Ensayo de refracción sísmica I.
Generalidades
El ensayo de refracción sísmica es una herramienta básica para explorar en forma rápida y económica grandes áreas, permitiendo obtener con relativa precisión los espesores de los estratos y las velocidades de ondas P, y de ondas en algunos casos. Este m!todo permite representar el perfil del subsuelo con resolución vertical relativamente relativamente cruda, ya "ue no es posible diferenciar capas delgadas. En refracción sísmica se acepta como capacidad de detección mínima la de un hori#onte con espesor no menor "ue una cuarta parte de la profundidad a "ue se encuentra su contacto superior. Esto es aceptable como forma general de presentación de la estructura geológica del subsuelo, $%rce, &''(). *ebe tenerse presente "ue por más avances "ue se logre en estas t!cnicas auxiliares de la Geotecnia, los m!todos geofísicos +- /I/I0% E E1 2/0-+ a las perforaciones, ni menos a la toma de muestras3 por el contrario se complementan y permiten conducir a una me4or información del subsuelo, $5artíne#, &''(). i se cuenta con perforaciones reali#adas para ensayos P/ o con po#os a ta4o abierto, se pueden efectuar ensayos de medición de ondas P y mediante una sonda6geófono con sensores de tres componentes. Estos ensayos permiten determinar los parámetros dinámicos del suelo, como la rigide# inicial y las constantes elásticas dinámicas, importantes para la determinación de su respuesta dinámica El Ensayo de 0efracción ísmica consiste en la medición de los tiempos de via4e de las ondas compresionales $ondas P), y algunas veces de las ondas de corte $ondas ), generada por una fuente de energía impulsiva a unos puntos locali#ados locali#ados a diferentes distancias a lo largo de un e4e sobre la superficie del suelo. 1a fuente de energía es generalmente una carga pe"ue7a de explosivo o un golpe de martillo. 1a energía es detectada, amplificada, y registrada de tal manera "ue puede determinarse su tiempo de arribo en cada punto. El instante del impacto o explosión, +/iempo +/iempo cero+, tambi!n es registrado con4untamente con las vibraciones del suelo "ue arriban de los geófonos. Por lo tanto, en general, los datos consisten en tiempos de via4e y distancias, siendo el tiempo de via4e el intervalo entre el +/iempo cero+ y el instante en "ue el geófono empie#a a responder a la perturbación. Entonces, esta información tiempo6distancia es procesada para obtener una interpretación interpretación de la forma de velocidades de propagación de ondas y la estructura de los estratos del subsuelo. /odas las mediciones son efectuadas en la superficie del terreno, y la estructura del subsuelo es inferida de los m!todos de interpretación basados en las leyes de propagación de ondas. El fundamento teórico re"uerido para este ensayo se encuentra descrito en el 5anual del 8uerpo de Ingenieros del E4!rcito de EE.. $&'9'), 5artíne# $&''(), 5eneses $&''&) y otros. Este ensayo permite describir la estructura del subsuelo por medio de secciones con la distribución de velocidades de ondas P y de potencias $espesores) y profundidades de hori#ontes elásticos3 asimismo, detecta la posición de las #onas de debilidad $fallas o fracturas) como o"uedades, discontinuidad, discontinuidad, etc. II. II. orm ormat ativ ivid idad ad
1a refracción sísmica es un m!todo adecuado para investigar materiales en el subsuelo a profundidades menores a &(( m, el ensayo se reali#a seg:n la orma %/5 * ;999 <tandard Guide for sing the eismic 0efraction 5ethod for ubsurface Investigations=. 1as velocidades sísmicas calculadas están relacionadas a la identificación y cuantificación de diferentes tipos de material detectados en profundidad. 1a información obtenida a partir del m!todo de refracción tiene diferentes usos, seg:n el &>> nivel de detalle re"uerido de la prospección, entre los "ue destacan la identificación de materiales en profundidad, determinación de espesores de estratos, detección del nivel freático, determinación de la facilidad de excavabilidad de los materiales en la subsuperficie, e4ecución de estudios de estabilidad y riesgos geológicos $detección de fallas y cavidades subterráneas), determinación de parámetros dinámicos in situ $cuando es difícil la tarea de extracción de muestras inalteradas), clasificación geomecánica del subsuelo, etc. 8uando los resultados del m!todo de refracción sísmica se complementan con los sondeos mecánicos, el conocimiento de la geología del sitio en estudio y la experiencia, permite la obtención de información más detallada de la condiciones del subsuelo. Este m!todo se ha utili#ado con frecuencia en la definición de estructuras geológicas comple4as.
