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MÉTODO DEANÁLISIS MULTICANALDE ONDAS SUPERF SUPERFICI ICIALE ALES S (MASW (MASW 1D, 2D) Dr.. Ing. Reynaldo Reynaldo Reyes Roque Dr
CONTENIDO
1.- ONDAS SÍSMICAS 2.- MÉTODO MASW 3.- APLICACION APLICACIONES ES
1.- ONDAS SÍSMICAS •
Ondas Sísmicas
En la Tierra, un sismo consiste en la liberación repentina de los esfuerzos impuestos al terreno. De esta manera, la tier tierra ra es pues puesta ta en vibración. Esta vibración es debida a la propagación de ondas sísmicas.
En un terr terrem emot oto o se tran transm smititen en ondas que viajan por el interior de la tierra. Siguen caminos curvos debido a la variada densidad y composición del interior de la Tierra.
1.- ONDAS SÍSMICAS Tipos de Ondas Sísmicas: Ondas internas o de cuerpo. Transmiten los temblores preliminares de un terremoto. ondas primarias (P) y secundarias (S). Ondas Superficiales. Se propagan por la superficie terrestre. Son las que más tardan en llegar. Debido a su baja velocidad. Ondas de Rayleigh y de Love.
1.- ONDAS SÍSMICAS Ondas P:
Son ondas longitudi longitudinale nales, s, lo cual significa que el suelo es alternada alternadamente mente comprimid comprimido o y dilatado en la dirección de la propagación.
Ondas de Compresión o principales P principales P.
1.- ONDAS SÍSMICAS 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 Ondas transversales, de cizalladura o secundarias S
1.- ONDAS SÍSMICAS Ondas de Rayleigh : Estas ondas tienen su máxima amplitud en la superficie libre de la tierra, decrece la cual exponencialmente con la profundidad. La trayectoria que describen las partículas del medio al propagarse la onda es elíptica retrógrada y ocurre en el plano de propagación de la onda.
1.- ONDAS SÍSMICAS Ondas de Love:
Estas ondas se generan sólo cuando un medio elástico se encuentra estratificado. Estas ondas se propagan con un movimiento de las partículas, perpendicular a la dirección de propagación, como las ondas S, sólo que polarizadas en el plano de la superficie de la Tierra, es decir sólo poseen la componentes horizontal a superficie. Las ondas de Love pueden considerarse como ondas S "atrapadas" en la superficie. La amplitud de estas ondas decrecen rápidamente con la profundidad.
1.- ONDAS SÍSMICAS Características de una onda
Cresta: La cresta es el punto de máxima elongación o máxima amplitud de la onda; es decir, el punto de la onda más separado de su posición de reposo. Período(T): El periodo es el tiempo que tarda la onda en ir de un punto de máxima amplitud al siguiente. Amplitud( A): La amplitud es la distancia vertical entre una cresta y el punto medio de la onda. Pueden existir ondas cuya amplitud sea variable, es decir, crezca o decrezca con el paso del tiempo. Frecuencia(f): Número de veces que es repetida dicha vibración por unidad de tiempo. Es una magnitud que mide el número de repeticiones de una onda o suceso periódico.
1.- ONDAS SÍSMICAS Características de una onda
Velocidad: La velocidad de una onda es la velocidad a la que la onda viaja a través de un medio (líquido, sólido o gaseoso). Viene dada por la siguiente ecuación: v = d/t.
T=2*10-3 sg
Por lo general, las ondas de período corto son las que poseen amplitudes mayores, mientras que las de períodos largos poseen amplitudes menores.
T=1*10-3 sg
T=5*10-4 sg
1.- ONDAS SÍSMICAS El camino ascendente de las ondas elásticas en los suelos está gobernado por la velocidad de propagación de las onda de corte (Vs), de ahí la importancia de conocer los perfiles de variación de la velocidad de onda de corte (Vs) versus la profundidad. Vs
La velocidad de fase de las ondas de superficie (VR) es cerca del 90% al 95% de VS. El 67% de la energía aplicada se propaga como ondas Rayleigh, 27% como ondas de corte y 7% como ondas de compresión (Woods, 1968).
