Evaluación de la técnica de prospección mediante el uso de
Georradar
Edwin Alfonso Roa Ramos
Universidad Nacional de Colombia
Facultad de Ingeniería, Maestría en Ingeniería
Bogotá, Colombia
2015
Evaluación de la técnica de prospección mediante el uso de
Georradar
Edwin Alfonso Roa Ramos
Tesis o trabajo de investigación presentado como requisito parcial para optar al título de:
Máster en Ingeniería
Director:
PhD. Octavio Coronado
Línea de Investigación:
Geotecnia Básica
Universidad Nacional de Colombia
Facultad de Ingeniería, Maestría en Ingeniería
Bogotá, Colombia
2015
Resumen y Abstract III
Resumen
La técnica de prospección mediante el uso de georradar es una práctica poco usual en
nuestro medio en el desarrollo de estudios geotécnicos, debido principalmente a la falta
de conocimiento en cuanto a su funcionamiento y resultados, específicamente las
mediciones realizadas por medio de antenas de baja frecuencia que alcanzan lecturas a
mayor profundidad. El presente estudio pretende realizar un acercamiento al uso de esta
técnica con el fin de evaluar sus ventajas y limitaciones a la hora de determinar la
posición y el espesor de los estratos que componen el subsuelo en el área en estudio.
El presente trabajo es una combinación de investigación, labor de campo y comparación
de datos obtenidos para determinar la coincidencia o la imprecisión de la detección
mediante GPR (exploración indirecta) con los registros de perforación (exploración
directa). Se estableció un particular interés por obtener los espesores de los estratos
identificados y la posición del nivel freático que arroja el GPR para compararlos con los
datos obtenidos de la exploración directa y determinar la fiabilidad del uso de esta
tecnología. Para este fin fue seleccionada un área de aproximadamente 108.000 m2 en
el municipio de Dosquebradas (Risaralda), donde fueron realizadas diez líneas de
exploración mediante georradar por medio del uso de una antena de 50 MHz, así mismo
para establecer el paralelo entre los métodos directos e indirectos (GPR) fueron tenidos
en cuenta 13 sondeos realizados en el desarrollo de estudios geotécnicos en el sector en
evaluación.
Finalmente fueron analizados los resultados de la prospección mediante el uso del GPR
tomando como valores reales los obtenidos por medio de los sondeos, para establecer
de esta manera la eficacia y la precisión de la técnica en la detección de los espesores
de los estratos y la identificación de la posición del nivel freático.
Palabras clave: Prospección, georradar, suelos.
IV Evaluación de la técnica de prospección mediante el uso de Georradar
Abstract
Prospecting technique using GPR is an unusual practice in the development of
geotechnical studies in our environment, mainly due to lack of knowledge as to its
operation and results, specifically the measurements made by the low frequency antenna
reaching deeper readings. This study aims to make an approach to use this technique in
order to evaluate advantages and limitations at determining the position and thickness of
the layers that make up the subsoil in the area under study.
Present work is a combination of research, field work and comparison of data to
determine the precision or inaccuracy detection by GPR (indirect exploration) with drill
logs (direct examination). A particular interest to obtain the thicknesses of layers identified
and the position of water table which gives the GPR for comparison with the data
obtained from direct examination and determine the reliability of the use of this
technology. In order to check that it was selected an area of 108,000 m2 (aprox.) in town
of Dosquebradas (Risaralda). It was made ten lines of GPR exploration using a 50 MHz
antenna. In addition, investigation wants to create a parallel between direct methods and
indirect (GPR) using 13 surveys (with mechanical drills) to develop geotechnical studies in
evaluation zone.
Finally, survey results were analyzed using GPR as a comparison with true values
obtained by the probes in order to establish the effectiveness and accuracy of the
technique in detecting the thicknesses of layers and water table depth and position.
Keywords: Prospecting, ground penetrating radar, ground.
Contenido V
Contenido
Pág.
Capítulo 1. Problema de investigación ................................................................ 3
1.1. Identificación del problema ..................................................................................3 1.2. Hipótesis .............................................................................................................4 1.3. Objetivos .............................................................................................................4
1.3.1. Objetivo general. .............................................................................................. 4 1.3.2. Objetivos específicos. ...................................................................................... 4
Capítulo 2. Prospección mediante el uso de georradar ..................................... 5
2.1. Características de los medios............................................................................11 2.1.1. Constante dieléctrica ..................................................................................... 11 2.1.2. Conductividad ................................................................................................ 12 2.1.3. Permeabilidad magnética .............................................................................. 12 2.1.4. Velocidad de propagación ............................................................................. 12
Capítulo 3. Generalidades de los equipos de GPR y descripción del georradar empleado ...................................................................................................... 17
3.1. Antenas .............................................................................................................17 3.1.1. Características de las antenas .......................................................................17 3.1.1.1. Frecuencia de excitación y duración del impulso ........................................17 3.1.1.2. Direccionalidad ...........................................................................................18 3.1.1.3. Dipolos .......................................................................................................18 3.1.1.4. Orientación de las antenas emisora y receptora .........................................18 3.1.2. Tipos de Antenas ...........................................................................................19 3.1.2.1. Antenas Monoestáticas ..............................................................................19 3.1.2.2. Antenas Biestáticas ....................................................................................19 3.2. Equipos Complementarios ................................................................................19 3.3. Características del equipo empleado.................................................................20 - Unidad Central de proceso (Mala ProEx) ..............................................................20 - Antena de 50 MHz ................................................................................................21 - Monitor de control Ramac XV 11 ..........................................................................22 3.3.1. Toma de datos en campo ..............................................................................23 3.4. Procesamiento de datos e interpretación ..........................................................24 3.5. Herramientas informáticas para interpretación ..................................................24 3.5.1. Software de procesamiento RadExplorer .......................................................25 3.5.2. Herramientas de ganancia .............................................................................25 3.5.3. Filtros .............................................................................................................26 3.6. Ejemplo del procesamiento de un radargrama ..................................................26
VI Evaluación de la técnica de prospección mediante el uso de Georradar
3.6.1. Aplicación de filtros ....................................................................................... 27 - Time-zero adjustment ........................................................................................... 27 - DC removal .......................................................................................................... 28 - Trace edit ............................................................................................................. 28 - Background removal ............................................................................................. 29 - Amplitude correction ............................................................................................. 29 3.6.2. Selección de estratos .................................................................................... 30 3.6.3. Determinación de la profundidad de los contactos ........................................ 31
Capítulo 4. Metodología ......................................................................................35
4.1. Investigación ..................................................................................................... 35 4.1.1. Geología regional .......................................................................................... 36 4.1.2. Geología Local .............................................................................................. 38 4.1.2.1. Litología ..................................................................................................... 39 4.1.2.2. Geología estructural................................................................................... 40 4.1.2.3. Fallas ......................................................................................................... 40 4.2. Exploración directa ........................................................................................... 41 - Perfil estratigráfico promedio ................................................................................ 44 4.3. Exploración indirecta ......................................................................................... 47 4.3.1. Labor de campo y resultados de la exploración indirecta .............................. 47
Capítulo 5. Análisis de resultados......................................................................57
5.1. Determinación de los espesores método 1 ....................................................... 58 5.2. Determinación de los espesores con información proveniente de los resultados de laboratorio (método 2) ............................................................................................ 60 5.3. Calculo de error absoluto y error relativo .......................................................... 66
Capítulo 6. Conclusiones ....................................................................................72
Capítulo 7. Bibliografía........................................................................................81
Contenido VII
Lista de figuras
Pág.
Figura 2-1. Diagramas esquemáticos de radar de impulsos y de radar de onda continua .6
Figura 2-2. Medición de un perfil con antenas de desplazamiento constante Tx y Rx. ......7
Figura 2-3. Método de Reflexión y Refracción Gran Angular .............................................8
Figura 2-4. Variación de la constante dieléctrica y la velocidad de propagación de onda
en función del material ....................................................................................................14
Figura 3-1. Unidad central de proceso Mala ProEx .........................................................21
Figura 3-2. Antenas producidas por la firma Mala: a) Antena de alta frecuencia de 1000
MHz b) Antena de media frecuencia de 400 MHz c) Antena de baja frecuencia de 50 MHz
(como la empleada en el presente trabajo) ......................................................................22
Figura 3-3. Monitor de control Mala Ramac XV 11 ..........................................................23
Figura 3-4. Descripción del ensayo .................................................................................23
Figura 3-5. Gadargrama sin procesar ..............................................................................27
Figura 3-6. Ruido electromagnético presente en los radargramas ...................................28
Figura 3-7. Gadargrama con los filtros aplicados .............................................................29
Figura 3-8. Definición de materiales por picks .................................................................30
Figura 3-9. Radargrama con materiales identificados ......................................................31
Figura 3-10. Radargrama terminado ................................................................................32
Figura 4-1. Localización geográfica, general y específica del sector de estudio ..............36
Figura 4-2. Características Geológicas Generales del Área de estudio. Tomado de La
Geología de la Plancha 224 Pereira del Servicio Geológico Colombiano (Antiguo
Ingeominas), año 1984 versión digital 2009, a escala 1:100.000. ....................................38
Figura 4-3. Localización sondeos directos ejecutados .....................................................42
Figura 4-4. Resumen gráfico de propiedades sondeo S1 ................................................43
Figura 4-5. Secciones estudiadas....................................................................................45
Figura 4-6. Perfil estratigráfico Sección A-A’ ...................................................................45
Figura 4-7. Perfil estratigráfico Sección B-B’ ...................................................................46
Figura 4-8. Perfil estratigráfico Sección C-C’ ...................................................................46
Figura 4-9. Perfil estratigráfico Sección D-D’ ...................................................................46
Figura 4-10. Perfil estratigráfico Sección E-E’..................................................................47
Figura 4-11. Perfil estratigráfico Sección F-F’ ..................................................................47
Figura 4-12. Toma de GPR en la zona de estudio ...........................................................48
Figura 4-13. Localización líneas GPR .............................................................................49
Figura 4-14. Radargrama Línea 8...................................................................................50
Figura 4-15. Variación de la profundidad en función de la constante dieléctrica .............52
VIII Evaluación de la técnica de prospección mediante el uso de Georradar
Figura 4-16. Zonificación mediante lecturas GPR según profundidad de contacto. ........ 53
Figura 4-17. Constante dieléctrica para una profundidad de contacto de 4.5 m ............. 54
Figura 4-18. Profundidad de contacto para una constante dieléctrica de 7.5 ................. 55
Figura 5-1. Radargrama Línea 2 .................................................................................... 59
Figura 5-2. Resumen grafico cálculo de la constante dieléctrica. Sondeo 1 ................... 63
Figura 5-3. Comparación valores de constate dieléctrica. Sondeo 1 .............................. 65
Figura 5-4. Comparación profundidades de contacto. Sondeo 1 .................................... 66
Figura 5-5. Gráfica de error absoluto por sondeo método 1 ........................................... 68
Figura 5-6. Gráfica de error absoluto por sondeo método 2 ........................................... 69
Figura 5-7. Vista Sureste – Noroeste. ............................................................................ 70
Figura 5-8. Vista Sur – Norte. ......................................................................................... 70
Figura 5-9. Diagrama isoprofundidades ......................................................................... 71
Contenido IX
Lista de tablas
Pág.
Tabla 2-1. Parámetros electromagnéticos para diferentes tipos de materiales ................14
Tabla 4-1. Exploración directa del subsuelo ....................................................................41
Tabla 4-2. Ensayos de laboratorio realizados ..................................................................43
Tabla 4-3. Exploración indirecta del subsuelo .................................................................48
Tabla 4-4. Cálculo de la profundidad de contacto de los estratos ....................................51
Tabla 4-5. Constante dieléctrica para una profundidad de contacto de 4.5 m ..................54
Tabla 5-1. Profundidad real de contacto de los estratos ..................................................58
Tabla 5-2. Profundidad de contacto de los estratos método 1 .........................................60
Tabla 5-3. Resultados de laboratorio sondeo 1 ...............................................................61
Tabla 5-4. Constante dieléctrica, método 2 .....................................................................64
Tabla 5-5. Porcentaje de error método 1 .........................................................................67
Tabla 5-6. Porcentaje de error método 2, resultado de laboratorio ..................................68
Introducción
El subsuelo terrestre encierra para el hombre muchas incógnitas relacionadas con
diferentes aspectos tan importantes como la alimentación, la energía, el transporte, la
vivienda, las tecnologías de la información y las comunicaciones, entre otras. Como
consecuencia del tipo de necesidades que el hombre busque resolver y del sitio
específico en que desee hacerlo, se puede hacer necesario conocer las características
de ese subsuelo y además conocerlas con la mayor rapidez y al costo más racional
posible; la precisión y confiabilidad de la información también varía, dependiendo del tipo
de proyecto a desarrollar; así por ejemplo, es diferente establecer las condiciones del
suelo para la construcción de un edificio de vivienda, para instalar un acueducto o un
poliducto, o para una carretera. Esas diferentes necesidades de información sobre el
subsuelo pueden entonces demandar datos relacionados no sólo acerca del tipo de
material del subsuelo, sino en algunos casos también el espesor de las diferentes capas
que lo componen, su resistencia mecánica y en algunos incluso su composición química.
En función del tipo de información que se necesite conocer del subsuelo, se deben
emplear las técnicas exploratorias apropiadas; en algunos casos se requiere también la
combinación de diferentes técnicas, las que se pueden diferenciar por su nivel de costo,
demora y precisión, entre otros atributos. La técnica del Georradar (en inglés Ground-
Penetrating Radar -GPR) es un método no destructivo para la investigación del subsuelo,
cuyo origen práctico se remonta a la década de los 70´s; su aplicación inicial fue
principalmente en las áreas de geología y arqueología el área de la geología y
arqueología. Sin embargo, el uso de ondas electromagnéticas amplió su utilidad hacia el
campo de las comunicaciones.
