TECNICHE PER INDAGINI NO DIG

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1 TECNICHE PER INDAGINI NO DIG UTILIZZO DEL METODO GEORADAR IN AREE A RISCHIO DI CROLLO Ing.. Angelo Giamberardino Ing.. Danilo Ranalli Ing.. Marco Scozzafava In collaborazione con: UNIVERSITÀ DEGLI STUDI L AQUILA FACOLTÀ DI INGEGNERIA DIPARTIMENTO DI INGEGNERIA DELLE STRUTTURE, DELLE ACQUE E DEL TERRENO SEZIONE GEOLOGIA APPLICATA Responsabile Scientifico: Prof. DONATELLO MAGALDI

2 GENERALITÀ L utilizzo del RADAR (acronimo coniato nel 1934 per Radio Detection And Ranging) ) per impieghi in campo geologico è diffuso da molti anni. GPR, Ground Probing Radar, Ground Surface Radar, Ground Penetrating Radar e GEORADARG sono tutti termini che indicano un'indagine di tipo non distruttiva del terreno utilizzando onde elettromagnetiche. Il primo utilizzo di segnali elettromagnetici per determinare la presenza di oggetti metallici nascosti è generalmente attribuito a Hülsmeyer nel 1904, ma la prima descrizione del loro uso per la localizzazione di oggetti sepolti apparve 6 anni più tardi in un brevetto tedesco di Leymbach e Löwy. La loro tecnica consisteva nel seppellire antenne a dipolo in una serie di fori verticali nel terreno e comparare la magnitudo dei segnali ricevuti quando coppie successive venivano utilizzate per trasmettere e ricevere.

3 L utilizzo del RADAR (acronimo coniato nel 1934 per Radio Detection And Ranging) ) per impieghi in campo geologico è diffuso da molti anni. GPR, Ground Probing Radar, Ground Surface Radar, Ground Penetrating Radar e GEORADARG sono tutti termini che indicano un'indagine di tipo non distruttiva del terreno utilizzando onde elettromagnetiche. APPLICAZIONI controllo qualità di strutture edilizie e grandi infrastrutture localizzazione di armature, di lesioni e cavità in strutture edilizie localizzazione servizi e reti tecnologiche localizzazione di strutture sepolte (serbatoi) localizzazione di cavità sotterranee individuazione della profondità del substrato roccioso individuazione della superficie piezometrica individuazione di aree caratterizzate da suoli inquinati individuazione di strutture murarie, manufatti o altri reperti sepoltis

4 FASI PRINCIPALI DEL PROCESSO DI ACQUISIZIONE La strumentazione invia, attraverso una generica antenna con funzioni di trasmissione, un impulso multifrequenza all interno del materiale da indagare. Quando le onde e.m. incontrano sul loro cammino una discontinuità fisica, parte dell energia incidente ritorna in superficie e viene acquisita dall antenna con funzioni di ricezione, generando un impulso di forma simile a quello trasmesso ma distorto in frequenza e fase. Schema del GEORADAR DISPLAY L impulso trasmesso viene calibrato opportunamente per ottenere una distribuzione spaziale di forma gaussiana. Il valore massimo di tale curva è detto frequenza centrale dell antenna, e corrisponde alla frequenza dominante dell impulso. Questo valore, legato alla presenza di un dato trasduttore, determina le caratteristiche di risoluzione e di massima profondità di esplorazione. RECORD UNITÀ DI CONTROLLO TRASMETTITORE ANTENNA Materiale 1 RICEVITORE ANTENNA Materiale 2

5 FASI PRINCIPALI DEL PROCESSO DI ACQUISIZIONE Il risultato finale di un rilevamento elementare è costituito da un segnale nel dominio dei tempi, comprendente una serie di impulsi che rappresentano la successione degli orizzonti attraversati e la cui posizione dipende dalla velocità di propagazione delle onde nei materiali. Il sistema preleva questi singoli segnali con tassi variabili in funzione della velocità del mezzo operatore (fino ai 512 sample/sec) e lungo la direzione prefissata. Schema del GEORADAR DISPLAY RECORD UNITÀ DI CONTROLLO Questo consente di visualizzare una vera e propria sezione del sottosuolo che rappresenta le variazioni della riflettività dielettrica lungo la direzione seguita. TRASMETTITORE ANTENNA Materiale 1 RICEVITORE ANTENNA Materiale 2

6 PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO ACQUISIZIONE DEL SEGNALE RADAR T 0R T 1R T 2R T 0T T 1T TARGET TARGET T 2T Il GPR (Gronud Probing Radar) emette segnali a radiofrequenza e registra quelli re-irradiati dall oggetto sepolto. La generazione e la ricezione dei segnali è operata da una o più antenne, tra loro collegate, che vengono fatte scorrere lungo la porzione di terreno che si intende indagare. DIREZIONE DI SCANSIONE 0 MAPPA RADAR 0 6m PROFONDITÀ D 1 D j = T ν jt + T 2 jr D 0 D 2 ν = velocità di propagazione delle onde e.m. nel mezzo 4m

