Experiencias en la Caracterización Geomecánica del macizo rocoso con métodos geosísmicos R. Norabuena, O. Felix & E. Maquera SVS Ingenieros S.A.- Empresa del Grupo SRK, Lima, Perú
RESUMEN: Ciertos parámetros geomecánicos del macizo rocoso pueden ser obtenidos a partir de las velocidades sísmicas usando correlaciones correlaciones empíricas; lo que facilita y contribuye en la obtención rápida de un modelo geomecánico. El presente estudio tiene la finalidad de relacionar las velocidades sísmicas obtenidas de los métodos de refracción sísmica y el MASW con los índices geomecánicos RQD y RMR obtenida de los testigos de perforación. De los resultados r esultados notamos que son diferentes para cada método sísmico y que debe considerarse otros aspectos geológicos para la interpretación y para una correlación fiable; además, ratificamos que el perfil geosísmico con velocidades de ondas de corte (Vs) da una mejor interpretación del perfil litológico del subsuelo. 1 INTRODUCCIÓN Varios métodos de geofísica se utilizan en las investigaciones geotécnicas, en especial en las primeras faf ases del proyecto; de estos métodos la más utilizada es la sísmica que mide las velocidades de ondas sísmicas longitudinales (Vp) y ondas de corte (Vs). Las velocidades de las ondas sísmicas son las que mejor caracterizan a las propiedades del macizo rocoso porque dependen de la resistencia de la roca, grado de fracturamiento, esfuerzos, etc. Los métodos geofísicos tienen ventajas notables res pecto a otros métodos de investigación pues, son fáciles y rápidos de efectuar; además de tener un bajo coste. Con la refraccion sísmica se mide las velocidades identificadas como Vp y con el método MASW (Mutichannel Analysis of Surface Waves), las Vs. El presente trabajo expone algunas experiencias obtenidas en la caracterización geomecánica del macizo rocoso con los métodos sismicos y en la estimación de los índices de calidad como RQD, Q y RMR. Se ha utilizado la información del logeo geotécnico de los testigos de perforación y las velocidades Vp y Vs medidos con refracción sísmica y MASW, ejecutados en la cimentación de presas y túneles. 2 METODOS PARA LA CARACTERIZACION GEOSISMICA DE MACIZOS ROCOSOS La velocidad de las ondas sísmicas se puede utilizar para caracterizar, caracterizar, tanto la roca intacta intacta como como el macizo rocoso.
2.1 Caracterización geosísmica de roca intacta.
Las velocidades Vp y Vs en la roca intacta son determinadas con el ensayo pulso ultrasónico (ASTM 2845). A partir de estas velocidades se puede estimar los módulos dinámicos y correlacionarse con la resistencia a la compresión simple, porosidad, etc., como se indica en la figura siguiente.
Figura 1. Correlación entre la resistencia a la compresión simple y las velocidades de ondas longitudinales (Vp) y las velocidades de ondas de corte (Vs).
2.2 Caracterización geosísmica de macizo rocoso
Los métodos geofísicos usados en la caracterización geotécnica de los materiales son: la sísmica de refracción que mide el Vp y el MASW o SASW que mide el Vs.
2.3 Método de refracción sísmica de superficie:
Este método está basado en la generación de ondas sísmicas por un golpe o detonación (fuente) y que son detectadas a su retorno a la superficie del suelo con dispositivos sensibles a la vibración (geófonos). La figura 2 muestra el principio y la disposición de los elementos de este método para su ejecución. Figura 4. Método MASW con la propagación de las ondas de superficie en función de la profundidad
Figura 2: Métodología y principio de la refracción sísmica.
de muy baja frecuencia (4.5Hz) colocados en el suelo de manera lineal y con una separación conocida. Este método permite calcular la distribución de las velocidades de corte (Vs) en el subsuelo bajo formas de sondeos (véase Fig. 5). La máxima profundidad de investigación alcanzada esta entre los 10 a 30m pudiendo variar por el sitio.
