9. ensayo de sísmica de refracción

UNIVERSIDAD FRACISCO DE PAULA SANTANDER

MÉTODOS DE PROSPECCIÓN SÍSMICA PARA EVALUAR

MACIZOS ROCOSOS

REFRACCIÓN

ÁLVARO PEDROZA ROJAS

EXPLORACIÓN SÍSMICA

Es posible generar mediante una fuente artificial de energía

ondas elásticas que se propagan a través del terreno.

En dicha técnica se apoya la sísmica para hacer prospección

sísmica o sea, estudiar el subsuelo en general, permitiendo obtener

información geológica de los materiales que lo conforman.

La prospección sísmica permite inspeccionar, con buena resolución, diferentes niveles de

profundidad [desde los primeros metros del terreno (sísmica de alta resolución o sísmica

superficial; shallow seismic) hasta varios kilómetros de profundidad (sísmica profunda;

deep seismic).

La sísmica profunda utiliza fuentes de energía muy potentes (explosivos o

camiones vibradores) capaces de generar ondas elásticas que llegan a las capas

profundas del subsuelo, mientras que para la sísmica superficial se utilizan

martillos de impacto, rifles sísmicos y explosivos de baja energía.

El equipo y material a utilizar en una campaña sísmica está en

función del objetivo del estudio.

La sísmica profunda se aplica a la detección de reservorios petrolíferos (ya sea

terrestre o marítima), grandes estructuras geológicas (plegamientos montañosos,

zonas de subducción, etc.), yacimientos minerales, domos salinos, etc. La sísmica

superficial se aplica en obras de menor envergadura, trabajos públicos e ingeniería civil.

Reflexión sísmica

- ecosondeo

- perfiles

Refracción sísmica Sísmica

MÉTODOS PRINCIPALES

Down hole Crosshole

Los métodos de exploración sísmica son Métodos no destructivos,

aportados por la geofísica para la determinación de las características geotécnicas

de un terreno.

Sus ventajas son

Mayor alcance: cobertura y profundidad

Menor costo

Menor tiempo

Captura detalles no visibles a simple vista

Requiere de equipo especial

Demanda preparación en la interpretación de

resultados

Reflexión Sísmica

Nos ayuda a conocer las profundidades del mar y el grosor

y estructura de los estratos sedimentarios

ACBCA ACBA ACA ABA

Ecosondeo

PDR (Precision Depth Recorder)

Ecosondas de baja frecuencia (3.5 KHz)

Frecuencias:

PDF 12 KHz

EBF 3.5 KHz

Perfiles de Reflexión 20-200 Hz (0.02-0.2KHz)

>FRECUENCIA >ATENUACIÓN >RESOLUCIÓN

OBJETIVO

Determinar la Velocidad de Propagación de las ondas sísmicas en

el suelo.

Obtener, a partir de la velocidad de propagación de las ondas

sísmicas, el tipo, espesor, carga admisible y módulo de elasticidad

de dicho estrato de suelo.

MÉTODO DE REFRACCIÓN SÍSMICA

DEFINICIÓN BÁSICA DE REFRACCIÓN

La refracción sísmica es el cambio de dirección

experimentado por una onda sísmica al pasar de un

estrato o medio material a otro.

Sólo se produce si la onda incide oblicuamente sobre la

superficie de separación de los dos medios y si éstos

tienen índice de refracción distintos.

La refracción se origina en el cambio de velocidad de

propagación de la onda.

Cuando un rayo se refracta al pasar de un medio a otro, el

ángulo de refracción con el que entra es igual al ángulo

en que sale al volver a pasar de ese medio al medio

inicial.

La velocidad de propagación de las ondas sísmicas depende de la DENSIDAD

del medio de propagación y, por lo tanto, de la profundidad y de la composición

de la región atravesada por las ondas.

Se producen fenómenos de refracción sísmica en los siguientes casos:

Refracción entre la transición entre dos capas geológicas, especialmente

entre el manto terrestre y el núcleo de la tierra .

En el manto, por pequeñas desviaciones de la densidad entre capas

ascendentes menos densas y descendentes, más densas.

