9. ensayo de sísmica de refracción
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UNIVERSIDAD FRACISCO DE PAULA SANTANDER
MÉTODOS DE PROSPECCIÓN SÍSMICA PARA EVALUAR
MACIZOS ROCOSOS
REFRACCIÓN
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 de los 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 de energía muy potentes (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 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 públicos e ingeniería civil.
Reflexión sísmica
- ecosondeo
- perfiles
Refracción sísmica Sísmica
MÉTODOS PRINCIPALES
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 preparación en la interpretación de
resultados
Reflexión Sísmica
Nos ayuda a conocer las profundidades del mar y el grosor
y estructura de los estratos sedimentarios
ACBCA ACBA ACA ABA
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
Determinar la Velocidad de Propagación de las ondas sísmicas en
el suelo.
Obtener, a partir de la velocidad de propagación de las ondas
sísmicas, el tipo, espesor, carga admisible y módulo de elasticidad
de dicho estrato de suelo.
MÉTODO DE REFRACCIÓN SÍSMICA
DEFINICIÓN BÁSICA DE REFRACCIÓN
La refracción sísmica es el cambio de dirección
experimentado por una onda sísmica al pasar de un
estrato o medio material a otro.
Sólo se produce si la onda incide oblicuamente sobre la
superficie de separación de los dos medios y si éstos
tienen índice de refracción distintos.
La refracción se origina en el cambio de velocidad de
propagación de la onda.
Cuando un rayo se refracta al pasar de un medio a otro, el
ángulo de refracción con el que entra es igual al ángulo
en que sale al volver a pasar de ese medio al medio
inicial.
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
El método sísmico de refracción se basa en la diferencia
de velocidad de la onda sísmica en los distintos
terrenos, y en la propiedad que tienen las ondas al
cruzar la frontera entre dos tipos de terreno distintos
de sufrir refracción, (al igual que sucede con las
ondas de luz), modificando su dirección en un ángulo
cuyo valor depende de la relación entre las
velocidades de onda de cada terreno.
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
Explosivos (tierra firme, pantano)
Vibradores (tierra firme)
Air Guns (agua)
DESCRIPCIÓN DEL ENSAYO
Empleando como fuente de energía un impacto mecánico (choque o explosión) dado
sobre una platina metálica dispuesta en la superficie del terreno, se generan ondas
sísmicas que se propagan en el subsuelo, a diferentes velocidades según el medio
térreo de propagación.
La velocidad de las ondas sísmicas está en función de la densidad de las capas
consideradas; aspecto que es fundamento para la prueba de refracción sísmica.
En la mayoría de los casos, para el subsuelo próximo, las capas presentan
velocidades crecientes con la profundidad.
Se admite que la onda de choque se propaga en línea recta en un terreno dado, no
cambiando nunca la dirección, excepto cuando penetra en un terreno diferente
(refracción de la onda).
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.
Sean dos capas diferentes, superpuestas, A y B, la capa superior A tiene una velocidad V1, que es inferior a la velocidad V2, correspondiente a la capa inferior B.
A
B
V1, 𝛒1
V2,𝛒2
Fuente Geófono
V1 < v2 𝛒1 < 𝛒2
d
i
Figura I
La onda creada podrá alcanzar el geófono siguiendo dos caminos diferentes:
Un camino lento, pero más corto por el
terreno A. Un camino rápido, pero más largo por el
terreno B.
Si en la figura I, la distancia [d] es pequeña, es decir si
la distancia entre el geófono y la fuente se
encuentran próximos, será la onda que va por el
terreno A la que alcance antes el receptor (camino
corto).
Si después, el punto de impacto se encuentra
suficientemente alejado del geófono, será la onda
que pasa por el terreno B la que llegará primero
(camino más largo, pero mayor velocidad).
V1
B
Ensayo de Sísmica de Refracción
Capa A
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
Geófonos
Medidor de los tiempos de refracción de las ondas sísmicas en el
suelo.
Martillo o masa [Es recomendable idear un mecanismo que
posibilite la cuantificación de la energía que se suministre]
Explosivos [su uso requiere autorización de las autoridades
competentes]. Es prohibitivo su empleo en zonas
ecoambientales
Esquema del Ensayo de Sísmica de Refracción
0011010
1011010
1001010
0011010
1111010
…….……..
GRABACION DIGITAL
Señal Continua
Digitalización
Señal Reconstruida
Proceso de Digitalización
Cuando se digitaliza, una señal continua pierde las frecuencias por encima de la Frecuencia de Nyquist,
TÉCNICA DEL ENSAYO
El ensayo de refracción sísmica se realiza básicamente de la
siguiente manera:
Fuente o foco: Punto generador de la energía liberada. Un emisor
de ondas móvil (masa, martillo o explosivos) permite crear los
impactos.