El georradar es un equipo compuesto por una antena trasmisora de ondas
electromagnéticas, una antena receptora, una unidad de control y almacenamiento de
datos y en algunos casos posee dispositivos de visualización. La técnica consiste en la
generación un tren de pulsos electromagnéticos de corta duración que genera ondas que
2 Introducción
se propagan a través del subsuelo y posteriormente son reflejadas hacia la superficie; los
límites o interfaces de los diversos tipos materiales presentes en el subsuelo generan
diferencias en las propiedades electromagnéticas de cada uno de ellos (Permitividad
dieléctrica y conductividad), lo que a su vez permite que el receptor capte respuestas de
diferente intensidad, con base en las cuales se puede identificar, desde la presencia de
rocas de diferente densidad hasta cuerpos de agua o espacios vacíos.
El presente trabajo busca evaluar algunas de las características de la técnica de
georradar para su empleo práctico en proyectos de Ingeniería Civil, tomando como
aspecto clave el análisis de los valores numéricos captados por este tipo de equipo en
una prospección real del subsuelo.
Capítulo 1. Problema de investigación
1.1. Identificación del problema
En el campo de la Ingeniería Civil, los principales elementos de trabajo son el suelo y la
roca, puesto que todas las obras de ingeniería se apoyan sobre ellos de una u otra
forma. Por esta razón es de gran importancia contar con técnicas apropiadas que
permitan realizar una exploración adecuada del subsuelo con el fin de identificar y
cuantificar las propiedades físicas y mecánicas de los materiales que lo conforman. El
método más utilizado a la hora de realizar la exploración del subsuelo es la realización de
perforaciones y apiques, que permiten realizar pruebas in-situ y así mismo extraer
muestras de suelo con el fin de ejecutar pruebas en el laboratorio. Este tipo de técnica de
exploración requiere el desplazamiento de instrumentos pesados a los sectores a
estudiar, lo cual implica la utilización de una serie de recursos tanto económicos como de
tiempo, los cuales representan un factor importante en la ejecución de cualquier diseño
geotécnico.
Teniendo en cuenta lo anterior y la dinámica con la que actualmente se ejecutan los
diseños técnicos para la construcción de toda clase de estructuras, es de gran
importancia contar con otro tipo de exploración del subsuelo que sea más ágil,
económica y a su vez efectiva, como es el caso del uso de técnicas no destructivas o no
invasivas, las cuales se basan principalmente en la emisión y posterior recepción de
ciertos tipos de ondas (eléctricas, sísmicas, electromagnéticas, etc.) con el fin de conocer
mediante correlaciones las propiedades de los materiales a estudiar.
La prospección mediante georradar es una de las técnicas no destructivas más recientes,
la cual no presenta un desarrollo importante en el país debido a que su efectividad no ha
sido suficientemente probada en los suelos de Colombia, por lo que el presente trabajo
se centró en determinar experimentalmente la efectividad del uso del georradar en la
4 Evaluación de la técnica de prospección mediante el uso de Georradar
exploración del subsuelo para un sector en la ciudad de Pereira, El objetivo es motivar un
acercamiento a esta técnica, la cual puede llegar a ser una alternativa viable para
prospección geotécnica, ahorrando tiempo y dinero en la ejecución de estudios
geotécnicos.
1.2. Hipótesis
La técnica de prospección mediante el uso del georradar es una práctica efectiva para
determinar los espesores de los estratos que componen el perfil estratigráfico y para
identificar la posición de la lámina de agua, hasta una profundidad de 20 m en la zona de
estudio seleccionada.
1.3. Objetivos
1.3.1. Objetivo general.
Determinar experimentalmente los alcances y limitaciones de la utilización de la técnica
de prospección mediante georradar para suelos.
1.3.2. Objetivos específicos.
Realizar una descripción del ensayo de prospección mediante el uso del
georradar teniendo en cuenta su funcionamiento teórico, representatividad y
confiabilidad para la determinación de la estratigrafía.
Realizar ensayos usando el georradar para determinar el perfil estratigráfico en la
zona de estudio.
Comparar los resultados obtenidos en el ensayo de prospección mediante el uso
del georradar con los resultados de la exploración directa del subsuelo obtenidos
de perforaciones y sus respectivos ensayos de laboratorio.
Evaluar los resultados obtenidos mediante la técnica de georradar y establecer la
eficacia de este método dadas las características típicas de los suelos estudiados.
Capítulo 2. Prospección mediante el uso de georradar
La aplicación de metodologías de prueba y evaluación no destructivas (NDT / NDE) en la
Ingeniería Civil ha planteado un creciente interés en los últimos años debido a su impacto
potencial en diversos escenarios. Como consecuencia de ello, las tecnologías GPR han
sido ampliamente adoptadas como un instrumento para la inspección de la estabilidad
estructural de los edificios y para la detección de grietas y huecos. El GPR se define
como “una serie de técnicas electromagnéticas diseñadas principalmente para la
ubicación de objetos o interfaces enterrados bajo la superficie de la tierra o ubicados
dentro de una estructura visualmente opaca” (Salucci, et al., 2014, p. 1)
Los ensayos no destructivos permiten analizar las estructuras de hormigón armado y
mampostería, con el fin de determinar deficiencias, defectos, exfoliaciones y fracturas. En
el campo de la Ingeniería, se utiliza para probar los procesos de construcción y
mantenimiento de edificios y de componentes individuales, con el fin de reducir el tiempo
de análisis y los costes de intervención(Capozzoli, et al., 2014).
Se trata de un dispositivo portátil de obtención de imágenes geofísicas, para la detección
y caracterización de rasgos enterrados, mediante el registro de ondas reflejadas y la
medición del tiempo de viaje en doble dirección, para determinar la profundidad, posición
y tamaño del objeto a medir o de las características del subsuelo. Dado que es un
sistema no destructivo y rentable, se ha utilizado cada vez más para diversas disciplinas
como la Arqueología, la Geología, la Hidrogeología, la Sedimentología, la Arboricultura,
la detección de instalaciones, el estudio de dunas de arena y la detección de minas
terrestres, entre otras.
El Georradar (en adelante GPR), es un método de formación de imágenes del subsuelo
que proporciona información de alta resolución a una profundidad típica de 0 a 10 m,
aunque es posible alcanzar hasta 40m en ciertos entornos geológicos(Jelf, 2007). El
6 Evaluación de la técnica de prospección mediante el uso de Georradar
GPR se puso en práctica por primera vez en la década de 1970 para el sondeo de hielo
en la Antártida y desde entonces ha ganado una amplia aceptación internacional. La
técnica es no destructiva y no invasiva y utiliza ondas electromagnéticas no sinusoidales
de baja potencia, con frecuencias que van desde 10 MHz a 4 GHz. El GPR se puede
aplicar en una amplia gama de tareas de inspección; por ejemplo, para detectar servicios
enterrados (como tuberías y cables), para la inspección de capas en las carreteras y
lastres en vías de ferrocarril, así como para el mapeo detallado de refuerzos de acero en
estructuras de hormigón (Jelf, 2007).
En la teoría del GPR, tres términos importantes están interconectados entre sí, como son
la frecuencia, la constante dieléctrica (también conocido como coeficiente de reflexión) y
la resolución. Como reglas generales, cuanto mayor es la frecuencia de la señal, más
corta es la longitud de onda; cuanto mayor es la constante dieléctrica de los objetivos,
menor es el área de la huella cubierta por la antena y viceversa. Con base en lo anterior,
existen dos tipos principales de GPR, que se clasifican según el tipo de señal transmitida,
como se muestra en la Figura 2-1.
Figura 2-1. Diagramas esquemáticos de radar de impulsos y de radar de onda continua
Pulso transmitido
Forma de onda medida
Onda transmitida
Onda recibida
Compresión del pulso
Forma de onda
medida
Radar de pulso Radar de compresión de onda
Fuente: Jelf (2007)
El tipo más utilizado es el radar de pulso y funciona mediante la transmisión de
numerosos pulsos pequeños (típicamente 50 a 100 pulsos por segundo) de corta
duración (normalmente 1 a 10 nanosegundos), de onda de radio no sinusoidal de banda
ancha. Los sistemas GPR de pulso son más fáciles de fabricar y por lo tanto son menos
costosos; sin embargo, están normalmente limitados por la potencia de señal media que
se puede transmitir. Otro tipo de GPR de menor uso es de onda continua (CW-GPR), que
utiliza ondas de radio sinusoidales de una sola frecuencia.
Capítulo 2 7
Una forma más avanzada de CW-GPR es el método de frecuencia por pasos (SF-GPR),
que utiliza múltiples etapas de frecuencias discretas que se incrementan
progresivamente en un amplio espectro de frecuencias de manera programada y paso a
paso. Estos sistemas CW pueden transmitir más potencia media, aunque se requiere un
nivel mucho más alto de procesamiento de señales para convertir los datos en bruto a un
formato interpretable por el operador (Jelf, 2007).
Casi todos los sistemas GPR comerciales utilizan antenas dipolares accionadas por
voltaje. Con el fin de alcanzar mayores profundidades de penetración, se está
investigando la posibilidad de utilizar la antena movida por corriente (Harmuth, 2007), que
tienen el potencial de lograr un kilómetro de profundidad de penetración en roca.
El GPR se puede utilizar tanto en los modos de reflexión como de transmisión. El método
de perfilado por reflexión es el más común y normalmente se lleva a cabo utilizando dos
antenas (llamado el modo de bi-estático), con un transmisor (Tx) y un receptor (Rx)
separados, como se muestra la Figura 2-2.
Figura 2-2. Medición de un perfil con antenas de desplazamiento constante Tx y Rx.
Fuente: Jelf (2007)
Estas antenas se colocan directamente sobre de la superficie del terreno a medir o
relativamente cerca aquella; también se pueden montar en un carro con ruedas para
proteger el equipo y para acelerar la medición.
El tamaño físico de las antenas varía considerablemente de unos 100 mm (1,5 GHz) para
la inspección de hormigón, a 3 m (25 MHz) para aplicaciones geológicas profundas. Para
alcanzar la mayor frecuencia de las antenas, el Tx y el Rx normalmente se combinan
dentro de una caja llamada transductor. Las reflexiones de radio producidas por los
8 Evaluación de la técnica de prospección mediante el uso de Georradar
objetos presentes en el suelo son detectadas por la unidad receptora y se amplifican y se
muestran en la unidad de control. Las reflexiones ocurren en los puntos en donde se
presenta un cambio en las propiedades dieléctricas de dos capas adyacentes través de
un límite del suelo o una interfaz de material.
La información de la velocidad sub-superficial y por lo tanto de la profundidad, se puede
derivar separando progresivamente el Tx o el Rx uno del otro, mientras se registra la
demora en la llegada de las señales; esto se conoce como el Método de Reflexión y
Refracción Gran Angular (WARR), que se muestra en la Figura 2-3.
Figura 2-3. Método de Reflexión y Refracción Gran Angular
Fuente: Jelf (2007)
La información sobre la velocidad también se deriva comúnmente del análisis de la forma
de reflexiones hiperbólicas producidas por objetos como tuberías o cables presentes en
el subsuelo. El valor obtenido se utiliza para establecer las profundidades correctas y fijar
las difracciones de objetos del subsuelo a sus formas geométricas correctas. Este
proceso se denomina migración. Cuando el espacio es limitado, las antenas Tx y Rx
también pueden combinarse en una sola unidad, lo que se conoce como modo mono-
estático, aunque esta modalidad no permite la detección de objetos superficiales
ubicados cerca de la antena.
Si bien la información específica sobre las limitaciones propias de la tecnología GPR es
escasa, de acuerdo con Fu et al (2014), una de ellas se refiere al uso en áreas extensas
que tengan vegetación densa. Para superar esa restricción, dentro de los avances más
recientes de esta tecnología y de acuerdo con Fu et al (Fu, et al., 2014), el Laboratorio de
Capítulo 2 9
Investigación e Ingeniería del Ejército de Estados Unidos para las Regiones Frías
desarrolló un sistema de transmisión mediante la suspensión de un sistema GPR
convencional basado en un helicóptero, que se ha empleado en diferentes estudios para
detectar el espesor del hielo y la presencia de grietas en Alaska y la Antártida. El Instituto
Federal de Geociencias y Recursos Naturales de Alemania también ha diseñado un
sistema de radar basado en un helicóptero, en colaboración con otros institutos; el equipo
está suspendido de un helicóptero AS350 y utiliza antenas de reflexión para transmitir y
recibir las señales. Por su parte el Instituto de Geofísica de la Universidad de Austin, en
el estado de Texas, desarrolló un sistema GPR que transmite fijado en el ala de un avión
y que combina una plataforma móvil, altímetro barométrico, antena GPS, radar y
magnetómetro; en este caso el radar empleado es de alta velocidad, de alta potencia,
sistema de banda estrecha, funciona a 60 MHz y tiene una potencia de 7000W; está
diseñado especialmente para investigaciones en glaciares. El sistema GPR
aerotransportado tiene el potencial de permitir aplicaciones más amplias, tales como el
análisis de riesgos geológicos (deslizamientos, flujos de lodo, etc.), así como el
monitoreo y la investigación relacionada con el medio ambiente en zonas desérticas.
Una de las restricciones de esta técnica está dada por los espacios cerrados, teniendo en
cuenta que la reflexión de las ondas en muros o cubiertas puede distorsionar los
resultados obtenidos a partir del análisis que hace el transductor de las ondas que
provienen del subsuelo. Entre tanto, Cheng et al (2014) dan cuenta del desarrollo de un
modelo de tres dimensiones para sistemas de raíces de árboles que usa GPR en Hong
Kong.
Cuando el área de estudio se encuentra en una vía pública o en un parque, se puede
requerir de permisos de cierre con el propósito de evitar la presencia de fuentes
generadoras de perturbaciones en los resultados del análisis que se pretende adelantar.