BASE DEL MÉTODO

El método sísmico de refracción se basa en la diferencia

de velocidad de la onda sísmica en los distintos

terrenos, y en la propiedad que tienen las ondas al

cruzar la frontera entre dos tipos de terreno distintos

de sufrir refracción, (al igual que sucede con las

ondas de luz), modificando su dirección en un ángulo

cuyo valor depende de la relación entre las

velocidades de onda de cada terreno.

IMPULSO GENERADOR DE LA ONDA

La fuente de generación de energía puede ser un impacto o una pequeña carga

explosiva que se coloca, usualmente en un punto de la superficie.

La recepción de la señal se logra mediante geófonos (detectores de pequeñas

vibraciones en el terreno), dispuestos a distintas distancias del punto de impacto. Se

mide el momento en que llega la primera onda que alcanza a un determinado

geófono. De esta forma se obtiene la velocidad de transmisión.

GEÓFONOS

FUENTES

Explosivos (tierra firme, pantano)

Vibradores (tierra firme)

Air Guns (agua)

DESCRIPCIÓN DEL ENSAYO

Empleando como fuente de energía un impacto mecánico (choque o explosión) dado

sobre una platina metálica dispuesta en la superficie del terreno, se generan ondas

sísmicas que se propagan en el subsuelo, a diferentes velocidades según el medio

térreo de propagación.

La velocidad de las ondas sísmicas está en función de la densidad de las capas

consideradas; aspecto que es fundamento para la prueba de refracción sísmica.

En la mayoría de los casos, para el subsuelo próximo, las capas presentan

velocidades crecientes con la profundidad.

Se admite que la onda de choque se propaga en línea recta en un terreno dado, no

cambiando nunca la dirección, excepto cuando penetra en un terreno diferente

(refracción de la onda).

Al producirse el impulso, las ondas se emiten en todas direcciones.

Una onda en particular recorre un camino por la superficie del terreno en

dirección al geófono (onda directa). Otras ondas descienden con diversos

ángulos respecto a la horizontal.

Al encontrar un estrato inferior con diferente velocidad sísmica, la onda se

refracta en el plano de contacto entre ambos terrenos.

Existe una dirección de onda que, al alcanzar el estrato inferior con un

determinado ángulo de incidencia, su refracción se dirige por encima del

estrato inferior paralelamente a la frontera entre terrenos. Esta onda, con

su nueva dirección, continúa emitiendo energía hacia la superficie con un

ángulo de refracción simétrico al de incidencia anterior, por lo que los

geófonos pueden llegar a detectarla.

Si la velocidad sísmica del terreno inferior tiene un valor mayor que la del

terreno superficial, el tiempo necesario para que la onda refractada

alcance un punto de la superficie puede llegar a ser menor que el

requerido por la onda directa que viaja superficialmente, aún cuando la

longitud del camino sea mayor. Los geófonos cercanos al impulso reciben

en primer lugar la onda directa, pero a los que se encuentran a una cierta

distancia les alcanza antes la onda refractada.

Sean dos capas diferentes, superpuestas, A y B, la capa superior A tiene una velocidad V1, que es inferior a la velocidad V2, correspondiente a la capa inferior B.

A

B

V1, 𝛒1

V2,𝛒2

Fuente Geófono

V1 < v2 𝛒1 < 𝛒2

d

i

Figura I

La onda creada podrá alcanzar el geófono siguiendo dos caminos diferentes:

Un camino lento, pero más corto por el

terreno A. Un camino rápido, pero más largo por el

terreno B.

Si en la figura I, la distancia [d] es pequeña, es decir si

la distancia entre el geófono y la fuente se

encuentran próximos, será la onda que va por el

terreno A la que alcance antes el receptor (camino

corto).

Si después, el punto de impacto se encuentra

suficientemente alejado del geófono, será la onda

que pasa por el terreno B la que llegará primero

(camino más largo, pero mayor velocidad).

V1

B

Ensayo de Sísmica de Refracción

Capa A

Capa B

ARREGLO

Se denomina ARREGLO al diseño de la línea o malla que servirá de

base para realizar la sísmica.

Usualmente, el arreglo se define con base en las

condiciones topográficas del terreno, en el área que se

desea prospectar, en el equipo y método fuente de

energía que va a ser utilizada.

ALGUNOS MODELOS DE ARREGLOS

En el terreno en donde se va a realizar la práctica, se debe despejar

de vegetación. La anchura requerida es de al menos 1.5 m. Un punto

de la referencia topográfica debe ser proporcionado para atar las secciones a la red topográfica local.

