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Ensayos geofísicos
(84.07) Mecánica de Suelos y Geología
Alejo O. Sfriso: asfriso@fi.uba.ar
Índice
• Definición
• Métodos mecánicos
• Otros métodos geofísicos
2
En
sa
yos
ge
ofí
sic
os
Métodos geofísicos
• La geofísica estudia el terreno a través de
– Modificaciones locales de campos naturales (gravitatorio, magnético, eléctrico, electromagnético, etc)
– Respuesta a campos inducidos por el hombre (electromagnetismo, ondas mecánicas)
• Son ensayos no destructivos que requieren una mínima intervención en el terreno que se estudia.
• Permiten efectuar prospecciones del terreno a grandes profundidades, a diferencia de las prácticas geotécnicas convencionales.
3
En
sa
yos
ge
ofí
sic
os
Métodos geofísicosE
nsa
yos
ge
ofí
sic
os
Método Campo de Fuerza Propiedad Físico o Química
Magnético campo de fuerza magnético permeabilidad magnética ( m )
Gravimétrico campo de fuerza gravífico densidad, gravitrones ( r )
Eléctricocampos eléctricos natural y artificial
potenciales REDOX,
conductividad eléctrica ( s )
Sísmicocampo atificial creado por las ondas símicas densidad ( r ), elasticidad
Radiométrico
radiación radioactiva radioactividad, emisión de partículas eléctricas cargadas desde el núcleo de átomos de materiales radioactivos
Geotérmicogradiente de temperatura terrestre conductividad térmica
Geoquímico
emanación de vapores, asenso y descenso de soluciones
potenciales REDOX,
conductividad eléctrica ( s )
4
Métodos geofísicosE
nsa
yos
ge
ofí
sic
os
5
Geophysical Methods
Applications
Seismic Electrical Electromagnetic
Refraction(6.1)
Reflection(6.2)
DCResistivity
(6.3)
SP(6.4)
FrequencyDomain
(6.5)
TimeDomain
(6.6)VLF (6.7)
Pipe/CableLocator
(6.8)
MetalDetectors
(6.9)
GroundPenetrating
Radar(6.10)
Magnetics(6.11)
Gravity(6.12)
Natural Geologic and HydrologicConditions
Soil/unconsolidated layers A B A B A B ARock layers B A B B BDepth to bedrock A A B B B B A BDepth to water table A A B B B B AFractures and fault zones B B B A B A B B BVoids and sinkholes B B B B B A ASoil and rock properties A A BDam and lagoon leakage B A B B
Inorganic ContaminantsLandfill leachate A A A B BSaltwater intrusion A A A B BSoil salinity A A
Organic ContaminantsLight, nonaqueous phase liquids B B B BDissolved phaseC
Dense, nonaqueous phaseliquidsC
Manmade Buried ObjectsUtilities B A B ADrums and USTs A A A A AUXO A B AAbandoned wells B B B ALandfill and trench boundaries B B A B AForensics B A B B A BArchaeological features B B B A A A B
A“A” implies primary choice of method.B“B” implies secondary choice or alternate method.CAlso see natural geologic and hydrologic conditions to characterize contaminant pathways.
(ASTM D6429 – Tabla 1)
Índice
• Definición
• Métodos mecánicos
• Otros métodos geofísicos
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En
sa
yos
ge
ofí
sic
os
En
sa
yos
ge
ofí
sic
os
Propagación de ondas mecánicas
7
(S. Fotti, 2000)
R
Propagación de ondas mecánicas
• Conceptos básicos:
– Muy bajos niveles de deformación (e~10-6)
– Ondas de cuerpo (medios infinitos): VS y VP
– Ondas de superficie (medios semi-inf.): VR y VL
– Parámetros geotécnicos: Mdin, Gdin, Edin, n
En
sa
yos
ge
ofí
sic
os
Propogación de onda de compresión VP Propogación de onda de corte VS
Propagación de ondas mecánicas
• Conceptos básicos:
– VR: ondas Rayleigh, largo alcance.
– VS: “fábrica” del material.
– VL: onda S transversal.
