UNIVERSIDAD FRACISCO DE PAULA SANTANDER MÉTODOS DE PROSPECCIÓN SÍSMICA PARA EVALUAR MACIZOS ROCOSOS REFRACCIÓN ÁLVARO ÁLVARO PEDROZA ROJAS
EXPLORACIÓN SÍSMICA Es posible
generar mediante una fuente artificial de energía ondas elásticas que se propagan a través del terreno. En dicha
técnica se apoya la sísmica para hacer prospección
sísmica o sea, estudiar
el subsuelo en general, permitiendo obtener
información geológica geológica de los materiales materiales que lo conforman.
La prospección sísmica permite inspeccionar, con buena resolución, diferentes niveles de profundidad [desde los primeros metros del terreno (sísmica de alta resolución o sísmica superficial; shallow seismic) hasta varios kilómetros de profundidad (sísmica profunda; deep seismic).
EXPLORACIÓN SÍSMICA Es posible
generar mediante una fuente artificial de energía ondas elásticas que se propagan a través del terreno. En dicha
técnica se apoya la sísmica para hacer prospección
sísmica o sea, estudiar
el subsuelo en general, permitiendo obtener
información geológica geológica de los materiales materiales que lo conforman.
La prospección sísmica permite inspeccionar, con buena resolución, diferentes niveles de profundidad [desde los primeros metros del terreno (sísmica de alta resolución o sísmica superficial; shallow seismic) hasta varios kilómetros de profundidad (sísmica profunda; deep seismic).
La sísmica profunda
utiliza fuentes fuentes de de energía energía muy potentes (explosivos (explosivos o
camiones vibradores) capaces de generar ondas elásticas que llegan a las capas profundas del subsuelo, mientras que para la sísmica superficial se utilizan martillos de impacto, rifles sísmicos sís micos y explosivos de baja energía.
El equipo y material a utilizar en
una campaña sísmica
está en
función del objetivo del estudio.
La sísmica profunda se aplica
a
la detección de reservorios petrolíferos (ya sea
terrestre o marítima), grandes estructuras geológicas (plegamientos montañosos,
zonas de subducción, etc.), yacimientos minerales, domos salinos, etc. La sísmica superficial se aplica en obras de menor envergadura, trabajos ingeniería civil.
públicos
e
MÉTODOS PRINCIPALES
Reflexión sísmica - ecosondeo - perfiles
Sísmica
Refracción sísmica
Down hole Crosshole
Los métodos de exploración sísmica son Métodos no destructivos, aportados por la geofísica para
la determinación de las características geotécnicas
de un terreno.
Sus ventajas son
Mayor alcance: cobertura y profundidad Menor costo Menor tiempo Captura detalles no
visibles a simple vista
Requiere de equipo especial Demanda resultados
preparación
en
la
interpretación
de
Reflexión Sísmica Nos ayuda a conocer las profundidades del mar y el grosor y estructura de los estratos sedimentarios
ABA
ACA
ACBA
ACBCA
Ecosondeo PDR (Precision Depth Recorder) Ecosondas de baja frecuencia (3.5 KHz) Frecuencias:
PDF 12 KHz EBF 3.5 KHz Perfiles de Reflexión 20-200 Hz (0.02-0.2KHz)
>FRECUENCIA >ATENUACIÓN >RESOLUCIÓN
OBJETIVO
MÉTODO DE REFRACCIÓN SÍSMICA
DEFINICIÓN BÁSICA DE REFRACCIÓN
La velocidad de propagación de las ondas sísmicas depende de la DENSIDAD del medio de propagación y, por lo tanto, de la profundidad y de la composición de la región atravesada por las ondas.
Se producen fenómenos de refracción sísmica en los siguientes casos:
Refracción entre la transición entre dos capas geológicas, especialmente entre el manto terrestre y el núcleo de la tierra .
En el manto, por pequeñas desviaciones de la densidad entre capas ascendentes menos densas y descendentes, más densas.
BASE DEL MÉTODO
IMPULSO GENERADOR DE LA ONDA
La fuente de generación de energía puede ser un impacto o una pequeña carga
explosiva que se coloca, usualmente en un punto de la superficie. La recepción de la señal se logra mediante geófonos (detectores de pequeñas
vibraciones en el terreno), dispuestos a distintas distancias del punto de impacto. Se mide el momento en que llega la primera onda que alcanza a un determinado geófono. De esta forma se obtiene la velocidad de transmisión.