EQUIPO BÁSICO

Geófonos

Medidor de los tiempos de refracción de las ondas sísmicas en el

suelo.

Martillo o masa [Es recomendable idear un mecanismo que

posibilite la cuantificación de la energía que se suministre]

Explosivos [su uso requiere autorización de las autoridades

competentes]. Es prohibitivo su empleo en zonas

ecoambientales

Esquema del Ensayo de Sísmica de Refracción

0011010

1011010

1001010

0011010

1111010

…….……..

GRABACION DIGITAL

Señal Continua

Digitalización

Señal Reconstruida

Proceso de Digitalización

Cuando se digitaliza, una señal continua pierde las frecuencias por encima de la Frecuencia de Nyquist,

TÉCNICA DEL ENSAYO

El ensayo de refracción sísmica se realiza básicamente de la

siguiente manera:

Fuente o foco: Punto generador de la energía liberada. Un emisor

de ondas móvil (masa, martillo o explosivos) permite crear los

impactos.

Estación receptora: un captor fijo o geófono, mide el tiempo de

llegada de las ondas propagadas por el subsuelo.

FORMATOS “ESTANDAR” DE GRABACION DE DATOS SISMICOS

CAMPO: SEG-D, DAT, etc

PROCESAMIENTO: SEG-Y

Definen la estructura en que debe ser grabada, en archivos o medios magnéticos, la información relacionada con datos sísmicos.

La velocidad de las ondas sísmicas es influenciada por la saturación. En medios saturados la velocidad sísmica tiende a reducirse. Este efecto posibilita, el uso de la sísmica de refracción para la determinación del nivel de agua en los suelos permeables.

La profundidad alcanzada de una prueba de refracción depende de fuente de energía utilizada, de la calidad del medio natural y del arreglo que se haya diseñado. Normalmente se alcanzan niveles entre 10 y 20 m. con posibilidad de alcanzar profundidades del orden de 100 a 200 m. en determinados casos muy favorables.

De una forma general, la profundidad explorada está comprendida entre el 20 y el 40% de la distancia que separa el emisor del receptor.

Los resultados obtenidos de una prueba sísmica son.

Las velocidades de propagación de las ondas de los medios

encontrados

Los espesores de los estratos atravesados por las ondas.

Por comparación con medios tipo de referencia, es posible tener

una idea de la naturaleza geológica del medio térreo.

APLICACIONES DE LA SÍSMICA DE REFRACCIÓN

A problemas de cimentación

Al estudio de capas aluviales

A la evaluación de movimientos en masa

Estudios de fuentes de materiales [graveras y

areneros, etc].

FACTORES QUE AFECTAN LA SEÑAL

Una fuerte humedad crea generalmente corto circuitos en los aparatos

alterando las medidas.

El hielo modifica las velocidades falseando los resultados.

Una fuente de vibraciones próxima (viento violento en los árboles,

paso de trenes, circulación de maquinaria pesada), provoca ondas

parásitas que pueden también alterar las medidas.

Cuando se está en un terreno de alta velocidad, que se yace sobre otro

de velocidad más débil, este último no puede ser prospectado, puesto

que la onda profunda en ningún caso alcanzará la onda superficial.

CÁLCULOS

1. Elaborar la curva dromocrónica en el plano cartesiano de coordenadas distancia vs tiempo. En las abscisas se localizan las distancias entre el punto emisor y el geófono, y en las ordenadas los tiempos medidos.

2. La Curva Dromocrónica normalmente es una línea quebrada que está formada por segmentos de rectas correspondientes a las distintas capas del subsuelo.

3. Los diferentes segmentos que conforman la curva democrómica tienen un gradiente [pendiente] que es inversamente proporcional a la velocidad del medio considerado. Este concepto permite obtener las velocidades buscadas.

Curva Dromocrónica

Onda Refractada

1/V2

Onda Directa

c

1/V1

Distancia en metros

Tie

mpo e

n m

ilis

egundos

3. El espesor de los diferentes estratos, se puede calcular con la siguiente expresión:

Donde:

D = espesor de cada estrato.

c = distancia horizontal correspondiente al cambio de velocidad en la Curva Dromocrónica

V1 y V2 = velocidades de propagación en las diferentes capas de suelo.