III. Procedimiento d ensayo
&. En campo e efect:a el dise7o preliminar del traba4o de campo, el cual se a4ustará a las condiciones particulares de cada tramo de estudio. Existen dos tipos de fuentes de energía sísmica? 2uentes no6explosivas y 2uentes explosiva. En el primer tipo, la energía es proporcionada por martillos, caída de pesos, etc. 1o más com:nmente empleado son los martillos y caída de pesos, debido a su simplicidad y portabilidad. Estos son utili#ados generalmente con placas de madera o metálicas. El tiempo de impacto $tiempo cero) es obtenido de una poca energía, comparada con los explosivos, y las líneas del tendido están generalmente limitadas a &(( y @(( pies en longitud $con profundidades de investigación hasta de 9( pies). in embargo, con el uso de sismógrafos del tipo +signal enhacement+ $me4oramiento de se7al), estos rangos de distancia y profundidad pueden ser incrementados al doble. En el segundo tipo de fuentes explosivas, el comportamiento de los explosivos está caracteri#ado básicamente por la resistencia $contenido de energía), densidad, y velocidad de detonación. En la obtención de datos de ondas P para aplicaciones ingenieriles, el uso de explosivos con los valores más altos de resistencia, densidad y velocidad proporciona los me4ores resultados y son utili#ados extensivamente en traba4os de refracción sísmica. %ntes de impacto, se marcan las líneas de medición con estacas en los puntos de impacto y en las locali#aciones de los geófonos. e determinan las elevaciones topográficas cada uno estos puntos y se define el a#imut de la línea. Para cada línea se colocan los geófonos y se efect:an un mínimo de A impactos. e efect:an los ensayos en ambas direcciones para permitir la detección de bu#amientos en los estratos del subsuelo y minimi#ar el n:mero de suposiciones re"ueridas en la interpretación de los datos. El espaciamiento de los geófonos es determinado por el grado deseado por definición de los estratos del subsuelo y por la longitud de cada línea de tendido. i los estratos no son muy potentes y las líneas son cortas, los intervalos de los geófonos serán menores, y si los estratos del subsuelo tienen mayor potencia y las líneas son largas, se necesitarán mayores intervalos de los geófonos. Esto se decidirá en campo de acuerdo a las condiciones particulares. @. Procedimiento de ensayo e describe el procedimiento del ensayo de medición de ondas P y por el m!todo +*oBn Cole+, "ue consiste en generar las ondas en la superficie del terreno y registrar las se7ales a diferentes profundidades. El geófono es introducido al po#o suspendi!ndolo del cable "ue transmitirá las se7ales registradas a la unidad de ad"uisición de datos. En la primera profundidad de inter!s el geófono es fi4ado a las paredes del tubo con un pistón "ue es activado por una mini6compresora. 1as ondas P son generadas golpeando verticalmente con un martillo una estaca fi4ada a la superficie del terreno. 1as ondas son generadas golpeando hori#ontalmente con un martillo una tabla de madera en uno de sus extremos. /anto la estaca como la tabla deben ser colocadas a una distancia conocida del po#o $2ig. D ).
8on la finalidad de obtener una buena se7al y poder observar con claridad el tiempo de arribo de las ondas generadas, se efect:an sucesivos golpes de generación de ondas hasta obtener un buen registro. . 5ediciones de ondas P en po#os 1a medición de la velocidad de propagación de ondas P y en po#os, permite calcular la rigide# inicial del suelo así como sus constantes elásticas dinámicas en la determinación de la respuesta dinámica del suelo.
1as constantes elásticas dinámicas F, E y G se expresan así?
e estiman las características de amplificación del depósito del suelo por medio de la /eoría de 0eflexión 5:ltiple de las ondas , las cuales son asumidas como similares a las características de amplificación del depósito durante la ocurrencia de un sismo.