En
sa
yos
ge
ofí
sic
os
Relación VP, VS y VR con módulo Poisson Propogación de onda de Rayleigh VR
Propogación de onda de Love VL
En
sa
yos
ge
ofí
sic
os
Onda de Rayleigh
10
E26
Diapositiva 10
E26 La profundidad del bulbo de energía de las ondas R es de aproximadamente una longitud de onda.Ernesto; 30/4/2007
Propagación de ondas mecánicas
• Ensayos
11
En
sa
yos
ge
ofí
sic
os
Impacto
Transductores
CSW
MASWSASW
Sísmica de reflexión Sísmica de refracción CrossHole Uphole; Downhole
En
sa
yos
ge
ofí
sic
os
Sísmica de refracción (ondas P)
12
En
sa
yos
ge
ofí
sic
os
Sísmica de refracción (ondas P)
(ASTM D5777)13
z5xc2 ŒV2 2 V1
V2 1 V1
Espesor estrato
En
sa
yos
ge
ofí
sic
os
Sísmica de refracción: captura arribos
14
arribo de onda P (la primera en llegar)
En
sa
yos
ge
ofí
sic
os
Sísmica de refracción: interpretación
15 (Zodhy et al, 1974)
En
sa
yos
ge
ofí
sic
os
Sísmica de refracción: un resultado
16
En
sa
yos
ge
ofí
sic
os
Sísmica de refracción: Limitaciones del procedimiento
Seisimic lin
e
A
Seisimic lin
e
B
17
Apto en perfiles normalmente dispersivos (aumento de rigidez en profundidad)
En
sa
yos
ge
ofí
sic
os
Assumed Path of Body Waves
Wire Rope
Cased Borehole
Velocity Transducer(Trigger)
MoveableUpper Weight
MoveableLower Weight
Locking Wedge
Air Pressure LineOrientation Rods
3-D GeophoneAir Packer
Air Pressure Line
Dynamic SignalAnalyzer
Grouting
Ensayo crosshole (ondas P y S)
(FHWA)18
(ASTM D4428)
En
sa
yos
ge
ofí
sic
os
Cased Borehole
Orientation Rod
3-D Geophone
Air Packer
Air Pressure Line
Dynamic SignalAnalyzer
Grouting
Hammer
ElectricalTrigger
Inclined Hammer Blow
TriggerChannel
SignalChannel
Generation ofBody Waves
ConcreteBlock
Ensayo downhole (ondas P y S)
(FHWA)19
En
sa
yos
ge
ofí
sic
os
Ensayo downhole (ondas P y S)
20
perforación encamisada
geófono triaxial
perforación encamisada
golpe transversal para onda S
trigger
En
sa
yos
ge
ofí
sic
os
Ensayo downhole: un resultado
21
-29.0
-28.0
-27.0
-26.0
-25.0
-24.0
-23.0
-22.0
-21.0
-20.0
-19.0
-18.0
-17.0
-16.0
-15.0
-14.0
-13.0
-12.0
-11.0
-10.0
-9.0
-8.0
-7.0
-6.0
-5.0
-4.0
-3.0
-2.0
-1.0
0.0
0 500 1000 1500 2000
Velocidad P Velocidad S [metros/segundos]
VELOCIDAD DE ONDA DH-03 SONDEO 08
arribo de onda P arribo de onda S perfil de velocidades P y S
En
sa
yos
ge
ofí
sic
os
Rangos de resultados
22
ROCAS ÍGNEAS
ROCAS SEDIMENTARIAS
MATERIALES CONSTRUCCIÓN
FLUÍDOS(VS=0)
SUELOS GRANULARES
SUELOS FINOS
En
sa
yos
ge
ofí
sic
os
SASW: análisis espectral de ondas superficiales
Estudia la dispersión de ondas de Rayleigh
La inhomogeneidad y estratificación del terreno genera dispersión en las ondas superficiales:
La onda superficial puede descomponerse en una sumatoria de ondas armónicas de distinta frecuenciaLas ondas de distinta frecuencia viajan a distintas velocidades
Las ondas superficiales alcanzan una profundidad aprox. igual a su longitud de onda
Si se mide la velocidad de propagación asociada a una frecuencia se puede obtener información sobre el medio a la profundidad de su longitud de onda
23
Ondas superficiales – Medio homogéneo
vfasevr
En
sa
yos
ge
ofí
sic
os
Medio no dispersivoλ
Curva de dispersión
Solución de Rayleigh
Amplitud(z) / Amplitud superficial
z/λ
