MÉTODOS DE EXPLORACIÓN GEOFÍSICA
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Este documento describe dos métodos geofísicos utilizados en la ingeniería de cimentaciones: la refracción sísmica y la resistividad eléctrica. La refracción sísmica mide el tiempo de propagación de ondas sísmicas para determinar las velocidades de las ondas y la profundidad de capas subterráneas. La resistividad eléctrica mide la resistencia al paso de una corriente eléctrica para identificar diferentes estratos de suelo. El documento explica el procedimiento de ambos métodos y sus usos y limitaciones en la
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refracción. A una distancia conocida del extremo del tendido, en el punto de disparo, se
generan ondas sísmicas con la ayuda de un martillo o por la detonación de explosivos, las
cuales inducen vibraciones en el terreno que se propagan por el subsuelo y que son
detectadas por cada uno de los sensores en el tendido.
Los registros de cada sensor tienen información de la respuesta del terreno en
función del tiempo y son conocidos como sismogramas. Estas trazas son analizadas para
obtener el tiempo de llegada de las primeras ondas de cuerpo, tanto onda P como también
las llegadas de la onda S, a cada sensor desde el punto de disparo. El análisis e interpretación
de estos datos permite calcular las velocidades longitudinales (Vp [m/s]), además de la
determinación de los refractores que se pueden asociar a interfaces de los materiales del
subsuelo en profundidad, lo que a su vez se puede interpretar litológicamente.
Secuencia de proceso:
Interpretación de perfil sísmico
Funcionamiento del método.
o La refracción más comúnmente utilizada corresponde a determinar las primeras
llegadas de las ondas de compresión (ondas P).](https://image.slidesharecdn.com/exploracin-geofsica-resmen-de-exposicin-160219091414/85/METODOS-DE-EXPLORACION-GEOFISICA-3-320.jpg)
MÉTODOS DE EXPLORACIÓN GEOFÍSICA
- 1. 1 UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE SINALOA. FACULTAD DE INGENIERÍA CULIACÁN. LICENCIATURA EN INGENIERÍA CIVIL. INGENIERÍA EN CIMENTACIONES. M.I. SANDRA SANCHEZ SANDOVAL. GRUPO 4‐3 FEBRERO DE 2016. MATERIAL PARA EXPOSICIÓN N° 1: Exploración geofísica. (Énfasis en Refracción Sísmica y Resistividad Eléctrica). PRESENTAN: Castillo Lugo, Duarte Calleros, López Higuera, Ochoa Rubio, Sanguino Ramos. MÉTODOS GEOFÍSICOS: Métodos desarrollados principalmente con el propósito de determinar las variaciones en las características físicas de los diferentes estratos del subsuelo o los contornos de la roca basal que subyace a depósitos sedimentarios. También son útiles para la detección de fallas geológicas. MÉTODOS GEOFÍSICOS APLICADOS EN LA MECÁNICA DE SUELOS: Aunque estos métodos se han aplicado sobre todo a cuestiones de geología y minería, recientemente se han aplicado también (en menor escala) a la mecánica de suelos. El ingeniero civil utiliza los métodos geofísicos durante la realización de estudios preliminares de diversas obras, por ejemplo: lugares para localizar presas de tierra o para determinar perfiles de roca basal. Estos métodos permiten determinar las condiciones de meteorización, fracturación y competencia de la roca en donde se asentarán las estructuras, así como lugares donde se construirán túneles.
- 3. 3 refracción. A una distancia conocida del extremo del tendido, en el punto de disparo, se generan ondas sísmicas con la ayuda de un martillo o por la detonación de explosivos, las cuales inducen vibraciones en el terreno que se propagan por el subsuelo y que son detectadas por cada uno de los sensores en el tendido. Los registros de cada sensor tienen información de la respuesta del terreno en función del tiempo y son conocidos como sismogramas. Estas trazas son analizadas para obtener el tiempo de llegada de las primeras ondas de cuerpo, tanto onda P como también las llegadas de la onda S, a cada sensor desde el punto de disparo. El análisis e interpretación de estos datos permite calcular las velocidades longitudinales (Vp [m/s]), además de la determinación de los refractores que se pueden asociar a interfaces de los materiales del subsuelo en profundidad, lo que a su vez se puede interpretar litológicamente. Secuencia de proceso: Interpretación de perfil sísmico Funcionamiento del método. o La refracción más comúnmente utilizada corresponde a determinar las primeras llegadas de las ondas de compresión (ondas P).