I. E4emplos aplicativos En el 1aboratorio Geot!cnico del 8I5I* se vienen reali#ando ensayos de refracción sísmica en algunos traba4os de investigación, con la finalidad de determinar el espesor de un estrato de suelo en particular, como en el caso del estudio de micro#onificación sísmica de la ueva 8iudad 5a4es, donde se re"uería conocer el espesor de un estrato potente de ceni#a volcánica, existente en la margen derecha de la "uebrada Cospicio, la "ue presenta un alto potencial de colapso. e reali#ó una línea sísmica de A; m de longitud, con la cual se pudo estimar el espesor del primer estrato $ceni#a volcánica) entre ( y ; m $2ig.D>). Igualmente se utili#a este m!todo para determinar la profundidad del basamento rocoso, especialmente cuando los estratos superficiales están conformados por bolones "ue dificultan la perforación. e han reali#ado algunas exploraciones de este tipo con distinta finalidad, una de ellas se reali#ó en la localidad de 0icardo Palma, 8hosica, donde se re"uería conocer la profundidad de la roca para locali#ar una perforación de un po#o de agua $2ig.D9). 1os ensayos de medición de ondas P6 en po#os re"uieren de la reali#ación previa de la perforación, lo cual en nuestro medio resulta muy costoso3 es por este motivo "ue su uso es muy restringido, a pesar de la importancia "ue tiene la información "ue proporciona.
. Programas Guía de so del Programa El istema de %d"uisición y Procesamiento de *atos ísmicos $%P*G) es una herramienta "ue permite ad"uirir y procesar los datos ad"uiridos en campo de una forma rápida y fácil, mediante ventanas desplegables iterativas.
Panel principal En esta ventana, "ue se muestra en la 2igura A.&, se ofrecen las siguientes opciones? %rchivo H Procesar Esta opción despliega dos opciones de procesamiento con los datos registrados en campo, los cuales se puede encontrar en el disco duro o en un disette. 1os archivos creados tienen una extensión "ue es re"uerida por el programa de procesamiento. Procesar *atos de 8ampo $crear archivos con extensión PIJ) Procesar %rchivos con extensión PIJ. • •
%rchivo H uevo Esta ventana ofrece la opción de dar un nombre al nuevo registro en campo. o es necesario poner una extensión al archivo. /ipo de Ensayo Esta opción despliega una ventana con dos opciones seg:n la forma en "ue se generan las ondas sísmicas? Por Golpe. i se va a producir las ondas sísmicas por medio del impacto de un martillo o mediante la caída de una pesa desde un trípode en el punto de impacto. El registro del ensayo se inicia cuando el disparador $trigger) detecta el cierre del circuito al hacer contacto la pesa o martillo con el plato metálico sobre el "ue cae. Por Explosión. i se generan ondas sísmicas por medio de explosivos o detonaciones, como dinamita, en el punto de disparo. •
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I. 8onclusión
El 5!todo de 0efracción ísmica tiene una gran aplicación en la exploración geot!cnica3 pero su interpretación debe necesariamente correlacionarse con la información de los sondeos convencionales, pues tienen el inconveniente de no detectar estratos blandos "ue subyacen a otros duros.
El m!todo de medición de ondas P6 en po#os permite obtener los parámetros dinámicos del suelo, las cuales son necesarios para poder determinar la respuesta dinámica del suelo. Por lo tanto, siempre "ue sea posible, se debe reali#ar este tipo de ensayo, lo cual permitirá comparar los períodos de vibración natural del suelo obtenidos mediante medición de micro trepidaciones. II. 0ecomendaciones •
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III.
El programa de cómputo dise7ado para la ad"uisición de datos de prospección sísmica $%P*G) es un avance importante en la implementación de los ensayos geofísicos del 8I5I*3 sin embargo, !ste debe ser complementado con el desarrollo de softBare propio para el procesamiento e interpretación de las ondas registradas, de tal manera "ue pueda reportarse las dromócronicas y los perfiles sísmicos interpretados en forma inmediata. %ctualmente estas etapas finales son reali#adas por un softBare comercial al cual deben adaptarse los formatos de los registros obtenidos. e recomienda cambiar la unidad de amplificación a un modelo digital, "ue permita ser controlado desde el programa $%P*G), esto permitiría ahorrar tiempo en cuanto a la fi4ación de ganancias, "ue actualmente se reali#a manualmente canal por canal. e recomienda cambiar el cable blindado "ue conecta la bornera a la tar4eta *%K por otro de mayor flexibilidad, esto evitaría "ue la tar4eta sea desconectada o da7ada, así mismo puede me4orarse el dise7o de la bornera para tener mayor espacio en el maletín. e recomienda cambiar la computadora de pantalla pasiva por otra de pantalla activa, pues cuando se reali#a traba4o en el campo, ba4o fuerte brillo no se logra ver lo "ue muestra la pantalla. e recomienda me4orar la fuente de energía, utili#ando baterías secas de gran capacidad de almacenamiento y poco peso.
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