En la evaluación se utilizó la técnica de tomografía de refracción sísmica cuyos resultados se muestran en perfiles sísmicos (Fig. 3) y en donde se puede identificar los distintos niveles geosísmicos en función de la velocidad de propagación de las ondas longitudinales (Vp).
Figura 5. Gráfico velocidad de la onda de corte en función de la profundidad.
Figura 3. Perfil típico obtenido con el método de tomografía sísmica.
Los resultados de la refracción sísmica son fiables en profundidades pequeñas y medianas, donde puede identificarse con bastante certeza la posición del basamento debajo de la cobertura de suelo o estimarse la facilidad de excavación de roca con equipos (ripa ble). La desventaja de este método es que es influenciada por la presencia del agua, aumentando su valor. 2.3.1 Método Mutichannel Analysis of Surface Waves (MASW)
Este método fue introducido en el año 1999 y permite estimar las velocidades de ondas de corte (Vs) del subsuelo a partir del análisis de las ondas de superficie Rayleigh o Groundroll generadas por una fuente. El procedimiento del método (véase Fig. 4) consiste en generar una onda artificialmente, luego registrar el tiempo de llegada de las ondas por los geófonos
La adquisición de datos es significativamente más tolerante en la selección de parámetros que otros métodos sísmicos debido a la mayor relación: señal/ruido que fácilmente es alcanzada. Esto es debido a que las ondas superficiales pueden viajar una distancia más larga sin sufrir mucha contaminación del ruido. El MASW es un método sísmico que provee resultados altamente favorables y competentes (tienen una mayor resolución del perfil del subsuelo), en las que su uso permite reconocer principalmente los materiales arcillosos o sueltos. La velocidad de corte (Vs) es utilizado en la caracterización dinámica del suelo y la estimación de la resistencia del terreno. Las ondas de corte no son influenciadas por la presencia del agua. 3 ESTADO DEL CONOCIMIENTO DE LA GEOSÍSMICA EN LA GEOMECÁNICA 3.1 Generalidades Desde principios de los 60’ diferentes autores han realizado estudios e investigaciones con la finalidad de obtener correlaciones entre los parámetros sísmicos con los parámetros geomecánicos y geotécnicos
que sean representativos del terreno y útiles al proyectista. 3.2 Principales estudios Deere y Merritt (1969) propusieron una correlación entre el índice de velocidad (Vf/Vl) 2 y el RQD, donde Vf y Vl corresponden a velocidades de ondas sísmicas medidas en el campo y laboratorio, respectivamente. Uno de los estudios más importantes fue el realizado por Sj Øgren et al (1979), que presento la correlación de las velocidades longitudinales (Vp) con los parámetros del macizo rocoso como el número de juntas por metro y el RQD (Fig. 6). La correlación fue para rocas competentes del escudo escandinavo y Andes de Chile. Propuso varias relaciones teóricas entre las velocidades longitudinales y el número de juntas por metro. Determinó que las correlaciones no eran aplicadas cuando la roca tenía un alto grado de alteración y/o meteorización, y que existían variaciones para cada rango de velocidades, siendo estas remarcables cuando se consideraba la litología.
Figura 7. Correlación entre las velocidades longitudinales, el RQD promedio, las fracturas por metro y el Q (Barton, 1995)
Las velocidades de ondas de corte (Vs) está siendo investigado para ser correlacionado con los parámetros geomecánicos de la roca. Un estudio realizado por Suharsono et al. (2004) pro pone la correlación RQD y Vs, con la siguiente formula:
22 2 Donde Vsμ es la velocidad de la onda de corte en la roca intacta obtenido del ensayo ultrasónico y Vs β es la velocidad de la onda de corte medido en el método SASW.
Figura 6. Curvas medias de regresión de la correlación entre las velocidades longitudinales Vp y el fracturamiento del macizo rocoso expresado valores de juntas por metro y RQD (SjØgren et al, 1979). 1 RQD y 2 juntas por metro.
