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SISMICA A
ONDE DI SUPERFICIE

La sismica a onde di superficie è una metodologia geofisica utilizzata per ricostruire il profilo di velocità delle onde di taglio del sottosuolo, indicato come profilo Vs. Il metodo analizza la propagazione delle onde superficiali, in particolare onde di Rayleigh e, in alcuni casi, onde di Love, sfruttando il fenomeno della dispersione: componenti a frequenza diversa viaggiano a velocità diverse e investigano profondità differenti. 
Nelle applicazioni geotecniche e sismiche, le onde di superficie sono impiegate soprattutto per la caratterizzazione dinamica dei terreni, la stima della velocità equivalente delle onde di taglio e la classificazione sismica del sottosuolo. Le Norme Tecniche per le Costruzioni 2018 richiedono infatti la definizione della velocità equivalente Vs,eq e, per depositi con substrato oltre 30 m, del parametro Vs,30. 
Le tecniche più diffuse sono MASW per le acquisizioni attive e ReMi per le acquisizioni passive. Nella famiglia dei metodi passivi rientrano anche configurazioni e approcci come MAM, ESAC, SPAC e MAAM, utilizzati per analizzare il campo d’onda ambientale attraverso array di geofoni. In alcuni contesti le acquisizioni attive e passive possono essere integrate per migliorare la copertura in frequenza e la profondità di indagine.
Sismografo Gea24

Come funziona

Il principio di base è l’analisi della curva di dispersione, cioè della relazione tra frequenza e velocità di fase delle onde superficiali. Le alte frequenze sono sensibili agli strati più superficiali, mentre le basse frequenze permettono di investigare profondità maggiori.
Il processo operativo prevede in genere:

  1. acquisizione dei segnali con un allineamento di geofoni
  2. trasformazione dei dati nel dominio frequenza-velocità o frequenza-numero d’onda
  3. individuazione della curva di dispersione sperimentale
  4. inversione della curva per ottenere un modello di velocità Vs
  5. calcolo di parametri sintetici, come Vs,eq o Vs30, quando richiesti

Nel metodo MASW, la registrazione multicanale consente di riconoscere e separare meglio le onde coerenti, riducendo l’ambiguità rispetto a metodi basati su pochi ricevitori. La registrazione multicanale è uno degli elementi che permette di ottenere curve di dispersione più controllabili e profili Vs più affidabili.

MASW

La MASW, Multichannel Analysis of Surface Waves, è una tecnica attiva. Le onde di superficie vengono generate con una sorgente controllata, per esempio mazza battente, piastra, massa battente o sorgente vibrante, e registrate da una linea di geofoni.

È indicata quando il sito consente una buona disposizione lineare dei sensori e quando è possibile generare un segnale con energia sufficiente. È molto usata per indagini geotecniche, studi di risposta sismica locale, classificazione del sottosuolo e verifica della rigidezza dinamica dei terreni.

La MASW è generalmente efficace per ricostruire il profilo Vs nei primi metri o decine di metri di sottosuolo. La profondità utile dipende da diversi fattori: lunghezza dello stendimento, frequenze effettivamente registrate, energia della sorgente, accoppiamento dei geofoni e condizioni geologiche del sito. 

ReMi

La ReMi, Refraction Microtremor, è una tecnica passiva. Non richiede una sorgente artificiale, ma utilizza il rumore ambientale prodotto da traffico, attività antropiche, vento, vibrazioni naturali o altre sorgenti diffuse.

È utile soprattutto in ambiente urbano o industriale, dove il rumore può rappresentare un problema per altri metodi ma diventa una risorsa per l’analisi. La ReMi utilizza gli stessi sistemi della sismica a rifrazione, con array lineari di geofoni, per stimare la struttura di velocità Vs anche fino a profondità elevate, variabili in funzione della configurazione e della qualità del dato.

Rispetto alla MASW, la ReMi può offrire una maggiore profondità di investigazione quando sono presenti basse frequenze ambientali utilizzabili. Di contro, il risultato dipende dalla qualità, dalla direzionalità e dalla distribuzione del rumore registrato. 

Metodi passivi: MAM, ESAC, SPAC e MAAM

Oltre alla ReMi, nelle indagini a onde di superficie possono essere impiegati altri approcci passivi basati sull’analisi del rumore ambientale, come MAM, ESAC, SPAC e MAAM.

