REGIONE UMBRIA Direzione Regionale Ambiente Territorio ed Infrastrutture Servizi Tecnici Regionali Osservatorio Sismico “A. Bina” FRANA DI LORETO - TODI CARATTERIZZAZIONE DEI DEPOSITI ATTRAVERSO INDAGINI GEOFISICHE DI SISMICA A RIFRAZIONE E MASW INDAGINI COMBINATE DI: 1) SISMICHE A RIFRAZIONE IN ONDE SH E P 2) INDAGINI MASW IN ONDE RAYLEIGH E LOVE 3) CORRELAZIONI TRA VELOCITA’ DELLE ONDE SISMICHE P ED SH, MONITORAGGIO INCLINOMETRICO E SONDAGGI A B Ricerca scientifica svolta nell’ambito del rapporto di Convenzione tra Regione Umbria e Osservatorio Sismico “A. Bina”
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INDAGINE DI SISMICA A RIFRAZIONE - Osservatorio Sismico … · Osservatorio Sismico “A. Bina” ... Strumentazione: Acquisitore PASI mod. 16S/24 (sismografo a 24 canali) per Rifrazione;
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REGIONE UMBRIA Direzione Regionale Ambiente Territorio ed Infrastrutture
Servizi Tecnici Regionali
Osservatorio Sismico “A. Bina”
FRANA DI LORETO - TODI
CARATTERIZZAZIONE DEI DEPOSITI ATTRAVERSO
INDAGINI GEOFISICHE DI SISMICA A RIFRAZIONE E MASW
INDAGINI COMBINATE DI:
1) SISMICHE A RIFRAZIONE IN ONDE SH E P
2) INDAGINI MASW IN ONDE RAYLEIGH E LOVE
3) CORRELAZIONI TRA VELOCITA’ DELLE ONDE SISMICHE P ED SH,
MONITORAGGIO INCLINOMETRICO E SONDAGGI
A
B
Ricerca scientifica svolta nell’ambito del rapporto di Convenzione tra
Regione Umbria e Osservatorio Sismico “A. Bina”
FRANA DI LORETO - TODI
CARATTERIZZAZIONE SISMICA
DEL MOVIMENTO GRAVITATIVO
INDAGINI COMBINATE DI:
1) SISMICHE A RIFRAZIONE IN ONDE P ED SH
2) INDAGINI MASW IN ONDE RAYLEIGH E LOVE
-Valutazione delle velocità delle onde sismiche P ed S.
- Determinazione della categoria di sottosuolo e del parametro Vs30;
- Correlazioni con dati litostratigrafici diretti
- Ricostruzione geometrica del piano di scorrimento
Gruppo di Lavoro
REGIONE UMBRIA
Dott. Geol. Arnaldo Boscherini
Dirigente Servizi Tecnici Regionali
OSSERVATORIO SISMICO “A. BINA”
Dott. Padre Martino Siciliani
Direttore
Dott. Geol. Andrea Motti
Responsabile tecnico
Geol. Orazio Fabrizi
Responsabile sez. monitoraggio aree in
frana
Geol. Maria Teresa Barba
Collaboratrice monitoraggio aree in frana
Geom. Roberto Forbicioni
Collaboratore monitoraggio sismico aree
in frana
Dott. Geol. Michele Arcaleni
Responsabile settore Indagini Sismiche
Sergio Tardioli
Tecnico operatore
Ricerca scientifica svolta nell’ambito del rapporto di Convenzione esistente tra Regione Umbria e
l’Osservatorio Sismico “A. Bina” di Perugia.
Ottobre 2011
INTRODUZIONE
Viene realizzata una campagna geofisica integrata di sismica a rifrazione in onde SH e P e
Masw in onde di Rayleigh e Love in una zona coinvolta da un importante movimento franoso,
presso Loreto di Todi, attraverso l’esecuzione e l’analisi di oltre 1300 m complessivi di profili
sismici (tra rifrazione in onde SH e P e Masw in onde di Rayleigh e Love).
Lo scopo principale è quello di ottenere una ricostruzione geometrica del piano di
scorrimento ed una caratterizzare sismica del movimento gravitativo stesso.