7 ACQUISIZIONE: TECNICA SINGLEFOLD Ciascun punto del sottosuolo viene illuminato una sola volta durante la scansione, secondo angolazioni stabilite dal tipologia di strumentazione presente: verticali (GPR monostatico); angolate (GPR bistatico). GPR MONOSTATICO GPR MONOSTATICO T R Un unica antenna svolge entrambe le funzioni di trasmissione delle onde elettromagnetiche e di ricezione dei segnali riflessi. GPR BISTATICO Trasmissione e ricezione del segnale radar sono affidate a due antenne differenti: rispettivamente alla trasmittente (T) ed alla ricevente (R). La distanza tra le antenne (offset) stabilisce a priori l angolo di incidenza del segnale sul bersaglio. T GPR BISTATICO Offset R

8 ACQUISIZIONE: TECNICA MULTIFOLD Un punto del bersaglio viene illuminato sotto diverse angolazioni durante le scansioni. Tale tecnica può essere effettuata solo da strumenti bistatici. COMMON DEPH POINT (CMP) Il profilo del bersaglio in profondità viene determinato puntualmente, considerando per il singolo punto una serie di acquisizioni ad offsets differenti, ottenuti spostando le due antenne di steps equidistanti dal CMP (punto medio in superficie tra le antenne). Tale tecnica garantisce la max precisione disponibile nella determinazione del punto di acquisizione, ma necessita di tempi elevati. WIDE ANGLE REFLECTION REFRACTION (WARR) L acquisizione di questo tipo consiste nel mantenere fissa l antenna trasmittente (T) e spostare la ricevente (R) lungo il terreno di scansione. La costruzione del profilo si ottiene con la sovrapposizione di più WARR, spostando la sorgente di una costante. Anche in questo caso i tempi sono elevati. R CDP Offset l 01 2 COSTRUZIONE CDP T CMP Offset Offset l 0 Offset l 1 Offset l 2 l 3 COSTRUZIONE T R WARR

9 VISUALIZIONI DEL SEGNALE RADAR Esistono diversi modi di visualizzare i dati GEORADAR. In generale si preferisce il dominio nelle due dimensioni: in ascisse la direzione di scansione, in ordinate la profondità. L irregolarità del profilo è dovuto alla difficoltà strumentale ad emettere durante l'acquisizione un impulso di uguale ampiezza (ES: durante la scansione, la batteria si scarica). Per un'analisi dell ampiezza del segnale occorre normalizzare le singole tracce sul valore massimo dell'onda in aria. RAPPRESENTAZIONE TRIDIMENSIONALE DI UNA SCANSIONE GEORADAR AMPIEZZA PROFILO DELLA SINGOLA TRACCIA ANDAMENTO DELL ONDA IN ARIA (INTERFACCIA ANTENNA TERRENO). MAPPA RADAR BIDIMENSIONALE PROFONDITÀ [cm] DIREZIONE DI SCANSIONE [cm]

10 ELABORAZIONI DEL SEGNALE: FILTRI Il file di dati grezzo (estensione <nome file>.dt) prodotto dall unità di acquisizione, deve essere processato per evidenziare i segnali acquisiti in profondità. Per incrementare il rapporto segnale - rumore attenuando ed eliminando le frequenze indesiderate si utilizzano i filtri diretti. diretti SOIL SAMPLE Determinazione sulla sezione radar dell'interfaccia aria-terreno a quindi dell inizio del terreno. STC LIN Equalizzazione grezza del segnale, usata per portare in visibilità target profondi altrimenti non visibili, a causa dell'attenuazione del segnale. FIR Y Filtraggio passa-banda nel dominio del tempo, realizzato lungo la direzione di profondità per filtrare rumore allocato al di fuori della banda utile del segnale. STC SMOOTH Equalizzazione fine del segnale, usata per portare in visibilità target profondi. CLEAR X Filtraggio passa-alto (rimozione valor medio) realizzato lungo la direzione di scansione radar (asse X) per rimuovere disturbi orizzontali introdotti dal disadattamento antenna - terreno. ESEMPIO

11 ELABORAZIONI DEL SEGNALE: GUADAGNO L'ampiezza del segnale elettromagnetico decresce rapidamente nel suolo: il recupero energetico è per questo motivo un'operazione fondamentale. Si ricorda che le cause di attenuazione del segnale radar, per materiali omogenei, sono l ASSORBIMENTO e la DIVERGENZA SFERICA. In presenza di discontinuità, si aggiungono DIFFRAZIONE, RIFLESSIONE E RIFRAZIONE. ESEMPIO FILTRAGGIO MAPPA RADAR ORIGINALE MAPPA RADAR GUADAGNATA SEGNALE GUADAGNATO AMPLIFICAZIONE PRIMI BERSAGLI RIMOZIONE INTERFACCIA ARIA - TERRENO