Queste tecniche si basano sull’installazione di più sensori (geofoni) disposti lungo una linea o una geometria definita, che registrano contemporaneamente le vibrazioni del suolo che non sono 
generate artificialmente, ma derivano dal cosiddetto microtremore, cioè il rumore sismico naturale o antropico (traffico, vento, attività umane). 

Registrando lo stesso segnale in punti diversi, è possibile confrontare i tempi di arrivo, le variazioni di fase e le differenze di ampiezza tra i vari ricevitori.
Da queste differenze si ricava come le onde superficiali si propagano nello spazio, cioè la loro velocità, la loro direzione e la loro dispersione (onde con frequenze diverse si propagano con velocità diverse).

La scelta tra ReMi, MAM, ESAC, SPAC o MAAM dipende dalla geometria disponibile, dal livello e dalla distribuzione del rumore ambientale, dalla profondità di indagine richiesta e dal tipo di modello Vs da ricostruire. Rispetto alle prove attive, i metodi passivi possono essere utili quando è necessario intercettare frequenze più basse o quando non è possibile utilizzare una sorgente artificiale efficace. 

Onde di Rayleigh e onde di Love

Le onde di Rayleigh sono le più utilizzate nelle indagini MASW e ReMi con geofoni verticali generalmente da 4,5Hz. Presentano un moto ellittico delle particelle e sono particolarmente adatte alla ricostruzione dei profili Vs.

Le onde di Love sono onde superficiali polarizzate orizzontalmente. Possono essere acquisite con geofoni orizzontali  generalmente da 4,5Hz e sorgenti laterali, oppure in contesti in cui la componente trasversale del moto è significativa. L’analisi congiunta di onde di Rayleigh e onde di Love può aiutare a vincolare meglio il modello di velocità, soprattutto in presenza di inversioni di velocità, contrasti laterali o modelli stratigrafici non semplici. 

Quando si usa

Le indagini a onde di superficie si usano quando serve stimare la distribuzione della velocità Vs nel sottosuolo in modo non invasivo. Sono particolarmente indicate per:
Sono indicate in particolare quando:
  • serve ricostruire la velocità delle onde di taglio nei primi metri o nelle prime decine di metri di sottosuolo
  • occorre calcolare parametri sintetici come Vs30, Vs,30 o Vs,eq
  • è richiesta una caratterizzazione dinamica del terreno senza ricorrere necessariamente a prove in foro
  • il sito consente uno stendimento lineare per acquisizioni MASW attive
  • il rumore ambientale può essere sfruttato con tecniche passive come Re.Mi., MAM, ESAC, SPAC o MAAM
  • è utile integrare dati geofisici, geologici e geotecnici per costruire un modello sismostratigrafico più vincolato.
Sono spesso scelte perché richiedono tempi di acquisizione contenuti, non prevedono perforazioni e possono essere eseguite anche in spazi relativamente limitati, compatibilmente con la geometria necessaria allo stendimento. 
GeaBus cavo di segnale

Cosa produce

Un’indagine a onde di superficie produce principalmente:
  • curva di dispersione sperimentale
  • modello 1D di velocità Vs
  • eventuale sezione 2D Vs, ottenuta da più acquisizioni lungo un profilo
  • calcolo di Vs,eq o Vs30
  • classificazione del sottosuolo secondo la normativa applicabile
  • indicazioni sulla rigidezza dinamica dei terreni
  • supporto alla definizione del modello sismostratigrafico
Il risultato non è una stratigrafia litologica diretta. È un modello geofisico basato sulla variazione della velocità delle onde di taglio. Per questo deve essere interpretato insieme a dati geologici, geotecnici, stratigrafici e, quando disponibili, prove dirette.