Barton (1991) correlaciona el índice Q y las velocidades longitudinales (Vp) mediante la siguiente relación empírica: . Esta correlación la obtuvo en el proyecto una caverna en Noruega donde utilizo la tomografía sísmica de cross hole. Además, fue verificada en rocas competentes de baja porosidad, resistentes (RCS ≥100MPa) y a bajas profundidades. Barton introdujo en el modelo de Sj Øgren el valor de Q, los valores de las velocidades longitudinales y el RQD (Fig. 7) La sísmica de refracción comúnmente se utiliza para evaluar la excavabilidad del subsuelo y roca, mediante excavadoras con ripper. La clasificación de la roca solo se basa en las velocidades sísmicas y no consideran los parámetros geológicos como la naturaleza de la roca, el índice de fracturamiento que pueden cambiar su excavabilidad.
3.5
4 ALGUNAS EXPERIENCIAS EN LA EVALUACIÓN GEOTÉCNICA DE MACIZOS ROCOSOS CON LAS VELOCIDADES SÍSMICAS 4.1 Generalidades Es común utilizar durante la investigación geotécnica la geofísica como primer método de exploración para determinar los modelos geosísmicos; estos modelos luego son confirmados con perforaciones diamantinas con recuperación continua de testigos y finalmente obtener un modelo geotécnico de la zona investigada. En varios proyectos de presas y túneles se ejecutaron estudios de refracción sísmica y MASW, y perforaciones diamantinas con logueo geotécnico de los testigos recuperados y de los perfiles geomecánicos de los testigos de taladros diamantinos. Los valores de las velocidades sísmicas y de los parámetros geomecánicos de los testigos de perforación fueron cruzadas con el objetivo de hallar una correlación velocidades sísmicas (longitudinales y de corte) con los índices de calidad del macizo rocoso tales como el RQD (Rock Quality Design) y el RMR (Rock Mass Rating) u otros.
La data fue tomada de los estudios de la cimentación ocho proyectos de presas de relaves y botaderos (Ta bla 1). Se analizaron 22 taladros diamantinos, 22 perfiles de Vs y 22 perfiles de Vp. Los taladros diamantinos eran verticales y con diámetros de 9.6 cm (HQ) y 7,6cm (NQ), longitudes no mayores a 100 m y con registros que incluían la litología y los índices RQD y RMR. Los sondeos fueron perforados en el mismo perfil geofísico o a una distancia no mayor de 25 m. Las litologías evaluadas fueron, areniscas con limolitas y calizas (rocas sedimentarias); andesitas, brechas, ignimbritas y toba (como rocas ígneas), y filitas y pizarras (rocas metamórficas). Tabla 1. Datos generales de los sondeos diamantinos analizados. Sondeo
Litología
PZ-5 P-5 BH-1 P-1 P-2 P-7 P-8 P-9 P-3 P-5 SA-1 SA-2 SRK-BH1 SRK-BH2 SRK-BH3 SRK-BH7 SRK-BH8 P-1 P-2 P-3 BH-S1 BH-S3
Andesita Andesita Andesita BxV,BxI,Ign y Tb Ignimbrita y toba Filita Filita Filita Filita Filita Pizarra Pizarra Arenisca y lodolita Arenisca y lodolita Arenisca ARN,LDL y CGL Arenisca y limolita Arenisca y limolita Arenisca y limolita ARN,LML y DLM Caliza Caliza
Longitud (m) Total
Roca
25.5 30 25.17 20.2 20.2 28.1 30 30 25.1 30 40 40 100 100 80 50 80 40.1 40 40 20.2 17
23.6 20.8 23.07 19.01 18.7 23.95 26.5 27.6 23.7 30 35 32.3 95.8 85.7 67.4 44.7 62.7 33.2 33.3 37.4 16.75 8.7
graficaron las velocidades sísmicas (Vp, Vs) y los parámetros geomecánicos (RQD, RMR), por tipo de roca. Finalmente los datos fueron complementados con varios aspectos referentes a su posición, geología y otros aspectos relevantes que permitan explicar los resultados.