Per raggiungere l’obiettivo prefissato, vengono utilizzati i metodi di sismica a rifrazione in
onde P ed SH (con elaborazione in tecnica tomografica e profili a tracce coincidenti e MASW
in analisi congiunta onde di Rayleigh ed onde di Love.
Il progetto si configura come ricerca scientifica effettuata nell’ambito della Convenzione
esistente tra la Regione Umbria e l’Osservatorio Sismico “A. Bina”.
Gli scopi principali sono i seguenti:
- ricostruzione geometrica del piano di scorrimento lungo la linea di massima pendenza;
- valutazione delle velocità delle onde sismiche P ed S dei depositi coinvolti dal
movimento gravitativi e di quello in posto.
- determinazione della categoria sismica di sottosuolo in base a quanto prescritto dalle
N.T.C. 14/01/08 e determinazione del parametro Vs30;
- parametrizzazione geotecnica indicativa dei deositi in base a correlazioni empiriche tra
Vp e Vs, con valutazione di moduli di elasticità.
DESCRIZIONE TECNICA RIASSUNTIVA DELLE INDAGINI EFFETTUATE ED
APPARECCHIATURE UTILIZZATE
Ambito indagine: RICERCA SCIENTIFICA - INDAGINI GEOFISICHE
COMBINATE PER LO STUDIO DI UN IMPORTANTE
MOVIMENTO GRAVITATIVO
Tipo di indagini: SISMICA A RIFRAZIONE IN ONDE SH E P
- N. 3 PROFILI DI SISMICA A RIFRAZIONE IN ONDE SH di
lunghezza 96 m, 120 m E 120 m. Acquisizioni a 24 canali, n. 5 punti
di energizzazione per profilo, elaborazione in tecnica tomografica,
geofoni orizzontali e verticali da 14 Hz e 4.5 Hz.
- N. 3 PROFILO DI SISMICA A RIFRAZIONE IN ONDE P a
traccia coincidente con i profili in onde SH.
Tot. 672 m di stendimenti
M.A.S.W. CONGIUNTA RAYLEIGH E LOVE (tarata con i dati
di sismica a rifrazione)
- N. 3 profili M.A.S.W. in onde di Rayleigh lunghezza 96, 120 e 120
m, acquisizione a 24 canali con geofoni verticali 4.5 Hz.
- N. 3 profili M.A.S.W. in onde di Love con geofoni orizzontali.
Le traccie dei profili Masw sono coincidenti con quelle dei profili a
rifrazione
Località: Loreto di Todi – Coordinate geografiche indicative:
Lat. 42.840972 Long. 12.630547
Strumentazione: Acquisitore PASI mod. 16S/24 (sismografo a 24 canali) per
Rifrazione; n. 24 geofoni orizzontali da 14 Hz; n. 24 geofoni
verticali da 4.5 Hz,
Software utilizzati SeisOpt 2D, SeisOpt Picker, WinMasw Pro
LOCALIZZAZIONE DELLE INDAGINI GEOFISICHE REALIZZATE
A
B
Sismica a rifrazione: Profili effettuati sia in onde Sh che in onde P, per un totale di 672 m di
stendimenti
A
B
Profili Masw in onde Rayleigh e Love. Le tracce sono coincidenti con i profili di sismica a
rifrazione, per un totale di ulteriori 672 m di stese sismiche.
CENNI TEORICI ED APPLICATIVI SULLE INDAGINI
REALIZZATE PER LA CARATTERIZZAZIONE DEL
MOVIMENTO FRANOSO
1 – SISMICA A RIFRAZIONE CONGIUNTA IN ONDE SH e P
L’indagine di sismica a rifrazione in onde SH e P ha lo scopo di ricostruire l’assetto
sismostratigrafico dei livelli più superficiali, mettere in evidenza eventuali contrasti di rigidità
sismica (associabili, ad esempio, al passaggio tra il materiale in frana e quello in posto),
fornire la velocità delle onde S entro i primi trenta metri, così come indicato dalle N.T.C. del
14/01/2008. Altro scopo è quello di “tarare e vincolare” l’altro metodo di indagine (MASW)
per tutto lo spessore investigato dalla tomografia sismica, contribuendo a diminuire
l’incertezza sulla determinazione delle velocità delle onde sismiche Vs e Vp nei livelli più
profondi. Le lunghezze dei profili realizzati (96 m per il profilo A-B, 120 m per i profili C-D
ed E-F) sono risultate soddisfacenti per una caratterizzazione geometrica e geotecnica del
corpo di frana e del substrato e per la valutazione del parametro Vs30 (e quindi anche per
determinazione della categoria di sottosuolo in base alle N.T.C. 14/01/2008).
