1 INTRODUCCIÓN

Varios métodos de geofísica se utilizan en las inves-tigaciones geotécnicas, en especial en las primeras fa-ses del proyecto; de estos métodos la más utilizada es la sísmica que mide las velocidades de ondas sísmicas longitudinales (Vp) y ondas de corte (Vs). Las velo-cidades de las ondas sísmicas son las que mejor ca-racterizan a las propiedades del macizo rocoso porque dependen de la resistencia de la roca, grado de fractu-ramiento, esfuerzos, etc.

Los métodos geofísicos tienen ventajas notables res-pecto a otros métodos de investigación pues, son fá-ciles y rápidos de efectuar; además de tener un bajo coste. Con la refraccion sísmica se mide las velocida-des identificadas como Vp y con el método MASW (Mutichannel Analysis of Surface Waves), las Vs.

El presente trabajo expone algunas experiencias obte-nidas en la caracterización geomecánica del macizo rocoso con los métodos sismicos y en la estimación de los índices de calidad como RQD, Q y RMR.

Se ha utilizado la información del logeo geotécnico de los testigos de perforación y las velocidades Vp y Vs medidos con refracción sísmica y MASW, ejecu-tados en la cimentación de presas y túneles.

2 METODOS PARA LA CARACTERIZACION GEOSISMICA DE MACIZOS ROCOSOS

La velocidad de las ondas sísmicas se puede utilizar para caracterizar, tanto la roca intacta como el macizo rocoso.

2.1 Caracterización geosísmica de roca intacta.

Las velocidades Vp y Vs en la roca intacta son deter-minadas con el ensayo pulso ultrasónico (ASTM 2845). A partir de estas velocidades se puede estimar los módulos dinámicos y correlacionarse con la resis-tencia a la compresión simple, porosidad, etc., como se indica en la figura siguiente.

Figura 1. Correlación entre la resistencia a la compresión simple y las velocidades de ondas longitudinales (Vp) y las ve-locidades de ondas de corte (Vs).

2.2 Caracterización geosísmica de macizo rocoso

Los métodos geofísicos usados en la caracterización geotécnica de los materiales son: la sísmica de refrac-ción que mide el Vp y el MASW o SASW que mide el Vs.

Experiencias en la Caracterización Geomecánica del macizo rocoso con métodos geosísmicos

R. Norabuena, O. Felix & E. Maquera

SVS Ingenieros S.A.- Empresa del Grupo SRK, Lima, Perú

RESUMEN: Ciertos parámetros geomecánicos del macizo rocoso pueden ser obtenidos a partir de las veloci-dades sísmicas usando correlaciones empíricas; lo que facilita y contribuye en la obtención rápida de un modelo geomecánico. El presente estudio tiene la finalidad de relacionar las velocidades sísmicas obtenidas de los mé-todos de refracción sísmica y el MASW con los índices geomecánicos RQD y RMR obtenida de los testigos de perforación. De los resultados notamos que son diferentes para cada método sísmico y que debe considerarse otros aspectos geológicos para la interpretación y para una correlación fiable; además, ratificamos que el perfil geosísmico con velocidades de ondas de corte (Vs) da una mejor interpretación del perfil litológico del subsuelo.

2.3 Método de refracción sísmica de superficie:

Este método está basado en la generación de ondas sísmicas por un golpe o detonación (fuente) y que son detectadas a su retorno a la superficie del suelo con dispositivos sensibles a la vibración (geófonos). La figura 2 muestra el principio y la disposición de los elementos de este método para su ejecución.

Figura 2: Métodología y principio de la refracción sísmica.

En la evaluación se utilizó la técnica de tomografía de refracción sísmica cuyos resultados se muestran en perfiles sísmicos (Fig. 3) y en donde se puede identi-ficar los distintos niveles geosísmicos en función de la velocidad de propagación de las ondas longitudina-les (Vp).

