Avaliações e testes dos métodos MASW e ReMi por meio do tratamento de dados empíricos e sintéticos em um programa de processamento e inversão desenvolvido em MATLAB e sua implicação em um problema geológico na Bacia de Taubaté

Os métodos de ondas superficiais com ênfase nas ondas Rayleigh foram utilizados como o núcleo desse trabalho de Doutorado. Inicialmente, as ondas Rayleigh foram modeladas permitindo o estudo de sensibilidade de suas curvas de dispersão sob diferentes configurações de parâmetros físicos representando diversos modelos de camadas, em que pôde ser observado parâmetros com maior e menor sensibilidade e também alguns efeitos provocados por baixas razões de Poisson. Além disso, na fase de inversão dos dados a modelagem das ondas Rayleigh foi utilizada para a construção da função objeto, que agregada ao método de mínimos quadrados, a partir do método de Levenberg-Marquardt, permitiu a implementação de um algoritmo de busca local responsável pela inversão de dados das ondas superficiais. Por se tratar de um procedimento de busca local, o algoritmo de inversão foi complementado por uma etapa de pré-inversão com a geração de um modelo inicial para que o procedimento de inversão fosse mais rápido e eficiente. Visando uma eficiência ainda maior do procedimento de inversão, principalmente em modelos de camadas com inversão de velocidades, foi implementado um algoritmo de pós-inversão baseado em um procedimento de tentativa e erro minimizando os valores relativos da raiz quadrada do erro quadrático médio (REQMr) da inversão dos dados. Mais de 50 modelos de camadas foram utilizados para testar a modelagem, a pré-inversão, inversão e pós-inversão dos dados permitindo o ajuste preciso de parâmetros matemáticos e físicos presentes nos diversos scripts implementados em Matlab. Antes de inverter os dados adquiridos em campo, os mesmos precisaram ser tratados na etapa de processamento de dados, cujo objetivo principal é a extração da curva de dispersão originada devido às ondas superficiais. Para isso, foram implementadas, também em Matlab, três metodologias de processamento com abordagens matemáticas distintas. Essas metodologias foram testadas e avaliadas com dados sintéticos e reais em que foi possível constatar as virtudes e deficiências de cada metodologia estudada, bem como as limitações provocadas pela discretização dos dados de campo. Por último, as etapas de processamento, pré-inversão, inversão e pós-inversão dos dados foram unificadas para formar um programa de tratamento de dados de ondas superficiais (Rayleigh). Ele foi utilizado em dados reais originados pelo estudo de um problema geológico na Bacia de Taubaté em que foi possível mapear os contatos geológicos ao longo dos pontos de aquisição sísmica e compará-los a um modelo inicial existente baseado em observações geomorfológicas da área de estudos, mapa geológico da região e informações geológicas globais e locais dos movimentos tectônicos na região. As informações geofísicas associadas às geológicas permitiram a geração de um perfil analítico da região de estudos com duas interpretações geológicas confirmando a suspeita de neotectônica na região em que os contatos geológicos entre os depósitos Terciários e Quaternários foram identificados e se encaixaram no modelo inicial de hemi-graben com mergulho para Sudeste.

The use of Ground Penetrating Radar and alternative geophysical techniques for assessing embankments and dykes safety

