Sociedad Mexicana de

Ingeniería Geotécnica, A.C.

XXVI Reunión Nacional de Mecánica de Suelos

e Ingeniería Geotécnica Noviembre 14 a 16, 2012 – Cancún, Quintana Roo

SOCIEDAD MEXICANA DE INGENIERÍA GEOTÉCNICA A.C.

Cono sísmico con registro de verticalidad Seismic cone with verticality Log

Rodrigo ROJAS-HERNANDEZ1, Sixto FERNÁNDEZ-RAMIREZ2, Mauricio ORTEGA-RUIZ3 y Miguel RODRÍGUEZ1

1Coordinación de ingeniería Sismológica, Instituto de Ingeniería, UNAM 2Departamento de sismotectónica, Gerencia de Estudios de Ingeniería Civil, CFE

3Universidad del Valle de México

RESUMEN: El método sismológico es común en la exploración geotécnica dentro de los ensayos de campo y pruebas no destructivas. Las técnicas más usadas son: Entre pozos (crosshole), Pozo único (downhole-uphole), sonda suspendida y el cono sísmico. Este último es importante en la exploración actual de suelos blandos ya que el ensaye puede realizarse simultáneamente a la prueba de penetración de cono. Lo anterior permite una operación oportuna y de bajo costo. La sonda que construimos alberga dos sensores de movimiento del terreno, separados un metro. Los sensores pueden ser dos geófonos omnidireccionales, con 28 Hz de frecuencia natural ó dos acelerómetros (MEM), de tres componentes. La información obtenida por los sensores se acondiciona para poderla trasmitir a la superficie del terreno con un nivel bajo de perdidas. La herramienta contiene adicionalmente un dispositivo para obtener la inclinación, azimut, desplazamiento en la horizontal respecto a la vertical, y la dirección de cada componente de registro, información que se obtiene en tiempo real durante el ensaye.

ABSTRACT: Seismic Method is quite common in geotechnical exploration amongst field investigations and non destructive tests. The most used techniques in wells are: Crosshole, downhole-uphole, suspended probe and the seismic cone. As for this last technique is of importance in current exploration on soft soils due to the fact that the try out can be simultaneously performed along with the Seismic cone penetration test. If fully performed as stated before it will lead to an optimal operation at a low cost. The probe that we build consists of two movement sensors, each separated by a meter. Those sensors could be either omnidirectional geophones, with a 28 Hz of natural frequency, or three component accelerometers (MEM). The data obtained through the sensors is adapted so that it can be transmitted to the terrain surface with a very little loss of data. Such Tool additionally contains a device with which, inclination, the azimuth, horizontal displacement in relation to the vertical axis, and the direction of each registry compound, can be acquired; such information is obtained in real time during the test.

1 INTRODUCCIÓN 1.1 Generalidades En la exploración geotécnica los ensayes de penetración directa han tenido una evolución sostenida, en donde sobresalen las pruebas de penetración estándar (SPT), el ensaye de penetración de cono (CPT), presurómetro (PMT), el dilatómetro plano (DMT) y veleta de corte (VST) (Mayne et al., 2001). En México la prueba de penetración de cono se hace desde los años 60 (Santoyo et. al., 1989). El cono sísmico es una derivación moderna del ensaye CPT; cuando al cono se le adicionan sensores sísmicos, se puede determinar adicionalmente la velocidad del medio in situ y la prueba se denomina como prueba de penetración con cono sísmico o SCPT.

Al igual que las pruebas mecánicas, el cono sísmico no requiere de una perforación previa, lo

cual reduce considerablemente en costos y tiempo. La sonda sísmica que construimos está diseñada de tal manera que puede hincarse hidráulicamente, similar al CPT. La metodología para la obtención de datos es la misma que en el ensaye de pozo único (Downhole), referente a la geometría de la fuente y el detector. Hay que tomar en cuenta que las condiciones en que se realiza este trabajo son diferentes. En el ensaye de pozo único, es fundamental la preparación del pozo previo a realizar el estudio, la colocación de la tubería de revestimiento y la cementación, de tal manera que no se vea afectada la información del medio por el contraste en los límites del pozo y la formación. El ensaye de cono sísmico no requiere perforación previa.