12 STRUMENTAZIONE società Ingegneria Dei Sistemi è uno dei principali produttori in Italia di antenne MODULI RIS 2K/0 La e strumentazioni per applicazioni NO DIG. Il produttore mondiale è la GSSI (USA). RIS 2K/0 100MHz [max depth: 15m] Si evidenzia la suddivisione nelle due antenne: trasmittente (a destra); ricevente (a sinistra). RIS 2K/0 600MHz [max depth: 6m] RIS 2K/0 1600MHz [max depth: 1m] HARDWARE UNITÀ AU-IU Interfaccia di immissione dati. Ingloba gli strumenti output: - video (TFT 6.4 ); - tastiera ridotta e mouse. UNITÀ AU-CU Personal Computer per l acquisizione e controllo dei dati. Modulo sperimentale da 40MHz [max depth: 30m]

13 S. BENEDETTO IN PERILLIS Nel comune S. Benetto in Perillis la maggior parte delle aree edificate poggia su una fitta rete di cavità sotterranee, a costituire il sistema ipogeo del paese. S.Benedetto in Perillis ABRUZZO VII A B D C1 C2 B V VI A A B A D C B IV Le cavità si presentano anche su più livelli. C VIII III D E C B A B C C1 D1 A I II D E Scala 1: m N Localizzazione e suddivisione delle cavità sotterranee nella area edificata del comune.

14 A B C SECTION B-C ground level SECTION A-C ground level S.Benedetto in Perillis

15 X Y X [m] Y [m]

16 BARISCIANO (AQ) In un area di montagna, subito a Nord del centro abitato di Barisciano (L Aquila), si incontrano una serie di cavità antropiche ad ingressi verticali ed anche orizzontali. La presenza di quest ultime, è stata oggetto di studio con il Georadar per controllarne la stabilità e ricavare un indice di vulnerabilità. N 0 Km 1 Km

17 La ricerca ha come base la definizione di un modello geo-meccanico di Hoek-Brown il quale ha proposto alcune equazioni empiriche per stabilire le condizioni di stabilità delle cavità. La ricostruzione tridimensionale delle grotte con il Georadar,, unita ad una serie di misure dirette su alcune zone interne interessate da collasso, hanno permesso di costruire un modello con il metodo agli elementi finiti (FEM), dal quale sono stati estrapolati il coefficiente di sicurezza e l andamento della distribuzione dello stress sulle superfici interne delle cavità. Strength Factor SECTION B-B SECTION A-A SECTION C-C

18 CHIETI La zona indagata è nel centro storico della città di Chieti nell area Genio Civile - Piazza dei Templi Romani. L intervento era finalizzato all individuazione di posizione e profondità di una fitta rete di cunicoli sotterranei che interessano l area. Area di interesse 0 m 40 m Ingresso Genio Civile GRUPPO 2 GRUPPO 1

19 CHIETI Non lontano dalla zona descritta in precedenza, una nuova campagna di indagini georadar, condotta su un edificio di civile abitazione interessato da cedimento differenziale, ha permesso la ricostruzione della profondità dei micropali di fondazione e la verifica della consistenza delle sbulbature gettate in opera. ZONA INTERESSATA DA SBULBATURE FINE PALO FINE PALO ACQUA

20 Data la geometria sub-verticale degli elementi da indagare, è stato utilizzato un modulo antenne borehole (antenna da foro). Un modulo dalla forma cilindrica, di frequenza nominale 300MHz, viene immesso in un foro appositamente creato e rivestito con materiale plastico (tubo in PVC) in prossimità degli elementi da indagare. In questo caso: la direzione di scansione corrisponde all asse z; la distanza di indagine è la distanza radiale otteni- bile dall antenna (< 9m)

21 MONTI LEPINI - CARPINETO ROMANO L area di studio presenta un reticolo di cavità naturali a profondità piuttosto elevata (10m 30m). In questo caso si è reso necessario l utilizzo di un antenna con frequenze nominali non superiori ai 40MHz. Il modulo, non ancora disponibile in commercio dalla Ingegneria Dei Sistemi, è in grado di raggiungere i 30m di profondità.

22 MONTI LEPINI - COLLEFERRO La possibilità di lavorare a frequenze piuttosto basse evidenzia la presenza di: discontinuità lineari, (piani di stratificazione) discontinuità localizzate (cavità ampie a grossa profondità)

23 S. MARIA DI COLLEMAGGIO L AQUILA Il metodo GPR è stata impiegato per risolvere problemi ben precisi: individuazione dello spessore del paramento esterno della facciata; Tracciamento delle principali discontinuità rilevate in profondità in corrispondenza della pavimentazione interna alla basilica.

24 INDIVIDUAZIONE DEGLI SPESSORI DEL PARAMENTO ESTERNO T006 T012 T013 T019 T025 T068 T070 T073 T076 T079 T082 T007 T014 T020 T026 T069 T071 T074 T077 T080 T083 T021 T008 T015 T027 T072 T078 T075 T081 T084

25 LOCALIZZAZIONE DEL CUNICOLO DI VENTILAZIONE m SCANSIONE IN DIR. X SCANSIONE IN DIR. Y