Spilimbergo

Università Telematica Pegaso

Corso di laurea in ingegneria civile ed ambientale

Tesi di laurea in geologia e difesa del suolo

La tomografia GPR ad alta frequenza come metodo diagnostico in applicazioni di ingegneria civile

Relatore: Prof. R. D'Orsi

Candidato: Iuliucci Michela Matr. 070191192

Anno Accademico 2021/2022

Sommario

• La tomografia GPR ad alta frequenza come metodo diagnostico in applicazioni di ingegneria civile .................................................................................. 3
• Introduzione ........................................................................................................................... 4
• Cap 1. Il metodo GPR .............................................................................................................. 6
• 1.1 Campi di applicazione del GPR ............................................................................................ 7
• 1.2 Metodi di indagine ................................................................................................................ 8
• 1.3 Propagazione dell’energia radar ......................................................................................... 11
• 1.4 Parametri fisici che influenzano la propagazione dell’energia elettromagnetica ................ 12
• Cap 2. La tomografia .......................................................................................................... 15
• Cap 3. Studio sperimentale in condizioni controllate ................................... 22
• 3.1 Strumentazione utilizzata .................................................................................................... 22
• 3.2 Sito indagato ....................................................................................................................... 23
• 3.3 Acquisizione dati ................................................................................................................ 25
• 3.4 Time zero ............................................................................................................................ 29
• 3.5 Elaborazione ....................................................................................................................... 32
• 3.6 Descrizione dei parametri utilizzati dal programma di inversione ...................................... 34
• 3.7 Tomografia e risultati ......................................................................................................... 40
• 3.8 Conclusioni............................................................... 53
• Cap 4. Esempi di applicazioni in campo ingegneristico, ambientale e geologico .............................................................................................................................. 55
• 4.1 Indagine per la localizzazione di cavità nel sottosuolo ..................................................... 57
• 4.2 Localizzazione di serbatoi di stoccaggio interrati .............................................................. 58
• 4.3 Individuazione di forme di origine carsica ......................................................................... 60
• 4.4 Verifica dell’applicabilità e dell’efficacia del GeoRadar per individuare cavità o tunnel scavati da animali all’interno degli argini ...................................................... 61
• 4.5 Descrizione dell’indagine nel sito 1 – Canale Lorgana ....................................................... 64
• 4.6 Discussione e considerazioni finali ..................................................................................... 67
• 4.7 Sviluppi futuri .................................................................................................................... 70
• Bibliografia ..................................................................................................................................... 72
• Ringraziamenti ................................................................................................................................ 73

A chi non ce l’ha fatta,

A chi ha mollato,

A chi non si è sentito all’altezza,

A chi ha trovato solo porte chiuse,

A chi non crede più in sé stesso,

A chi ha pianto notti intere pensando a quell’esame,

A chi non è riuscito a respirare per l’ansia,

A chi si è dato la colpa di ogni fallimento,

A chi ha preferito morire invece che fallire ancora,

A Me, che alla fine ce l’ho fatta!

La tomografia GPR ad alta frequenza come metodo diagnostico in applicazioni di ingegneria civile

Introduzione

La prospezione geofisica è una tecnica di indagine non distruttiva del sottosuolo, che consiste nella misurazione tramite appositi strumenti di alcune proprietà fisiche del terreno che possono rivelarne la struttura, così come la presenza di oggetti sepolti. Si tratta di indagini non invasive che assumono grande importanza quando è difficile e costoso il rilevamento diretto di un oggetto sepolto, dove l'oggetto è inteso in un'ampia accezione del termine, in senso naturale (gas, carbone, petrolio) ed artificiale (resti archeologici, armature, lesioni, cavità in strutture edilizie). Se questi oggetti, comunemente chiamati anomalie, sono considerati come una modifica del terreno, valutare le differenze fisiche con il terreno circostante misurando determinate caratteristiche fisiche, significa correlare tali anomalie con la rispettiva risposta geofisica, comunemente chiamata "anomalia geofisica".

