Sismica in foro: Down Hole e Cross Hole

Le indagini sismiche in foro si dividono in due metodi: Down Hole e Cross Hole. Il metodo Down Hole rappresenta una delle più accurate misure sismiche per la definizione delle proprietà fisico-meccaniche dei terreni. Consiste nella registrazione, a varie profondità, mediante uno o più geofoni collocati in foro, dei primi arrivi delle onde sismiche generate da una sorgente posta a breve distanza dal "boccaforo" del sondaggio. Le indagini sismiche Cross-Hole utilizzano una coppia di fori, nella quale da una parte sono posizionati i sensori di acquisizione (geofoni o idrofoni), dall'altra avviene l'energizzazione.

Concetti generali

Le indagini sismiche in foro si dividono in due metodi: Down Hole e Cross Hole. Il metodo Down Hole rappresenta una delle più accurate misure sismiche per la definizione delle proprietà fisico - meccaniche dei terreni. Consiste nella registrazione, a varie profondità e mediante uno o più geofoni collocati in foro, dei primi arrivi delle onde sismiche generate da una sorgente posta in prossimità del foro di sondaggio.

Applicazioni

La prova Down Hole dovrebbe essere effettuata quando la profondità delle coperture da esplorare sono superiori a qualche metro e si rende necessaria soprattutto quando non si voglia ricorrere a delle indagini eccessivamente costose, ma si richiedano dei risultati di qualità e precisione da media a buona.

Teoricamente, sarebbe opportuno spingere la prova fino ad incontrare il bedrock, attraversandolo per uno spessore significativo, tenendo comunque presente che in alcuni contesti geologici l'affidabilità della prova con tecniche di interpretazione convenzionali oltre i 40 m di profondità è generalmente scarsa e l'energia generata dalla sorgente potrebbe non essere sufficiente all'univoca individuazione dei primi arrivi.

Strumentazione

Il sistema di acquisizione dati consiste in una sorgente di energia, una serie di ricevitori sismici ed un sistema di registrazione.

Per generare le onde di compressione P si utilizzano i metodi classici quali caduta di un grave, cannoncino, mazza, ecc.. Per generare le onde SH, la sorgente è generalmente costituita da un parallelepipedo di legno e di forma tale da potere essere colpito lateralmente ad entrambe le estremità con una massa. Il parallelepipedo viene gravato da un carico statico addizionale in modo che aderisca al terreno. 

Il sistema ricettivo si compone di due (o più) ricevitori, ciascuno dei quali è costituito da un trasduttore di velocità orientato secondo le componenti di una terna cartesiana ortonormale e collocati all'interno di un unico contenitore di lunghezza circa 450 mm, in modo che uno dei tre trasduttori sia orientato secondo la lunghezza del contenitore (trasduttore verticale) e gli altri ad esso perpendicolari (trasduttori orizzontali). Le terne di ricevitori sono collegati sia secondo la loro lunghezza, in modo di fissarne la distanza verticale pari ad 1 metro, sia secondo l'orientazione relativa (in modo che i trasduttori orizzontali siano paralleli e concordi a due a due). Il sistema di ancoraggio, per garantire un buon accoppiamento in foro tra i ricevitori e le pareti di rivestimento, è stato realizzato mediante quattro pistoncini pneumatici collegati ad un compressore d'aria.

Il sistema di registrazione è un sismografo marca AMBROGEO 12/24. Si tratta di un sistema multicanale in grado di registrare su ciascun canale in forma digitale le forme d'onda e di conservarle su memoria di massa dinamica a 16 bit.

Modalità di esecuzione

La prova consiste nel produrre sulla superficie del terreno una sollecitazione orizzontale mediante una sorgente meccanica, e nello studiare il treno di onde, P e S, che si propagano nel terreno alle varie profondità in direzione verticale, con vibrazioni polarizzate nella direzione di propagazione (onde P) e perpendicolarmente alla direzione di propagazione, polarizzate su un piano orizzontale (onde SH). Mediante due ricevitori disposti nel terreno a profondità note, viene valutato l'istante di arrivo del treno di onde P e S rispetto all'istante in cui vengono indotte le sollecitazioni alla sorgente; dividendo quindi per tali valori la distanza (nota) tra sorgente e ricevitori, si può ricavare la velocità delle onde P e S.

I Cross Hole sismici vengono eseguiti sia su roccia sia su terra, per misurare le sezioni di velocità delle onde di compressione e di taglio nel sottosuolo. Tramite l'utilizzo di questa tecnica è possibile effettuare dei calcoli dinamici del suolo per la progettazione in zone sismiche, realizzare studi sul potenziale di liquefazione, valutare anomalie di velocità che possono trovarsi tra due sondaggi geognostici.

I parametri che possono essere determinati oltre alle Vp e le Vs sono il rapporto di Poisson, nonché i vari moduli elastici. Inoltre, dai risultati del test è possibile stimare lo smorzamento (damping) dei terreni in esame. Il metodo Cross Hole viene sempre più utilizzato nelle indagini geotecniche per valutare le proprietà dinamiche del suolo e delle rocce quando devono essere valutati gli effetti di un terremoto sulle strutture. Il processing sismico consiste in una inversione tomografica dei tempi di primo arrivo ottenuti da profili sismici o registrazioni tra due o più fori di sondaggio, per ottenere profili 2D e/o 3D di velocità.

Le indagini sismiche Cross Hole utilizzano una coppia di fori: in un foro vengono posizionati i sensori di acquisizione (geofoni o idrofoni) e nell’altro avviene l'energizzazione. Le indagini Cross Hole permettono di valutare le variazioni di velocità con la profondità, senza alcun limite di profondità, poiché l'energizzazione avviene direttamente alla profondità desiderata. Si rivelano quindi un mezzo indispensabile per la progettazione di fondazioni profonde, per la microzonazione.

Se l'indagine Cross Hole viene eseguita con particolari accorgimenti, registrando ogni volta con più geofoni lungo il foro, è possibile eseguire una elaborazione tomografica dei dati acquisiti. L'elaborazione tomografica permette di evidenziare anche variazioni di velocità orizzontali, fornendo in dettaglio il campo delle velocità delle onde P tra i due fori. Con l'utilizzo di più fori è possibile eseguire una indagine 3D.

La sorgente energetica deve essere in grado di generare onde elastiche ad alta frequenza e ricche di energia, con forme d'onda direzionali, cioè con la possibilità di ottenere prevalentemente onde di compressione e/o di taglio polarizzate su piani verticali.

L'elaborazione tomografica comporta l'acquisizione di molteplici dati ottenuti da diverse combinazioni spaziali tra sorgente e ricevitore. In genere, ciò si ottiene con una stringa verticale di circa 10-24 idrofoni (ricevitori) sospesa in acqua nel pozzo, mentre una sorgente è sistematicamente spostata nel foro opposto dal basso verso l'alto fino a quando sono ottenute tutte le possibili combinazioni ricevitore-sorgente. Le comuni applicazioni includono: rippabilità delle rocce, individuazioni di cavità, faglie e fratture, individuazione di falde acquifere sospese, profilo stratigrafico verticale, determinazione moduli elastici (Modulo di Taglio, Modulo di Young, rapporto di Poisson), tarature delle velocità per le indagini sismiche di superficie, determinazione della profondità di muri e/o pali di fondazione.

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