a rifrazione I dati acquisiti e registrati nel formato *.sg2 sono stati successivamente elaborati con l ausilio del software Reflex-Win secondo le seguenti fasi: a. visualizzazione dei dati sperimentali; b. filtraggio 1D dei dati in funzione delle frequenze del rumore ambientale; c. applicazione di eventuali correzioni topografiche; d. applicazione dell algoritmo tomografico di inversione dei dati; e. analisi dei risultati e salvataggio dei modelli sismostratigrafici ottenuti. Acquisizione sismica M.A.S.W. I dati acquisiti e registrati nel formato *.sg2 sono stati successivamente elaborati con l ausilio del software SWAN v1.0 secondo le seguenti fasi: f. visualizzazione dei dati sperimentali; g. pulizia dei dati da eventuale rumore ambientale; h. elaborazione del sismogramma medio mediante la trasformata di Fourier nel dominio FK; i. estrazione della curva di dispersione sperimentale; j. applicazione dell algoritmo di inversione dei dati; k. estrazione del parametro Vs Strumenti e Mezzi Utilizzati I dati sono stati registrati e successivamente elaborati con la seguente strumentazione hardware e software: 1. Sismografo DMT Summit Compact (acquisizione dati sismici) 2. Software di acquisizione dati DMT Aquisition Console 3. Software di elaborazione dati Reflex-Win 4. Software di elaborazione dati SWAN (Surface Wave Analysis) 9

11 2.5 Specifiche tecniche degli strumenti SISMOGRAFO DMT SUMMIT COMPACT 10

12 3. RISULTATI E CONCLUSIONI La posizione dei 2 profili, indicata dal geologo direttore dei lavori, è stata scelta per caratterizzare in maniera generale l intera area oggetto dell intervento di ripristino della strada comunale Fosso Martelli e di definire le principali caratteristiche litologiche e geometriche del sottosuolo indagato. Per una corretta comprensione dei risultati del M.A.S.W. ottenuti è opportuno ricordare che il sismostrato (strato sismico con caratteristiche sismiche omogenee) non corrisponde necessariamente ad un unico strato litologicamente omogeneo. 3.1 Interpretazione dei risultati Sismica a rifrazione L elaborazione dei dati con algoritmo tomografico ha prodotto un modello del terreno caratterizzato da valori delle velocità sismiche delle onde P comprese tra circa 300 e 2000 m/s per il profilo P1, tra 400 e 2400 m/s per il profilo P2 (Figura 6). Al fine di facilitare l interpretazione dei risultati ottenuti si è deciso di utilizzare la stessa scala cromatica delle velocità sismiche. I due profili mostrano una buona correlazione dei valori delle velocità ottenuti dall inversione dei dati (Figura 7). In generale si osserva un aumento graduale delle velocità con la profondità indice di un progressivo miglioramento delle proprietà elastomeccaniche dei depositi terrigeni affioranti in quest area. In base alle conoscenze geologiche i terreni presenti nel sito indagato sono costituiti da depositi sabbioso-limosi e limoso-argillosi e il miglioramento delle loro proprietà elastomeccaniche sono probabilmente da imputare ad un aumento del grado di addensamento e/o della consistenza con la profondità. In particolare, in tutti e due i profili è possibile individuare tre sismostrati. Il primo sismostrato più superficiale, delimitato verso il basso dalla isolinea degli 800 m/s (toni del blu), è riferibile a terreno vegetale e/o materiale sabbioso-limoso areato e poco consolidato. Lo spessore del sismostrato varia tra i 3 e i 5 m. L isolinea degli 800 m/s risulta però leggermente irregolare in ambedue i profili; in P1 è lievemente inclinato verso l inizio del profilo, mentre in P2 questo limite si presenta un po' ondulato con la porzione più depressa presente a circa 22 m dall inizio della sezione e quella più elevata a circa 43 m dall inizio del profilo. 11

13 Il secondo sismostrato, compreso tra gli 800 e 1200 m/s (toni del verde), è delimitato verso il basso da un aumento del gradiente di velocità (linea bianca tratteggiata). Questo sismostrato è ascrivibile a depositi limoso-argillosi maggiormente consolidati e presenta uno spessore medio di circa 3 m in entrambe le sezioni. Anche in questo caso l isolinea dei 1200 m/s è leggermente irregolare soprattutto nel profilo P2. Il terzo sismostrato, presente oltre i 1200 m/s e fino alla massima profondità raggiunta dalle investigazioni sismiche (toni del giallo, dell arancio e del rosso) è attribuibile a depositi argilloso-limoso con un grado di consolidamento più elevato; difatti l aumento delle velocità indicano un più netto miglioramento delle proprietà elastomeccaniche. 12

14 P1 P2 P1 P2 VELOCITÀ (m/s) Figura 6 - Modelli sismostratigrafici del terreno. 13

15 VELOCITÀ (m/s) Figura 7 Visualizzazione prospettica 3D delle sezioni sismiche elaborate. 14

16 Acquisizione MASW L analisi dei dati di campagna (Figura 8) indica che gran parte dell energia ricade in un settore dello spettro contraddistinto da compresi tra 200 e 400 m/s (anomalia giallorossa delimitata dal cerchio arancione). Nel grafico le linee nere oblique uscenti dall origine nel dominio FK, individuano i passaggi di velocità secondo intervalli di 100 m/s (le aree caratterizzate dalle velocità maggiori ricadono nella parte sinistra del grafico). Figura 8 Spettro FK dei dati. Il rapporto segnale/rumore risulta sufficientemente alto da consentire la soddisfacente dell andamento delle velocità determinazione di un modello delle onde S con la profondità (Figura 9). In particolare sono stati individuati 5 sismostrati caratterizzati da un progressivo aumento delle velocità sismiche con la profondità e di conseguenza da un miglioramento delle caratteristiche elastomeccaniche dei terreni. In base al modello ottenuto e considerando la presenza dell ultimo sismostrato sino alla profondità di 30 m, risulta il parametro Vs30 calcolato pari a 355 m/s e pertanto secondo l attuale normativa antisismica (D.M. 14/01/2008- Norme Tecniche per le Costruzioni), il suolo investigato ricade nella categoria C ( Depositi di terreni a grana grossa mediamente addensati o terreni a grana fina mediamente consistenti con spessori superiori a 30 m, 15

17 caratterizzati da un graduale miglioramento delle proprietà meccaniche con la profondità e da valori di Vs30 compresi tra 180 m/s e 360 m/s (ovvero 15 < NSPT30 < 50 nei terreni a grana grossa e 70 < cu30 < 250 kpa nei terrena grana fina ). Si precisa infine che, come esposto sinteticamente nel paragrafo inerente la metodologia M.A.S.W., il modello del sottosuolo e di conseguenza anche l inversione di velocità rilevata, sono stati ottenuti in corrispondenza del punto medio del profilo di acquisizione. Figura 9 Modello Vs del terreno. 16

18 COMUNE DI IRSINA (MT) 4. DOCUMENTAZIONE FOTOGRAFICA Foto 1. Profilo sismico P1. Foto 2. Profilo sismico P2. 17

19 COMUNE DI IRSINA (MT) Foto 3. Acquisizione MASW lungo il profilo sismico P2. 18