- 4. 4 o El método se ejecuta en base a lo que determina la normativa internacional ASTM D 5777‐95. o Se determinan los valores de velocidad de las ondas P y de las ondas S en sedimentos y rocas. o Permite la detección de la profundidad del basamento y definición de su relieve, dependiendo de variables como longitud del tendido, energía de la fuente sísmica, frecuencia de los geófonos empleados, rigidez de los suelos, entre otros aspectos. o Para la determinación de módulos geotécnicos (módulo de Young y Coeficiente de Poisson) que permiten caracterizar y clasificar los suelos, desde un punto de normativa de diseño. Limitaciones. o Para que exista refracción de las ondas, la velocidad de propagación de estas debe ser estrictamente creciente con la profundidad. En el caso de suelos con capas intermedias de menor velocidad el método no las visualizará (capa ciega). o Requiere disponer de zonas con suficiente extensión, ya que la longitud del tendido en superficie está directamente relacionada con la profundidad de investigación que se alcance. o Dicha profundidad está condicionada por el tipo de fuente activa empleada (entre otros factores como se mencionó anteriormente). Es así, como mediante el uso de martillo se puede alcanzar una profundidad del orden de 30‐50 metros. Consideraciones. o La precisión del método requiere el uso de un levantamiento topográfico de detalle. o Se considera que las ondas longitudinales se propagan a velocidades constantes en cada estrato para cada tendido sísmico (spread), que es la unidad básica de interpretación. o Si la longitud del perfil supera la extensión de un spread, se debe considerar un traslape de geófonos para no perder información de los rayos. o El contraste de velocidad entre estratos y el espesor de éstos, debe ser suficientemente alto para que queden representados con claridad en las curvas camino‐tiempo. PROCEMIENTO DEL ENSAYE. PREPARACIÓN DEL TENDIDO SÍSMICO: La superficie, a lo largo de las secciones planeadas, tiene que ser aclarada de la vegetación. La anchura requerida es 1.5 m. Un punto de la referencia topográfica debe ser proporcionado para atar las secciones a la red topográfica local. LA LÍNEA Y UBICACIÓN DE GEÓFONOS: Para un registro normal, hasta 30 m. de profundidad, los geófonos de frecuencia baja (14 + / ‐ 0.7 Hz están dispuestos a lo largo de
- 5. 5 la línea de 108 metros con la separación de 3 metros, y el desplazamiento de la fuente del sonido al geófono es 1.5 m. Las vibraciones se prueban cada 3 metros. Eso ofrece una resolución de 3 metros. La fuente de sonido, en una superficie sólida, es un martillo pesado con una almohadilla de caucho. Una escopeta sísmica, cargada con pólvora negra, se usa en una superficie suave. EL PROCESAMIENTO DE LOS DATOS Y LAS TRANSFORMACIONES MATEMÁTICAS: 1.‐ Inicialmente, se asegura después la grabación que los registros son utilizables (sin los errores). 2.‐ Después, el algoritmo del software, aprobado por el fabricante del instrumento sísmico, calcula la sección de distribución de las velocidades del sonido que corresponden al registro. La sección final es el mejor modelo matemático, calculado por el algoritmo de optimización, que corresponde a cada registro. El resultado es una sección de distribución de las velocidades del sonido. Las velocidades bajas corresponden a una capa de suelo superficial. Las velocidades intermedias corresponden a una capa de: arena, arena gruesa, grava; mientras las velocidades altas indican la roca del fondo. Para verificar la calidad de una sección de las velocidades, se calcula un mapa de confianza. Esto representa una proporción de pruebas por la unidad de superficie de la sección. Una proporción de pruebas alta aumenta el nivel de confianza. Se adapta la configuración de la serie de los geófonos para obtener, donde es necesario, la alta proporción de pruebas. EJEMPLO: modelo estilo tomográfico de velocidades sísmicas de onda p, calculado a partir del análisis de dos tendidos de refracción sísmica.