Las ubicaciones de las líneas de estudio están marcadas en el sitio. Para obtener
mejores resultados es recomendable que la superficie de estudio sea lo más plana
posible, para lo cual puede ser necesario cortar la hierba, el pasto y los matorrales o
arbustos localizados a lo largo de la ruta de análisis. En sitios con terreno irregular, la
superficie puede requerir preparación con una excavadora o una niveladora, a fin de
asegurar un buen contacto entre la base de la antena y la superficie del terreno.(Jelf,
2007)
10 Evaluación de la técnica de prospección mediante el uso de Georradar
En cuanto a los aspectos operativos del proceso, el equipo GPR está configurado y
conectado a una fuente de alimentación, normalmente una batería de 12 voltios o una
fuente de corriente alterna; antes de empezar a utilizarlo, se debe esperar el tiempo
indicado por el fabricante en posición estable, así como hacer los ajustes del intervalo de
tiempo con que se van a grabar los resultados, la frecuencia de muestreo, las ganancias
de la señal y los filtros de paso de banda, parámetros que se deben definir de acuerdo
con la profundidad del objetivo y la frecuencia de la antena empleada. Se puede utilizar
una rueda de medición de distancias para controlar el avance del proceso de sondeo.
Igualmente es necesario revisar las condiciones del terreno y registrar la presencia de
objetos metálicos cerca de la línea de análisis, dado que esas condiciones pueden
afectar el proceso de interpretación de los resultados.
El equipo está configurado de modo que durante el proceso, el operador de la unidad de
control pueda ver tanto la pantalla del monitor como las antenas, las cuales se montan
normalmente en un carro con ruedas para facilitar su desplazamiento. Dependiendo del
tipo de estudio, las antenas se mueven tirando manualmente a través de la superficie del
suelo o remolcadas con un vehículo. Para la operación manual de las antenas, las
velocidades de exploración pueden oscilar entre 20 y 100 lecturas por segundo, mientras
que para para estudios como carreteras o ferrocarriles, la velocidad de barrido puede
llegar a 200 lecturas por segundo o más.
La velocidad de propagación de las ondas electromagnéticas en la tierra varía
típicamente en el intervalo entre 3 y 20 centímetros por nanosegundo (cm/ns). Para
algunos estudios tales como la localización de tuberías enterradas, puede no ser
necesario conocer la velocidad de propagación del subsuelo con mucha precisión, por lo
que un valor aproximado de la misma es suficiente para estimar la profundidad del
objetivo. Eventualmente la velocidad se puede establecer durante el procesamiento
posterior, mediante el análisis de las difracciones hiperbólicas producidas por objetivos
discretos.(Jelf, 2007)
Si se dispone del equipo de construcción en el sitio, la calibración directa de la
profundidad por medio de pozos de prueba excavados para exponer las estructuras
detectadas con GPR permite confirmar las profundidades reales desde la parte superior
de uno o varios de los objetivos a detectar, con lo cual se puede calibrar el equipo. Las
perforaciones para medir la profundidad a la que se encuentra el acero de refuerzo en el
Capítulo 2 11
hormigón o el espesor de las capas de asfalto en carreteras, proporcionan datos de
calibración similares. La velocidad de dispersión de la onda en la capa superficial
también se puede determinar rápidamente en el sitio usando un medidor de dieléctrico
portátil o se determina en el laboratorio usando muestras de núcleo.
En caso de que se presenten condiciones de relámpagos por lluvia durante la medición,
se debe proteger el equipo con una cubierta impermeable para poder continuar el
proceso. Sin embargo, las lluvias fuertes pueden saturar el suelo, afectando
negativamente las señales de GPR y pueden causar fallas en el equipo y en la
confiablidad de los resultados, dado que un contenido de humedad variable a través del
terreno a lo largo de un tramo de carretera puede dar lugar a mediciones de profundidad
inexactas, a menos que las variaciones de humedad locales se incluyan en los cálculos
de velocidad de propagación y en la interpretación de los resultados(Jelf, 2007).
2.1. Características de los medios
Al momento de entender el funcionamiento de un georradar es necesario tener en cuenta
que las propiedades físicas de los suelos inciden en la forma como se comportan ante los
fenómenos eléctricos y magnéticos; esas diferentes propiedades de las rocas, del aire y
del agua que componen los suelos, como elementos sólidos, gaseosos y líquidos, son las
que hacen posible la utilidad del GPR. Específicamente las propiedades que tienen
incidencia en los resultados son la constante dieléctrica, la conductividad y la
permeabilidad magnética.
2.1.1. Constante dieléctrica
La constante dieléctrica una constante ( ) que da una medida de la polarización de un
material en presencia de un campo eléctrico. Proporciona un valor de la respuesta
estática del medio cuando está en presencia de un campo eléctrico externo. La constante
dieléctrica del vacío es 1. Para la mayoría de los materiales que se pueden encontrar en
el subsuelo al realizar una prospección electromagnética, los valores de la constante
dieléctrica se encontrarán entre 1 (la del aire) y 81, siendo esta ultima la constante
dieléctrica del agua a 20° de temperatura (Pérez, 2001)
12 Evaluación de la técnica de prospección mediante el uso de Georradar
2.1.2. Conductividad
La conductividad ( ) de un medio proporciona una medida de la respuesta de sus cargas
libres en presencia de un campo eléctrico externo, siendo el factor de proporcionalidad
entre el campo libre aplicado y la densidad de volumen de corriente debido al movimiento
de aquellas cargas libres; es decir, proporciona una medida de la capacidad de un
material de conducir corriente eléctrica. Las unidades de medida de la conductividad son
Siemens/metro. La conductividad de un medio es la inversa de su resistividad.
En general se puede distinguir entre materiales conductores, semiconductores y
aislantes. Los conductores son aquellos cuya conductividad es mayor a 105 S/m,
mientras que los materiales que presentan una conductividad menor a 10-8 S/m se
clasifican como aislantes, siendo los semiconductores aquellos cuya conductividad se
encuentra entre estos dos valores.
La mayor parte de las rocas y subsuelos en los que se realizan estudios, pueden ser
considerados como aislantes. En estos medios, la conducción eléctrica se debe
básicamente a la existencia de fluido en poros y fisuras; es decir, cuando mayor sea el
contenido de agua, el porcentaje de iones disueltos y la porosidad del medio, mayor será
su conductividad (Pérez, 2001).
2.1.3. Permeabilidad magnética
La permeabilidad magnética ( ) es un parámetro que relaciona la inducción magnética
con la intensidad del campo magnético, el cual se puede describir como el producto entre
la permeabilidad magnética del vacío ( ) y la permeabilidad relativa de la materia ( ).
En la mayoría de los materiales sobre los que se realizan estudios mediante GPR, con
excepción de aquellos que contienen componentes Ferromagnéticos, se determina que
la permeabilidad magnética es próxima a 1.
2.1.4. Velocidad de propagación
Para definir la velocidad de propagación de las ondas electromagnéticas en un medio
material se puede partir de las cuatro ecuaciones que conforman las leyes de Maxwell.
Una vez desarrolladas dichas formulaciones se obtiene la siguiente expresión:
Capítulo 2 13
√
√
(√ (
) )
Donde,
Sin embargo, dado que los suelos corresponden en su mayoría a medios no magnéticos,
la permeabilidad magnética es próxima a 1, por lo que la expresión puede ser
simplificada obteniendo el siguiente resultado (Pérez, 2001):
√
Investigaciones orientadas a la evaluación de las propiedades electromagnéticas de los
materiales que conforman el subsuelo han determinado los parámetros
electromagnéticos para diferentes tipos de suelos y rocas; en la Tabla 2-1 se presentan
algunos de los resultados obtenidos, adicionalmente se presenta la Figura 2-4 que
muestra el valor medio de constante dieléctrica y velocidad de propagación de onda en
función del tipo de material.
14 Evaluación de la técnica de prospección mediante el uso de Georradar
Tabla 2-1. Parámetros electromagnéticos para diferentes tipos de materiales
(Conyers y Goodman, 1997; Garcia, 1997; Hanninen, 1997; Reynolds, 1997; Lorenzo, 1994; Pilon et al., 1994; Hanninen et al., 1992; Sutinen, 1992; Carmichael, 1990; Davis y Annan, 1989; Marshall et al., 1982)
Figura 2-4. Variación de la constante dieléctrica y la velocidad de propagación de onda en función del material
Capítulo 2 15
Con base en la Figura 2-4 se puede observar la tendencia a aumentar exponencialmente
que presenta el valor de constante dieléctrica a medida que la dureza de los materiales
disminuye, así mismo, se puede apreciar la diferencia entre los materiales rocosos y los
suelos, ya que en los primeros se puede hablar de un valor medio que no supera las 10
unidades, mientras que en los suelos la diferencia de la constante dieléctrica es muy
variable entre los diferentes tipos estudiados. En cuanto a la velocidad de propagación de
onda, aunque es una propiedad que depende directamente de la constante dieléctrica de
cada material, los resultados de las investigaciones mostrados en la Tabla 2-1 presentan
poca variabilidad, sin embargo al igual que la constante dieléctrica es clara la diferencia
del rango de valores de los materiales rocosos y los suelos.
Capítulo 3. Generalidades de los equipos de GPR y descripción del georradar empleado
El Georradar es un equipo que está compuesto por una antena transmisora de ondas
electromagnéticas, una antena receptora, una unidad de control y almacenamiento de
datos y en algunos casos de dispositivos de visualización. La técnica se basa en la
emisión de una serie de pulsos electromagnéticas hacia el suelo, los cuales se reflejan
hacia la antena receptora cuando estos encuentran un material con propiedades
electromagnéticas diferentes a las del material que lo antecede; esto a medida que el
instrumento se desplaza longitudinalmente sobre el sector de estudio.
3.1. Antenas
3.1.1. Características de las antenas
A continuación se describen las características principales de las antenas de un
georradar.
3.1.1.1. Frecuencia de excitación y duración del impulso
La frecuencia central de una emisión es uno de los parámetros más importantes de las
antenas. Ésta determina la penetración de la señal emitida en los materiales del medio a
estudiar.
Otra de las características de las antenas es el ancho de banda de la emisión, centrada
en la frecuencia que caracteriza al equipo. Ya que se requiere que el pulso emitido por la
antena sea de corta duración, el ancho de banda de la frecuencia debe ser amplio. El
ancho de banda de este tipo de antenas provoca una pérdida de energía por dispersión.
La atenuación de la señal para una misma frecuencia central aumenta cuando la banda
18 Evaluación de la técnica de prospección mediante el uso de Georradar
de frecuencias es más ancha, haciendo que la sensibilidad del aparato y el alcance
disminuyan.
La frecuencia central de la emisión depende del dipolo de la antena. Este parámetro
limita, tanto el alcance del método como su resolución. Las emisiones a bajas
frecuencias se atenúan en menor medida que las emisiones a frecuencias altas,
pudiendo alcanzar con las primeras profundidades mayores de estudio. Por otro lado,
debido a que tienen una longitud de onda mayor que las emisiones a más alta frecuencia,
la resolución obtenida es menor.
3.1.1.2. Direccionalidad
El campo electromagnético radiado debe ser enfocado hacia una dirección que se hará
coincidir con la penetración del terreno. Esta propiedad se traduce en una cierta
direccionalidad de la antena con respecto a otra antena imaginaria que radiase en todas
direcciones; esto a su vez supone un ahorro a la hora de generar el campo en la
dirección deseada, pues disminuye la potencia necesaria para alcanzar un reflector
situado a igual profundidad. A la magnitud del ahorro se le conoce como ganancia de la
antena.
3.1.1.3. Dipolos
Las antenas formadas por dipolos de onda media son aquellos en que la distancia
máxima entre puntos del dipolo es aproximadamente igual a la mitad de la longitud de
onda de la frecuencia resonante; irradia un campo electromagnético máximo en la
dirección perpendicular al dipolo y nulo a lo largo del eje, por lo que habitualmente
constituyen un buen modelo para antenas de radar.
3.1.1.4. Orientación de las antenas emisora y receptora
Las antenas formadas por dipolos de onda media son aquellos en que la distancia
máxima entre puntos del dipolo es aproximadamente igual a la mitad de la longitud de
onda de la frecuencia resonante; irradia un campo electromagnético máximo en la
dirección perpendicular al dipolo y nulo a lo largo del eje, por lo que habitualmente
constituyen un buen modelo para antenas de radar.
Capítulo 3 19
3.1.2. Tipos de Antenas
Las antenas utilizadas por el georradar, se pueden clasificar en Monoestáticas y
Biestáticas.
3.1.2.1. Antenas Monoestáticas
Este tipo de antenas son a la vez emisoras y receptoras de energía. Pueden
diferenciarse dos tipos: Antenas de conmutación y antenas de dos dipolos. La primeras
tienen una única espira que puede actuar como emisora y como receptora de energía.
Para ello se incluye un conmutador que va modificando su actuación. Al inicio de cada
traza, la antena funciona emitiendo el pulso de energía de corta duración pasando
inmediatamente a funcionar como receptora. Tras un tiempo de recepción (que varía
según la antena), vuelve a conmutar la función y de nuevo emite pulsos. Las antenas de
dos dipolos presentan en el interior de la carcasa, dos dipolos separados; uno de ellos
funciona como emisor, mientras el otro es receptor. La separación de las dos espiras es
constante y se desplazan juntas con una única carcasa que las cubre a ambas.
3.1.2.2. Antenas Biestáticas
Se componen de dos módulos separados. Por un lado se tiene la antena emisora y por
otro la antena receptora. La independencia entre la emisora y la receptora permite variar
la distancia entre ambas. Esta característica permite calcular velocidades aparentes de
propagación de onda utilizando técnicas similares a las que se emplean en prospección
sísmica con estudios de punto medio común.
3.2. Equipos Complementarios
Con el fin de facilitar la adquisición de los datos, el georradar cuenta con una serie de
accesorios o equipos complementarios, los cuales se describen a continuación.
- Pantalla: Se vincula a la unidad central con el fin de obtener una visión en tiempo
real de los registros adquiridos.
- Odómetro: Al igual que la pantalla es conectado a la unidad central y es utilizado
para determinar con mayor precisión la longitud de los registros.