Figura 3. Perfil típico obtenido con el método de tomografía sísmica.

Los resultados de la refracción sísmica son fiables en profundidades pequeñas y medianas, donde puede identificarse con bastante certeza la posición del ba-samento debajo de la cobertura de suelo o estimarse la facilidad de excavación de roca con equipos (ripa-ble). La desventaja de este método es que es influen-ciada por la presencia del agua, aumentando su valor.

2.3.1 Método Mutichannel Analysis of Surface Waves (MASW)

Este método fue introducido en el año 1999 y permite estimar las velocidades de ondas de corte (Vs) del subsuelo a partir del análisis de las ondas de superfi-cie Rayleigh o Groundroll generadas por una fuente.

El procedimiento del método (véase Fig. 4) consiste en generar una onda artificialmente, luego registrar el tiempo de llegada de las ondas por los geófonos

Figura 4. Método MASW con la propagación de las ondas de superficie en función de la profundidad

de muy baja frecuencia (4.5Hz) colocados en el suelo de manera lineal y con una separación conocida.

Este método permite calcular la distribución de las velocidades de corte (Vs) en el subsuelo bajo formas de sondeos (véase Fig. 5). La máxima profundidad de investigación alcanzada esta entre los 10 a 30m pu-diendo variar por el sitio.

Figura 5. Gráfico velocidad de la onda de corte en función de la profundidad.

La adquisición de datos es significativamente más to-lerante en la selección de parámetros que otros méto-dos sísmicos debido a la mayor relación: señal/ruido que fácilmente es alcanzada. Esto es debido a que las ondas superficiales pueden viajar una distancia más larga sin sufrir mucha contaminación del ruido.

El MASW es un método sísmico que provee resulta-dos altamente favorables y competentes (tienen una mayor resolución del perfil del subsuelo), en las que su uso permite reconocer principalmente los materia-les arcillosos o sueltos. La velocidad de corte (Vs) es utilizado en la caracterización dinámica del suelo y la estimación de la resistencia del terreno. Las ondas de corte no son influenciadas por la presencia del agua.

3 ESTADO DEL CONOCIMIENTO DE LA GEOSÍSMICA EN LA GEOMECÁNICA

3.1 Generalidades

Desde principios de los 60’ diferentes autores han realizado estudios e investigaciones con la finalidad de obtener correlaciones entre los parámetros sísmi-cos con los parámetros geomecánicos y geotécnicos

que sean representativos del terreno y útiles al pro-yectista.

3.2 Principales estudios

Deere y Merritt (1969) propusieron una correlación entre el índice de velocidad (Vf/Vl)2 y el RQD, donde Vf y Vl corresponden a velocidades de ondas sísmi-cas medidas en el campo y laboratorio, respectiva-mente.

Uno de los estudios más importantes fue el realizado por SjØgren et al (1979), que presento la correlación de las velocidades longitudinales (Vp) con los pará-metros del macizo rocoso como el número de juntas por metro y el RQD (Fig. 6). La correlación fue para rocas competentes del escudo escandinavo y Andes de Chile. Propuso varias relaciones teóricas entre las velocidades longitudinales y el número de juntas por metro.

Determinó que las correlaciones no eran aplicadas cuando la roca tenía un alto grado de alteración y/o meteorización, y que existían variaciones para cada rango de velocidades, siendo estas remarcables cuando se consideraba la litología.

Figura 6. Curvas medias de regre-sión de la correlación entre las ve-locidades longitudinales Vp y el fracturamiento del macizo rocoso expresado valores de juntas por metro y RQD (SjØgren et al, 1979). 1 RQD y 2 juntas por me-tro.

Barton (1991) correlaciona el índice Q y las velocida-des longitudinales (Vp) mediante la siguiente relación empírica: 3.5 .

Esta correlación la obtuvo en el proyecto una caverna en Noruega donde utilizo la tomografía sísmica de cross hole. Además, fue verificada en rocas compe-tentes de baja porosidad, resistentes (RCS≥100MPa) y a bajas profundidades.