Uno dei più recenti metodi di esplorazione geofisica, ritenuto molto valido nel campo dell’ingegneria civile nonché in altri ambiti, è il Ground Penetrating Radar (GPR), che è proprio l’apparecchiatura utilizzata per questo lavoro di tesi. Questo metodo può definire, in maniera veloce, accurata e soprattutto non invasiva, il lineamenti di corpi sepolti, le localizzazioni di servizi interrati, il riconoscimento di cavità, la diagnostica su strutture e danneggiamenti di murature, le stratigrafie in tre dimensioni, consentendo un notevole risparmio di tempo e denaro.

I moderni sistemi GPR acquisiscono i dati in forma digitale su supporto magnetico o direttamente sul disco fisso del computer. Ciò consente di elaborare e di filtrare i dati grezzi immediatamente dopo l’acquisizione. Sebbene la penetrazione dell’onda radar e l’abilità di riflettere energia in superficie aumentano in un ambiente asciutto, recenti ricerche hanno dimostrato che l’assenza di umidità non è necessariamente un prerequisito per i rilievi GPR. Le attuali tecniche di elaborazione, che utilizzano potenti software, hanno dimostrato che, qualche volta si possono ottenere dati significativi anche in condizioni di terreno molto umido.

Una modalità non ancora diffusa e consolidata nell’ambito di tecniche non distruttive è la tomografia radar in trasmissione. Le inversioni tomografiche possono utilizzare sia i tempi che le ampiezze dei primi arrivi. In questo lavoro di tesi, è stata utilizzata l’inversione tomografica dei tempi.

I risultati ottenibili dipendono da: strumentazione, geometria di acquisizione, qualità dei dati, elaborazione dei segnali ed algoritmi di inversione. La scelta delle antenne, il numero di misure, le posizioni di sorgenti e ricevitori devono essere ottimizzate per garantire una buona copertura della sezione e tempi di acquisizione accettabili, in modo da ottenere la massima risoluzione consentita. La tomografia radar non è ancora un metodo di uso diffuso e consolidato nel campo dei test non distruttivi per l’ingegneria civile. Comunque essa può essere un valido strumento per la individuazione di zone degradate all’interno di murature.

Gli sforzi della ricerca vanno fondamentalmente in due direzioni. La prima è la metodologia di acquisizione (antenne dedicate, strumentazione di appoggio per acquisizioni veloci e precise). In questo senso si cerca di sfruttare al massimo la facilità di accoppiamento della sorgente all’interfaccia rispetto alle sorgenti. La seconda è la scelta e l’ottimizzazione della tecniche di inversione. Diverse tecniche sono disponibili e nessuna si dimostra in assoluto meglio di altre: la scelta deve avvenire in base al tipo di risoluzione desiderata e alle caratteristiche dei materiali indagati. Diverse ricerche sono in atto sia per l’applicazione di metodi standard quali la tomografia per tempi e per ampiezze. Le tomografie per tempi (TT) e per ampiezze (AT) sono metodi consolidati, semplici da implementare e che non richiedono preprocessing dei dati costosi. Gli aspetti più critici sono il picking dei primi arrivi e delle ampiezze.

Capitolo 1

Il metodo GPR

Il metodo GPR si basa sulla trasmissione di impulsi elettromagnetici (radar) ad alta frequenza nel terreno e sulla misura del tempo trascorso tra la trasmissione e la ricezione in superficie degli impulsi stessi. Un impulso di energia radar è immesso nel terreno da un‘antenna trasmittente che è disposta sopra la superficie del terreno. L’onda elettromagnetica si propaga verso il basso nel terreno; quando incontra una superficie di discontinuità parte di essa è riflessa (torna indietro in superficie) e parte trasmessa.