- 6. 6 Resistividad Eléctrica. Este método se basa en el hecho de que los suelos, dependiendo de su naturaleza, presentan una mayor o menor resistividad eléctrica cuando una corriente es inducida a través. Su principal aplicación está en el campo de la minería, pero en mecánica de suelos se ha aplicado para determinar la presencia de estratos de roca en el subsuelo. La resistividad eléctrica de una zona de suelo puede medirse colocando cuatro electrodos igualmente espaciados en la superficie y alineados; los dos exteriores, conectados en serie a una batería son los electrodos de corriente (medida por un miliamperímetro), en tanto que los interiores se denominan de potencial de la corriente circulante. El método sirve, en primer lugar, para medir las resistividades a diferentes profundidades, en un mismo lugar y, en segundo, para medir la resistividad a una profundidad, a lo largo de un perfil. Lo primero se logra aumentando la distancia entre electrodos, con lo que se logra que la corriente penetre a mayor profundidad. Lo segundo se logra conservando la distancia constante y desplazando todo el equipo sobre la línea a explorar. Las mayores resistividades corresponden a rocas duras, siguiendo rocas suaves, gravas compactas, etc., y teniendo los menores valores los suelos suaves saturados. DEFINICION DE RESISTIVIDAD ELÉCTRICA: La resistividad eléctrica (ρ) de un material describe la dificultad que encuentra la corriente eléctrica a su paso por él. De igual manera se puede definir la conductividad (σ) como la facilidad que encuentra la corriente eléctrica al atravesar el material. La resistencia eléctrica que presenta un conductor homogéneo está determinada por la resistividad del material que lo constituye y la geometría del conductor. Para un conductor rectilíneo y homogéneo de sección “s” y longitud “l”, la resistencia eléctrica es: A partir de ésta ecuación se puede despejar la resistividad, quedando la ecuación como: ∗ La unidad de resistividad en el Sistema Internacional es el ohm por metro (Ω‐m) u ohm por centímetro (Ω‐cm).
- 7. 7 La Figura superior ilustra un esquema para la determinación de la resistividad eléctrica de una muestra de material cuyas dimensiones son 1 m de lado por 1 m de profundidad. FACTORES QUE AFECTAN LA RESISTIVIDAD DEL SUELO: La resistividad es una de las magnitudes físicas con mayor variación para diversos materiales y por supuesto para los suelos. En un medio conductor homogéneo e isótropo, el valor de la resistencia en cualquier punto es igual. Sin embargo, el suelo es un medio heterogéneo y anisótropo, por tanto, es de esperarse que los valores de resistividad dependan de varios factores. Se pueden mencionar los siguientes: o Naturaleza del tipo de suelo o material o Humedad o Temperatura o Concentración de sales disueltas o Estratigrafía o Variaciones estacionales o Compactación ESTRATIFICACIÓN DEL TERRENO. Resistividad aparente: Una característica del material con el que se trabaja en el área de mecánica de suelos es la gran variedad de materiales que se puede tener en un área muy pequeña tanto en sentido vertical como horizontal. En consecuencia, las mediciones de resistividad que se llevan a cabo en el terreno por lo regular no corresponden a materiales homogéneos sino a un perfil de material heterogéneo. Por tanto, debido a que las capas no son uniformes en un terreno, cuando se mide la resistividad, en realidad se mide lo que se llama “resistividad aparente”. La Figura 3.7 muestra un perfil de suelo con sus respectivos valores de resistencia. Nótese que la resistencia para una arena puede tomar valores de 68 ohms y para una arcilla con arena valores de 185 ohms.
- 8. 8 Método Wenner. En 1915, el Dr. Frank Wenner del U.S. Bureau of Standards desarrolló la teoría de este método de prueba. Para medir la resistividad del suelo se colocan cuatro electrodos alineados y enterrados a una misma profundidad. La profundidad de medición depende de la distancia entre electrodos pero no del tamaño de los mismos. El principio básico de este método es la inyección de una corriente directa o de baja frecuencia a través de la tierra entre dos electrodos C1 y C2 mientras que el potencial que aparece se mide entre dos electrodos P1 y P2. En las Figuras 3.8 y 3.9 se observa esquemáticamente la disposición de los electrodos.
- 9. 9 A partir de la información de disposición de electrodos y de la lectura de resistencia, la resistividad se calcula como: 4 1 2 4 . 2 4 4 . Donde: ρ = Resistividad promedio a la profundidad (A) (ohms‐m) A = Distancia entre electrodos (m) B = Profundidad a la que se entierra el electrodo (m) R = Lectura de resistencia (ohms) Método Schlumberger. Este método es parecido al método Wenner con respecto a los cuatro electrodos que se utilizan; no obstante, los electrodos centrales (o de potencial) se mantienen a una distancia constante mientras que la distancia de los electrodos exteriores se va variando para que la profundidad de medición sea mayor (Figura 3.10).