En las pruebas que se mencionaron al inicio, se asume que al hincar los dispositivos, la trayectoria en profundidad es completamente vertical. La

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realidad es que los dispositivos pueden ser desviados durante el hincado, lo que involucra que la relación fuente-receptor no sea la que se considera en el cálculo del las propiedades del medio.

La sonda que se construyó es actualmente un prototipo de laboratorio que aloja dos sensores de movimiento del terreno, los sensores son geófonos omnidireccionales con frecuencia natural de 28 Hz separados a un metro entre sí. Consta adicionalmente, de un dispositivo con el cual se obtiene un registro de verticalidad (Azimut, Inclinación y desplazamiento en la Horizontal). La información obtenida durante el ensaye se lleva a superficie para su control y almacenamiento.

2 CONSTRUCCIÓN DE LA SONDA 2.1 Módulos sísmicos Los módulos sísmicos (Fig. 1), están construidos en acero inoxidable de alta resistencia. Fueron diseñados de tal manera que cada módulo pueda alojar un geófono omnidireccional o un acelerómetro de tres componentes.

Figura 1. Módulo sísmico construido en acero inoxidable de alta resistencia.

El acople de los sensores de movimiento del terreno con el módulo sísmico se obtiene con una camisa de nylamid de uso industrial. La separación de los sensores en la herramienta es de 1 metro (Fig. 2), alineados en la dirección definida por una muesca en la superficie de la sonda que garantiza que los elementos de medición se encuentren en la misma posición respecto a la herramienta. La muesca en la superficie de la sonda está alineada al dispositivo con el cual se obtiene el registro de la trayectoria de la sonda cuando es hincada en el terreno.

Figura 2. Configuración de los módulos que alojan los sensores de movimiento en la sonda.

2.2 El acoplamiento entre el sensor y el suelo circundante. El movimiento del contenedor que alberga el sensor del movimiento del terreno, en contacto con el suelo, puede diferir del movimiento que tendría el suelo debido a la ausencia de éste. Así el problema del acoplamiento del geófono, que es la diferencia entre la velocidad medida por éste y la velocidad del terreno sin el sensor ha sido analizado en estudios experimentales y teóricos por Washburn y Wiley (1941), Miller y Pursey (1954) y Tan (1987). Los experimentalistas han utilizando mediciones de la admitancia del sistema y los teóricos a partir del uso del teorema de reciprocidad. Es precisamente Tan (1987) quien encontró que la distorsión al movimiento del terreno puede ser eliminada por la simple selección que supone M=m.Donde M es la masa total del geófono y ‘m’ es la masa del suelo desplazado que contiene el volumen V. M=m es una condición necesaria para que el geófono mida el desplazamiento sin perturbar. El rol que juega la masa de suelo desplazada, m, no había sido discutido en la literatura hasta la aparición del trabajo de referencia.

En el caso del movimiento del terreno en profundidad, generado por un campo de ondas sísmicas, debe medirse igualmente con sondas estables, las cuales deben estar bien acopladas al suelo que rodea la sonda para que detecten el movimiento de forma precisa. En el caso del cono sísmico es la formación de suelo lo que aprisiona a la sonda, así el ensaye de cono tiene un sistema propio de anclaje. Los geófonos miniatura seleccionados para probarse dentro de la sonda fueron los modelos OMNI-2400 y GS-14-L3; ambos sensores pueden operar independientemente de la posición en que se instalan: son omnidireccionales, de tal manera que responden en la dirección normal a la base del sensor; así, si el sensor se instala en una pared vertical, uniendo la base del sensor a la

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pared, la respuesta será al movimiento horizontal normal a ésta. Las dimensiones del sensor GS-14-L3, el menor de los omnidireccionales encontrado, son: alto 1.73 y una base con diámetro de 0.68 centímetros. Nominalmente el fabricante consigna una amortiguación del 0.7 del crítico para ambos, con frecuencias naturales de 28 Hz para el GS y de 15 Hz para el OMNI. Las sensitividades son de 0.12 y de 0.52 v/cm/s, respectivamente. El modelo OMNI-2400 es de alta temperatura pues opera nominalmente, hasta 200 grados centígrados. Nominalmente ambos sensores responden de manera adecuada hasta los 500 Hz.

