Ensayos geofísicos

(84.07) Mecánica de Suelos y Geología

FIUBA

Índice

• Definición• Métodos mecánicos

ofís

icos

• Otros métodos geofísicos

Ens

ayos

geo

2

Métodos geofísicos

La geofísica estudia el terreno a través de• Modificaciones locales de campos naturales

( d d ti t )ofís

icos

(gravedad, magnetismo, etc) • Respuesta a campos inducidos por el hombre

( l t ti t d d )Ens

ayos

geo

(electromagnetismo, trenes de ondas)Son ensayos no destructivos que requieren una mínima intervención en el terreno que se estudiamínima intervención en el terreno que se estudia

3

Métodos geofísicosof

ísic

os

Método Campo de Fuerza Propiedad Físico o Química

Magnético campo de fuerza magnético permeabilidad magnética ( μ )

Gravimétrico campo de fuerza gravífico densidad, gravitrones ( ρ )

Ens

ayos

geo

p g ρ

Eléctricocampos eléctricos natural y artificial

potenciales REDOX,conductividad eléctrica ( σ )

Sísmicocampo atificial creado por las

Sísmico ondas símicas densidad ( ρ ), elasticidad

Radiométrico

radiación radioactiva radioactividad, emisión departículas eléctricas cargadas desde el núcleo de átomos dedesde el núcleo de átomos demateriales radioactivos

Geotérmicogradiente de temperaturaterrestre conductividad térmica

Geoquímicoemanación de vapores,asenso y descenso de soluciones

potenciales REDOX, conductividad eléctrica ( σ )4

Índice

• Definición• Métodos mecánicos

ofís

icos

• Otros métodos geofísicos

Ens

ayos

geo

5

Propagación de ondas superficiales

ofís

icos

Ens

ayos

geo

6

Atenuación de ondasof

ísic

osE

nsay

os g

eo

7

E26

Diapositiva 7

E26 La profundidad del bulbo de energía de las ondas R es de aproximadamente una longitud de onda.Ernesto, 30/04/2007

Sísmica derefracción

ofís

icos

Ens

ayos

geo

V1a

V2b a

V3

8

Sísmica de refracciónof

ísic

osE

nsay

os g

eo

(FHWA)9

Sísmica de refracción: Limitaciones del procedimiento

ofís

icos

Ens

ayos

geo

c line

line

Seisimic

l

Seisimic

lin

A B

10

Sísmica de refracciónof

ísic

osE

nsay

os g

eo

11

Sísmica de refracciónof

ísic

osE

nsay

os g

eo

12

Sísmica de refracción: Un resultado

ofís

icos

Ens

ayos

geo

13

Ensayo crosshole

Dynamic SignalA l

ofís

icos Wire Rope Air Pressure Line

Orientation RodsAir Pressure Line

Analyzer

Ens

ayos

geo

Cased Borehole

Velocity Transducer(Trigger)

Moveable

Assumed Path of Body Waves

MoveableUpper Weight

Moveable

Locking Wedge

3-D GeophoneAir Packer

Lower WeightGrouting

(FHWA)14

Ensayo downholeDynamic SignalAnalyzer Trigger

ChannelSi l

ofís

icos Orientation Rod

Air Pressure LineHammer

ElectricalTrigger

Inclined Hammer Blow

SignalChannel

Ens

ayos

geo

Cased BoreholeGeneration ofConcreteBl k

Generation ofBody WavesBlock

3 D Geophone

Air Packer

3-D GeophoneGrouting

(FHWA)15

Sísmica dereflexión

• Mide ondasreflejadasAlof

ísic

os

• Alcanza mayorprofundidad

Ens

ayos

geo

16

Rangos de resultadosof

ísic

os

Steel

P - Wave Velocities

Ens

ayos

geo

Ice

Weathered Rocks

Intact Rocks

ooíiao4asi0oo)caMooían7

(8cc

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000

Fresh Water

Sea Water

Compression Wave Velocity, Vp (m/s)17

Rangos de resultadosof

ísic

os

Steel

S - W ave V elocities

Ens

ayos

geo

(8ccEyi4ias.i0i7o gyefEnsayso gyef

ooíiao4asi0oo)caMooían7(8cc

}0 1000 2000 3000 4000

Shear Wave Velocity V (m/s)