GEÓFONOS
FUENTES
DESCRIPCIÓN DEL ENSAYO
Al producirse el impulso, las ondas se emiten en todas direcciones. Una onda en particular recorre un camino por la superficie del terreno en dirección al geófono (onda directa). Otras ondas descienden con diversos ángulos respecto a la horizontal. Al encontrar un estrato inferior con diferente velocidad sísmica, la onda se refracta en el plano de contacto entre ambos terrenos. Existe una dirección de onda que, al alcanzar el estrato inferior con un determinado ángulo de incidencia, su refracción se dirige por encima del estrato inferior paralelamente a la frontera entre terrenos. Esta onda, con su nueva dirección, continúa emitiendo energía hacia la superficie con un ángulo de refracción simétrico al de incidencia anterior, por lo que los geófonos pueden llegar a detectarla. Si la velocidad sísmica del terreno inferior tiene un valor mayor que la del terreno superficial, el tiempo necesario para que la onda refractada alcance un punto de la superficie puede llegar a ser menor que el requerido por la onda directa que viaja superficialmente, aún cuando la longitud del camino sea mayor. Los geófonos cercanos al impulso reciben en primer lugar la onda directa, pero a los que se encuentran a una cierta distancia les alcanza antes la onda refractada.
i Figura I
A
V1, 1 d Fuente
B
V1 < v2 1 < 2
Geófono V2,2
V1
Capa A
B
Capa B
ARREGLO
Se denomina ARREGLO al diseño de la
línea o malla que servirá de
base para realizar la sísmica. Usualmente, el arreglo se define con base en las condiciones topográficas del terreno, en el área que se desea prospectar, en el equipo y método fuente de energía que va a ser utilizada.
ALGUNOS MODELOS DE ARREGLOS
En el terreno en donde se va a realizar la práctica, se debe despejar de vegetación. La anchura requerida es de al menos 1.5 m. Un punto de la referencia topográfica debe ser proporcionado para atar las secciones a la red topográfica local.
EQUIPO BÁSICO
Esquema del Ensayo de Sísmica de Refracción
GRABACION DIGITAL
0011010 0011010 1111010 1011010 1001010 …….…….
.
Proceso de Digitalización
Señal Continua
Digitalización
Señal Reconstruida
Cuando se digitaliza, una señal continua pierde las frecuencias por encima de la Frecuencia de Nyquist,
TÉCNICA DEL ENSAYO
FORMATOS “ESTANDAR” DE GRABACION
DE DATOS SISMICOS
CAMPO:
SEG-D,
PROCESAMIENTO:
SEG-Y
DAT, etc
Definen la estructura en que debe ser grabada, en archivos o medios magnéticos, la información relacionada con datos sísmicos.
Las velocidades de propagación de las ondas de los medios
encontrados Los espesores de los estratos atravesados por las ondas. Por comparación con medios tipo de referencia, es posible tener
una idea de la naturaleza geológica del medio térreo.
APLICACIONES DE LA SÍSMICA DE REFRACCIÓN
FACTORES QUE AFECTAN LA SEÑAL Una fuerte humedad crea generalmente corto circuitos en los aparatos alterando las medidas. El hielo modifica las velocidades falseando los resultados. Una fuente de vibraciones próxima (viento violento en los árboles, paso de trenes, circulación de maquinaria pesada), provoca ondas
parásitas que pueden también alterar las medidas. Cuando se está en un terreno de alta velocidad, que se yace sobre otro de velocidad más débil, este último no puede ser prospectado, puesto
que la onda profunda en ningún caso alcanzará la onda superficial.
CÁLCULOS
s o d n u g e s i l i m n e o p m e i T
D
c V2 V1 2 V2 V1
D2
D2
c2 2
D1
V3 V3
c2
V2 V2
0.85 * D1
c1 V3 2 V3
V2 V2
V1
B
OBSERVACIONES
Tabla 1. Valores típicos de velocidades sísmicas
VELOCIDAD MATERIAL (pie/seg.) Suelo 800 - 1800 Suelo Denso 1500 - 2000 Arena o Grava arriba Nivel Freático 1500 - 4000 Arcilla, Pizarra Blanda 4000 - 7000 Pizarra Dura 6000 - 10000 Arena Gruesa 5000 - 10000 Limo Alterado 4000 - 6000 Limo 8000 - 18000 Basalto 8000 - 13000 Granito 10000 - 20000 Depósito Glacial 40000 - 7000 Losa 10000 - 12000 Agua 5000 Aire 11000 1 pie/seg. = 0.3048 m/seg.