G1
(Czelada 2010)24
λ1 λ2
Medio estratificadoE
nsa
yos
ge
ofí
sic
os
Me
dio
inve
rsa
me
nte
dis
pe
rsiv
o (v
1 >
v2)
Curva de dispersión
vfase
λ
Me
dio
no
rma
lme
nte
dis
pe
rsiv
o (
v 1 <
v2)
Curva de dispersiónλ
vfase
(Czelada 2010)
25
λ1 λ2 λ1 λ2
v1
v2
v1
v2
Vn=λn* fn
Secuencia del método SASW
• Se miden los registros en el terreno
• Se construye una curva de dispersión local
• Se deriva una curva de dispersión global
• Se resuelve el problema inverso
• Se determina el perfil 1D de rigidez del terreno
26
En
sa
yos
ge
ofí
sic
os
Ensayos de campo - registros
Geófono A
Geófono B
Separación D = 1m, 2m, 4m, 8m, 16m …
Contenido de frecuencias
RegistroEn
sa
yos
ge
ofí
sic
os
D=1m
D=1m
Geófono A
Geófono B
(Czelada 2010)27
2828
Curva de dispersión local
Diferencia de fase relativa
Coherencia Curva de dispersión local
D=1m
Longitu
d d
e o
nda
Velocidad de fase
Diferencia de fase absoluta
En
sa
yos
ge
ofí
sic
os
(Czelada 2010)
28
29
Curva de dispersión global E
nsa
yos
ge
ofí
sic
os
Curva de dispersión global
Long
itud d
e o
nd
a
D = 1m
D =16m
Velocidad de fase
Velocidad de fase
Lo
ngitud d
e o
nda
(Czelada 2010)29
VR
λ
?
Problema directo e inversoE
nsa
yos
ge
ofí
sic
os
G1;E1;H1,ρ1
G2;E2;H2,ρ2
G3;E3;H3,ρ3
Problema directo
VR
λ
?
Problema inverso
Curva de dispersión
Perfil
Cantidad de estratos?
Propiedades mecánicas?
(Czelada 2010)30
Empírica
Solución del problema inverso
Analítica
En
sa
yos
ge
ofí
sic
os
Medio estratificado de parámetros G,E,ρ y H
El perfil de velocidad de corte se determina de forma iterativa
Se adoptan propiedades y se calcula la curva dispersión hasta similitud suficiente
Medio homogéneo: Ondas Rayleigh
Crecimiento gradual de la rigidez con la profundidad
El perfil de velocidad de corte se determina por un cambio de escala de la curva de dispersión
λ
VR
Z
Vs VR
λ Z
Vs
vs = α vr ; α ≈ 1.10-1.05 ; Z ≈ 0.5λ(Czelada 2010)31
Perfil del terreno - Comparación entre métodos de inversión
Metodo empírico
WinSASW
WinSASW
Metodo empírico
En
sa
yos
ge
ofí
sic
os
Cu
rva
de
dis
pe
rsió
n
Pe
rfil
de
rig
ide
z
(Czelada 2010)32
Errores asociados – Medición
33
Relación señal/ruido ambiente –stacking - ganancia
1
2
4
8
16
32
En
sa
yos
ge
ofí
sic
os
fmuestreo > 2 fonda (óptimo)
fmuestreo < 2 fonda
(Czelada 2010)33
Errores asociados – Curva de dispersión experimental
En
sa
yos
ge
ofí
sic
os
Frecuencia hz
Dife
renci
a d
e f
ase a
bsolu
ta ø
V1
V2
V1
V2
λ1 λ2
Perfil normalmente dispersivo
Frecuencia hz
Dife
rencia
de f
ase
absolu
ta ø
Perfil no dispersivo
K
(Czelada 2010)34
� =2��
�����→ � � �
Errores asociados - Problema inverso
35
WinSASW
Metodo empírico
Pe
rfil
de
l te
rre
no
En
sa
yos
ge
ofí
sic
os
(Czelada 2010)35
Índice
• Definición
• Métodos mecánicos
• Otros métodos geofísicos
36
En
sa
yos
ge
ofí
sic
os
Geoeléctrica
Mide diferencias de resistividad o conductividad de los sustratos que atraviesa
Tiene una profundidad de estudio media (~100 m)
Se usa con frecuencia para detectar fluidos
37
En
sa
yos
ge
ofí
sic
os
Geoeléctrica
Arreglo de electrodos (más comunes)
• Wenner
• Schulmberger
• Dipolo-dipolo
38
En
sa
yos
ge
ofí
sic
os
(Benson R. et al, 1988)
R5 2pa~V/I! R5 p~AB/2!2 – ~MN/2!2
MN 3V
IR5 pna ~n 1 1! ~n 1 2! ~V/I !