12

12

VV

VV

2

cD

Cuando en el gráfico aparecen tres o más velocidades correspondientes a diferentes estratos, la expresión para estimar el espesor de los estratos inferiores es usualmente resuelta con la ayuda de ábacos o, para una primera aproximación se puede utilizar las siguientes expresiones:

O también:

1

23

2322 D*85.0

VV

VV

2

cD

23

231212

VV

VV

2

ccDD

V1

B

La Velocidad Sísmica es un indicador estimativo de dureza de los geomateriales . El término “Dureza” está referido a resistencia, compacidad, alta densidad, de los geomateriales.

De la teoría de la Elasticidad se sabe que la velocidad de una onda compresiva en un sólido indica que la velocidad puede expresarse en función de la densidad del material, del módulo de elasticidad y de la relación de Poisson.

De estos tres valores el más importante es el módulo de elasticidad, el cual es muy sensible a la continuidad y el contacto grano a grano.

OBSERVACIONES

Valores típicos de las velocidades son dados en la Tabla 1.

Es difícil de medir con un reloj sísmico la velocidad

del suelo por debajo de los 400 m/seg [1100

pies/s], ya que la onda aérea puede saltar el

geófono, en cuyo caso se tiene un valor erróneo

de V1 y c1, en las ecuaciones de profundidad.

Se sugiere revisar las velocidades del suelo del

orden de los 400 m/seg (1100 pies/s]

MATERIAL VELOCIDAD (pie/seg.)

Suelo 800 - 1800

Suelo Denso 1500 - 2000

Arena o Grava arriba Nivel Freático 1500 - 4000

Arcilla, Pizarra Blanda 4000 - 7000

Pizarra Dura 6000 - 10000

Arena Gruesa 5000 - 10000

Limo Alterado 4000 - 6000

Limo 8000 - 18000

Basalto 8000 - 13000

Granito 10000 - 20000

Depósito Glacial 40000 - 7000

Losa 10000 - 12000

Agua 5000

Aire 11000

1 pie/seg. = 0.3048 m/seg.

Tabla 1. Valores típicos de velocidades sísmicas

1. Valor aproximado del Módulo de Elasticidad (E) del suelo, utilizando la relación teórica:

Vi= velocidad de propagación de las ondas sísmicas en el interior del estrato, en m/s.

EE: módulo de elasticidad, en Kg/m2

50

VE

2i

E

Parámetros geotécnicos que pueden ser obtenidos a partir de la velocidad

sísmica determinada mediante pruebas de prospección sísmica

La Presión Admisible, , en Kg/cm2, de cada estrato de suelo, se puede determinar con la siguiente expresión:

Donde N, es el número de golpes del Ensayo de penetración estándar [S.P.T], el cual, a su vez puede calcularse mediante la siguiente expresión, a partir de la velocidad de propagación de las ondas sísmicas en el estrato:

10

N

6.7Vp*0284.0N

Entrando vp

en m/s

EJERCICIOS RESUELTOS

Ejercicio 1. Obtener el Módulo de Elasticidad de cada capa, a partir de los resultados de un ensayo de refracción sísmica, indicados en la tabla 2.

Tabla 2: REGISTRO DE SÍSMICA DE REFRACCIÓN

Proyecto: García Moreno-

Junín Alto

Línea Sísmica N°:

1 Operador: Ing. Torres

Ubicación: 4+380 Longitud de la

Línea: 45 m. Fecha: 13/10/1993

Prof. Investigación:

15 m. Dirección de la

Línea: S-W Equipo: N°5

Distancia (m)

Tiempo (s)

Distancia (m)

Tiempo (s)

Distancia (m)

Tiempo (s)

Observaciones (CROQUIS)

3 19,1

6 29,8

9 40,5

12 50,2

15 60,6

18 79,8

21 90,4

24 93,7

27 104,8

30 110,1

33 135,7

36 146,8

39 157,5

42 167,6

45 172,1

0

20

40

60

80

100

120

140

160

0 6 12 18 24 30 36 42

Distancia (m)

Tie

mp

o (

m.s

eg

)

Punto de Quiebre

4

La velocidad V1 será:

Y la velocidad V2 será:

segm5.2721000*2725.0V

msegmili

67.3V

1

445

266.211.172m

2

2

2

segm9.1871000*1879.0V

msegmili

32.5V

1

4

266.21m

1

1

1

El Módulo de Elasticidad para cada estrato de suelo será:

Este valor cae en el rango de E para Arena Suelta.