20 Evaluación de la técnica de prospección mediante el uso de Georradar
3.3. Características del equipo empleado
A continuación se exponen las partes que conforman el equipo de GPR empleado en la
exploración indirecta; es un equipo producido por la firma sueca Mala, reconocida por su
trabajo en geofísica desde hace más de medio siglo.
- Unidad Central de proceso (Mala ProEx)
Este componente contiene la unidad de proceso del georradar. Se encarga de recibir los
datos emitidos y reflejados por las entenas (emisora y receptora, respectivamente),
procesarlos y enviarlos a la pantalla de control, en donde se almacenan en formato x86
con el sufijo .rad.
El procesamiento consiste en la ejecución de los procesos matemáticos resultantes de
medir los tiempos de salida y de llegada de las ondas ante los cambios en las
propiedades electromagnéticas de los materiales subyacentes.
La unidad central ProEx posee una serie de interfaces para la conexión de terminales
electrónicas que conectan las antenas para la emisión y recepción de datos (estas
terminales son únicas para cada tipo de antena). Igualmente, la unidad central se
conecta directamente con el odómetro encargado de medir la distancia recorrida por las
antenas sobre la zona de prospección.
Capítulo 3 21
Figura 3-1. Unidad central de proceso Mala ProEx
La unidad central cuenta con una fuente de alimentación de corriente continua
consistente en una batería de 12 voltios.
- Antena de 50 MHz
Si bien existen varios tipos de antenas para GPR (como se puede apreciar en la Figura
3-2), se abordará específicamente la antena empleada en el presente trabajo: La antena
de baja frecuencia de 50 MHz; este tipo de antena se emplea para exploraciones
relacionadas con geología y geotecnia debido a su capacidad de penetración en el suelo
de acuerdo con las investigaciones realizadas por las compañías dedicadas al estudio y
producción de este tipo de equipos, las ondas electromagnéticas de baja frecuencia (16 a
100 MHz) emitidas por un GPR, permiten penetrar los suelos hasta profundidades
cercanas a los 60 m. A título ilustrativo las antenas de frecuencias medias (200 a 600
MHz) penetran los suelos típicamente hasta una profundidad de 8 m, mientras que las
antenas de denominadas como de alta frecuencia (900 a 1200 MHz) penetran un máximo
de 0.5 m.
La antena de 50 MHz es similar a una manguera de 9 m de longitud que posee dos
emisores (a los 3 m y a los 6 m) y un receptor a todo lo largo de la antena, de tal manera
que los dos emisores sincronizados arrojan los pulsos electromagnéticos a medida que el
operario arrastra el equipo sobre el sector de estudio.
Tanto los emisores como el receptor están emitiendo permanentemente, lo que implica
que al percibir variaciones en la velocidad de retorno de las ondas (provocadas por los
22 Evaluación de la técnica de prospección mediante el uso de Georradar
cambios en las propiedades electromagnéticas de cada material) la antena registra
electrónicamente el evento para que la unidad central lo procese y lo convierta en
información legible por el software ubicado en la pantalla de control, de manera tal que el
operador pueda observarlo o por lo menos para que quede registrado para su posterior
análisis mediante herramientas informáticas específicas.
Figura 3-2. Antenas producidas por la firma Mala: a) Antena de alta frecuencia de 1000 MHz b) Antena de media frecuencia de 400 MHz c) Antena de baja frecuencia de 50 MHz (como la empleada en el presente trabajo)
- Monitor de control Ramac XV 11
Esta parte del equipo es un microcomputador con sistema operativo que carga de
manera nativa un software que permite configurar el GPR en lo relacionado con:
Profundidad a alcanzar, método de emisión de ondas (por desplazamiento horizontal con
odómetro o por tiempo), inicio y final de la medición, almacenamiento de archivos con
cada una de las mediciones, imagen en directo del subsuelo explorado y características
de la onda captada y de la onda emitida.
Capítulo 3 23
Figura 3-3. Monitor de control Mala Ramac XV 11
3.3.1. Toma de datos en campo
El procedimiento a seguir para la toma de información en campo consiste en el
desplazamiento sobre el área a explorar arrastrando la antena por la superficie, tal y
como se puede apreciar en la figura 4.4
Figura 3-4. Descripción del ensayo
Al desplazar la antena todoterreno por encima del área de estudio, el equipo emite (a
medida que el operario se desplaza) una serie de pulsos electromagnéticos que varían
su velocidad de desplazamiento dependiendo de las características electromagnéticas
del material por el cual se desplazan; al detectar un cambio en esa velocidad, el GPR
traza una anomalía en la gráfica indicando cambio de material o presencia de un objeto o
Unidad central de
proceso
Onda
emitida
Onda
reflejada
Antena de 50 MHz
Monitor
de control
24 Evaluación de la técnica de prospección mediante el uso de Georradar
estructura subyacente. El radargrama se genera al graficar cada uno de esos pulsos
emitidos y reflejados por los materiales presentes en el subsuelo.
3.4. Procesamiento de datos e interpretación
La base de la diferenciación de estratos realizada por el georradar es una combinación
de la aplicación de filtros sobre las ondas electromagnéticas reflejadas y el análisis de la
resistividad de cada capa del suelo, la cual consiste en la cantidad de energía que el
suelo quita a la onda electromagnética y el valor de la velocidad de la misma onda en un
período determinado. Las herramientas para el procesamiento son de dos tipos: Las de
ganancia y los filtros.
3.5. Herramientas informáticas para interpretación
Luego de la toma de datos en campo, se debe hacer uso de una o varias herramientas
informáticas dependiendo del alcance que se quiera dar a los radargramas; en una
prospección simple de detección de estructuras, oquedades u objetos en general se
pueden emplear aplicaciones informáticas sencillas que evidencian la presencia de estos
elementos en el subsuelo; para obtener con precisión el contacto entre materiales con
fines de análisis geotécnico se debe emplear software especializado que permita limpiar
interferencias, eliminar ruido electromagnético, agregar contrastes y una serie de
procesos matemáticos para establecer la existencia y continuidad de cada estrato.
Para el procesamiento de los datos y de las imágenes obtenidas por el GPR, existen
varios programas de análisis, siendo los más destacados, Radan, Ground Vision y
RadExplorer; cada herramienta cuenta con sofisticados sistemas de análisis, los cuales
incluyen tanto funciones de adquisición de datos como herramientas para realizar el post
procesamiento utilizando filtros que pueden limpiar la señal adquirida. Para el presente
trabajo se empleó el programa RadExplorer, con el cual se realizaron todos los análisis.
Esta aplicación cuenta con todos los filtros desarrollados para el procesamiento de datos
obtenidas por reflexión de ondas electromagnéticas y permite obtener imágenes
(denominadas radargramas) con la claridad suficiente para determinar interfaces entre
materiales y/o la presencia de estructuras subyacentes.
Un radargrama está compuesto por una sucesión de trazos verticales denominados
traces. Cada uno de los traces corresponde a un pulso que se desplaza y retorna desde
Capítulo 3 25
la superficie hasta el límite de profundidad predeterminado y regresa a su origen. Durante
la toma de datos en campo es indispensable registrar las características del sector de
estudio en la superficie (para fines topográficos) y preferiblemente contar con un registro
de perforación realizado en la zona (para fines de calibración).
3.5.1. Software de procesamiento RadExplorer
El procesamiento de las imágenes obtenidas en campo se realiza mediante el software
RadExplorer desarrollado por la firma rusa RadExpro. Esta aplicación permite, mediante
una serie de filtros basados en complejos procesos matemáticos, limpiar la imagen
obtenida por el GPR para establecer con precisión las interfaces entre los materiales
subyacentes, las posibles estructuras presentes en el subsuelo y la profundidad a la que
estas se encuentran.
Los filtros y herramientas que posee esta aplicación son:
- Band Pass
- Background Removal (BR) - Subtract Mean Trace (SMT)
- Running Average
- DC Removal
3.5.2. Herramientas de ganancia
Las herramientas de ganancia permiten realzar la amplitud de una señal cuando esta es
muy tenue.
AGC (Automatic Gain Control): Sirve para igualar la amplitud de una traza, sobre cada
una individualmente. El AGC calcula la amplitud media (sobre el cuadrado de la misma)
de una ventana temporal y luego multiplica a todos los valores por este valor.
Time-varying Gain (ganancia temporal): Sirve para compensar pérdidas por atenuación
eléctrica y por el carácter expansivo de la onda transmitida. El Time-varying Gain
aumenta la amplitud de una traza multiplicando el dato por dos funciones crecientes en el
tiempo. Una de estas es una función lineal y la otra es una exponencial. Los datos que
corresponden a un tiempo mayor obtienen una ganancia mayor.
26 Evaluación de la técnica de prospección mediante el uso de Georradar
3.5.3. Filtros
Band Pass: Este es un filtro que selecciona las frecuencias dentro de la señal recibida.
Una señal puede ser descompuesta en una combinación lineal de frecuencias. Este filtro
elimina la contribución de las frecuencias bajas (Lowercut- off frequency) y las de las
frecuencias altas (Highercut-off frequency). Por lo general se eliminan frecuencias
menores a la mitad y superiores al doble de la frecuencia de la antena transmisora. La
antena receptora detecta señales electromagnéticas, el pasa-bandas filtra aquellas
señales que no.
Background Removal (BR) - Subtract Mean Trace (SMT): Estos dos filtros pertenecen
al grupo llamado filtros horizontales. El primero (BR), ayuda a reducir el ruido de fondo.
Se entiende como ruido a las señales que aparecen en algunas trazas y desaparecen en
otras, por lo que el BR reduce los rasgos horizontales. El SMT hace algo muy similar al
BR en su modo running average (promedio punto a punto), reduciendo los rasgos
horizontales. En el modo total average (promedio sobre todas las trazas), busca eliminar
los rasgos de horizontalidad marcada para que se destaquen aquellos que tienen un
cierta pendiente (reflectores inclinados o hipérbolas).
Running Average: Este filtro es una combinación de filtros verticales y horizontales. Su
principal aplicación es eliminar rasgos muy marcados entre datos cercanos (esto es,
temporalmente o en trazas vecinas).
DC Removal: En los casos donde la antena receptora está acoplada a una señal
continua muy fuerte, este filtro cumple la función de restar la componente no nula de la
amplitud sobre la cual se encuentra la señal reforzada.
3.6. Ejemplo del procesamiento de un radargrama
A continuación se describe el proceso realizado para la obtención final de un radargrama
tomando como ejemplo una lectura realizada en la línea numero 8 del presente trabajo.
En esteb radiograma pueden identificar dos materiales diferentes. En la figura a
continuación se muestra la imagen de un radargrama sin ningún tipo de procesamiento.
Capítulo 3 27
Figura 3-5. Gadargrama sin procesar
3.6.1. Aplicación de filtros
Para el procesamiento de datos de los radargramas se utilizan filtros, los cuales permiten
eliminar el “ruido” generado por distintos factores en campo; estos factores pueden ser,
presencia de motores de vehículos, señales de alta frecuencia provenientes de torres de
transmisión de telefonía celular o de radio, campos electromagnéticos provocados por
cableado eléctrico de alta tensión, estructuras metálicas cercanas, etc.
- Time-zero adjustment
Este primer filtro se aplica para definir el cero de referencia de la imagen, para el caso de
la definición de estratos, será la superficie actual del terreno; una vez seleccionado el
filtro aparecerá una línea roja punteada que muestra el cero actual tomado por el
programa (parte superior del redargrama); para mostrar la profundidad en metros se hace
necesario remitirse a la barra de herramientas de dibujo y seleccionar el ícono de la
regla. Una vez se haya seleccionado el filtro se debe ir a la pestaña de los parámetros de
módulo y ajustar la barra del First Brake, la cual permitirá bajar el cero de referencia al
lugar donde necesite el usuario; para el caso de la definición de estratos será la
superficie del terreno.
28 Evaluación de la técnica de prospección mediante el uso de Georradar
- DC removal
Este filtro permite eliminar de la imagen el ruido provocado por variaciones eléctricas del
subsuelo; el ruido de este origen se revela como puntos y líneas de color gris claro u
oscuro a lo largo del radargrama, como se aprecia en la figura a continuación.
Figura 3-6. Ruido electromagnético presente en los radargramas
Después de seleccionar el filtro, se pueden digitar las correlaciones correspondientes en
función del tiempo, para que se atenué la basura registrada por los” TRACES”, a menor
tiempo relacionado, la corrección será más somera, y la imagen se verá menos afectada;
para cada lectura realizada es necesario realizar la menor alteración posible para cada
filtro aplicado, con el fin de mantener las propiedades iniciales de la imagen.
- Trace edit
Este filtro se utiliza para remover los traces erróneos generados en la toma del ensayo en
campo; generalmente aparecen como líneas verticales negras debido a la falta de
información contenida en el trace.
Se selecciona el filtro trace edit y en el model parameter, se selecciona la opción select
traces y se seleccionan en la imagen los traces que están erróneos; inmediatamente
después de escogidos una “X” aparece en la parte superior.
Una vez se escoge la opción de correr el filtro, se limpiarán las líneas erróneas y la
imagen quedará lista para continuar el proceso.
Ruido
electromagnético
presente en la
imagen
Capítulo 3 29
- Background removal
Comúnmente en un ensayo de GPR se obtienen reflejos no solo del objetivo deseado
sino también de muchos elementos diferentes, a estos se les llama clutters.
Adicionalmente, la señal se ve distorsionada por la onda directa, el efecto de
acoplamiento de las antenas y el sonido de fondo. Con el fin de extraer con éxito la
imagen real, estos efectos extra de ruido tienen que ser eliminados; aunque los clutters
no pueden ser removidos en su totalidad, las técnicas utilizadas por el filtro background
removal suprime su influencia en gran medida.
- Amplitude correction
La aplicación de este filtro aclara la imagen y define los detalles del radargrama; en
module parameter se selecciona ejecutar el comando, este filtro define la parte profunda
del radargrama, definiendo con precisión los estratos detectados.