CONTESTI APPLICATIVI

- valutazione della risposta dei terreni a vibrazioni e sollecitazioni sismiche

- progettazione geotecnica e fondazioni

- verifiche su edifici esistenti e interventi di adeguamento

- studi per fondazioni superficiali e profonde

- opere stradali, ferroviarie e infrastrutturali

- argini, rilevati, piazzali e opere lineari

- aree urbane, industriali e logistiche
- studi di risposta sismica locale
- studi di microzonazione sismica
- classificazione sismica del sottosuolo secondo normativa
- indagini preliminari e integrazione con prove geologiche, geotecniche e sismiche dirette

Strumentazione necessaria

Una configurazione tipica per indagini a onde di superficie può comprendere::
  • sismografo multicanale, per esempio GEA24, oppure unità di acquisizione GEMINI2
  • geofoni verticali a bassa frequenza, per esempio 4,5 Hz, per l’analisi delle onde di Rayleigh
  • geofoni orizzontali a bassa frequenza, quando si vogliono acquisire anche componenti legate alle onde di Love
  • cavi sismici  con spaziatura definita, oppure sistemi di acquisizione separati/sincronizzati
  • sorgente attiva per MASW, come mazza di battura e piattello
  • struttura per piattello onde orizzontali, quando sono previste acquisizioni con componente orizzontale
  • trigger, starter piezoelettrico, prolunga trigger o sistemi multitrigger (per i metodi attivi)
  • eventuale opzione GPS per sincronizzazione, posizionamento o gestione operativa dell’acquisizione
  • software di elaborazione e inversione
Per indagini ReMi, MAM, ESAC, SPAC, MAAM o passive in generale possono essere utilizzati geofoni verticali a bassa frequenza e tempi di registrazione più lunghi. La risposta alle basse frequenze è importante per estendere la profondità utile di indagine.
Geofono starter
Gemini2
Multitrigger box

Esempi di configurazione operativa

Gli esempi di configurazione servono a orientare la scelta della strumentazione in funzione del metodo di acquisizione, dell’obiettivo dell’indagine e delle condizioni operative del sito. In una prova a onde di superficie, la configurazione non dipende solo dal numero di canali, ma anche dal tipo di sorgente, dalla frequenza dei geofoni, dalla geometria dello stendimento, dalla componente acquisita e dalla profondità di indagine richiesta.

Configurazione MASW attiva per profilo Vs e Vs30

Una configurazione MASW attiva viene utilizzata quando l’obiettivo è ricostruire il profilo Vs del sottosuolo e calcolare parametri come Vs30 o Vs,eq attraverso una sorgente controllata. La prova prevede uno stendimento multicanale, una sorgente sismica attiva e un sistema di trigger per sincronizzare il tempo di battuta con l’acquisizione.
In una configurazione tipo rientrano:
  • sismografo multicanale o unità di acquisizione sincronizzate
  • geofoni verticali a bassa frequenza, spesso 4,5 Hz, per l’analisi delle onde di Rayleigh
  • eventuali geofoni orizzontali a bassa frequenza per acquisizioni sulla componente legata alle onde di Love
  • cavi sismici o sistemi di collegamento tra ricevitori e unità di acquisizione
  • sorgente attiva, per esempio mazza di battuta e piattello
  • trigger, starter piezoelettrico o geofono starter
  • eventuale GPS per gestione operativa, sincronizzazione o posizionamento
     

Questa configurazione è indicata per indagini geotecniche, classificazione sismica del sottosuolo, studi di risposta sismica locale e verifiche in cui serve un modello Vs dei primi metri o delle prime decine di metri di terreno.

Gemini2 per sismica attiva

Configurazione MASW con sistema cablato o modulare

La scelta tra una configurazione cablata tradizionale e una configurazione modulare dipende dalle condizioni del sito e dal modo in cui si vuole organizzare il rilievo.
Una configurazione cablata multicanale è adatta a stendimenti lineari classici, con geofoni collegati tramite cavi sismici e acquisizione centralizzata. È una soluzione ordinata e controllabile, utile quando lo spazio disponibile consente una geometria regolare e quando si vuole gestire l’intero stendimento da un unico sistema di acquisizione.
Una configurazione modulare, basata su unità separate o sincronizzate, può essere utile quando serve maggiore flessibilità operativa, quando la geometria dello stendimento è meno semplice o quando si lavora con più unità di acquisizione. In questi casi diventano importanti la sincronizzazione del trigger, l’eventuale uso del GPS e la corretta gestione dei tempi di acquisizione.
Le configurazioni PASI per metodi attivi MASW/Vs30 includono soluzioni dedicate con GEA24 e GEMINI2, complete degli accessori necessari per sorgente, trigger, geofoni verticali e, quando previsto, acquisizioni con componente orizzontale.