Este valor es típico de una Grava Compacta

2

2

2

2

22

mKg13.1485

50

5.272E

50

VE

2

2

1

2

11

mKg12.706

50

9.187E

50

VE

Existen muchas tablas en la literatura geotécnica que correlacionan diferentes materiales térreos con sus correspondientes rangos típicos de algunas de sus propiedades mecánicas

Ejercicio 2

Determinar el coeficiente de elasticidad a partir de los

siguientes datos, procedentes de un ensayo realizado para

tal fin.

D (m) t (ms)

5 8

10 21

15 26

20 28

25 32

30 38

35 42

40 45

Utilizando los datos anteriores realizamos la siguiente gráfica:

Punto de Quiebre

10.1

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

0 10 20 30 40 50

Aplicando las fórmulas se tiene:

1. La velocidad de propagación:

2. El espesor del estrato:

s

m44.12441000*244.1

2145

1.1040v

s

m4801000*48.0v

08.21.10

21m

v

1

2

1

1

1

m36.34801244

4801244*

2

1.10h

vv

vv*

2

xh

12

12

4. El número de golpes:

2

2

2

2

2

1

2

cmKg75.30950

50

1244E

cmKg4608

50

480E

50

VE

golpes28730.276.744.1244*0284.0N

golpes6032.66.7480*0284.0N

6.7V*0284.0N

1

p

3. El Módulo de Elasticidad:

N = 0.0280Vp − 2.4992

5. Finalmente la carga admisible, utilizando la ecuación modificada de Meyerhof,

adm = N/10, en Kg/cm2

22adm

21adm

cmKg8.2

10

28

10

N

cmKg6.0

10

6

10

N

El Módulo Cortante del suelo (G), para cada material, puede ser obtenido a partir de la expresión

G =1200 *(N) 0.8 ; G en Ton/m2, siendo N el número de golpes del SPT.

Estrato 1

G1 = 1200[6]0.8 = 5031.55 Ton/m2

G2 = 1200 [28]0.8 = 17254.71 Ton/m2

Puede igualmente calcularse el Ángulo de Fricción de Rozamiento Interno, en función de N del SPT, utilizando las correlaciones de Dunham u Osaki

= (12 +N)1/2 + 25 Dunham

Estrato 1 = (12 +N)1/2 + 25= (12+6) 1/2 + 25= 29.24° = (20 +N)1/2 + 15 = (20+6) 1/2 + 15= 20.1°

Estrato 2 = (12 +N)1/2 + 25= (12+28) 1/2 + 25= 31,32° = (20 +N)1/2 + 15= (20 +28)1/2 + 15 =21.92°

= (20 +N)1/2 + 15 Osaki

FORMATO TÍPICO PARA CAPTAR INFORMACIÓN DE

UNA PRUEBA DE REFRACCIÓN

NORMA NSR 10-COLOMBIA

TÍTULO A

CLASIFICACIÓN DE PERFILES DE SUELOS

http://es.scribd.com/doc/26886999/Metodos-Sismicos-Refraccion-y-Reflexion

www.gc.usb.ve/geocoordweb/Tesis/Pre/Julia%20Vilches.pdf

Direcciones de referencia y complemento

TEST http://conversemosdehistoria.blogspot.com/2011/04/sismos.html

http://www.osso.org.co/docu/tesis/2001/comportamiento/refraccion.pdf

http://ri.ues.edu.sv/4379/1/Aplicaci%C3%B3n%20del%20m%C3%A9todo%20de%20refracci%C3%B3n%20sismica%20para%20la%20dterminaci%C3%B3n%20de%20velocidades%20de%20ondas%20%20P.pdf

http://ri.ues.edu.sv/4379/1/Aplicaci%C3%B3n%20del%20m%C3%A9todo%20de%20refracci%C3%B3n%20sismica%20para%20la%20dterminaci%C3%B3n%20de%20velocidades%20de%20ondas%20%20P.pdf

http://www.jorgealvahurtado.com/files/Exploracion%20Geotecnica.pdf

http://revistas.lasalle.edu.co/index.php/ep/article/viewFile/1964/1830