En
sa
yos
ge
ofí
sic
os
Geoeléctrica: rangos de resultados
39
FIG. 2 Typical Ranges of Resistivities of Earth Materials (from Sheriff, (16))
(ASTM D6431 – Figura 2)
En
sa
yos
ge
ofí
sic
os
Geoeléctrica: medición en campo
40 (USACE-geophysical methods, 4-12, Fig. 4.9)
Se mide resistividad aparente para cada separación de electrodos
La forma de la curva dependerá de las resistividades relativas entre estratos (r1, r2, ..rn)
La apertura máxima entre electrodos debe superar por lo menos tres veces la profundidad de prospección
En
sa
yos
ge
ofí
sic
os
Geoeléctrica: interpretación
41 (ASTM D6431 – Figura 9)
Geoeléctrica: un resultado
1. Zona infiltrada por HC
2. Zona de transición
3. Sustrato limpio
4. Piletas con HC revestidas con geomembrana
En
sa
yos
ge
ofí
sic
os
42
Sísmica dereflexión
Mide ondas reflejadas
Alcanza mayor profun-didad que la refracción
43
En
sa
yos
ge
ofí
sic
os
Magnetometría
Mide diferencias de campo magnético producido por las rocas
Tiene una profundidad de estudio grande (kms) y aumenta con la altura de relevamiento
44
En
sa
yos
ge
ofí
sic
os
MagnetometríaE
nsa
yos
ge
ofí
sic
os
45
Conductividad electromagnética
Gravimetría
(Chernicoff y Zappettini 2007)
En
sa
yos
ge
ofí
sic
os
47
Se miden diferenciasde densidad del sustrato
Alcanza profundidadesgrandes (kms)
Georradar (GPR)
Es un método que basa su funcionamiento en el principio de propagación de ondas electromagnéticas
Es necesario conocer propiedades EM del terreno (k, s, m)
48
En
sa
yos
ge
ofí
sic
os
Figura 5. Equipos GPR.
Georradar (GPR)
Aplicaciones:
• Detección de oquedades, objetos enterrados
• Detección de armaduras en elementos estructurales
• Perfiles geológicos, geotécnicos
• Posición nivel freático
• Fracturas o grietas en macizos
49
En
sa
yos
ge
ofí
sic
os
cañerías
Borde excavación
Radimetría
Mide la radiación emitida por unidad de tiempo
K, U y Th son los elementos radioactivos más comunes
Sólo se mide la radiación de superficie
50
En
sa
yos
ge
ofí
sic
os
En
sa
yos
ge
ofí
sic
os
TV en perforaciones
51
Bibliografía
Básica
• FHWA (2001). Manual on subsurface investigations. NHI-01-031.
• USACE (1995). Geophysical exploration for engineeringand environmental investigations. EM 1110-1-1802.
Complementaria
• FHWA (2006). Soils and Foundations I y II. NHI-06-088.
• USACE (2001). Geotechnical Investigations. EM 1110-1-1804.
• Kramer S. (1996). Geotechnical earthquake engineering. Prentice Hall.
En
sa
yos
ge
ofí
sic
os
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