Estación receptora: un captor fijo o geófono, mide el tiempo de
llegada de las ondas propagadas por el subsuelo.
FORMATOS “ESTANDAR” DE GRABACION DE DATOS SISMICOS
CAMPO: SEG-D, DAT, etc
PROCESAMIENTO: SEG-Y
Definen la estructura en que debe ser grabada, en archivos o medios magnéticos, la información relacionada con datos sísmicos.
La velocidad de las ondas sísmicas es influenciada por la saturación. En medios saturados la velocidad sísmica tiende a reducirse. Este efecto posibilita, el uso de la sísmica de refracción para la determinación del nivel de agua en los suelos permeables.
La profundidad alcanzada de una prueba de refracción depende de fuente de energía utilizada, de la calidad del medio natural y del arreglo que se haya diseñado. Normalmente se alcanzan niveles entre 10 y 20 m. con posibilidad de alcanzar profundidades del orden de 100 a 200 m. en determinados casos muy favorables.
De una forma general, la profundidad explorada está comprendida entre el 20 y el 40% de la distancia que separa el emisor del receptor.
Los resultados obtenidos de una prueba sísmica son.
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
A problemas de cimentación
Al estudio de capas aluviales
A la evaluación de movimientos en masa
Estudios de fuentes de materiales [graveras y
areneros, etc].
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
1. Elaborar la curva dromocrónica en el plano cartesiano de coordenadas distancia vs tiempo. En las abscisas se localizan las distancias entre el punto emisor y el geófono, y en las ordenadas los tiempos medidos.
2. La Curva Dromocrónica normalmente es una línea quebrada que está formada por segmentos de rectas correspondientes a las distintas capas del subsuelo.
3. Los diferentes segmentos que conforman la curva democrómica tienen un gradiente [pendiente] que es inversamente proporcional a la velocidad del medio considerado. Este concepto permite obtener las velocidades buscadas.
Curva Dromocrónica
Onda Refractada
1/V2
Onda Directa
c
1/V1
Distancia en metros
Tie
mpo e
n m
ilis
egundos
3. El espesor de los diferentes estratos, se puede calcular con la siguiente expresión:
Donde:
D = espesor de cada estrato.
c = distancia horizontal correspondiente al cambio de velocidad en la Curva Dromocrónica
V1 y V2 = velocidades de propagación en las diferentes capas de suelo.
12
12
VV
VV
2
cD
Cuando en el gráfico aparecen tres o más velocidades correspondientes a diferentes estratos, la expresión para estimar el espesor de los estratos inferiores es usualmente resuelta con la ayuda de ábacos o, para una primera aproximación se puede utilizar las siguientes expresiones:
O también:
1
23
2322 D*85.0
VV
VV
2
cD
23
231212
VV
VV
2
ccDD
V1
B
La Velocidad Sísmica es un indicador estimativo de dureza de los geomateriales . El término “Dureza” está referido a resistencia, compacidad, alta densidad, de los geomateriales.
De la teoría de la Elasticidad se sabe que la velocidad de una onda compresiva en un sólido indica que la velocidad puede expresarse en función de la densidad del material, del módulo de elasticidad y de la relación de Poisson.
De estos tres valores el más importante es el módulo de elasticidad, el cual es muy sensible a la continuidad y el contacto grano a grano.
OBSERVACIONES
Valores típicos de las velocidades son dados en la Tabla 1.
Es difícil de medir con un reloj sísmico la velocidad
del suelo por debajo de los 400 m/seg [1100
pies/s], ya que la onda aérea puede saltar el
geófono, en cuyo caso se tiene un valor erróneo
de V1 y c1, en las ecuaciones de profundidad.
Se sugiere revisar las velocidades del suelo del
orden de los 400 m/seg (1100 pies/s]
MATERIAL VELOCIDAD (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.
Tabla 1. Valores típicos de velocidades sísmicas
1. Valor aproximado del Módulo de Elasticidad (E) del suelo, utilizando la relación teórica:
Vi= velocidad de propagación de las ondas sísmicas en el interior del estrato, en m/s.
EE: módulo de elasticidad, en Kg/m2
50
VE
2i
E
Parámetros geotécnicos que pueden ser obtenidos a partir de la velocidad
sísmica determinada mediante pruebas de prospección sísmica
La Presión Admisible, , en Kg/cm2, de cada estrato de suelo, se puede determinar con la siguiente expresión:
Donde N, es el número de golpes del Ensayo de penetración estándar [S.P.T], el cual, a su vez puede calcularse mediante la siguiente expresión, a partir de la velocidad de propagación de las ondas sísmicas en el estrato:
10
N
6.7Vp*0284.0N
Entrando vp
en m/s
EJERCICIOS RESUELTOS
Ejercicio 1. Obtener el Módulo de Elasticidad de cada capa, a partir de los resultados de un ensayo de refracción sísmica, indicados en la tabla 2.