I dati dei profili Masw in onde Rayleigh e Love, utilizzati solo a carattere puramente
qualitativo a causa delle limitazioni fisiche del metodo, confermano quanto emerso dai
risultati delle elaborazioni topografiche di sismica a rifrazione. Anche i dati geologici diretti
messi a disposizione si allineano ai risultati geofisici.
I profili in onde S (SH) e P sono stati effettuati con 24 geofoni (acquisizione simultanea) a
14 Hz e 4.5 Hz orizzontali e verticali e con base sismica per energizzazione per onde SH
(trave solamente appoggiata al suolo con contrappeso di 1.5 tonnellate, perpendicolare
rispetto alla direzione dello stendimento, acquisizioni con inversione di polarità e sommatoria
dei segnali). Sono stati realizzati n. 5 punti di energizzazione equidistanti per profilo, in modo
tale da poter avere una caratterizzazione di eventuali eteropie laterali. Si è energizzato con
martello pesante La trave per la base di onde SH non è stata ancorata a terra ma solamente
appoggiata, al fine di ridurre al massimo la produzione di onde P. I sismogrammi sono stati
acquisiti con sismografo ad alta dinamica e l’elaborazione è stata svolta in tecnica
tomografica, per avere una caratterizzazione parametrica per celle di velocità.
Il software utilizzato elabora un modello teorico compiendo alcune migliaia di iterazioni
sulla base dei primi arrivi delle onde sismiche trasversali. Tale modello viene affinato
automaticamente fino a che i dati teorici coincidono il più possibile con quelli acquisiti
direttamente nella campagna di indagini sismiche. Attraverso questo tipo di elaborazioni, si
riduce sensibilmente il rischio di eventuali errori dovuti a fattori soggettivi di interpretazione.
L’elaborato finale fornisce la velocità relativa a singole celle aventi lati inferiori ai due metri.
In questo modo si riconoscono con chiarezza anche eventuali anomalie laterali di velocità.
Unitamente ai profili in onde SH, come precedentemente riportato, vengono realizzati
anche profili in onde P a traccia coincidente. Lo scopo principale, oltre ad una
parametrizzazione tomografica del corpo di frana in onde P, è quello di poter ottenere anche
informazioni geotecniche e la determinazione di moduli di elasticità, utilizzando alcune
relazioni empiriche che analizzano il rapporto Vp/Vs.
Con le stesse geometrie dei profili in onde S, sono stati quindi effettuati profili in onde P
sostituendo i geofoni orizzontali con geofoni verticali ed energizzando in onde P (quindi con
battuta verticale su un piano orizzontale).