1.- ONDAS SÍSMICAS Cuando se genera un sismo: •
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Toda la energía de éste golpea con mayor fuerza las zonas cercanas al epicentro. Las ondas sísmicas en la región del epicentro se caracterizan por poseer amplitudes altas y períodos cortos. A partir del epicentro, conforme las ondas se propagan por todas direcciones, éstas empiezan a perder energía. Esta pérdida de energía se refleja claramente en la disminución de la amplitud de la onda.
1.- ONDAS SÍSMICAS Cuando se genera un sismo: •
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Cuando las ondas llegan a algún sitio en la superficie, éste ejerce otro tipo de influencia mucho más importante. La superficie de la Tierra esta compuesta siempre por material mucho menos consolidado que las capas interiores debido a procesos propios de sedimentación, precipitación, erosión, etc. que solo ocurren en las capas más superficiales. El material blando (como los suelos arcillosos o arenosos) ejerce un efecto amplificador sobre las ondas. Ante tales cambios de densidad, las ondas sísmicas tienden a aumentar su amplitud a pesar de la distancia. Este cambio de amplitud puede, incluso, ser comparable con el de sitios mucho más cercanos al epicentro.
1.- ONDAS SÍSMICAS Cuando se genera un sismo: Las ondas sísmicas afectan a las estructuras en función de diferentes características: •
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Ondas de baja frecuencia: hacen que los edificios altos entren en resonancia, afectando en menos grado a los edificios bajos. Ondas de alta frecuencia: afectan sobre todo a los edificios de baja altura, casas, afectando en menos grado a los edificios altos.
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Periodo propio del terreno
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Periodo fundamental de la estructura.
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El mayor daño se produce en terreno blando y menos en terreno duro.
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Los edificios altos sufren mas daños que los bajos en suelos blandos y de gran potencia.
1.- ONDAS SÍSMICAS Cuando se genera un sismo:
Resonancia: Cuando el período de vibración de la estructura y el período del suelo donde se apoya coinciden, los efectos sísmicos se amplifican, a este fenómeno se le conoce como resonancia. Puede evitarse, construyendo estructuras con períodos que no coincidan con el del suelo. Amplificación Sísmica. Es un fenómeno de amplificación local de las ondas sísmicas asociado principalmente a las propiedades geotécnicas del subsuelo y profundidad del basamento rocoso
1.- ONDAS SÍSMICAS •
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El primer método de análisis de onda de superficie que se desarrolló fue el SASW (Spectral Analysis of Surface Waves) (Nazarian y Stokoe, 1984). Posteriormente surgieron los métodos MASW (Multichannel Analysis of Surface Waves) (Park et al., 1999) y ReMi (Refraction Microtremor ) o MASW pasivo (Louie, 2001 y otros. Cada uno de estos métodos de análisis de onda de superficie tiene ventajas y desventajas en aspectos como precisión, profundidad de exploración, capacidad para detectar múltiples estratos, posibilidad de trabajar en lugares con mucho ruido ambiental, rapidez de ejecución y costo.
1.- ONDAS SÍSMICAS •
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En ocasiones se recurre erróneamente a determinar la velocidad de onda de corte (VS) a partir de la medición de la velocidad de onda de compresión (VP). Esto no debe hacerse si no se conoce la relación de Poisson (u ) de los diferentes estratos de suelo, ya que la onda V P viaja a una velocidad que fluctúa a entre 70% y 140% mayor que las V S, para valores de u entre 0.25 y 0.4, rango frecuente en suelos y rocas. En caso de haber nivel freático, no es posible detectar estratos de suelo sumergido cuya VP sea menor a 1,480 m/s, que es la velocidad de onda a la compresión en el agua.
1.- ONDAS SÍSMICAS •
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Por muchos años se ha determinado Vs en campo con las pruebas downhole y crosshole. En los últimos veinte años se ha ido empleando otra alternativa para determinar VS, que consiste en medir la velocidad de propagación de ondas de superficie tipo Rayleigh (VR), que para fines prácticos es igual a 93% de la velocidad de onda de corte (Vs).