Para lograr que ambos sensores puedan incorporarse en la sonda, se desarrollaron sendos encamisados que permiten la adherencia a la sonda. Para cada modelo de geófono se construyó un cubo de Nylamid (Polímero de Nylon 6/12 para uso mecánico) que sujeta el sensor y se acopla mecánicamente a la sonda.

Con objeto de reconocer la respuesta de los sensores propuestos, se hicieron mediciones simultáneas en el laboratorio utilizando ambos sensores. Inicialmente el experimento se hizo colocando al sensor OMNI-2400 sobre un dispositivo de acero inoxidable y al geófono GS-14-L3 dentro del módulo de acero inoxidable de alta resistencia y tratamiento térmico que forma parte de la sonda. La separación entre ambos sensores fue cerca de 20 centímetros. A los registros obtenidos de cada sensor se les calculó el espectro de amplitud, después de quitar la media y la tendencia lineal de cada registro. Los espectros muestran una diferencia de aproximadamente ocho veces en la respuesta de los sensores ensayados, en un ancho de banda de 6 a 40 Hz. La diferencia observada en la respuesta de los sensores de ocho veces es similar a la que predicen los valores nominales de sensitividad.

2.3 Dispositivo de registro de la verticalidad Se realizó el diseño de un circuito para obtener datos de la desviación de la herramienta durante su hincado. El dispositivo opera de manera autónoma mediante un micro-controlador que lee los datos y los envía a superficie por el puerto serial RS485, con el fin de conocer la trayectoria de la sonda en tiempo real. Al mismo tiempo se almacenan los datos en una memoria de 4 Mbits instalada en el dispositivo.

La placa está diseñada con elementos de montaje superficial (SMD) propiamente usados en dispositivos móviles los cuales funcionan en un rango de voltaje de 1.8 a 3 Volts, , de esta manera, se facilita alimentar al dispositivo con una batería de 3.3 Volts implantada en el módulo que aloja el circuito. El diseño está basado en función del sistema microelectromecánico (MEMS) que contiene un sensor de aceleración triaxial y un sensor de campo magnético triaxial (Fig. 3). Este circuito cuenta ya con su propio adquisidor A/D de 16 bits, y

se utiliza un microcontrolador de la familia de microchip PIC16F que recibe los datos digitales del sensor, almacena temporalmente y a su vez los transmite por un puerto serial. Mediante un switch (MODO) se pueden seleccionar dos modos de operación: adquisición y lectura de datos, en el modo de adquisición se leen los datos del sensor y se guardan en la memoria flash con capacidad de de 4 Mbits. En este modo también es posible transmitir los datos en forma telemétrica por el puerto serial CON3 en formato RS422 que permite largas distancias y en formato diferencial inmune al ruido. En el modo de lectura se recuperan los datos de la memoria flash y se envían por el puerto serial al usuario a través del conector serial CON3 (se detiene el modo de adquisición). El sistema contiene un software interno (firmware) con el que se carga inicialmente, si se requieren modificaciones se puede reprogramar a futuro (conector CON2) .

Finalmente la placa cuenta con un LED indicador, utilizado para monitoreo del estatus del sistema.

Figura 3. Diagrama general del dispositivo de monitoreo de verticalidad.

Para poder ser implantado el dispositivo de navegación se realizó un diseño que se acoplara a la herramienta (Fig. 4).

Figura 4. Placa del circuito del primer prototipo para el cálculo de la verticalidad.