País
Perú Perú México Perú Perú Perú Perú Perú Perú Perú Perú Perú Colombia Colombia Colombia Colombia Colombia Perú Perú Perú Perú Perú
Figura 8. Grafico del RMR, RQD, Velocidad de las ondas Vs y Vp, versus la profundidad de los sondeos P-7 y P-2.
4.2 Resultados Los análisis estadísticos de la data son mostrados en las figuras 9, 10, 11 y 12. Los resultados son diferentes para cada caso y tienen comportamientos similares según el tipo litológico. Para nuestro estudio los valores de RMR estuvieron comprendidos entre 22 a 70. 4.2.1 Velocidad de corte versus parámetros geomecánicos
Los gráficos RQD-Vs (Fig. 9) muestran en general una alta dispersión y no se obtuvo una buena correlación, siendo mayor la dispersión para las rocas sedimentarias. El rango de las Vs es 0.35 a 2 Km/s; las rocas ígneas y metamórficas alcanzan altas velocidades de corte.
ARN: arenisca, CGL: conglomerado, LDL: lodolita, LML: limolita, DLM: dolomita, BxV: brecha volcánica, BxI: brecha ignimbritica, Tb: toba, Ign: ignim brita.
4.1 Metodología del trabajo Los datos obtenidos del análisis de los resultados de cada perforación fueron colocados en tablas del programa Excel; para luego graficarse las velocidades sísmicas, RQD y RMR versus profundidad. Tal como se observa en la figura 8. Posteriormente, se agruparon los datos según el tipo de roca (ígnea, sedimentaria y metamórfica) y se
Figura 9. Gráfico entre el RQD y la velocidad de las ondas de corte (Vs).
El gráfico RMR versus Vs (Fig. 10) muestra una tendencia neta progresiva de todos los datos. Según los tipos litológicos notamos que los datos de las rocas sedimentarias se concentran en un sector del gráfico para valores bajos de RMR y con Vs < 1.6 Km/s. Una similar y mejor distribución (menor dis persión) tienen las rocas ígneas y metamórficas con valores de RMR superiores a 40.
metamórficas e ígneas y la segunda agrupa las rocas sedimentarias. Para las rocas sedimentarias, la tendencia lineal para valores de RMR superiores a 20 se ha expresado por la siguiente ecuación: RMR= 6.6 Vp+27
Figura 12. Correlación entre el RMR y Vp (km/s). Figura 10. Correlación entre el RMR y la velocidad de onda de corte.
4.2.2 Velocidades longitudinales versus parámetros geomecánicos
El total de los datos RQD y Vp fueron proyectados en el gráfico de Sj Øgren (Fig. 11) donde la curva 1 corresponde a la correlación entre el RQD y Vp. Tal como se muestra en la gráfica los datos caen a la izquierda de la curva 1 y se tiene valores de 100 % de RQD con valores de Vp más bajos. La figura 12 muestra la distribución de los valores de RMR con respecto a las velocidades longitudinales (Vp), donde se observa que los valores están concentrados en una franja delimitada por las líneas discontinuas. Los valores de RMR se incrementan progresivamente con el aumento de las velocidades longitudinales.
Figura 11. Correlación entre el RQD y las velocidades longitudinales usando el gráfico de SjØgren (curva 1).
En la dispersión considerando los tipos de rocas es notorio dos tendencias: la primera agrupa las rocas
4.3 Discusión La investigación comprendió mayormente macizos rocosos de naturaleza heterogénea, tanto en geología como en geotecnia. Se evaluaron macizos rocosos de diferentes: litología, mineralogía, propiedades físicas, estructuras, resistencias, fracturamiento y condiciones de las juntas. Esto de una cierta manera condicionó algunos resultados de los parámetros medidos.
Figura 13. Gráfico de los perfiles geofísicos y geomecánicos incluyendo la litología de la perforación SRK-BH7.