Barton introdujo en el modelo de SjØgren el valor de Q, los valores de las velocidades longitudinales y el RQD (Fig. 7)

La sísmica de refracción comúnmente se utiliza para evaluar la excavabilidad del subsuelo y roca, me-diante excavadoras con ripper. La clasificación de la roca solo se basa en las velocidades sísmicas y no consideran los parámetros geológicos como la natu-raleza de la roca, el índice de fracturamiento que pue-den cambiar su excavabilidad.

Figura 7. Correlación entre las velocidades longitudinales, el RQD promedio, las fracturas por metro y el Q (Barton, 1995)

Las velocidades de ondas de corte (Vs) está siendo investigado para ser correlacionado con los paráme-tros geomecánicos de la roca.

Un estudio realizado por Suharsono et al. (2004) pro-pone la correlación RQD y Vs, con la siguiente for-mula:

Donde Vsμ es la velocidad de la onda de corte en la roca intacta obtenido del ensayo ultrasónico y Vsβ es la velocidad de la onda de corte medido en el método SASW.

4 ALGUNAS EXPERIENCIAS EN LA EVALUACIÓN GEOTÉCNICA DE MACIZOS ROCOSOS CON LAS VELOCIDADES SÍSMICAS

4.1 Generalidades

Es común utilizar durante la investigación geotécnica la geofísica como primer método de exploración para determinar los modelos geosísmicos; estos modelos luego son confirmados con perforaciones diamanti-nas con recuperación continua de testigos y final-mente obtener un modelo geotécnico de la zona in-vestigada.

En varios proyectos de presas y túneles se ejecutaron estudios de refracción sísmica y MASW, y perfora-ciones diamantinas con logueo geotécnico de los tes-tigos recuperados y de los perfiles geomecánicos de los testigos de taladros diamantinos. Los valores de las velocidades sísmicas y de los parámetros geome-cánicos de los testigos de perforación fueron cruzadas con el objetivo de hallar una correlación velocidades sísmicas (longitudinales y de corte) con los índices de calidad del macizo rocoso tales como el RQD (Rock Quality Design) y el RMR (Rock Mass Rating) u otros.

2

2

2

La data fue tomada de los estudios de la cimentación ocho proyectos de presas de relaves y botaderos (Ta-bla 1). Se analizaron 22 taladros diamantinos, 22 per-files de Vs y 22 perfiles de Vp.

Los taladros diamantinos eran verticales y con diáme-tros de 9.6 cm (HQ) y 7,6cm (NQ), longitudes no ma-yores a 100 m y con registros que incluían la litología y los índices RQD y RMR. Los sondeos fueron per-forados en el mismo perfil geofísico o a una distancia no mayor de 25 m.

Las litologías evaluadas fueron, areniscas con limoli-tas y calizas (rocas sedimentarias); andesitas, brechas, ignimbritas y toba (como rocas ígneas), y filitas y pi-zarras (rocas metamórficas).

Tabla 1. Datos generales de los sondeos diamantinos analizados.

Sondeo Litología Longitud (m)