Configurazione passiva per Re.Mi., MAM, ESAC, SPAC e MAAM

Le configurazioni passive per onde di superficie sono utilizzate quando non si impiega una sorgente artificiale, ma si registra il rumore ambientale o il microtremore prodotto da traffico, attività antropiche, vento, vibrazioni naturali o altre sorgenti diffuse.
In una configurazione tipo rientrano:
  • sismografo multicanale
  • geofoni verticali a bassa frequenza, generalmente 4,5 Hz
  • cavi sismici con spaziatura definita o geometrie di array adatte al metodo utilizzato
  • tempi di registrazione adeguati all’analisi del campo d’onda ambientale
  • eventuale GPS per sincronizzazione, riferimento temporale o gestione del rilievo
  • software per analisi della dispersione e inversione del profilo Vs
Queste configurazioni sono indicate per prove Re.Mi., MAM, ESAC, SPAC e MAAM, soprattutto quando l’obiettivo è intercettare frequenze più basse rispetto alle acquisizioni attive o integrare la MASW con informazioni utili alla porzione più profonda del modello. 
Per le acquisizioni passive, PASI propone configurazioni basate su GEA24, geofoni verticali a bassa frequenza, cavi sismici e accessori per la gestione del rilievo.

Acquisizione integrata attiva e passiva

In molti casi è utile integrare MASW e metodi passivi. La MASW fornisce maggiore controllo sulle frequenze più alte e sugli strati superficiali, mentre le acquisizioni passive possono contribuire alle basse frequenze e quindi alla porzione più profonda del modello.

L’integrazione tra acquisizione attiva e passiva è particolarmente utile quando si vuole ottenere una curva di dispersione più completa, migliorare il vincolo sull’inversione e costruire un modello Vs più coerente con il contesto geologico e geotecnico disponibile.
SCOPRI LE CONFIGURAZIONI DISPONIBILI

Software di interpretazione

I dati relativi a onde di superficie richiedono software specifici per l’elaborazione della curva di dispersione e l’inversione del profilo Vs. Nella sezione software PASI dedicata a MASW, Re.Mi. e onde superficiali sono indicati:
ZONDST2D
EasyMASW
WINMASW
 
 Questi applicativi supportano le fasi di analisi dei dati, individuazione della curva di dispersione, inversione e costruzione del modello Vs. La scelta del software non è neutra: il risultato dipende dalla qualità del dato, dalla corretta identificazione della curva di dispersione, dalla parametrizzazione del modello e dall’esperienza dell’operatore.

Per questo motivo, il software deve essere considerato uno strumento di supporto all’interpretazione, non un automatismo. Le analisi delle onde superficiali richiedono sempre controllo tecnico, verifica della coerenza del modello e confronto con il contesto geologico e geotecnico disponibile.

Limiti e assunzioni

Le onde di superficie sono uno strumento potente, ma non automatico. I principali limiti riguardano:
  • non unicità dell’inversione
  • dipendenza dalla qualità della curva di dispersione
  • difficoltà in presenza di forti variazioni laterali
  • possibile interferenza di modi superiori
  • ambiguità tra modello geofisico e stratigrafia reale
  • necessità di vincoli geologici o geotecnici
  • sensibilità alla geometria di acquisizione
  • profondità di indagine legata alle frequenze effettivamente registrate
La MASW assume spesso un modello stratificato con variazione prevalentemente verticale delle proprietà elastiche. Se sono presenti variazioni laterali significative, lo stendimento deve essere mantenuto il più possibile compatibile con tale assunzione.
Per questo motivo, il profilo Vs deve essere considerato parte di un modello interpretativo più ampio e non una misura isolata sufficiente a descrivere da sola il sottosuolo.

Risorse e riferimenti

Standard
Articoli con utilizzo di strumentazione PASI
Letteratura scientifica
Manuali software

Terminologia tecnica

  • onde di superficie
  • onde di Rayleigh
  • onde di Love
  • MASW
  • ReMi
  • MAM
  • ESAC
  • SPAC
  • MAAM
  • microtremore
  • curva di dispersione
  • velocità di fase
  • frequenza
  • numero d’onda
  • profilo Vs
  • Vs,eq
  • Vs30
  • inversione
  • modello sismostratigrafico
  • geofoni a bassa frequenza
  • acquisizione attiva - acquisizione passiva
  • modi superiori
  • risposta sismica locale
  • classificazione sismica del sottosuolo