Tabella 2: Alcune relazioni empiriche tra Vs e NSPT. Il valore di Vs è espresso in m/s
Autori Espressioni
Imai & Yoshimura (1970) 0.33
S SPTV 76N
Ohba & Toriumi (1970) 0.31
S SPTV 84N
Ohta e Goto (1978) 0.17 0.2
S SPTV 69N z EF
z profondità (m)
E 1.0 (Olocene) F 1.0 arg illa
1.3 (Pleistocene) 1.09 sabbia fine
1.07 sabbia media
1.14 sabbia grossolana
1.15 sabbia ghiaiosa
1.45 ghiaia
Ohta e Goto (1978) 0.193
0.173
S SPT
ZV 54.33 (N )
0.303
Z= profondità (m)
= fattore di età: Olocene = 1.000
Pleistocene= 1.303
= fattore di geologia: sabbie = 1.086
argille = 1.000
Ohta e Goto (1978) modificato da Seed et
al. (1988)
0.17 0.20
S 60 A G
m
60 m
A
G
V 53.3 (N ) z f f
N numero di colpi nella prova SPT
ERN N numero dei colpi normalizzati
60
z profondità (m)
1 per Olocenef fattore dipendente dall 'età geo log ica
1.3 per Pleistocene
f fattore dipendente dalla natura del deposito
1 per arg ille
1.086 per sabbie fini
1.066 per sabbie medie
1.135 per sabbie grossolane
1.153 per sabbie o ghiaie
1.448 per ghiaie
Imai (1977) b
S SPTV aN
a 102 b 0.29 arg ille Oloceniche
81 0.33 sabbie Oloceniche
114 0.29 arg ille Plioceniche
97 0.32 sabbie Plioceniche
Yoshida e Ikeni e Kokusho (1988) 0.25 ' 0.14
S SPT voV (N )
= fattore di geologia: sabbie fini= 49
25% di ghiaia=56
50% di ghiaia=60
qualsiasi terreno = 55
Okamoto et al. (1989) ePliocenichsabbieN125V 3.0
SPTS
Zuccarello (1999) 0.31
S SPT SPTV 80 (N ) '
SPT= fattore legato ad NSPT (TAB. IV)
’ = fattore di geologia (TAB. V)
Maugeri M. & Carrubba P. (1983) 0.832
S SPTV 15N argille compatte
0.430
S SPTV 80N alternanze di marne e argilliti
0.630
S SPTV 36N alternanze di calcari e marne
0.55
S SPTV 48N in generale
Fase di energizzazione in onde P lungo il profilo C-D onde P.
BREVE NOTE SULLE APPLICAZIONI E METODOLOGIE DELLE INDAGINI DI
SISMICA A RIFRAZIONE
Applicazioni:
• Stratigrafia geologica a piccola e media profondità
• ricostruzioni di movimenti franosi
• Determinazione della profondità del substrato roccioso
• Studio di fondazioni
• Indagini preliminari per la realizzazione di grandi opere (ferrovie, strade, oleodotti)
• Valutazione del costo di operazioni di scavo e sbancamento
• Valutazione depositi di ghiaia, sabbia, argilla
• Ricerche minerarie
Metodologia:
La sismica a rifrazione consente di determinare con buona approssimazione la stratigrafia del
sottosuolo, limitando così, con notevole risparmio di tempo e denaro, il numero di sondaggi
geognostici da effettuare nell’area da investigare.
Un’apparecchiatura per sismica a rifrazione è costituita generalmente da un sismografo e da un
gruppo di geofoni (freq.10-14 Hz): si tratta di energizzare il terreno mediante l’onda d’urto prodotta
dall’esplosione di una piccola carica o dall’impatto di una mazza di battuta. Il compito del
sismografo è quello di misurare il tempo impiegato dalla perturbazione sismica indotta nel terreno a
percorrere la distanza tra la sorgente e ciascun geofono, opportunamente spaziato lungo un profilo.
La velocità di propagazione dell’onda sismica dipende dalle caratteristiche elastiche del sottosuolo e
dalla sua conformazione; la relazione tra velocità dell’onda e distanza sorgente-geofono
(dromocrona) consente, applicando una serie di formule matematiche, di risalire agli spessori degli
strati esistenti nel sottosuolo.
APPARECCHIATURA NECESSARIA PER LA SISMICA A RIFRAZIONE
L’apparecchiatura utilizzata per questo tipo di prove si deve comporre delle seguenti parti:
- Sistema sorgente;
- Sistema di ricezione;
- Sistema di acquisizione dati;
- Trigger.
SCHEMA DELLA PROVA
La prova consiste nel produrre sulla superficie del terreno, in prossimità del sito da investigare,
sollecitazioni dinamiche orizzontali per le onde SH e verticali per le onde P e nel registrare le
vibrazioni prodotte, sempre in corrispondenza della superficie, a distanze note e prefissate mediante
sensori a componente orizzontale.
L’interpretazione dei segnali rilevati e la conseguente stima del profilo di velocità delle onde P ed
SH può scomporsi in queste fasi fondamentali:
- Individuazione del primo arrivo in SH e Vp;
- Ricostruzione delle dromocrone e relativa interpretazione.
DESCRIZIONE DEL SISMOGRAFO PER RIFRAZIONE PASI 16 S
Funzioni principali:
• Attivazione filtri: in acquisizione o post-acquisizione