Figura 3-7. Gadargrama con los filtros aplicados
Superficie del terreno
Anomalías correspondientes a
cambio de material
30 Evaluación de la técnica de prospección mediante el uso de Georradar
3.6.2. Selección de estratos
Una vez aplicados los filtros se procede a seleccionar los diferentes estratos
encontrados.
El modelado es el proceso mediante el cual se ajustan las profundidades de los estratos
hallados y se colorea cada uno de ellos para aumentar el contraste entre los materiales.
Cuando en las opciones se encuentra seleccionada la pestaña edit model, todo dentro de
la imagen es modificable; se pueden seleccionar velocidades de los materiales, grosor,
inclusión de polígonos etc.; cuando se selecciona la pestaña convert to depth, se muestra
el resultado final del radargrama con profundidad real.
El model transparency difumina la imagen de fondo para que durante el proceso de
identificación de materiales y en el resultado final se puedan apreciar mejor los estratos
definidos.
La definición de los materiales en el RadExplorer se hace por medio de la selección de
polígonos; estos están compuestos por líneas consecutivas de picks (Puntos escogidos
por el usuario que definen la separación de materiales).
Los piks se pueden escoger mediante la herramienta en la barra de dibujo. Una vez
seleccionado el comando, simplemente se señalan los puntos donde se aprecia la
continuidad del estrato, tal y como se muestra la figura a continuación.
Figura 3-8. Definición de materiales por picks
Interface identificada
entre materiales
Capítulo 3 31
Una vez hecha la separación de materiales es necesario crear un polígono con la opción
“nuevo” desde picks (New from picks) y el programa solicita que sea seleccionada el área
entre las líneas que se encuentra el polígono a modelar; inmediatamente después se
selecciona el color y nombre del estrato contenido dentro de este polígono.
Figura 3-9. Radargrama con materiales identificados
3.6.3. Determinación de la profundidad de los contactos
Una vez terminado el proceso de selección de polígonos es necesario realizar la
calibración de la profundidad, para lo cual es necesario establecer la velocidad de
propagación de las ondas o la constante dieléctrica del medio; para esta tarea se puede
utilizar uno de los métodos descritos a continuación.
- Método 1: Calibración mediante sondeo
Sin embargo dada la variabilidad de los datos de constante dieléctrica para cada
material, es posible establecer la velocidad de propagación de las ondas mediante el
conocimiento de la estratigrafía del sector de estudio. La metodología consiste en realizar
una línea GPR en un punto donde se haya efectuado un sondeo directo y de esta
manera, en la interpretación de los resultados, se correlaciona la posición de los
contactos identificados en la exploración directa con los eventos registrados como
interfaces en el radargrama. Una vez realizada la calibración, el proceso de interpretación
Material 1
Material 2
32 Evaluación de la técnica de prospección mediante el uso de Georradar
se da por terminado obteniendo el resultado que se muestra en la Figura 3-10. Es
importante mencionar que en varias de las líneas GPR realizadas se realizó mas de un
sondeo, por lo que se efectúo la calibración con cada uno se las perforaciones realizadas
y para efectos de interpretación y análisis de resultados fue seleccionada la que
presentara mayor fidelidad con los contactos detectados mediante exploración directa.
Figura 3-10. Radargrama terminado
Dentro del proceso de selección de los materiales es importante tener en cuenta que no
todas las líneas encontradas corresponden a un cambio en las propiedades de los suelos
encontrados, por consiguiente no se consideran cambios de estratos; para definir un
estrato se buscan líneas que tengan continuidad a lo largo del radargrama o que cierren
con un vértice.
Los diferentes tipos de líneas presentadas en una imagen pueden representar diferentes
objetos; por ejemplo una parábola invertida puede señalar la existencia de algún objeto
sólido, rocas o tuberías a lo largo del trazado; en el ejemplo se pueden observar varias
formaciones de parábolas hacia el final de la lectura, las cuales corresponden a
materiales fracturados.
- Método 2: Resultados de laboratorio
Ejecución de ensayos de laboratorio, donde se puede obtener la constante dieléctrica de
materiales provenientes de la zona de estudio. A través de las relaciones de fase donde
Material 1
Material 2
Escala de
profundidad
Capítulo 3 33
por medio de investigaciones realizadas es posible relacionar propiedades físicas de los
suelos como saturación, porosidad y humedad con las propiedades electromagnéticas,
en este caso especifico la constante dieléctrica. Con base en lo anterior fueron
ejecutados ensayos para determinar la gravedad especifica (Gs) a algunas de las
muestra obtenidas y cuyos resultados se presentan en el anexo correspondiente a la
exploración del subsuelo.
Para la determinación de la constante dieléctrica a partir de las propiedades físicas del
suelo han sido utilizadas las propuestas de Hara y Sakayama (1984) y Moreno y Montes
(2003), para medios de tres fases (aire, agua y solidos), en donde se relaciona la
constante dieléctrica del material con la saturación y la porosidad, como se muestra en
las ecuaciones a continuación.
Hara y Sakayama (1984)
√ (( )√ √ ) ( )√
Moreno y Montes (2003)
( ) ( ) ( ) ( )
Donde,
Teniendo en cuenda lo anterior los valores de constante dieléctrica del agua, aire y de la
parte solida han sido adoptados como constantes a partir de valores medidos en
investigaciones anteriores, específicamente Moreno y Montes (2003), lo cual es
34 Evaluación de la técnica de prospección mediante el uso de Georradar
consistente con (Pérez, 2001), donde establece los siguiente: , y
.
Capítulo 4. Metodología
El presente trabajo es una combinación de investigación, labor de campo y comparación
de datos obtenidos para determinar la coincidencia o la imprecisión de la detección
mediante GPR (exploración indirecta) con los registros de perforación (exploración
directa). Se estableció un particular interés por obtener los espesores de los estratos
identificados y la posición del nivel freático que arroja el GPR para compararlos con los
datos obtenidos de la exploración directa y determinar la fiabilidad del uso de esta
tecnología.
A continuación se describen las actividades desarrolladas para alcanzar los objetivos
propuestos:
4.1. Investigación
Se revisó y analizó la información disponible acerca de la prospección geotécnica
mediante la utilización de GPR, así como las normas técnicas vigentes para el uso de
esta tecnología y su aplicación práctica. También se revisaron los trabajos relacionados
con el uso de esta tecnología, los proyectos de investigación y tesis elaborados para
optar títulos de maestría y doctorado en diferentes universidades nacionales e
internacionales, así como los últimos trabajos presentados en congresos, los cuales
sirvieron de guía para llevar a cabo el presente estudio.
Se hizo una revisión de los estudios de suelos ejecutados por diferentes compañías en el
área de estudio con el fin de identificar y recopilar información de sondeos efectuados
con toma de muestras inalteradas en las que se hubieran determinado las propiedades
físicas de los materiales que conforman el perfil estratigráfico en el sector. Para el
presente documento se reunió la información de tres campañas de exploración directa
(desarrolladas por diferentes compañías) de las cuales se presentan los resultados
obtenidos por los sondeos.
36 Evaluación de la técnica de prospección mediante el uso de Georradar
Cabe anotar que el equipo empleado cumple con la normatividad ASTM D 6432 – 99
(reaprobada en 2005).
Se realizó la evaluación geológica con el fin de definir la constitución, origen y
comportamiento de los materiales que conforman el perfil estratigráfico en el sector
estudiado con base en los documentos existentes sobre geología regional y local.
4.1.1. Geología regional
La zona seleccionada para la ejecución del presente trabajo corresponde a un área de
aproximada de 108,000 m2, localizada en el área urbana del municipio de
Dosquebradas.
El área de estudio seleccionada se localiza al norte del municipio de Dosquebradas,
Risaralda. En la figura a continuación se presenta la localización del estudio.
Figura 4-1. Localización geográfica, general y específica del sector de estudio
La evaluación de las características geológicas generales del área de estudio se
identifican según la información registrada en los estudios de Geología correspondientes
Capítulo 4 37
a la Geología de la Plancha 224 Pereira, del Servicio Geológico Colombiano (Antiguo
Ingeominas), año 1984 versión digital 2009, a escala 1:100.000.
A nivel regional, se identifica una geología compleja, donde se pueden encontrar rocas
metamórficas paleozoicas que conforman el Complejo Cajamarca (Pa y Pe), rocas
ígneas Cretáceas y terciarias de origen intrusivo y extrusivo, donde se identifican en
primera instancia las unidades Stock Gábrico de Pereira (Kgp), Grupo Diabásico (Kvo) y
Pórfidos Andesíticos de Pereira (Tpp), además de rocas cretáceas sedimentarias de la
unidad superior del Grupo Dagua (Kso), se identifican depósitos cuaternarios donde
inicialmente encontramos flujos de lodos y cenizas de la unidad Qto, formados a partir de
actividad volcánica reciente, Depósitos de Pendiente (Qtl), conformados por materiales
residuales de las formaciones geológicas circundantes afectadas por procesos de
denudación (principalmente por la afectación de las aguas de infiltración en épocas de
altas lluvias); por último, se encuentran depósitos recientes de origen aluvial, los cuales
se localizan próximos a los principales ríos y quebradas y su composición es variable
donde se puede evidenciar algunos bloques redondos a sub-redondos embebidos en una
matriz generalmente arenosa y en menor proporción areno arcillosa a areno limosa. Las
últimas dos unidades geológicas mencionadas interactúan directamente con el sector de
estudio.
El área de estudio está afectada por una tectónica regional, que afecta el sector
denominado Depresión Intramontañosa del Cauca, localizada entre las cordilleras
Occidental y Central; esta se encuentra regida a partir de cuerpos plutónicos que
intruyeron las rocas suprayacentes y han generado un metamorfismo de grado medio en
estas, además de distintos lineamientos de falla y un intenso fracturamiento en las rocas,
donde se presentan zonas de infiltración, las cuales en épocas invernales actúan como
factor detonante (junto con el agua infiltrada) ante la alteración de las rocas y
movimientos de las diferentes cuñas y fallas planares en los afloramientos rocosos. En el
área de estudio se logran identificar algunas fallas inferidas con dirección rumbo NE
relacionadas con la actividad regional del Sistema de fallas de Romeral; este sistema rige
en gran proporción la actividad tectónica correspondiente a la cordillera Central. Estas
fallas también siguen una secuencia en la dirección de rumbo de las fallas principales
próximas al sector de estudio, como lo son las de Quebrada Nueva y Toro localizadas al
occidente del área de estudio, cerca al municipio de Cartago.
38 Evaluación de la técnica de prospección mediante el uso de Georradar
A partir de la actividad tectónica regional, en el área de estudio se presenta un nivel de
amenaza Sísmica alta a intermedia donde se registran valores de Aceleración Sísmica
(Aa) de 0,25.
En la Figura 4-2 se presentan las características geológicas generales del área de
estudio.
Figura 4-2. Características Geológicas Generales del Área de estudio. Tomado de La Geología de la Plancha 224 Pereira del Servicio Geológico Colombiano (Antiguo Ingeominas), año 1984 versión digital 2009, a escala 1:100.000.
4.1.2. Geología Local
En el área de estudio se pueden identificar unidades geológicas recientes no
consolidadas, donde se observan Depósitos de Pendiente (Qtl) y Aluviales (Qal), además
de la presencia de suelos residuales orgánicos de poco espesor y Rellenos Antrópicos
(Qra).
No se presenta una afectación directa por fallas geológicas; sin embargo se debe tener
en cuenta el nivel de amenaza sísmica generado a partir de la actividad de fallas
geológicas regionales ya que estas generalmente presentan un rango de afectación
amplio.
Capítulo 4 39
4.1.2.1. Litología
Se describen a continuación las unidades geológicas presentes en el sector estudiado en
orden cronológico desde la más antigua a la más reciente.
Depósitos Aluviales
Esta unidad comprende los suelos no consolidados formados a partir de la actividad de
los drenajes principales, se componen principalmente de bloques y fragmentos de rocas
redondos a sub-redondos embebidos en una matriz que varía de areno-limosa a areno-
arcillosa, también se presentan en proporciones menores algunos niveles finos
compuestos por suelos limosos y arcillosos.
Esta unidad geológica comprende la mayor parte del área de estudio, donde los
materiales más finos se ubican hacia el sector occidental entre las quebradas La
Almoladora y El Mandarino, aquí encontramos niveles de materiales limo arcillosos de
hasta 9m de espesor, suprayacidos por niveles de gravas y arenas que conforman el
estrato principal de estos depósitos. Hacia el sector oriental encontramos un predominio
de suelos arenosos y areno-limosos con presencia de gravas, los cuales aparecen a una
profundidad media de 3.5m, suprayacidos por una capa de suelos residuales blandos
que conforman la unidad aluvial afectada por procesos de denudación superficial.
Morfológicamente en esta área se observa suave a plana con algunos sectores
ondulados.
Depósitos de Pendiente
Esta unidad corresponde a suelos residuales formados a partir de la meteorización de las
rocas de las unidades geológicas adyacentes al área de estudio los cuales, a partir de
procesos hidrogravitacionales han sido transportados ladera abajo. Su composición es
generalmente fina (arcilla y limo) con menores niveles de arena y grava, con coloraciones
que van desde pardas a cafés. A partir de la exploración del subsuelo se estima que la
unidad alcanza entre los 7m y 9m de espesor.
Esta corresponde a la segunda unidad predominante en el área de estudio y se ubica en
el sector noroccidental, donde se presentan pendientes suaves y onduladas.
40 Evaluación de la técnica de prospección mediante el uso de Georradar
Depósitos de Rellenos Antrópicos
La unidad agrupa los niveles de suelos heterogéneos resultantes de obras de expansión
urbana relacionadas con viviendas, vías y rellenos utilizados en explanaciones.
4.1.2.2. Geología estructural
El área de estudio no se encuentra afectada directamente por fallas geológicas, sin
embargo se presenta una afectación a partir de fallas regionales cuya magnitud hace que
su rango de afectación sea muy extenso, donde se generan fallas satélites, las cuales
son cercanas al área de estudio, tanto así que en el sector se presenta un nivel de
amenaza sísmica alto a intermedio, regido a partir de la actividad de las fallas principales
próximas al sector.