País Total Roca

PZ-5 Andesita 25.5 23.6 Perú

P-5 Andesita 30 20.8 Perú

BH-1 Andesita 25.17 23.07 México

P-1 BxV,BxI,Ign y Tb 20.2 19.01 Perú

P-2 Ignimbrita y toba 20.2 18.7 Perú

P-7 Filita 28.1 23.95 Perú

P-8 Filita 30 26.5 Perú

P-9 Filita 30 27.6 Perú

P-3 Filita 25.1 23.7 Perú

P-5 Filita 30 30 Perú

SA-1 Pizarra 40 35 Perú

SA-2 Pizarra 40 32.3 Perú

SRK-BH1 Arenisca y lodolita 100 95.8 Colombia

SRK-BH2 Arenisca y lodolita 100 85.7 Colombia

SRK-BH3 Arenisca 80 67.4 Colombia

SRK-BH7 ARN,LDL y CGL 50 44.7 Colombia

SRK-BH8 Arenisca y limolita 80 62.7 Colombia

P-1 Arenisca y limolita 40.1 33.2 Perú

P-2 Arenisca y limolita 40 33.3 Perú

P-3 ARN,LML y DLM 40 37.4 Perú

BH-S1 Caliza 20.2 16.75 Perú

BH-S3 Caliza 17 8.7 Perú ARN: arenisca, CGL: conglomerado, LDL: lodolita, LML: limolita, DLM: do-lomita, BxV: brecha volcánica, BxI: brecha ignimbritica, Tb: toba, Ign: ignim-brita.

4.1 Metodología del trabajo

Los datos obtenidos del análisis de los resultados de cada perforación fueron colocados en tablas del programa Excel; para luego graficarse las velocidades sísmicas, RQD y RMR versus profundidad. Tal como se observa en la figura 8.

Posteriormente, se agruparon los datos según el tipo de roca (ígnea, sedimentaria y metamórfica) y se

graficaron las velocidades sísmicas (Vp, Vs) y los pa-rámetros geomecánicos (RQD, RMR), por tipo de roca.

Finalmente los datos fueron complementados con va-rios aspectos referentes a su posición, geología y otros aspectos relevantes que permitan explicar los resulta-dos.

Figura 8. Grafico del RMR, RQD, Velocidad de las ondas Vs y Vp, versus la profundidad de los sondeos P-7 y P-2.

4.2 Resultados

Los análisis estadísticos de la data son mostrados en las figuras 9, 10, 11 y 12. Los resultados son diferen-tes para cada caso y tienen comportamientos similares según el tipo litológico. Para nuestro estudio los va-lores de RMR estuvieron comprendidos entre 22 a 70.

4.2.1 Velocidad de corte versus parámetros geome-cánicos

Los gráficos RQD-Vs (Fig. 9) muestran en general una alta dispersión y no se obtuvo una buena correla-ción, siendo mayor la dispersión para las rocas sedi-mentarias. El rango de las Vs es 0.35 a 2 Km/s; las rocas ígneas y metamórficas alcanzan altas velocida-des de corte.

Figura 9. Gráfico entre el RQD y la velocidad de las ondas de corte (Vs).

El gráfico RMR versus Vs (Fig. 10) muestra una ten-dencia neta progresiva de todos los datos.

Según los tipos litológicos notamos que los datos de las rocas sedimentarias se concentran en un sector del gráfico para valores bajos de RMR y con Vs < 1.6 Km/s. Una similar y mejor distribución (menor dis-persión) tienen las rocas ígneas y metamórficas con valores de RMR superiores a 40.

Figura 10. Correlación entre el RMR y la velocidad de onda de corte.

4.2.2 Velocidades longitudinales versus parámetros geomecánicos

El total de los datos RQD y Vp fueron proyectados en el gráfico de SjØgren (Fig. 11) donde la curva 1 co-rresponde a la correlación entre el RQD y Vp. Tal como se muestra en la gráfica los datos caen a la iz-quierda de la curva 1 y se tiene valores de 100 % de RQD con valores de Vp más bajos.

La figura 12 muestra la distribución de los valores de RMR con respecto a las velocidades longitudinales (Vp), donde se observa que los valores están concen-trados en una franja delimitada por las líneas discon-tinuas. Los valores de RMR se incrementan progresi-vamente con el aumento de las velocidades longitudinales.

Figura 11. Correlación entre el RQD y las velo-cidades longitudinales usando el gráfico de SjØgren (curva 1).