Tabla 2: REGISTRO DE SÍSMICA DE REFRACCIÓN
Proyecto: García Moreno-
Junín Alto
Línea Sísmica N°:
1 Operador: Ing. Torres
Ubicación: 4+380 Longitud de la
Línea: 45 m. Fecha: 13/10/1993
Prof. Investigación:
15 m. Dirección de la
Línea: S-W Equipo: N°5
Distancia (m)
Tiempo (s)
Distancia (m)
Tiempo (s)
Distancia (m)
Tiempo (s)
Observaciones (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
0
20
40
60
80
100
120
140
160
0 6 12 18 24 30 36 42
Distancia (m)
Tie
mp
o (
m.s
eg
)
Punto de Quiebre
4
La velocidad V1 será:
Y la velocidad V2 será:
segm5.2721000*2725.0V
msegmili
67.3V
1
445
266.211.172m
2
2
2
segm9.1871000*1879.0V
msegmili
32.5V
1
4
266.21m
1
1
1
El Módulo de Elasticidad para cada estrato de suelo será:
Este valor cae en el rango de E para Arena Suelta.
Este valor es típico de una Grava Compacta
2
2
2
2
22
mKg13.1485
50
5.272E
50
VE
2
2
1
2
11
mKg12.706
50
9.187E
50
VE
Existen muchas tablas en la literatura geotécnica que correlacionan diferentes materiales térreos con sus correspondientes rangos típicos de algunas de sus propiedades mecánicas
Ejercicio 2
Determinar el coeficiente de elasticidad a partir de los
siguientes datos, procedentes de un ensayo realizado para
tal fin.
D (m) t (ms)
5 8
10 21
15 26
20 28
25 32
30 38
35 42
40 45
Utilizando los datos anteriores realizamos la siguiente gráfica:
Punto de Quiebre
10.1
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
0 10 20 30 40 50
Aplicando las fórmulas se tiene:
1. La velocidad de propagación:
2. El espesor del estrato:
s
m44.12441000*244.1
2145
1.1040v
s
m4801000*48.0v
08.21.10
21m
v
1
2
1
1
1
m36.34801244
4801244*
2
1.10h
vv
vv*
2
xh
12
12
4. El número de golpes:
2
2
2
2
2
1
2
cmKg75.30950
50
1244E
cmKg4608
50
480E
50
VE
golpes28730.276.744.1244*0284.0N
golpes6032.66.7480*0284.0N
6.7V*0284.0N
1
p
3. El Módulo de Elasticidad:
N = 0.0280Vp − 2.4992
5. Finalmente la carga admisible, utilizando la ecuación modificada de Meyerhof,
adm = N/10, en Kg/cm2
22adm
21adm
cmKg8.2
10
28
10
N
cmKg6.0
10
6
10
N
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/m2
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
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°
= (20 +N)1/2 + 15 Osaki
FORMATO TÍPICO PARA CAPTAR INFORMACIÓN DE
UNA PRUEBA DE REFRACCIÓN
NORMA NSR 10-COLOMBIA
TÍTULO A
CLASIFICACIÓN DE PERFILES DE SUELOS
http://es.scribd.com/doc/26886999/Metodos-Sismicos-Refraccion-y-Reflexion
www.gc.usb.ve/geocoordweb/Tesis/Pre/Julia%20Vilches.pdf
Direcciones de referencia y complemento
TEST http://conversemosdehistoria.blogspot.com/2011/04/sismos.html
http://www.osso.org.co/docu/tesis/2001/comportamiento/refraccion.pdf
http://ri.ues.edu.sv/4379/1/Aplicaci%C3%B3n%20del%20m%C3%A9todo%20de%20refracci%C3%B3n%20sismica%20para%20la%20dterminaci%C3%B3n%20de%20velocidades%20de%20ondas%20%20P.pdf
http://ri.ues.edu.sv/4379/1/Aplicaci%C3%B3n%20del%20m%C3%A9todo%20de%20refracci%C3%B3n%20sismica%20para%20la%20dterminaci%C3%B3n%20de%20velocidades%20de%20ondas%20%20P.pdf
http://www.jorgealvahurtado.com/files/Exploracion%20Geotecnica.pdf
http://revistas.lasalle.edu.co/index.php/ep/article/viewFile/1964/1830