Le riflessioni sono generalmente causate da variazioni delle proprietà elettromagnetiche del terreno, in particolare permittività elettrica e magnetica, variazioni di contenuto d’acqua, cambiamenti litologici e variazioni di densità di volume all’interfaccia stratigrafica. Le riflessioni possono anche essere generate all’interfaccia tra l’oggetto archeologico e il terreno circostante. Spazi vuoti nel terreno, come quelli che si possono incontrare nelle sepolture, tombe, tunnel ecc.., generano riflessioni significative dovute al cambiamento di velocità dell’onda radar.

1.1 Campi di applicazione del GPR

In questi ultimi anni l’utilizzo delle tecniche GPR per le prospezioni geofisiche in superficie, hanno assunto sempre maggiore diffusione e, soprattutto, si sono specializzate in diversi settori applicativi. Si è infatti assistito ad un notevole aumento di interesse nei confronti di questa tecnica che dipendente in gran parte dall’economia dei costi e dei tempi di esecuzione, nonché dal carattere assolutamente non distruttivo e non invasivo, dal vantaggio di essere un metodo molto speditivo che produce risultati caratterizzati da un buon livello di dettaglio. Quindi per esempio, a differenza di altri metodi, come quello magnetico ed elettrico, che trovano forti limitazioni nell’ambiente urbano, il primo per la presenza di un forte “rumore magnetico”, il secondo per la difficoltà di realizzare buoni contatti galvanici, la metodologia georadar può essere impiagata in tutte le più disparate condizioni operative.

Attualmente le applicazioni delle tecniche di indagine con sistemi georadar, sono varie e numerose. I principali settori di applicazione possono essere così schematizzati:

• Ingegneria civile:
  • Controllo qualità, morfologico e strutturale di strutture edilizie in cemento armato e muratura;
  • Individuazione della posizione delle armature, lesioni e cavità in strutture edilizie e fondazioni;
  • Localizzazione servizi e reti tecnologiche;
  • Localizzazione di strutture sepolte, serbatoi;
  • Verifica e collaudo di grandi infrastrutture, dighe, viadotti e gallerie.
• Geologia ambientale:
  • Determinazione di geometria e profondità del substrato roccioso;
  • Individuazione della superficie piezometrica;
  • Individuazione di aree caratterizzate da suoli inquinati;
  • Verifiche di tenute su discariche inquinate, localizzazione di discariche abusive.
• Archeologia:
  • Individuazione di strutture murarie, manufatti o altri reperti sepolti;
  • Individuazione di camere sepolcrali, catacombe e cisterne.

1.2 Metodi di indagine

La profondità a cui l’energia radar può penetrare nel sottosuolo e la definizione che si può ottenere sono parzialmente controllate dalla frequenza dell’energia radar trasmessa, da cui dipendono anche la lunghezza d’onda e l’attenuazione dell’onda che si propaga nel terreno. La banda di frequenza delle antenne utilizzate varia da circa 10MHz a circa 2000MHz. Quindi, al variare della frequenza di emissione, il georadar consente di identificare oggetti o superfici di discontinuità di diverso tipo:

• Con alte frequenze (1600 MHz) si ottiene un elevato dettaglio (1 cm) ma con una profondità di indagine limitata entro 0.5-1 m. Particolarmente adatte per indagini strutturali (precisa individuazione di posizione e geometria delle armature in strutture in c.a., ecc)
• Con medie frequenze (600MHz) la profondità di indagine si spinge fino ai 5 m con un grado di dettaglio (2-5 cm). Più che sufficiente per un ampia gamma di applicazione nell’ambito dell’ingegneria civile (individuazione della tipologia delle strutture di fondazione, individuazione di sottoservizi quali acquedotti, fognature, reti elettriche ecc…)
• Con basse frequenze (100MHz) la profondità di indagine si spinge anche oltre i 10 metri, con un grado di dettaglio minore (10-20 cm). Soddisfacente per un gran numero di applicazioni, soprattutto di tipo geologico, geotecnica ed archeologico (individuazione di cavità, di superfici di discontinuità, ecc…).