4.1.2.3. Fallas
A continuación se describen las fallas geológicas principales que interactúan con la
actividad tectónica en el área de estudio.
Sistema de fallas de Romeral
Es uno de los sistemas de falla más importantes del país en cuanto a su afectación
tectónica, ya que está relacionado con diferentes acontecimientos geológicos registrados
sobre la cordillera Central. Este sistema de fallas genera una afectación a partir de sus
lineamientos más occidentales localizados a pocos kilómetros al oriente del área de
estudio; estos presentan una dirección de rumbo predominantemente NE.
Este sistema de fallas es muy activo y su zona de afectación es muy extensa, donde se
registran grandes desplazamientos y buzamientos fuertes, lo cual hace que la zona sea
potencialmente crítica ante la generación de fenómenos tectónicos.
Falla de Toro
Es una falla inversa de ángulo alto a vertical que buza al occidente (W), es una falla de
actividad media, la cual hace parte del Sistema de Fallas del Cauca, donde se registran
desplazamientos significantes. Esta estructura se localiza al occidente del área de
estudio a una distancia aproximada de 35 Km al noroccidente del Municipio de Cartago.
Capítulo 4 41
Falla de Quebrada Nueva
Falla de Cabalgamiento de buzamiento variable que pone en contacto las Formaciones
Paila con el miembro Cinta de Piedra de la Formación Cauca Superior. Presenta una
actividad media y se localiza al occidente del área de estudio a una distancia aproximada
de 22 Km.
4.2. Exploración directa
Las labores consistieron en la interpretación de 13 sondeos efectuados con equipo
manual. Estas perforaciones alcanzaron profundidades entre 3,0 m y 14,8 m, como se
aprecia en la siguiente tabla:
Tabla 4-1. Exploración directa del subsuelo
Sondeo No. Nombre Profundidad
(m) Localización
Norte Este
S1 AQ-S1 11,8 535851.84 425713.51
S2 AQ-S2 7,0 535840.22 425527.98
S3 AQ-S3 8,2 535923.44 425666.50
S4 AQ-S5 3,0 535922.50 425865.85
S5 AQ-S6 5,5 535957.50 425845.64
S6 AQ-S8 9,5 535746.04 425581.21
S7 AQ-S9 9,3 535651.18 425642.32
S8 HYD-S4 14,8 535662.16 425588.11
S9 HYD-S8 14,0 535769.02 425571.42
S10 HYD-S10 6,2 535827.15 425520.98
S11 MILL-S2 12,0 535791.18 425694.63
S12 MILL-S3 10,0 535774.19 425678.53
S13 MILL-S5 12,8 535860.61 425714.88
En la Figura 4-3 se presenta la localización de cada uno de los sondeos ejecutados.
42 Evaluación de la técnica de prospección mediante el uso de Georradar
Figura 4-3. Localización sondeos directos ejecutados
Durante la ejecución de los sondeos fueron identificados visualmente los diferentes
estratos.
En los suelos en donde, debido a la elevada consistencia de los materiales finos o a la
presencia de materiales granulares no fue posible la recuperación de muestras
inalteradas, fue adelantado el ensayo de penetración estándar (SPT), con la respectiva
recuperación de la muestra alterada mediante el tubo de cuchara partida (split spoon).
Adicionalmente algunas de las muestras obtenidas fueron ejecutados ensayos tendientes
a conocer sus propiedades físicas, tales como granulometría, límites de Atterberg,
humedad natural, gravedad específica y peso unitario. En la figura a continuación se
presenta el resumen gráfico de propiedades índice de uno de los sondeos ejecutados.
S-5
S-4
S-13
S-1
S-11 S-12
S-2 S-10
S-9
S-5
S-8 S-7
S-3
Capítulo 4 43
Figura 4-4. Resumen gráfico de propiedades sondeo S1
Con el fin de caracterizar los materiales que conforman el perfil estratigráfico en la zona
de estudio fueron realizados los siguientes ensayos de laboratorio.
Tabla 4-2. Ensayos de laboratorio realizados
ENSAYO NORMA CANTIDAD
Granulometría E-123 52
Limite Liquido del Suelo E-125 20
Limite Plástico e Índice de Plasticidad E-126 20
Humedad Natural E-122 52
Corte directo E-154 2
Gravedad especifica E-128 3
Los resultados de los ensayos realizados se presentan en el anexo C del presente
documento.
Proyecto:
Fecha: 20/04/2015
Arenas limosas de color café.
RESUMEN DE PROPIEDADES FÍSICAS Y MECÁNICAS
Aquaterra -Sondeo 1
limo de color café claro y gris, con vetas amarillas y ferrosas.
0 30
0.00
1.00
2.00
3.00
4.00
5.00
6.00
7.00
8.00
9.00
10.00
11.00
12.00
0 50 100
0.00
1.00
2.00
3.00
4.00
5.00
6.00
7.00
8.00
9.00
10.00
11.00
12.00
050100
0.00
1.00
2.00
3.00
4.00
5.00
6.00
7.00
8.00
9.00
10.00
11.00
12.00
075150
0.00
1.00
2.00
3.00
4.00
5.00
6.00
7.00
8.00
9.00
10.00
11.00
12.00
MH
qu (ton/m2)LLLPIP
FinosSPT
% W
MH
CL
MH
A
Propiedades físicas y mecánicas
N.F.
44 Evaluación de la técnica de prospección mediante el uso de Georradar
- Perfil estratigráfico promedio
Con base en la exploracion del suelo ha sido posible establecer el perfil estratigrafico
típico del área en estudio el cual se describe a continuacion.
Desde la superficie actual del terreno y hasta una profundidad variable entre 3 y 10 m se
reporta la presencia de arcillas y limos de color amarillo y café de consistencia blanda a
media, humedad alta, plasticidad alta a muy alta, que clasifican en el sistema unificado
de calsificación de suelos (USCS) como CH y MH y presenta valores de humedad natural
variables entre 33,6 y 199%, limite liquido entre 26,9 y 146,8%, en índice de plasticidad
entre 19,4 y 96,6%. Presentan valores de resistencia al ensayo de penetración estándar
(SPT) entre 4 y 16 golpes/pie, estos materiales corresponden a la capa superficial de
depósitos aluviales (Qal1) que por procesos de meteorización de composición limosa y
arcillosa.
Seguido al estrato anterior y hasta la maxima profundiad de exploracion se reportan
arenas y gravas de compacidad densa a muy densa, que presentan valores de rechazo
al ensayo de penetracion estandar (SPT). Estos materiales corresponden a depósitos
aluviales de composicion arenos y limosa en proporciones variables (Qal2).
Con el fin de analizar la variacion del perfil estratigrafico en toda el area de estudio, se
procedió a la realizacion de cinco secciones transversales donde se integran los
resultados de la exploracion del subsuelo. En la figuras a continuacion se muestra la
localizacion de las secciones evaluadas.
Capítulo 4 45
Figura 4-5. Secciones estudiadas
Figura 4-6. Perfil estratigráfico Sección A-A’
A
A’
B
C
D
E
B’
C’
D’
E’
46 Evaluación de la técnica de prospección mediante el uso de Georradar
Figura 4-7. Perfil estratigráfico Sección B-B’
Figura 4-8. Perfil estratigráfico Sección C-C’
Figura 4-9. Perfil estratigráfico Sección D-D’
Capítulo 4 47
Figura 4-10. Perfil estratigráfico Sección E-E’
Figura 4-11. Perfil estratigráfico Sección F-F’
4.3. Exploración indirecta
Se elaboró una cuadrícula sobre la cual se desplazó el equipo de GPR de manera tal que
los resultados obtenidos (radargramas) se compararan con los resultados de los registros
de perforación.
4.3.1. Labor de campo y resultados de la exploración indirecta
Se llevaron a cabo 10 líneas de georradar distribuidas en dos “mallas” o “cuadrículas”. El
propósito de hacer esta subdivisión del terreno tuvo dos motivaciones: En primer lugar,
una línea de georradar muy larga presenta dificultades para su análisis y visualización;
por otra parte, se estableció esta disposición con el fin de generar un modelo que
cubriera el área más amplia posible y correlacionar así el perfil estratigráfico en toda la
zona de estudio.
48 Evaluación de la técnica de prospección mediante el uso de Georradar
Tabla 4-3. Exploración indirecta del subsuelo
Numero Línea
Longitud (m)
Localización
Inicio Fin
Norte Este Norte Este
L1 150 535932.98 425900.08 536070.76 425862.45
L2 111 535847.48 425733.21 535943.75 425677.27
L3 193 535977.77 425873.59 535889.36 425708.88
L4 98 535939.77 425889.46 535820.55 425762.92
L5 152 535755.50 425713.13 535895.32 425653.51
L6 205 535685.63 425606.17 535881.03 425544.11
L7 174 535676.56 425549.32 535830.19 425481.26
L8 207 535880.01 425678.63 535813.08 425485.43
L9 231 535778.83 425714.26 535732.45 425497.47
L10 200 535737.87 425714.09 535661.84 425540.83
Figura 4-12. Toma de GPR en la zona de estudio
En la figura a continuación se presenta la localización de las líneas GPR realizadas.
Capítulo 4 49
Figura 4-13. Localización líneas GPR
Tal y como se describió en el numeral 3.5., los registros obtenidos en campo por medio
de GPR han sido procesados con el fin de determinar la secuencia estratigráfica,
obteniendo radargramas que representan claramente la existencia de dos estratos
característicos con propiedades electromagnéticas sustancialmente diferentes, los cuales
se ven reflejados en las discontinuidades presentadas en los registros. En la Figura 4-14,
se presenta el radargrama correspondiente a la linea 8 donde se puede observar el
contacto entre materiales (los radargramas correspondientes a las demas lineas
ejecutadas se presentan en el Anexo C).
L1
L2
L4
L5 L6
L7
L8
L9
L10
L1
L2
L3
L4
L5 L6
L7
L8
L9
L10
50 Evaluación de la técnica de prospección mediante el uso de Georradar
Figura 4-14. Radargrama Línea 8
Es importante mencionar que aunque se pueden apreciar contactos definidos entre los
materiales, el eje “Y” del radargrama corresponde a tiempo en nano segundos, por lo que
para determinar la profundidad de estos cambios de material se ha optado por usar la
metodologia mencionada en el numeral 3.6.3. “Valores de referencia”, otorgando datos
de constante dieléctrica al estrato superfical obtenido mediante investigaciones previas y
cuyos resultados se presentan en la Tabla 2-1. Una vez asignado este valor es posible
establecer la velocidad de propagacion de onda en el material seleccionado y de esta
manera calcular la profundidad del estrato dado que se cuenta con el tiempo de llegada
de la onda y la velocidad, para lo cual fue utilizado el software RadExplorer.
Con base en la geología local del sector ha sido posible determinar los materiales que
conforman el perfil estratigráfico;en la parte superior corresponden principalmente a limos
con presencia de arena de consistencia blanda, por lo que según la Tabla 2-1 es posible
asignar un valor de constante dielectrica entre 3 y 40.
Teniendo en cuenta lo anterior y la variabilidad de la constante dieléctrica se evaluó la
posible profundidad del estrato mediante el uso de 5 valores (3, 7.5, 12, 26 y 40), para
cada una de las lineas efectuadas. Los valores de profundidad presentados
corresponden a la posicion donde se realizo alguna de las perforaciones con el fin de
posteriormente realizar una comparacion entre los valores obtenidos y los reales. En la
tabla Tabla 4-4 se muestran los resultados.
Anomalías que representa el
contacto entre materiales
Superficie del terreno
Material 1
Material 2
Capítulo 4 51
Tabla 4-4. Cálculo de la profundidad de contacto de los estratos
GPR POSICIÓN (m)CONSTANTE
DIELÉCTRICAPROFUNDIDAD (m)
3 6
7.5 4.3
12 3.6
26 2.8
40 2.6
3 14.2
7.5 9.7
12 8
26 6
40 5.3
3 8.7
7.5 6.1
12 5
26 4
40 3.6
3 4.2
7.5 3.2
12 2.8
26 2.5
40 2.2
3 16
7.5 10.8
12 9
26 6.7
40 5.6
3 11.8
7.5 8
12 6.8
26 5
40 4.5
3 9.2
7.5 6.5
12 5.6
26 4.5
40 3.7
3 13
7.5 9
12 7.5
26 5.7
40 4.9
3 14
7.5 9.8
12 8
26 6
40 5.1
3 11
7.5 7.8
12 6.2
26 4.8
40 4.1
L10
L1
L2
L3
L4
L5
L9
100
35
156
29
114
L8
112
L7
29
L6
32
90
98
52 Evaluación de la técnica de prospección mediante el uso de Georradar
Figura 4-15. Variación de la profundidad en función de la constante dieléctrica
De la grafica anterior se pueden identificar 2 grupos de datos que presentan
comportamientos similares en cuanto a la posición del contacto de los estratos; el
primero con los resultados correspondientes a las líneas L1, L3 y L4 con posibles
espesores del estrato superior entre 2.2 y 7.3 m, mientras que las demás líneas
presentan valores superiores a los registrados en los ensayos anteriormente
mencionados. Con base en lo anterior es posible establecer que el área evaluada puede
ser dividida en dos sectores con respecto al espesor del estrato superficial ya que los
GPR que arrojan valores similares de profundidad presentan cercanía en cuanto a su
localización geográfica, como es el caso del primer grupo de líneas GPR que se
encuentran en la zona nororiental del área evaluada (Sector 1), mientras que el sector 2
corresponde a la superficie restante, así como se presenta en la figura a continuación.
Capítulo 4 53
Figura 4-16. Zonificación mediante lecturas GPR según profundidad de contacto.