- 10. 10 La ecuación para medir la resistividad con este método es: ρ = 2⋅π ⋅R⋅ (n +1)⋅na Equipo ohmmapper. El equipo ohmmapper es un sistema para medir la resistividad del suelo en áreas amplias. Consiste de un dipolo receptor, un dipolo transmisor, batería y una consola donde se almacena la información. Cada dipolo está integrado por dos cables que funcionan como electrodos ensamblados al transmisor o al receptor, según corresponda. El arreglo de electrodos utilizado en el ohmmapper es similar al arreglo dipolodipolo, en donde el transmisor inyecta la corriente y el receptor mide la diferencia de potencial (Figura 3.11 y 3.12).
- 11. 11 El transmisor del ohmmapper genera una corriente que se transmite al terreno a través de un cable dipolo no conectado a la tierra. Las características capacitivas del cable dipolo permiten que la corriente del transmisor fluya en la tierra. El cable dipolo receptor recibe el resultado de las medidas y el receptor la decodifica. Un cable no conductivo (cuerda) mantiene una separación constante del dipolo receptor y transmisor para de esta manera arrastrar el arreglo sobre el suelo. La señal detectada es convertida en una señal digital óptica que es enviada a través de un cable de fibra óptica, donde es reconvertida en una señal eléctrica y enviada a la consola para su almacenamiento y posterior procesamiento (Flores, 2003). La Figura 3.13 muestra un esquema completo del equipo. Se indican la posición del receptor, transmisor, los cables electrodos, así como la zona de medición; la profundidad a la que se realicen las mediciones dependerá de la longitud de la cuerda aislante.
- 12. 12 La Figura 3.14 es un ejemplo de los perfiles de resistividad que se generan después de que los datos obtenidos en campo son procesados. Como se puede notar en la figura, el resultado es un perfil con zonas de diferentes colores a los que corresponden valores de resistividad de acuerdo con la escala que se encuentra en la parte inferior. VALORES TÍPICOS DE RESISTIVIDAD PARA ALGUNOS MATERIALES: Los suelos pueden ser buenos, regulares o malos conductores de la corriente eléctrica. La Tabla 3.1 resume valores característicos de algunos materiales. Los valores que se presentan en esta tabla son puntuales, por ejemplo, el valor de resistividad de la arcilla es de 40 ohms‐m, sin embargo, otros estudios muestran que la resistividad de este material puede variar en un rango muy amplio. Con respecto al tipo de material, cabe señalar que a medida que el tamaño de las partículas se incrementa, la resistividad se incrementa. Por ejemplo, una grava tiene mayor resistividad que la arena, y ésta presenta un valor mayor con respecto a la arcilla. La razón de ésto podría ser el tamaño de los vacíos que se generan en la estructura y el fluido que se encuentra en ellos. Si el fluido es agua, la resistividad será baja y si es aire, la resistividad será alta ya que el aire no es conductor de electricidad.
- 13. 13 Anexo: DEFINICIONES IMPORTANTES. Ondas P Las ondas P son ondas longitudinales o compresionales, lo cual significa que el suelo es alternadamente comprimido y dilatado en la dirección de la propagación. Estas ondas generalmente viajan a una velocidad 1.73 veces de las ondas S y pueden viajar a través de cualquier tipo de material. Velocidades típicas son 330m/s en el aire, 1450m/s en el agua y cerca de 5000m/s en el granito. Ondas S Las ondas S son ondas transversales o de corte, lo cual significa que el suelo es desplazado perpendicularmente a la dirección de propagación, alternadamente hacia un lado y hacia el otro. Las ondas S pueden viajar únicamente a través de sólidos debido a que los líquidos no pueden soportar esfuerzos de corte. Su velocidad es alrededor de 58% la de una onda P para cualquier material sólido. Usualmente la onda S tiene mayor amplitud que la P y se siente más fuerte que ésta. Por ejemplo en el núcleo externo, que es un medio líquido, no permite el paso de las ondas S.
- 14. 14 BIBLIOGRAFÍA: Sociedad Mexicana de Ingeniería Sísmica. http://www.smis.org.mx/htm/sm4.htm Universidad Católica del Norte. Laboratorio Geofísico. http://www3.ucn.cl/FacultadesInstitutos/laboratorio/geofisicoM2.htm EPYESA. http://epyesa.com/geofisica/ Corporación OSSO. ONG para las ciencias de la tierra y la prevención de desastres. http://www.osso.org.co/docu/tesis/2001/comportamiento/refraccion.pdf GEODATOS, Geofísica de avanzada. http://www.geodatos.cl/sismica.php SECRETARÍA DE COMUNICACIONES Y TRANSPORTES. INSTITUTO MEXICANO DEL TRANSPORTE. Publicación Técnica N°325. Evaluación de la resistividad en campo y en laboratorio y su aplicación a pavimentos.