Parámetros geotécnicos que pueden ser obtenidos a partir de la velocidad sísmica determinada mediante pruebas de prospección
sísmica
1. Valor aproximado del Módulo de Elasticidad (E) del suelo, utilizando la relación teórica: EE
Vi2 50
Vi= velocidad de propagación de las ondas sísmicas en el interior del estrato, en m/s. EE: módulo de elasticidad, en Kg/m2
N 10
N 0.0284 * Vp 7.6
Entrando v en m/s p
EJERCICIOS RESUELTOS
Tabla 2: REGISTRO DE SÍSMICA DE REFRACCIÓN Línea Sísmica García MorenoProyecto: 1 Operador: Ing. Torres Junín Alto N: Longitud de la Ubicación: 4+380 45 m. Fecha: 13/10/1993 Línea: Prof. Dirección de la N5 15 m. S-W Equipo: Investigación: Línea: Distancia Tiempo Distancia Tiempo Distancia Tiempo Observaciones (m) (s) (m) (s) (m) (s) (CROQUIS) 3 19,1 6 29,8 9 40,5 12 50,2 15 60,6 18 79,8 21 90,4 24 93,7 27 104,8 30 110,1 33 135,7 36 146,8 39 157,5 42 167,6 45 172,1 °
°
160 140
) 120 g e s . 100 m ( o p 80 m e i T 60 40
Punto de Quiebre
20
4 0 0
6
12
18
24
Distancia (m)
30
36
42
m1
m2
5.32
mili seg m
V1 0.1879* 1000 187.9 m
V2
21.266 1 4 V1
172.1 21.266 45 4
1 V2
3.67
0.2725 * 1000 272.5 m
seg
mili seg
seg
m
El Módulo de Elasticidad para cada estrato de suelo será: 2
V E1 1 50 187.92 E1 50
706.12 Kg
m2
Este valor cae en el rango de E para Arena Suelta. 2
E2
E2
V2 50 272.52 50
1485.13 Kg
m2
Este valor es típico de una Grava Compacta Existen muchas tablas en la literatura geotécnica que correlacionan diferentes materiales térreos con sus correspondientes rangos típicos de algunas de sus propiedades mecánicas
D (m) t (ms) 5 8 10
21
15 20
26 28
25 30 35 40
32 38 42 45
50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 0
10
20
30
40
50
1 v1
m1
21 2.08 10.1
v1 0.48 * 1000 480 v2
m s
40 10.1 m 1.244 * 1000 1244.44 45 21 s
h
x v2 * 2 v2
v1 v1
h
10.1 1244 480 * 2 1244 480
3.36m
N = 0.0280Vp − 2.4992 3.
El Módulo de Elasticidad: V2 E 50 4802 Kg E1 4608 cm2 50 12442 Kg 30950.75 E2 cm2 50
N 0.0284 * Vp
7.6
N1 0.0284 * 480 7.6 6.032 6 golpes N 0.0284 * 1244.44 7.6 27.730 28 golpes
N 6 Kg 0.6 cm2 10 10 N 28 Kg 2.8 cm2 10 10
adm1
adm2
El Módulo Cortante del suelo (G), para cada material, puede ser obtenido a partir de la expresión G =1200 *(N) 0.8
; G en Ton/m2,
siendo N el número de golpes del SPT.
Estrato 1
G1 = 1200[6]0.8 = 5031.55 Ton/m 2 G2 = 1200 [28]0.8 = 17254.71 Ton/m2
Puede igualmente calcularse el Ángulo de Fricción de Rozamiento Interno, en función de N del SPT, utilizando las correlaciones de Dunham u Osaki = =
(12 +N)1/2 + 25
Dunham
(20 +N)1/2 + 15
Osaki
Estrato 1 = (12 +N) 1/2 + 25= (12+6) 1/2 + 25= 29.24° =
(20 +N)1/2 + 15 = (20+6) 1/2 + 15= 20.1°
Estrato 2 = =
(12 +N)1/2 + 25= (12+28) 1/2 + 25= 31,32° (20 +N)1/2 + 15= (20 +28)1/2 + 15 =21.92°
FORMATO TÍPICO PARA CAPTAR INFORMACIÓN DE UNA PRUEBA DE REFRACCIÓN
NORMA NSR 10-COLOMBIA TÍTULO A CLASIFICACIÓN DE PERFILES DE SUELOS