Además en la Figura 4-15 se puede apreciar que para los radargramas de la Zona 1, la
variación de la profundidad de contacto disminuye cuando se asignan valores mayores a
12 de constante dieléctrica, lo que indica que la velocidad de desplazamiento de las
ondas electromagnéticas emitidas tiende a estabilizarse a medida que la constante
dieléctrica supera dicho valor, comportamiento que no se aprecia en los GPR de la Zona
2, que aunque se observa un descenso en la pendiente de la línea sigue siendo
importante la variación de la profundidad de contacto con el aumento de la constante
dieléctrica. Es importante resaltar que si bien se observan comportamientos
característicos en los resultados, esto no da una certeza de cual sea la velocidad de
propagación y por ende la profundidad de contacto exacta en el sector.
Por otra parte, y con animo de analizar que tan susceptible es la constante dieléctrica en
función de la profundidad de contacto para cada una de las líneas GPR efectuadas, se
L1
L2
L3
L4
L5 L6
L7
L8
L9
L10
ZONA 1
ZONA 2
54 Evaluación de la técnica de prospección mediante el uso de Georradar
estableció un espesor fijo del estrato superior de 4.5 m (profundidad seleccionada
aleatoriamente), para así determinar el valor de constante dieléctrica en cada una de las
líneas, obteniendo los siguientes resultados.
Tabla 4-5. Constante dieléctrica para una profundidad de contacto de 4.5 m
Figura 4-17. Constante dieléctrica para una profundidad de contacto de 4.5 m
De la tabla y figura anterior, se puede observar una gran variabilidad de la constante
dieléctrica para una misma profundidad de contacto (4.5 m), hasta el punto de obtener
valores superiores a los planteados por la bibliografía para este tipo de material como es
el caso de las líneas L2, L5, L8, L9 y L10; lo que indica claramente que el espesor de los
GPR PROFUNDIDAD (m) CONSTANTE DIELECTRICA
L1 7
L2 56
L3 19
L4 1.7
L5 56
L6 40
L7 26
L8 47
L9 49
L10 46
4.5
Capítulo 4 55
materiales superficiales (limos de consistencia blanda) es variable en el área estudiada,
ya que al tratarse de un mismo tipo de suelo, la constante dieléctrica debería presentar
valores similares. Sin embargo, al igual que en las evaluaciones previas, se aprecia un
comportamiento semejante en las líneas L1, L3 y L4, lo que propone valores cercanos en
cuanto a la profundidad del contacto entre los materiales identificados en la zona donde
se ejecutaron dichas líneas GPR, específicamente en el sector nororiental.
Finalmente se evaluó la variabilidad de la posible profundidad de contacto para cada una
de las líneas GPR realizadas manteniendo una constante dieléctrica de 7.5,que muestra
al igual que los análisis realizados previamente, una similitud en los resultados de las
líneas L1, L3 y L4, como se muestra en la figura a continuación.
Figura 4-18. Profundidad de contacto para una constante dieléctrica de 7.5
Una vez realizado el procesamiento de los registros del georradar, se puede decir que
con solo con la utilización de la técnica de prospección mediante el uso del GPR, no es
posible establecer la localización exacta de los contactos entre materiales, debido a que
sin la ejecución de sondeos directos solo se cuenta con valores de referencia para la
constante dieléctrica, que permite (como se mostró en el desarrollo del presente numeral)
establecer rangos posibles de la posición de la interface que para este caso especifico de
la zona compuesta donde se localizaron los GPR nombrados L1, L3 y L4 fue calculada
56 Evaluación de la técnica de prospección mediante el uso de Georradar
entre 2.2 y 7.3 m, mientras que para las demás sectores fue se determinaron
profundidades entre 4.1 y 16 m.
Finalmente, otro aspecto de gran importancia en la interpretación de los radargramas
consiste en la es la identificación de la posición del nivel freático la cual típicamente es
posible localizar debido a la presencia de anomalías a lo largo del registro, sin embargo
en el presente trabajo no fue posible identificar este tipo de anomalías en ninguno de los
radargramas, debido posiblemente a la baja frecuencia de las ondas emitidas (50 MHz) lo
que se refleja en registros de baja resolución.
Capítulo 5. Análisis de resultados
En este apartado se presenta la comparación de los resultados obtenidos por medio de la
exploración directa (mediante la ejecución de sondeos) y los radargramas realizados
para la determinación de la posición de los contactos entre materiales presentes en el
área de estudio.
Terminadas las actividades de exploración del subsuelo, se ejecutó el procesamiento de
los datos obtenidos con el GPR, mediante el uso del software especializado RadExplorer,
con el que mediante uso de sus filtros y herramientas se identificaron los estratos
existentes en la zona evaluada. Para determinar la profundidad de contacto de dichos
estratos se optó por el uso de las dos metodologías descritas en el numeral 3.6.3, el
método 1 (Calibración mediante sondeo) consistente en determinar la constante
dieléctrica por medio de la calibración de la sección GPR con la medición real del
contacto en uno de los sondeos directos realizados en la sección en evaluación.
Por otra parte, por medio del método 2 (experimentación en el laboratorio) se determino
la constante dieléctrica mediante las relaciones con las propiedades físicas de los
materiales, las cuales fueron medidas en el laboratorio, es importante aclarar que aunque
se evaluó este procedimiento mediante dos propuestas Hara y Sakayama (1984) y
Moreno y Montes (2003).
Posteriormente los resultados de las dos técnicas son comparados con la posición real
de los estratos determinados mediante exploración directa de manera tal que se puedan
determinar los alcances y limitaciones del uso de esta técnica para la determinación de
los espesores de los estratos y la identificación del nivel freático.
Para este fin, ha sido determinada la posición de la interface entre los dos tipos de suelos
identificados en cada uno de los sondeos, que corresponde a la profundidad real de los
contactos en esos puntos, para de esta manera establecer el valor de la constante
dieléctrica para este estrato.
58 Evaluación de la técnica de prospección mediante el uso de Georradar
La determinación de la constante dieléctrica para estos puntos fue realizada a manera de
retro análisis, variando éste valor en el procesamiento de los radargramas hasta
conseguir la profundidad real del contacto y de esta manera obtener la constante
dieléctrica del material superficial en cada uno de los puntos de sondeo, en la Tabla 5-1
se muestran los resultados obtenidos.
Tabla 5-1. Profundidad real de contacto de los estratos
SONDEO PROFUNDIDAD
DE CONTACTO REAL (m) CONSTANTE
DIELÉCTRICA REAL
1 10 8.2
2 6 14.1
3 7 7.4
4 3 9.0
5 5.5 10.0
6 9 7.4
7 9 5.3
8 9.5 10.0
9 9.5 4.9
10 6 9,0
11 10.5 8.2
12 9 8.2
13 12 4.6
En virtud de lo anterior y teniendo como premisa que solo es posible asignar un valor de
constante dieléctrica para la determinación de la profundidad de los estratos en el
proceso de interpretación de los radargramas, A continuación se presenta el uso de las
dos metodologías utilizadas para la estimación del valor de constante dieléctrica y que
están descritas en el numeral 3.6.3.
5.1. Determinación de los espesores método 1
Para cada una de las líneas GPR realizadas ha sido calibrado el valor de constante
dieléctrica con uno de los sondeos ejecutados sobre la sección de análisis, esta
calibración consiste en asignar valores de constante dieléctrica al estrato superficial
hasta conseguir la que represente la profundidad real del contacto en el punto de sondeo.
En la figura 5-1. se presenta el resultado del radargrama obtenido en la línea número 2,
para el cual fue asignado un valor de constante dieléctrica igual a 4.6 que corresponde a
la determinada para la perforación 13; teniendo en cuenta que en este perfil también se
Capítulo 5 59
encuentran los sondeos 3 y 1, se calculará el porcentaje de error en la determinación de
la posición del contacto entre los materiales identificados en cada punto de sondeo.
Figura 5-1. Radargrama Línea 2
Este procedimiento fue realizado para todas las líneas GPR, con excepción de L3, L4, L5
y L7, las cuales solo presentan un sondeo sobre la sección de análisis. A continuación se
presenta los resultados obtenidos.
60 Evaluación de la técnica de prospección mediante el uso de Georradar
Tabla 5-2. Profundidad de contacto de los estratos método 1
SONDEO LÍNEA GPR CONSTANTE DIELÉCTRICA
PROFUNDIDAD DE CONTACTO (m)
1 L2 4.6 13.1
2 L6 14.1 6.0
3 L2 4.6 8.2
4 L1 9.0 3.0
5 L1 9.0 2.9
6 L6 14.1 7.2
7 L10 5.3 9.0
8 L10 5.3 10.5
9 L9 8.2 7.1
10 L8 14.1 5.9
11 L9 8.2 8.6
12 L9 8.2 9.0
13 L2 4.6 12.0
5.2. Determinación de los espesores con información proveniente de los resultados de laboratorio (método 2)
Tal y como se describió en el numeral 3.6.3, se procedió a la determinación de la
constante dieléctrica mediante la propuesta de Hara y Sakayama (1984), en donde se
relaciona esta propiedad con la saturación y la porosidad. Para lo cual fueron realizados
ensayos de gravedad especifica (Norma INVIAS 128), ensayos de humedad natural
(Norma INVIAS 122) y de peso especifico , mediante los cuales fue posible determinar la
saturación y la porosidad del material que conforma el estrato superficial para cada uno
de los sondeos, teniendo en cuenta las siguientes formulaciones para suelos
parcialmente saturados.
( )
Donde,
Capítulo 5 61
Donde,
A continuación se presenta a manera de ejemplo los cálculos realizados para la
determinación de la constante dieléctrica en la muestra 1 del sondeo 1.
Tabla 5-3. Resultados de laboratorio sondeo 1
Con base en los resultados de laboratorio presentados en la tabla anterior fue calculada
la porosidad y la saturación para cada una de las muestras evaluadas.
El valor presentado de Gravedad específica (Gs) corresponde a los resultados de los
ensayos de laboratorio, que en el caso del sondeo 1 solo fue ejecutado para la muestra
extraída a 1,50 m de profundidad. Teniendo en cuenta que se trata de un mismo estrato y
que los resultados de los ensayos de laboratorio ejecutados para todo el proyecto fueron
similares, se estableció un valor único de Gs de 2.58 para el estrato conformado por
limos de consistencia blanda.
Calculo de la saturación:
PROF W (%) LL LP IP % FINOS Gs g seco
1.50 97.1 146.8 56.1 90.7 79.4 2.58 0.731
4.50 50.4 52.5 30 22.5 63.1 1.095
7.50 38 40.9 21.5 19.4 79.9 1.3
62 Evaluación de la técnica de prospección mediante el uso de Georradar
Calculo de la porosidad:
Calculo de la constante dieléctrica método Hara y Sakayama:
√ (( )√ √ ) ( )√
√ (( )√ √ ) ( )√
Calculo de la constante dieléctrica método Moreno y Montes:
( ) ( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( ) ( )
En la figura siguiente se muestra el resumen grafico con los resultados obtenidos de
constante dieléctrica, así como los principales resultados de los ensayos de laboratorio
ejecutados, sin embargo dada la diferencia entre las dos propuestas utilizadas para el
calculo de la constate dieléctrica, se opto por la utilización de una de ellas para los
cálculos correspondientes al presente trabajo, la metodología seleccionada es la
propuesta por Hara y Sakayama (1984).
Capítulo 5 63
Figura 5-2. Resumen grafico cálculo de la constante dieléctrica. Sondeo 1
Con base en la figura anterior se puede observar la relación entre el contenido de
humedad y la constante dieléctrica, lo cual es establecido por algunos autores, por lo que
a mayor contenido de humedad la constante dieléctrica aumenta, lo que genera que la
velocidad de propagación de la onda electromagnética disminuya ya que el agua es el
material por el que las ondas emitidas por el GPR se desplazan a menor velocidad.
Proyecto:
Fecha: Junio de 2015
Arenas limosas de color café.
RESUMEN DE PROPIEDADES FÍSICAS Y MECÁNICAS
Sondeo 1
limo de color café claro y gris, con vetas amarillas y ferrosas.
EVALUACIÓN DE LA TÉCNICA DE PROSPECCIÓN MEDIANTE EL USO DE GEORRADAR
0 20 40 60
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
0 50 100
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
01
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
075150
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
MH
Constante dielectrica
LLLPIP
SaturaciónSPT% W
MH
CL
MH
Porosidad
A
Propiedades físicas y mecánicas
N.F.
64 Evaluación de la técnica de prospección mediante el uso de Georradar
Teniendo en cuenta la metodología para la determinación de la constante dieléctrica
descrita previamente, se ha calculado este parámetro para el estrato superior (limos de
consistencia blanda) en cada uno de los sondeos. Es importante mencionar que dado
que solo es posible asignar un valor de constante dieléctrica por estrato, han sido
tomados los valores de las muestras más cercanas a la superficie de contacto entre los
estratos. Así mismo dada la similitud de los resultados de los ensayos de gravedad
especifica realizados, los cálculos para todos los sondeos fueron realizados
considerando 2.58 como dato constate. Así las cosas a continuación se presentan el
valor de constante dieléctrica deducido por el método 2 en cada sondeo.
Tabla 5-4. Constante dieléctrica, método 2
SONDEO POROSIDAD SATURACIÓN CONSTANTE DIELÉCTRICA
PROFUNDIDAD DE CONTACTO (m)
1 0.49 0.99 29.8 5.2
2 0.7 0.7 14.5 7.0
3 0.7 1.0 45.5 3.9
4 0.5 1.0 31.8 2.9
5 0.6 0.9 30.2 2.9
6 0.7 0.8 34.1 5.0
7 0.6 1.0 36.3 4.8
8 0.6 1.0 27.3 4.9
9 0.6 1.0 41.9 4.8
10 0.6 1.0 33.9 5.4
11 0.5 1.0 28.1 5.8
12 0.6 1.0 23.8 6.7
13 0.6 1.0 31.0 5.9
Una vez calculadas las constantes dieléctricas mediante los dos métodos establecidos en
el presente documento y tomando como referencia la constante dieléctrica determinada
en la Tabla 5-1 que corresponde al valor calculado por medio de la profundidad real del
contacto, es posible establecer que el método que se aproxima mas a los valores reales
es el método 1, ya que como se aprecia en la figura a continuación, los resultados
obtenidos mediante el método 2, se alejan considerablemente de los de referencia, hasta
el punto de obtener valores superiores a los establecidos por la bibliografía como
máximos para materiales limosos.