2.4 Adquisición de datos Se tiene contemplado que la adquisición de datos se haga mediante registradores de 32bits. Actualmente

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se puede realizar la adquisición de la información generada por los geófonos mediante un registrador que cuenta con un conversor analógico-digital de 14 bits con capacidad para 8 canales y alimentado por el bus USB. La cadencia de muestreo puede ser tan alta como 15 mil muestras por segundo, información que se manda a grabar en un ordenador portátil, en archivos de hasta un minuto. El inicio de la grabación se sincroniza mediante el sensor piezoeléctrico de disparo, conectado a la fuente generadora y a su vez al conversor.

El programa que controla actualmente el dispositivo fue desarrollado en la coordinación de instrumentación del Instituto de Ingeniería (Santiago L., 2012), y tiene las siguientes características.

Para dar inicio al ensaye es necesario contar con información mínima del sitio con objeto de identificar el estudio, así como definir el directorio o ruta donde se creará la carpeta para almacenar la información. Adicionalmente se requiere declarar si la prueba se está desarrollando mientras la herramienta se hinca o extrae de la formación.

Para realizar el control de calidad de los datos, la rutina incluye ventanas de despliegue gráfico que permiten visualizar el funcionamiento correcto del piezoeléctrico durante el ensaye, además de desplegar los registros sísmicos en tiempo casi real. El programa que controla el dispositivo fue desarrollado en la coordinación de instrumentación del Instituto de Ingeniería (Lozano, A., 2012).

Adicionalmente, se puede realizar un cálculo de la velocidad de cortante en el sitio de estudio, ya que las ventanas de visualización de la señal permiten realizar un acercamiento a lo que se identifica como primer arribo y definir el tiempo que transcurre desde que se generó la señal hasta que se registró en los sensores de movimiento. Estos valores de tiempo y profundidad se guardan de manera automática en una tabla, con los cuales se realiza el cálculo preliminar, sin tomar en cuenta, por ahora, la corrección por desviación de la sonda durante el hincado.

Se incluye en el programa la opción de realizar múltiples perturbaciones a la misma profundidad con el objetivo de apilar las señales de cada geófono y eliminar ruido ambiental ajeno a la fuente.

Los datos crudos sin apilar, se guardan en una carpeta directamente en el disco duro y que posteriormente se utilizan para realizar cálculo de la velocidad de cortante incluyendo los datos del registro de verticalidad.

3 CONCLUSIONES

Se ha construido un prototipo de laboratorio para obtener datos sísmicos durante el hincado hidráulico de una sonda que se acopla a un cono eléctrico convencional.

El cono sísmico que se diseñó cuenta con un dispositivo para medir la desviación de la sonda durante el hincado de la misma, de tal manera que se puede saber la inclinación, el azimut y el desplazamiento en la horizontal con respecto al punto de inicio de la prueba.

Actualmente las señales que se generan en los sensores sísmicos se adquieren con un registrador de 14 bits, se trabaja simultáneamente en un registrador de 32 Bits para ser implementado en esta labor. Las señales de los campo terrestres de gravedad y magnético se adquieren con convertidores de 16 Bits.

REFERENCIAS

Miller y Pursey (1954). The field and radiation impedance of mechanical radiators on the free surface of semi-infinite isotropic solid: Proc. Roy. Soc., 223,521-541.

Lozano, A. (2012).Programación del módulo de adquisición sísmica para el cono sísmico. Proyecto interno IINGEN.

Mayne et al, (2001). Manual on subsurface investigations. Geotechnical site characterization.

Santoyo, E., Lin, R., Ovando E. (1989). El cono en la exploración geotécnica

Tan (1987). Reciprocity theorem applied to the geophone-ground coupling problem: Geophysics, Vol. 52, No. 12, Diciembre pp1715-1717

Washburn H. y Wiley H., 1941, The effect of the placement of a seismometer on its response characteristics. Geophysics 6, pp 116-131