Fresh Water

Sea Water } V s = 0

Shear Wave Velocity, VS (m/s)

18

SASW: Dispersión de ondas Rayleigh

ofís

icos

• La inhomogeneidad y estratificación del terreno genera dispersión en las ondas superficiales:Las ondas de distinta frecuencia viajan

Ens

ayos

geo Las ondas de distinta frecuencia viajan

a distintas velocidades• Las ondas superficiales alcanzan una profun• Las ondas superficiales alcanzan una profun-

didad aprox. igual a su longitud de onda• Si se mide la velocidad de propagación asociadaSi se mide la velocidad de propagación asociada

a una frecuencia se puede obtener información sobre el medio a la profundidad de su longitud de p gonda

19

Ondas superficiales – Medio homogéneo

Amplitud(z) / Amplitud superficial λ1 λ2

ofís

icos

z/λ1 2

Ens

ayos

geo

vfasevr

G1

C d

Medio no dispersivoλ

Curva de dispersión

Solución de Rayleigh

(Czelada 2010)20

Medio estratificado

λ1 λ2 λ1 λ2

ofís

icos

(v1 >

v 2)

v 1 <

v2) v1 v1

Ens

ayos

geo

pers

ivo

(

pers

ivo

(v v2 v2

men

te d

is

ente

dis

p

inve

rsam vfase

norm

alm vfase

Med

io

Curva de dispersiónλM

edio

Curva de dispersiónλ

(Czelada 2010)

21

Secuencia del método SASW

• Se miden los registros en el terreno• Se construye una curva de dispersión local

ofís

icos

• Se deriva una curva de dispersión global• Se resuelve el problema inverso

Ens

ayos

geo

• Se determina el perfil de rigidez del terreno

22

Ensayos de Campo - registros

Geófono A

Geófono B

ofís

icos

RegistroEns

ayos

geo D=1m

g

Geófono A

Separación D = 1m, 2m, 4m, 8m, 16m Geófono B

p , , , ,…

Contenido de frecuencias

D=1m

(Czelada 2010)23

Curva de dispersión local of

ísic

os

Diferencia de fase relativa Diferencia de fase absoluta

Ens

ayos

geo

onda

Velocidad de fase

ongi

tud

de

(Czelada 2010)

2424 Coherencia Curva de dispersión local

D=1m

L

24

Curva de dispersión global Velocidad de fase

nda

Velocidad de fase

ofís

icos

ngitu

d de

on

D = 1m

Ens

ayos

geo

Lon

Velocidad de faseVelocidad de fase

onda

D =16m

ongi

tud

de

25Curva de dispersión global

Lo

(Czelada 2010)25

Problema directo e inversoProblema directo

V

Problema inverso

ofís

icos

G1;E1;H1,ρ1

G2;E2;H2,ρ2

VR Curva de dispersión

Ens

ayos

geo

G3;E3;H3,ρ3

λ

VR  Perfil

? ?

PerfilCantidad de

estratos?

Propiedades

λ

Propiedades mecánicas?

(Czelada 2010)26

Solución del problema inverso

Empírica AnalíticaVR  Vs  VR  Vs 

ofís

icos

Ens

ayos

geo

λ Z λ Z

Medio estratificado de parámetros G,E,ρ y H

El perfil de velocidad de corte se

Medio homogéneo: Ondas Rayleigh

Crecimiento gradual de la rigidez El perfil de velocidad de corte se determina de forma iterativa

Se adoptan propiedades y se calcula la curva dispersión hasta

Crecimiento gradual de la rigidez con la profundidad

El perfil de velocidad de corte se determina por un cambio de escala calcula la curva dispersión hasta

similitud suficientedetermina por un cambio de escala de la curva de dispersiónvs = α vr ; α ≈ 1.10-1.05 ; Z ≈ 0.5λ

