Che cosa è una prospezione sismica di tipo MASW?

La tecnica MASW (Multichannel Analysis of Surface Waves) è fondamentale per i geologi che esercitano la libera professione. Infatti grazie ad essa si può stimare la velocità delle onde sismiche superficiali e con essa classificare, secondo le Norme Tecniche per le Costruzioni, il substrato su cui poggiano le strutture e quindi caratterizzare sismicamente il suolo stesso.

La tecnica MASW spesso è trattata blandamente nei corsi universitari, facendola studiare ex novo dai giovani geologi che intendono affrontare la libera professione.

Le onde superficiali

Le onde superficiali sono di due tipi: le onde di Rayleigh e le onde di Love, che prendono il loro nome dagli studiosi che le hanno studiate per la prima volta. Ma quali sono le caratteristiche di questo tipo di onde?

1. la loro ampiezza decrementa esponenzialmente con la profondità, quindi la loro propagazione interessa un limitato spessore;
2. hanno un’ampiezza maggiore rispetto alle onde di corpo;
3. le onde di Rayleigh si muovono su un piano radiale secondo un moto retrogrado in quando, se si considera la singola particella del terreno interessato, sembra che tornino indietro. Questo moto indica che queste onde hanno una componente verticale e una orizzontale radiale (cioè parallela alla direzione di propagazione);
4. le onde di Love invece si muovono soltanto sul piano orizzontale con un’oscillazione la cui direzione è perpendicolare rispetto alla direzione di propagazione dell’onda.

Onde di Love e onde di Rayleigh

La tecnica MASW

Il metodo MASW, sviluppato in parte per superare le difficoltà dell’applicazione del metodo SASW in ambienti rumorosi, è una efficiente ed accreditata metodologia sismica per la determinazione delle velocità delle onde S.

Tale metodo utilizza le onde superficiali di Rayleigh registrate da una serie di geofoni lungo uno stendimento rettilineo e collegati ad un comune sismografo multicanale.

Le onde di Raylegh, sono molto dispersive in un mezzo eterogeneo, propagandosi a velocità di fase e di gruppo in modo diversamente nel suolo. Tali onde, permettono di trasportare una quantità di energia artificialmente trasmessa superiore rispetto alle onde P ed S e quindi a sua volta avranno una attenuazione geometrica inferiore.

Le onde di Raylegh raggiungono profondità dipendenti dalla lunghezza d’onda, infatti piccole lunghezze d’onde (alte frequenze) consentono di indagare porzioni più superficiali e viceversa.

La tecnica MASW è una tecnica attiva e non invasiva che permette di rispettare l’ambiente senza effettuare perforazioni e può essere impiegata anche in spazi molto limitati e di difficile accessibilità. Inoltre, il metodo può essere eseguito non solo attivamente ma anche passivamente sfruttando i microtremori presenti nell’ambiente, oppure una combinazione del metodo attivo e passivo. Le frequenze ottenute con il metodo attivo oscillano tra i 10-100 Hz dando informazioni più superficiali entro i 30-40 metri.

In generale, è consigliabile eseguire stendimenti perpendicolari tra di loro per poter determinare un profilo 1-D nelle due direzioni e di associare tale metodo con altri metodi geotecnici per avere un confronto dei risultati ottenuti; infatti, la non unicità del dato è uno svantaggio per quasi tutte le tecniche geofisiche. Rispetto altre tecniche, come le cross-hole e le down-hole, che possono essere impiegate per la determinazione delle velocità delle onde superficiali la MASW impiega meno tempo ed è meno costosa.

Tuttavia, un limite della sua applicabilità è in caso di pendenze maggiori del 20 % sia della topografia del suolo che dalla presenza di discontinuità rocciose presenti. Infatti, lo stendimento, o array, deve esse disposto secondo le curve di livello e non secondo la direzione di massima pendenza. Una altra particolarità da tenere in considerazione è la disposizione dei geofoni e della sorgente, per evitare condizioni di near-offset o far-offset.

L’analisi delle onde S, mediante tecnica MASW, viene eseguita attraverso la trattazione spettrale del sismogramma, a seguito di una trasformata di Fourier, che restituisce lo spettro del segnale. In questo dominio, detto dominio trasformato, è semplice andare a separare il segnale relativo alle onde S da altri tipi di segnale. 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 registrazione simultanea di 24 canali, separati da 0,5m a 10m, fornisce una ridondanza statistica delle misure di velocità di fase e ne avvalora la veridicità. Il salvataggio delle tracce nel dominio temporale, previsto dal metodo, permette inoltre di distinguere e evidenziare, durante l’analisi, le onde di Rayleigh presenti nel record che, normalmente, sono caratterizzate da un’elevata ampiezza di segnale (circa il 60% dell’energia prodotta dalla sorgente artificiale si distribuisce in onde di superficie). Una particolare analisi spettrale, permette di 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.

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 che derivano dal contesto geologico locale. 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 sperimentale approssimativamente coincidente con la curva sperimentale. Questa delicata seconda fase di interpretazione è comunemente detta fase di inversione, e indipendentemente dal software usato, può anch’essa avvenire in maniera automatica e/o manuale. Entrambe le due fasi di interpretazione, per quanto debbano seguire le linee guida dettate dalla teoria, devono rigorosamente essere controllate accuratamente dall’utente poiché non è possibile affidarsi completamente ad un sistema automatico che lavora alla ricerca della soluzione matematicamente migliore, infatti quasi mai questa coincide con la soluzione geologicamente migliore.

La classificazione del substrato con la Vs

Con la Vs, che viene ricavata con una prova di tipo MASW, viene classificato il terreno di substrato. Nella tabella seguente, ripresa dall’Aggiornamento delle Norme Tecniche per le Costruzioni (NTC2018), vengono riportate le classi di sottosuolo suddivise sulla base della Vs.

Approfondimenti

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