Il sistema è costituito da un’unità centrale che genera il segnale e da un’antenna che lo trasmette e lo riceve. Quando vengono utilizzate due antenne, una come trasmittente e l’altra come ricevente si parla di acquisizione in bistatico.

In questo caso esiste una distanza tra le antenne chiamata offset ed il punto illuminato è il punto medio tra le antenne (in realtà tale circostanza si verifica solo se la superficie del target è parallela alla superficie di acquisizione). Nel bistatico esiste un angolo di incidenza, quindi variando l'offset possiamo illuminare i targets da diverse angolazioni. Il problema principale del bistatico è l'interazione tra le antenne, ingombro e la non praticità. Il georadar bistatico può essere usato anche per acquisizioni in trasparenza, ponendo il mezzo da indagare tra le antenne: per realizzare un cross-hole, o, tramite opportune procedure di inversione, ottenere una mappa tomografica.

Quando viene usata una sola antenna sia come trasmittente che come ricevente, essa trasmette l’impulso radar e subito dopo si pone in ricezione per captare l’energia riflessa da un eventuale bersaglio (in questo caso si parla di acquisizione monostatica).

La visualizzazione dei tracciati avviene attraverso uno schermo del computer che fa parte dell’unità centrale oppure con una stampante ad esso collegata. L’insieme delle tracce raccolte sulla singola linea di scansione definisce un profilo di acquisizione.

Con il termine singlefold si intendono tutte le acquisizioni GPR in cui si illumina una sola volta i "punti" del sottosuolo. Ambedue i tipi di georadar esistenti, monostatici e bistatici, sono in grado di effettuare tale tipo di acquisizione.

Con il termine copertura multipla (multifold) si intende un'acquisizione georadar bistatica in cui i targets sono illuminati sotto diversi angoli. Avendo in dotazione un radar bistatico, per creare profili a copertura multipla si può procedere fondamentalmente su 3 vie. Questo può essere fatto o energizzando direttamente il singolo punto con offset diversi (Common Depth Point) o sommando profili ad offset diverso (Sum of Common Offset) o sommando acquisizioni Wide Angle Reflection Refraction (WARR). Nel caso di acquisizioni del tipo Sum of Common Offset, il trasmettitore e il ricevitore, mantenuti ad una distanza fissa, vengono mossi simultaneamente sulla direttrice del profilo. Per passare alla copertura multipla non si fa altro che sommare un numero desiderato di strisciate così fatte con diversa distanza trasmettitore-ricevitore (offset).

L’acquisizione Common Depth Point, consiste nell'acquisire tracce relative ad un unico punto mediano: si parte da una distanza fissa e poi si allargano in ambedue le direzioni le antenne di una quantità costante. Fatto ciò si passa ad un altro punto. Per raccogliere un CDP bisogna allontanare le due antenne di una pari distanza ad ogni shot. La copertura per ciascun punto è data dal numero di tracce.

Nell’acquisizione tipo Wide Angle Reflection Refraction (WARR), si tiene fissa l'antenna trasmittente mentre si muove l'antenna ricevente. Per ottenere la copertura multipla si sommano i vari shots fatti spostando di una distanza costante il trasmettitore dopo ogni singola acquisizione. Così facendo si ottiene una strisciata simile ad uno shot sismico, per tale motivo normalmente acquisizioni di questo tipo si dicono a shot.

1.3 Propagazione dell’energia radar

Tutti gli strati sedimentari del terreno hanno particolari proprietà elettriche e magnetiche che influenzano la velocità di propagazione dell’energia elettromagnetica e la sua dissipazione nel terreno. Più grande è il contrasto di queste proprietà tra due materiali sepolti, più forte è il segnale riflesso. I moderni sistemi GPR convertono l’energia delle onde riflesse intercettate dall’antenna ricevente, in forma digitale. Uno dei vantaggi dei dati registrati digitalmente è che essi possono essere trattati, filtrati e visualizzati immediatamente in tempo reale durante l’acquisizione sullo schermo di