En la dispersión considerando los tipos de rocas es notorio dos tendencias: la primera agrupa las rocas

metamórficas e ígneas y la segunda agrupa las rocas sedimentarias. Para las rocas sedimentarias, la ten-dencia lineal para valores de RMR superiores a 20 se ha expresado por la siguiente ecuación:

RMR= 6.6 Vp+27

Figura 12. Correlación entre el RMR y Vp (km/s).

4.3 Discusión

La investigación comprendió mayormente maci-zos rocosos de naturaleza heterogénea, tanto en geo-logía como en geotecnia. Se evaluaron macizos roco-sos de diferentes: litología, mineralogía, propiedades físicas, estructuras, resistencias, fracturamiento y condiciones de las juntas. Esto de una cierta manera condicionó algunos resultados de los parámetros me-didos.

Figura 13. Gráfico de los perfiles geofísicos y geomecánicos in-cluyendo la litología de la perforación SRK-BH7.

En el estudio determinamos que en varios casos el perfil de velocidades de las ondas sísmicas de corte (Vs) se correlaciona mejor con el perfil litológico (so-bre todo cuando el perfil litológico es heterogéneo), que las Vp; pero que, esto alteraba la correlación con el RQD y RMR no siendo muy buena en dichos casos,

un ejemplo de ello se muestra en la figura 13. Enton-ces notamos que la Vs es capaz de reconocer la posi-ción de manera nítida o cuasi-exacta de estratos de menor velocidad que subyacen a un estrato de mayor velocidad pasando a un segundo plano la correlación con un parámetro geomecánico.

Los resultados muestran que la correlación entre los índices geomecánicos y las velocidades de ondas de corte, tienen una moderada a alta dispersión, siendo mayor para las rocas sedimentarias (véase Fig. 9 y Fig. 10). Para las rocas metamórficas obtuvimos una mejor correlación entre el índice de calidad RMR del macizo y la Vp, posiblemente porque los datos anali-zados corresponden a rocas de similares estructura y litología (filitas y pizarras), donde no habría cambios notables de su densidad. El RMR muestra una mejor correlación con los parámetros sísmicos probable-mente porque las condiciones del macizo rocoso me-joran a medida que aumenta la profundidad, pues dis-minuye el grado de meteorización, las aberturas de las juntas se cierran, etc.

Figura 14. Gráfico RMR en función de las Vp para filitas en un contexto geológico particular.

Figura 15. Gráfico RQD en función de la Vs para filitas en un contexto geológico particular.

Si consideramos ambas velocidades sísmicas en un solo sitio de estudio con un solo tipo litológico, existe una mejor correlación entre los parámetros medidos tal como lo muestran las figuras 14 y 15 para el caso de filitas.

4.4 Conclusiones

Las correlaciones entre las medidas de las velocida-des sísmicas y los índices de calidad del macizo ro-coso no fueron muy definidas; debido a que la data evaluada correspondían a perfiles litológicos varia-dos. De manera general notamos que las correlacio-nes entre las velocidades longitudinales (Vp) con los índices de calidad del macizo rocoso muestran una menor dispersión, que las obtenidas con las velocida-des de corte.

Una mejor correlación entre los parámetros geomecá-nicos y las velocidades de corte fue obtenida cuando interpretamos perfiles de un sitio particular y donde la ubicación de los sondeos geosísmicos y la perfora-ción coinciden.

En la fase inicial de las investigaciones es recomen-dable realizar primero “mediciones paramétricas” en-tre las velocidades sísmicas del MASW y los paráme-tros geomecánicos de los testigos de perforación diamantinas, para establecer las correlaciones básicas para el sitio y que servirán luego para la interpretación geotécnica de los perfiles sísmicos restantes y elabo-rar un modelo geosísmico- geotécnico.

Para mejorar las correlaciones entre los parámetros geosísmicos y geomecánicos debemos tener presente las condiciones geológicas del sitio que ayudaran a establecer el orden de los factores geológicos que in-cidirán o controlaran la magnitud de las velocidades de ondas de corte.

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