The research is part of a survey for the detection of the hydraulic and geotechnical conditions of river embankments funded by the Reno River Basin Regional Technical Service of the Region Emilia-Romagna. The hydraulic safety of the Reno River, one of the main rivers in North-Eastern Italy, is indeed of primary importance to the Emilia-Romagna regional administration. The large longitudinal extent of the banks (several hundreds of kilometres) has placed great interest in non-destructive geophysical methods, which, compared to other methods such as drilling, allow for the faster and often less expensive acquisition of high-resolution data. The present work aims to experience the Ground Penetrating Radar (GPR) for the detection of local non-homogeneities (mainly stratigraphic contacts, cavities and conduits) inside the Reno River and its tributaries embankments, taking into account supplementary data collected with traditional destructive tests (boreholes, cone penetration tests etc.). A comparison with non-destructive methodologies likewise electric resistivity tomography (ERT), Multi-channels Analysis of Surface Waves (MASW), FDEM induction, was also carried out in order to verify the usability of GPR and to provide integration of various geophysical methods in the process of regular maintenance and check of the embankments condition. The first part of this thesis is dedicated to the explanation of the state of art concerning the geographic, geomorphologic and geotechnical characteristics of Reno River and its tributaries embankments, as well as the description of some geophysical applications provided on embankments belonging to European and North-American Rivers, which were used as bibliographic basis for this thesis realisation. The second part is an overview of the geophysical methods that were employed for this research, (with a particular attention to the GPR), reporting also their theoretical basis and a deepening of some techniques of the geophysical data analysis and representation, when applied to river embankments. The successive chapters, following the main scope of this research that is to highlight advantages and drawbacks in the use of Ground Penetrating Radar applied to Reno River and its tributaries embankments, show the results obtained analyzing different cases that could yield the formation of weakness zones, which successively lead to the embankment failure. As advantages, a considerable velocity of acquisition and a spatial resolution of the obtained data, incomparable with respect to other methodologies, were recorded. With regard to the drawbacks, some factors, related to the attenuation losses of wave propagation, due to different content in clay, silt, and sand, as well as surface effects have significantly limited the correlation between GPR profiles and geotechnical information and therefore compromised the embankment safety assessment. Recapitulating, the Ground Penetrating Radar could represent a suitable tool for checking up river dike conditions, but its use has significantly limited by geometric and geotechnical characteristics of the Reno River and its tributaries levees. As a matter of facts, only the shallower part of the embankment was investigate, achieving also information just related to changes in electrical properties, without any numerical measurement. Furthermore, GPR application is ineffective for a preliminary assessment of embankment safety conditions, while for detailed campaigns at shallow depth, which aims to achieve immediate results with optimal precision, its usage is totally recommended. The cases where multidisciplinary approach was tested, reveal an optimal interconnection of the various geophysical methodologies employed, producing qualitative results concerning the preliminary phase (FDEM), assuring quantitative and high confidential description of the subsoil (ERT) and finally, providing fast and highly detailed analysis (GPR). Trying to furnish some recommendations for future researches, the simultaneous exploitation of many geophysical devices to assess safety conditions of river embankments is absolutely suggested, especially to face reliable flood event, when the entire extension of the embankments themselves must be investigated.

Sismica ed archeologia industriale: Il Ponte di Riccardo Morandi a Vagli di Sotto (LU)

In questa tesi abbiamo effettuato la caratterizzazione dinamica del celebre ponte pedonale sito a Vagli di Sotto, in Garfagnana (Lucca) e del suo suolo di fondazione. L’opera fu progettata dall’ing. Riccardo Morandi nel 1953 per mettere in comunicazione l’abitato di Vagli di Sopra con i paesi circostanti, dopo l’allagamento della valle sottostante ad opera di una diga in costruzione nello stesso anno. L’opera è interessante per il modo in cui fu costruita in sito e per il fatto di essere - esempio raro - un ponte con fondazioni sommerse da un invaso artificiale per gran parte del tempo e per essere stato costruito in una zona in cui la progettazione antisismica moderna prevederebbe accortezze molto diverse a livello di progettazione. Abbiamo avuto occasione di effettuare la caratterizzazione dinamica dell’opera e del sottosuolo prima ad invaso completamente svuotato (evento che si verifica in media solo ogni 20 anni, per lavori di manutenzione della diga) e successivamente ad invaso riempito. Questo ha permesso di verificare come e se il livello dell’acqua influenzi la risposta dinamica del ponte. E’ stata infine effettuata un’analisi numerica di risposta sismica locale per stimare le accelerazioni tipiche a cui sarebbe sottoposta la struttura in caso di terremoto e le accelerazioni tipiche con cui tale opera dovrebbe essere progettata o sismicamente adeguata al giorno d’oggi.