Ensayo de Down Hole
2.- MÉTODO MASW La técnica de Análisis Multicanal de Ondas Superficiales (MASW) (Park et al., 1999), es un método sísmico no destructivo que evalúa el espesor, así como también la condición elástica (rigidez) del suelo.
2.- MÉTODO MASW El método MASW analiza las propiedades de dispersión de los tipos de ondas Rayleigh, los cuales se propagan horizontalmente a lo largo de la superficie desde el punto de impacto a los receptores.
Dispersión:
fenómeno físico de separación de las de ondas al distinta frecuencias atravesar un material. Diferentes frecuencias presentan diferentes velocidades de propagación.
2.- MÉTODO MASW EXPLORACIÓN GEOFÍSICA UTILIZANDO ONDAS DE SUPERFICIE MAM (Micro-tremor array Measurements) •
Exploración utilizando ondas de superficie
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Desde decenas de metros a varios kilómetros 0,2 Hz a 10 Hz Microtremors Sismómetro de largo periodo
MASW (Multichannel Analysis of Surface Waves •
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Hasta 30 m 5 Hz a 50 Hz Vibrasion artificial Geófonos
2.- MÉTODO MASW El Análisis Multicanal de Ondas Superficiales (MASW) puede llegar a la máxima profundidad de investigación entre 20 m a 30 m. El método activo MASW, esta limitado para muestrear suelos profundos, debido a la dificultad de generar energía de baja frecuencia con fuentes razonables (Yoon y Rix. 2004).
2.- MÉTODO MASW
El método MASW proporciona velocidades de ondas de corte (Vs) en formatos 1D, 2D y 3D para varios tipos de proyectos en ingeniería geotécnica.
2.- MÉTODO MASW El proceso usado para producir un perfil v s a través del Análisis Multicanal de Ondas Superficiales (MASW) involucran los siguientes pasos: •
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Adquisición de oscilaciones del terreno, Construcción de la curva de dispersión (trazado de la velocidad de fase versus f ). Calculo inverso (inversión) del perfil vs desde la curva de dispersión. Modelo 1D, Velocida de ondas S (Vs) a profundidad.
2.- MÉTODO MASW
2.1 ADQUISICIÓN DE OSCILACIONES DEL TERRENO
2.- MÉTODO MASW
2.- MÉTODO MASW
Registros de campo:
Fuente (Martillo, caída de pesa) Receptores (geófonos ≤4,5 Hz) La geometría de campo Intervalo de geófonos, fuente-configuración Parámetros de grabación (T=1seg)
2.- MÉTODO MASW
Condiciones típicas favorables y desfavorables para el método MASW
2.- MÉTODO MASW Principales tipos de ondas sísmicas según sus características de propagación: -Ondas Directas -Ondas Refractadas -Ondas aéreas -Ondas Superficiales
Tipos de Ondas Símicas diferenciadas por su patrón de llegada
2.- MÉTODO MASW Características de Ondas Rayleigh:
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Dispersivas ∴ V(f) Profundidad de Imagen ∼ ½ λ VRayleigh≡(0.9 –0,95)Vde Corte La diferencia de longitudes de ondas provoca la diferencia de profundidad del estudio.
2.- MÉTODO MASW Dispersión de Onda Superficial
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Velocidad de fase (C f ) = dx/dt
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Frecuencia (f ) = 1/T =1/ periodo
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Longitud de Onda (λ) = Cf /f
Mayor longitud de onda mayor profundad de investigación
2.- MÉTODO MASW Propagación de las ondas de superficie (ondas Rayleigh) Espacio medio homogéneo
En el centro de la línea sísmica
2.- MÉTODO MASW Dispersión de las ondas de superficie medio heterogéneo
Diferentes velocidades de fase y frecuencias.
2.- MÉTODO MASW Dispersión de las ondas de superficie dos capas
2.- MÉTODO MASW Dispersión de las ondas de superficie
Dispersión de ondas
La onda de periodo largo (baja frecuencia) se transmite rápido, y la onda de periodo corto (alta frecuencia) lentamente.