En el estudio determinamos que en varios casos el perfil de velocidades de las ondas sísmicas de corte (Vs) se correlaciona mejor con el perfil litológico (so bre todo cuando el perfil litológico es heterogéneo), que las Vp; pero que, esto alteraba la correlación con el RQD y RMR no siendo muy buena en dichos casos,
un ejemplo de ello se muestra en la figura 13. Entonces notamos que la Vs es capaz de reconocer la posición de manera nítida o cuasi-exacta de estratos de menor velocidad que subyacen a un estrato de mayor velocidad pasando a un segundo plano la correlación con un parámetro geomecánico. Los resultados muestran que la correlación entre los índices geomecánicos y las velocidades de ondas de corte, tienen una moderada a alta dispersión, siendo mayor para las rocas sedimentarias (véase Fig. 9 y Fig. 10). Para las rocas metamórficas obtuvimos una mejor correlación entre el índice de calidad RMR del macizo y la Vp, posiblemente porque los datos analizados corresponden a rocas de similares estructura y litología (filitas y pizarras), donde no habría cambios notables de su densidad. El RMR muestra una mejor correlación con los parámetros sísmicos probablemente porque las condiciones del macizo rocoso me joran a medida que aumenta la profundidad, pues disminuye el grado de meteorización, las aberturas de las juntas se cierran, etc.
4.4 Conclusiones Las correlaciones entre las medidas de las velocidades sísmicas y los índices de calidad del macizo rocoso no fueron muy definidas; debido a que la data evaluada correspondían a perfiles litológicos variados. De manera general notamos que las correlaciones entre las velocidades longitudinales (Vp) con los índices de calidad del macizo rocoso muestran una menor dispersión, que las obtenidas con las velocidades de corte. Una mejor correlación entre los parámetros geomecánicos y las velocidades de corte fue obtenida cuando interpretamos perfiles de un sitio particular y donde la ubicación de los sondeos geosísmicos y la perforación coinciden. En la fase inicial de las investigaciones es recomendable realizar primero “mediciones paramétricas” entre las velocidades sísmicas del MASW y los parámetros geomecánicos de los testigos de perforación diamantinas, para establecer las correlaciones básicas para el sitio y que servirán luego para la interpretación geotécnica de los perfiles sísmicos restantes y elaborar un modelo geosísmico- geotécnico. Para mejorar las correlaciones entre los parámetros geosísmicos y geomecánicos debemos tener presente las condiciones geológicas del sitio que ayudaran a establecer el orden de los factores geológicos que incidirán o controlaran la magnitud de las velocidades de ondas de corte. 5 BIBLIOGRAFIA
Figura 14. Gráfico RMR en función de las Vp para filitas en un contexto geológico particular.
Barton N. 2007. Taylor and Francis Group (eds) Rock Quality, seismic velocity, attenuation and anisotropy 65-75 , Londres. Choon Sunwoo & Sei-Ho Hwang, 2001, Correlation of rock mass classification methods n Korean rock mass Korea institute of geology, mining and Materials, Taejon Korea . Jauch F. 2000. Using borehole geophysics for geotechnical classifications of crystalline rock masses n tunneling: 90-102, Suiza. Mohamed Edy Tonnizam et al. 2011. Assessment on excavatability in weathered Sedimentary Rock Mass Using Seismic Velocity Method; Journal of materials science and engineering: 258-263.
Figura 15. Gráfico RQD en función de la Vs para filitas en un contexto geológico particular.
Si consideramos ambas velocidades sísmicas en un solo sitio de estudio con un solo tipo litológico, existe una mejor correlación entre los parámetros medidos tal como lo muestran las figuras 14 y 15 para el caso de filitas.
Palmstrom A. 1995. Application of seismic refraction survey in assessment of jointing, Conference on recent advances n tunneling technology: 1 – 8 New Delhi. Robert A. et al. (1997) High-resolution surface-seismic imaging techniques for NEHRP soil profile classifications and earthquake hazard assessments in urban areas, U.S. Geological Survey open-file 97-501
SjØgren B., Øfsthus A. y Sandberg J., 1979. Seismic Classification of rock Mass Qualities, Geophysical Prospecting 27 : 409-442. T.L. Goh et al. 2011. Application of spectral Analysis of surface waves (SASW) Method: Rock Mass Characterización, Sains Malaysiana 40 (5): 425-430