Evoluzione geomorfologica e caratterizzazione geofisica della colata di Montevecchio, comune di Cesena

Analisi fatte su colate attive, mostrano che per loro natura i lenti movimenti della frana, possono essere accelerati e fluidificati durante estesi o intesi periodi di pioggia. Il meccanismo ampiamente proposto che produce questo tipo di comportamento fluido, è rappresentato dall’aumento della pressione dall’acqua nei pori all’interno del corpo di frana, generando così una parziale o completa liquefazione. Questa transizione solido-liquido è il risultato di una drastica riduzione, in termini di rigidezza meccanica nella zona di terreno liquefatto, il quale può essere potenzialmente rilevata dal monitoraggio della variazione nelle velocità delle onde di taglio (Vs), come dimostrato dalla studio effettuato da Mainsant et al. del 2012. Con questo presupposto in mente, è stata condotta una campagna di monitoraggio durata da maggio a settembre 2015, che attraverso la tecnica d’indagine sismica MASW con metodo attivo-passivo, si è misurato, con cadenza bimestrale, la velocità delle onde di taglio superficiali in vari punti del corpo di frana della colata di Montevecchio (Cesena). Al fine di possedere una conoscenza migliore di suddetta frana, è stato condotto uno studio morfoevolutivo preliminare al periodo di monitoraggio, identificando e definendo così i principali aspetti che caratterizzano la frana. Dai risultati ottenuti dal monitoraggio, si evince che il cambiamento reologico nei terreni fini di frana, possono essere osservato attraverso la variazione delle (Vs), identificando una correlazione diretta tra eventi di precipitazione, con conseguente riattivazione della frana e decrescita delle velocità (Vs), tanto più marcato, quanto maggiore è stato lo spostamento registrato. Il lavoro di tesi condotto conferma quanto detto nello studio di Mainsant et al. del 2012, ponendolo come un valido metodo per predire gli eventi franosi tipo colata.

Analisi Geologico-Tecnica e modellazione numerica della colata di detrito di Serraglio (Castiglione dei Pepoli)

Le colate detritiche sono manifestazioni parossistiche con trasporto impulsivo di sedimenti lungo la rete idrografica minore che presentano un elevato potere distruttivo. In questo lavoro di tesi si è cercato di descrivere inizialmente le caratteristiche tipiche delle colate di detrito, e le condizioni climatiche e geomorfologiche che tendono a favorirne l’innesco. Verranno poi analizzati, i casi relativi all’Appennino bolognese, prendendo come riferimento le colate rapide di detrito avvenute in località Serraglio (Baragazza) nei pressi del comune di Castiglione dei Pepoli. Nello specifico verrà indagato il fenomeno avvenuto il 31/01/2014, per il quale sono stati effettuati numerosi rilievi morfometrici che hanno portato ad individuare una geometria di dettaglio del canale di flusso e della nicchia di frana, per poter ricostruire i volumi di materiale mobilizzato. In contemporanea alle misure morfometriche si sono effettuate delle indagini sismiche volte a stimare lo spessore della coltre di alterazione presente all’interno del canale prima dell’evento, e a monte della nicchia di frana. Successivamente si è cercato di correlare le misure H/V con le prove MASW effettuate ,senza successo, ciò è probabilmente dovuto dalla difficoltà di indagare spessori così sottili con le MASW. Perciò utilizzando le indagini H/V si è tentato di ricostruire il modello geologico – tecnico alla scala del versante. Infine si è cercato di modellizzare il fenomeno utilizzando il software Dan-W con il quale si sono testati vari modelli reologici fra i quali si sono dimostrati più realistici, in riferimento al caso in esame, il modello frizionale ed il modello di Voellmy. Per questi due modelli è stata quindi effettuata la calibrazione dei parametri, in riferimento dei quali si è visto che, con il modello di Voellmy si è ottenuto un buon valore della distanza percorsa dalla colata, ma una stima delle velocità abbastanza elevate. Il modello frizionale invece ha portato ad una buona stima degli spessori dei depositi, ma sottostimando la distanza che avrebbe potuto percorrere la colata se non avesse incontrato ostacoli.