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La velocidad de cada frecuencia se denomina velocidad de fase
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Diferentes velocidades de fase y frecuencias (dispersión)
2.- MÉTODO MASW
2.2 Curva de dispersión (trazado de la velocidad de fase versus f)
2.- MÉTODO MASW Análisis de Dispersión La generación de una curva de dispersión es uno de los pasos más críticos para eventualmente generar un perfil preciso de velocidades de ondas de corte.
Curva de Dispersión-imagen
La precisión de una curva de dispersión puede ser aumentada mediante el análisis y filtrado del ruido en los datos de oscilación del suelo(Yilmaz, 1987).
El objetivo es estimar uno o más curvas de dispersión que pasen a la siguiente etapa del proceso de inversión, que trata de encontrar un modelo de capa adecuada cuya curva teórica de dispersión coincida con el medido lo más cerca posible.
2.- MÉTODO MASW Investigación MASW Escala de profundidad Máxima profundidad de investigación: Zmax = C1/(2f 1)
Donde C1 es la velocidad de fase para la frecuencia f1 (Rix y Leipski, 1991). Si zmax no es suficiente para llegar a los requerimientos de profundidad, se deberá utilizar un tipo diferente de fuente que tenga más energía de baja frecuencia y/o deberá usarse geófonos de frecuencias más bajas.
2.- MÉTODO MASW
2.- MÉTODO MASW Curva de Dispersión-Imagen Modo Fundamental
2.- MÉTODO MASW Características de la curva de velocidad de fase Datos de forma de onda, incluyendo modo superior (dominio de frecuencia)
Curva de dispersión incluyendo el ruido y el modo superior
2.- MÉTODO MASW Características de la curva de velocidad de fase El rango de frecuencias está fijado por el espacio mínimo / máximo de receptores. Línea donde la longitud de onda será el doble del espacio máximo (46m) de receptores (por encima de esta línea no es lo suficientemente preciso para determinar la velocidad).
La velocidad será fijado en este rango
Línea donde la longitud de onda será el doble de espacio mínimo (2 m) de los receptores (por debajo de esta línea no es lo suficiente preciso para determinar la velocidad en el l ado izquierdo de esta línea.)
2.- MÉTODO MASW
2.3 CALCULO INVERSO (INVERSIÓN) DEL PERFIL Vs DESDE LA CURVA DE DISPERSIÓN
2.- MÉTODO MASW Inversión Es el cálculo de la velocidad de la onda S (Vs) que se estima a partir de la inversión de los datos de onda de superficie.
El tipo de datos utilizado para la inversión es la curva de dispersión en modo fundamental (M0), cuya forma está determinada principalmente por la estructura Vs de la tierra.
2.- MÉTODO MASW Velocidad (Vs) y Curvas de Dispersión
1y2
3y4
2.- MÉTODO MASW Curva de dispersión y Señal de ruido Señal de ruido inicial
Señal de ruido final
Curva de Dispersión final
Curva de Dispersión inicial
2.- MÉTODO MASW Curva de dispersión y Velocidad (Vs) a profundidad (perfil del suelo)
Perfil final
Perfil inicial
Curva de Dispersión final
Curva de Dispersión final
2.- MÉTODO MASW MASW 2D Vs
2.- MÉTODO MASW El proceso usado para producir un perfil Vs 2D a través del Análisis Multicanal de Ondas Superficiales (MASW) involucran los mismos pasos para determinar un perfil Vs 1D : •
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Adquisición de oscilaciones del terreno, Construcción de la curva de dispersión (trazado de la velocidad de fase versus f ). Calculo inverso (inversión) del perfil vs desde la curva de dispersión. Modelo 1D, Velocida de ondas S (Vs) a profundidad.
2.- MÉTODO MASW Técnica estándar de trabajo en campo para el método MASW 2D.
2.- MÉTODO MASW Perfil de velocidad de corte (Vs) con superposición de los resultados de inversión 1D individuales.
Resultado del análisis MASW: perfil de velocidad de corte 2D.