Capítulo 5 65
Figura 5-3. Comparación valores de constate dieléctrica. Sondeo 1
Con base en lo anterior se ha establecido mediante las constantes dieléctricas calculadas
la profundidad de contacto mediante el uso del GPR para el sondeo 1, en la figura a
continuación se presenta los resultados obtenidos.
66 Evaluación de la técnica de prospección mediante el uso de Georradar
Figura 5-4. Comparación profundidades de contacto. Sondeo 1
Con base en lo anterior se ha establecido mediante las constantes dieléctricas calculadas
la profundidad de contacto mediante el uso del GPR para el sondeo 1, en la Figura 5-4 se
presenta los resultados, este procedimiento fue realizado para todos los sondeos
ejecutados y se presenta en el plano anexo a este documento.
5.3. Calculo de error absoluto y error relativo
Para el cálculo del error relativo con respecto a la profundidad real, también se calculó el
error absoluto. El error absoluto es la diferencia real entre los dos valores (la profundidad
de la interfaz obtenida por el sondeo menos la profundidad obtenida por el GPR). Por
ejemplo, si la profundidad de contacto real es de 2 m y la medida del GPR está errada
por 0.6 m, el error relativo será grande. Pero, si la profundidad del contacto es de 12 m y
Profundidad real
Profundidad
Método 2
Profundidad
Método 1
Capítulo 5 67
el GPR está errado por 0.6 m, el error relativo será mucho menor, a pesar de que el valor
del error absoluto, 0.6 m, no ha cambiado.
Para calcular el error absoluto se restó el valor obtenido por el GPR de la medida real
obtenida por el sondeo. El valor absoluto de este número evidentemente no puede ser un
valor negativo. Por ejemplo: El GPR arroja un contacto a 18 m de profundidad, este será
el valor experimental. Por otra parte, el sondeo revela que el contacto real se encuentra a
20 m de profundidad; este será el valor “real”. El error absoluto en este ejemplo es de 20
- 18 = 2 m.
Para obtener el error relativo en el ejemplo, se divide el error absoluto entre el valor de la
medición real: 2/20 = 0.1. Al multiplicar este valor por 100 se obtiene el porcentaje de
error (10% en este caso).
A continuacion se presenta la Tabla 5-5 y Tabla 5-6, donde se presenta el calculo error
relativo y el error absoluto en la determinacion de la profunidad del contacto entre los
materiales presentes en la zona en elvaluación para los dos metodos utilizados en la
determinacion de la constante dielectrica.
Tabla 5-5. Porcentaje de error método 1
SONDEO PROFUNDIDAD DE CONTACTO
REAL (m)
PROFUNDIDAD ESTIMADA -
GPR (m)
ERROR ABSOLUTO
(m)
ERROR RELATIVO (%)
1 10 13.1 3.1 31.0
2 6 6 0 0.0
3 7 8.2 1.2 17.1
4 3 3 0 0.0
5 5.5 2.9 2.6 47.3
6 9 7.2 1.8 20.0
7 9 9 0 0.0
8 9.5 10.5 1 10.5
9 9.5 7.1 2.4 25.3
10 6 5.9 0.1 1.7
11 10.5 8.6 1.9 18.1
12 9 9 0 0.0
13 12 12 0 0.0
Aun cuando los valores correspondientes al error relativo oscilan entre 0% y 47.3%, se
observa igualmente que los valores en metros del error absoluto no superan los 2.6 m
con excepción del valor del sondeo 1 (3.1 m).
68 Evaluación de la técnica de prospección mediante el uso de Georradar
Figura 5-5. Gráfica de error absoluto por sondeo método 1
En el gráfico anterior se agruparon los sondeos en donde se pudo determinar el
porcentaje de error absoluto del uso de la técnica de GPR en rangos de 1 metro, con lo
cual ha sido posible establecer que 7 de los 13 puntos de sondeo evaluados (53%)
presenta un valor de error absoluto menor a 1 m, mientras que el 31% de los puntos
muestra valores entre 1 y 2 m, esto indica un tolerable grado de precisión en el ámbito de
la exploración con fines geotécnicos.
Tabla 5-6. Porcentaje de error método 2, resultado de laboratorio
SONDEO PROFUNDIDAD DE CONTACTO
REAL (m)
PROFUNDIDAD ESTIMADA -
GPR (m)
ERROR ABSOLUTO
(m)
ERROR RELATIVO (%)
1 10 5.2 4.8 48.0
2 6 7 1 16.7
3 7 3.9 3.1 44.3
4 3 2.9 0.1 3.3
5 5.5 2.9 2.6 47.3
6 9 5 4 44.4
7 9 4.8 4.2 46.7
8 9.5 4.9 4.6 48.4
9 9.5 4.8 4.7 49.5
10 6 5.4 0.6 10.0
11 10.5 5.8 4.7 44.8
12 9 6.7 2.3 25.6
13 12 5.9 6.1 50.8
Capítulo 5 69
Aun cuando los valores correspondientes al error relativo oscilan entre 0% y 50.8%, se
observa igualmente que los valores en metros del error absoluto en su mayoría se
encuentran entre los 2.5 y los 5.0 m.
Figura 5-6. Gráfica de error absoluto por sondeo método 2
En el gráfico anterior se agruparon los sondeos en donde se pudo determinar el
porcentaje de error absoluto del uso de la técnica de GPR en rangos de 1 metro, con lo
cual ha sido posible establecer que 3 de los 13 puntos de sondeo evaluados (23%)
presenta un valor de error absoluto menor a 1 m, mientras que el 61% de los puntos
muestra valores superiores a 3 m, esto indica muy baja precisión en el ámbito de la
exploración con fines geotécnicos.
La combinación de los resultados obtenidos entre la exploración directa y la indirecta
permite generar una representación tridimensional de la disposición de los materiales
presentes en el subsuelo mediante el uso del método 1 para la determinación de la
superficie de contacto, lo que es posible gracias a la gran cantidad de traces o lecturas
que toma el georradar a lo largo de cada una de las líneas pudiendo generar un perfil
longitudinal continuo mostrando sin interrupciones la geometría de la superficie de
contacto entre los materiales identificados, así como se muestra en las figuras a
continuación.
70 Evaluación de la técnica de prospección mediante el uso de Georradar
Figura 5-7. Vista Sureste – Noroeste.
Figura 5-8. Vista Sur – Norte.
Por otra parte, con base en los resultados obtenidos en cuanto al espesor del estrato
superficial se creó un diagrama de isoprofundidades que presenta, desde una vista en
planta, la variablilidad de dichos espesores. Esto permite establecer con claridad la
incidencia del material superficial en un diseño geotécnico y en el desarrollo de un
proceso constructivo subsecuente.
ZONA 1
ZONA 2
ZONA 1
ZONA 2
Capítulo 5 71
Figura 5-9. Diagrama isoprofundidades
Pro
fun
did
ad d
el con
tacto
(m
)
L1
L2
L3
L4
L5 L6
L7
L8
L9
L10
Capítulo 6. Conclusiones
Una vez correlacionados los resultados de la exploración directa y la indirecta y teniendo
en cuenta los resultados mostrados en la figura anterior, es posible corroborar que la
técnica de prospección mediante GPR por si sola permite determinar de manera general
la posición de los contactos entre materiales, ya que al igual que como se menciono en el
numeral 4.3.1. y como se presento en la Figura 4-16 el sector nororiental (Zona 1) del
área estudiada corresponde a la zona en la que el estrato superficial cuenta con menor
espesor, lo cual fue ratificado con los sondeos directos.
Con base en las actividades realizadas en el presente trabajo fue posible establecer las
siguientes conclusiones y recomendaciones.
Con el fin de establecer las propiedades físicas y mecánicas de los materiales
que conforman el perfil estratigráfico en la zona de estudio, se procedió a la
realización de un completo programa de exploración directa del subsuelo que
consistió en 13 sondeos o barrenos manuales con profundidades variables entre
3.0 y 14.8 m. con sus respectivos ensayos de laboratorio (granulometría, límites
de Atterberg, humedad natural, gravedad especifica y peso unitario), los cuales
fueron distribuidos de tal manera que fuera posible caracterizar adecuadamente el
subsuelo de los 108.000 m2 correspondientes al sector seleccionado para la
ejecución del trabajo.
Como parte del programa de exploración indirecta mediante el uso del GPR, Se
llevaron a cabo 10 líneas de georradar distribuidas en dos “mallas” o “cuadriculas”
distribuidas en el área seleccionada para la investigación, posteriormente los
resultados fueron interpretados con base en el procedimiento descrito en el
numeral 3.4.
Capítulo 5 73
Se utilizaron dos técnicas para la determinación de la constante dieléctrica, la
primera mediante la calibración del GPR con un sondeo de referencia y la
segunda mediante la relación de las propiedades físicas de los suelos obtenidas
mediante los resultados de los ensayos de laboratorio. Para cada una de las
técnicas fue calculado el porcentaje de error en cada uno de los sondeos
ejecutados.
Dadas las variaciones en los resultados de los ensayos de laboratorio, (contenido
de humedad y pesos específicos) los valores de error absoluto determinados en
el uso de la técnica mediante correlaciones de la constante dieléctrica con las
propiedades físicas de los suelos (método 2), son muy elevados, alcanzando
valores de error absoluto de hasta 6.1 m, lo cual se considera inaceptable en la
determinación de los espesores de suelo.
El equipo GPR con una antena de 50 MHz correlacionado con sondeos directos
(método 1) es eficaz para detectar con un grado aceptable de precisión la
profundidad de los contactos entre diferentes materiales presentes en el
subsuelo. Esto en virtud a que los resultados numéricos obtenidos muestran que
para el material subyacente (limo con presencia de arenas) el valor de constante
dieléctrica correspondiente al rango entre 4.6 y 14.1 permite establecer una
profundidad muy cercana al valor real obtenido con las perforaciones en todos los
casos encontrando porcentajes de error entre 1.7 y 47.3%. Sin embargo es
importante mencionar que la diferencia de profundidades no supero los 3.1 m, en
el caso del método 1 utilizado en el presente documento.
La técnica de prospección mediante el uso de georradar corresponde a un
método efectivo para la visualización de la existencia de estratos de diferentes
rigideces, ya que aunque las profundidades determinadas no fueron exactas,
todos los GPR realizados mostraron la presencia de dos tipos de materiales
(limos de consistencia blanda y arenas y gravas de compacidad densa), lo cual es
consistente con la exploración directa del subsuelo.
El GPR y la antena de 50 MHz, dadas sus características de manejabilidad,
rapidez, carácter no destructivo y resolución es un equipo adecuado para la
prospección geotécnica y la identificación de contactos entre materiales del
subsuelo, cuyo alcance alcanza los 15 m de profundidad, lo cual fue ratificado en
74 Evaluación de la técnica de prospección mediante el uso de Georradar
la línea 2 donde fue posible establecer la presencia de un cambio de material a
esta profundidad, por otra parte de requerirse investigación del subsuelo cuyo
alcance sea inferior a los 15 m de profundidad, se considera adecuado emplear
antenas que emitan ondas cuya frecuencia sea mayor a los 100 MHz, esto con el
fin de obtener registros con mejor resolución que permitan obtener mayor
información como es el caso de la posición del nivel freático y la presencia de
interfaces de materiales.
La técnica de GPR permite visualizar con claridad la geometría de las interfaces
entre materiales a lo largo del sector explorado en tanto que mediante exploración
directa sería necesario practicar dos o más sondeos para interpolarlos y así
obtener una disposición de la superficie de contacto menos precisa entre los
mismos materiales.
El uso de la técnica GPR aunque por si sola no representa un método adecuado
para la caracterización física y mecánica del subsuelo, si es una alternativa
adecuada para la identificación preliminar de la estratificación de las capas del
subsuelo presentes la zona en evaluación, así como para la caracterización inicial
de los tipos de material.
En el proceso de interpretación de todos los radargramas realizados en el
presente trabajo de grado no fue posible establecer la presencia del nivel freático,
lo que implica una desventaja de la técnica con respecto a la exploración directa,
esto debido a que la antena de 50 MHz aunque penetra profundidades que
superan los 15 m, la nitidez de los registros no es optima para la identificación de
la capa freática, por lo tanto se considera que para este propósito debe emplearse
una antena de mayor frecuencia que permita obtener radargramas de mejor
calidad que puedan complementar la información de los obtenidos con la antena
de 50MHz.
Desde el punto de vista académico se considera de gran importancia poder
establecer si la superposición de registros obtenidos mediante ondas de distintas
frecuencias podría generar un radargrama definitivo de mayor claridad que
permita establece de manera mas precisa entre otras cosas la posición real de
los contactos entre materiales y el nivel freático.
Capítulo 5 75
La velocidad de propagación de onda electromagnética en el subsuelo no permite
establecer ningún tipo de propiedad física y mecánica de los materiales, lo que
corrobora lo manifestado por la normatividad vigente (NSR-10 y CCP-14): La
exploración indirecta es un complemento de la directa, ya que por sí sola no
puede conformar la totalidad de la exploración del subsuelo en un proyecto de
Ingeniería.
La combinación del método directo con el indirecto en este caso mostró:
o Reducción de prolongados y costosos sondeos.
o Posibilidad de establecer un gráfico de isoprofundidades uniendo cada
perforación mediante los perfiles obtenidos por los radargramas.
o Obtención de una vista clara del subsuelo para todo propósito ingenieril.
o Reducción de tiempos en el desarrollo de un proyecto ya que el método
indirecto tiene un tiempo de procesamiento inferior con respecto a las
perforaciones y ensayos conexos.
A. Anexo: Radargramas
B. Anexo: Registros gráficos de propiedades
C. Anexo: Exploración directa del subsuelo
D. Anexo: Plano modelo geotécnico
Capítulo 7. Bibliografía
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