Sismica e archeologia industriale: il ponte di R. Morandi a Vagli di Sotto

In questa tesi ci siamo concentrati su ponte pedonale di Vagli, celebre opera dell’ing. Riccardo Morandi progettata nel 1953. Tale opera, che appartiene ora all’archeologia industriale, è molto interessante per le soluzioni costruttive adottate al tempo, per la fama del progettista e per il fatto di essere un raro esempio di ponte con fondazioni sommerse entro un invaso artificiale, e per essere stato costruito in una zona in cui la progettazione antisismica moderna prevedrebbe accortezze molto diverse. È stato pertanto deciso di effettuare una caratterizzazione dinamica completa del suolo di fondazione e della struttura stessa, sia dal punto di vista sperimentale in condizioni passive che dal punto di vista teorico-modellistico in condizioni attive (cioè in presenza di terremoto). La caratterizzazione dinamica sperimentale dell’opera è stata effettuata prima ad invaso completamente svuotato e quindi con i pilastri del ponte a contatto con l’aria.La caratterizzazione è stata poi ripetuta in condizioni di invaso riempito, con circa 15 metri di acqua. Questo caso di studio si rivela particolarmente interessante per comprendere come il livello dell’acqua modifichi o meno il comportamento dinamico del ponte, e le implicazioni che questo avrebbe nella progettazione sismica moderna. I risultati ottenuti sono rilevanti perché forniscono una caratterizzazione completa dell’opera (suolo-struttura) allo stato attuale e possono quindi essere usati, attraverso il confronto con dati futuri, per valutare l’invecchiamento della struttura stessa o per effettuare verifiche strutturali post-sisma. A fronte di danni strutturali anche invisibili all’occhio umano, infatti, la risposta dinamica della struttura cambia e conoscere lo stato pre-sisma permette di valutare dove e quanto tale risposta sia eventualmente cambiata. L’analisi qui effettuata permette infine di rendere conto dei parametri con cui quest’opera sarebbe dovuta essere costruita secondo gli standard normativi attuali.

I terremoti storici hanno fatto più danni nella parte nord-occidentale di Bologna: ricerca di una spiegazione geofisica per questo fenomeno

Dallo studio della sismicità storica della città di Bologna (Guidoboni e Boschi, 2003) emerge che la maggior parte dei danni causati dai terremoti è concentrata nella parte Nord e Nord-Ovest della città, a nord delle attuali vie S. Donato e S. Isaia. In questo lavoro abbiamo studiato la risposta sismica in diversi siti del centro storico di Bologna, per capirne il comportamento in caso di terremoto e verificare se i risultati fossero compatibili con i dati storici. È stata effettuata una campagna di misure geofisiche: 52 con tecnica passiva a stazione singola HVSR per misurare le frequenze di amplificazione dei sottosuoli (47 all’interno delle mura), 5 in array per misurare l’andamento delle velocità delle onde di taglio nel sottosuolo (tutte all’interno delle mura). 22 delle 47 misure H/V mostrano amplificazione nell’intervallo di frequenze tra 1 e 10 Hz, quello di interesse per le strutture del centro storico. Le cause di queste amplificazioni si ipotizzano essere un livello ghiaioso a circa 10-15 m di profondità (Fiori, 2002) in approfondimento da centro città verso est, e un livello sabbioso a circa 10 m di profondità (Amorosi, 2014). Le misure in array, invece, indicano sostanzialmente che l’estremità orientale della città storica ha rigidezze maggiori a profondità maggiori di 50 m. Il dato derivante dalla sismologia storica, in sintesi, non pare essere completamente supportato da evidenze geologiche o geofisiche: la risposta sismica all’interno delle mura di Bologna varia leggermente da punto a punto, ma senza mostrare trend applicabili ad estese macroaree. Solo l’estremo Nord-Est della città ha un comportamento amplificativo più omogeneo (amplificazione a 1-3 Hz) in linea con la geologia locale, che presenta livelli marcatamente ghiaiosi sotto i 15 m di profondità. La variabilità geologica e di risposta sismica locale è stata verificata essere molto maggiore fuori dalle mura di cinta della città.

Aged embankment imaging and assessment using surface waves

Rapid, non-intrusive surface wave surveys provide depth profiles from which ground models can be generated for use in earthwork condition assessment. Stiffness throughout earthworks controls the behaviour under static and dynamic loads, and characterising heterogeneity is of interest in relation to the stability of engineered backfill and life-cycle deterioration in aged utility and transportation infrastructure. Continuous surface wave methods were used to identify interfaces between fine- and coarse-grained fill in an end-tipped embankment along the Great Central Railway in Nottinghamshire, UK. Multichannel analysis of surface wave (MASW) methods were used to characterise subsurface voiding in a canal embankment along the Knottingley and Goole canal near Eggborough, Yorkshire. MASW methods are currently being used to study extreme weather impacts on the stability of a highplasticity clay embankment along the Gloucestershire–Warwickshire railway near Laverton. Optimal results were obtained using equipment capable of generating and detecting over wide frequency ranges.