(Czelada 2010)27

Perfil del terreno - Comparación entre métodos de inversión

dofís

icos

Metodo empírico WinSASW

Ens

ayos

geo

sper

sión

rigid

ez

rva

de d

is

Per

fil d

e r

WinSASWMetodo empírico

Cur P

(Czelada 2010)28

Errores asociados – Medición

Ruido ambiente – stackingfmuestreo < 2 fonda

1

ofís

icos

2

Ens

ayos

geo

4

8

fmuestreo > 2 fonda

16

2932

(Czelada 2010)29

Errores asociados – Curva de di ió i t ldispersión experimental

Perfil normalmente dispersivoPerfil no dispersivo

ofís

icos

λ1 λ2

pp

D fC

φ =⎛ ⎞ Kfφ =

Ens

ayos

geo

ta ø

V1

V2

V1

V2

ta ø

2 fase

fV Cte

φ

π=⎛ ⎞

⎜ ⎟⎝ ⎠

Kfφ =

ase

abso

lut V2 V2

ase

abso

lut

eren

cia

de fa

eren

cia

de fa

Frecuencia hz

Dife

Frecuencia hz

Dife

K(Czelada 2010)30

Errores asociados - Problema inverso

ofís

icos

erre

no

Ens

ayos

geo

erfil

del

te

WinSASW

Pe

31

WinSASW

Metodo empírico(Czelada 2010)31

Índice

• Definición• Métodos mecánicos

ofís

icos

• Otros métodos geofísicos

Ens

ayos

geo

32

Resistividad eléctricaof

ísic

osE

nsay

os g

eo

33

Rangos de resultadosof

ísic

os

Weathered Rocks

Resistivity Values (ConeTec & GeoProbe, 1997)

Ens

ayos

geo

Sands & Gravels

Glacial Till

oÍgadÍggfioían7f

1 10 100 1000 10000

Clay

Bulk Resistivity, ρ (ohm-meters)34

Magnetometría

• Mide diferencias de campo magnético producido por las rocasTi f did d d t di d (k )of

ísic

os

• Tiene una profundidad de estudio grande (kms) y aumenta con la altura de relevamiento.

Ens

ayos

geo

35

Magnetometríaof

ísic

osE

nsay

os g

eo

36

Conductividad electromagnética

Gravimetríaof

ísic

os

• Se miden diferenciasde densidad del sustratoAl f did d

Ens

ayos

geo • Alcanza profundidades

grandes (kms)

(Chernicoff y Zappettini 2007)38

Radimetría

• Mide la radiación emitida por unidad de tiempo• K, U y Th son

l l tofís

icos

los elementos radioactivos más comunesE

nsay

os g

eo

comunes• Sólo se mide la

radiación deradiación de superficie

39

Geoeléctrica

• Mide diferencias de resistividad o conductividad de los sustratos que atraviesaTi f did d d t di di ( 100of

ísic

os

• Tiene una profundidad de estudio media (~100 m)S f i d t t fl idE

nsay

os g

eo

• Se usa con frecuencia para detectar fluidos

40

Geoeléctricaof

ísic

osE

nsay

os g

eo

1. Zona infiltrada por HC2. Zona de transición3. Sustrato limpio4. Piletas con HC revestidas con geomembrana41

Georradar (GPR)

• Mide la reflexión de ondas de radio emitidas por una antenaE ét d d b j t ióof

ísic

os

• Es un método de baja penetración y muy perturbable en ambiente urbano

Ens

ayos

geo

42

Bibliografía

• Básica– Kulhawy & Mayne. Manual on estimating soil properties

for foundation design EPRI (fuente de figuras)ofís

icos

for foundation design. EPRI (fuente de figuras)• Complementaria

– FHWA (2001) Manual on subsurface investigationsEns

ayos

geo

– FHWA (2001). Manual on subsurface investigations. NHI-01-031.

– FHWA (2006). Soils and Foundations I y II. NHI-06-088– USACE (2001). Geotechnical Investigations. EM 1110-

1-1804

43