UNIVERSIDAD TÉCNICA DE AMBATO

F.I.C.M.

NOMBRE:

ANA GABRIELA CHILUISA.

SEBASTIÁN NARANJO BUSTOS.

JANNE VELASTEGUÍ LARA.

JAIR POVEDA RIOFRÍO.

SEMESTRE:

SEXTO

PARALELO:

“A”

DOCENTE:

ING. OSWALDO ORTIZ

FECHA:

04 – 06 – 2014

EXPLORACIÓN DE SUBSUELO

GEOFÍSICO INDIRECTO: SÍSMICA DE REFRACCIÓN Y REFLEXIÓN

Los métodos sísmicos se enmarcan dentro de los métodos indirectos de

investigación, es decir, dentro de aquellos que se realizan sin necesidad de

alterar el terreno y que por tanto tampoco permiten la observación directa de

éste.

Actualmente la sísmica de refracción es el método sísmico más empleado para

el análisis de los terrenos, el otro método existente conocido como sísmica de

reflexión suele utilizarse exclusivamente en investigaciones a gran profundidad,

como por ejemplo en técnicas petroleras.

SISMICA DE REFRACCIÓN.-

La sísmica de refracción es una técnica que se encuadra dentro de los

métodos de exploración geofísica y estudia la propagación en el terreno de

ondas sísmicas producidas artificialmente, estableciendo su relación con la

configuración geológica del subsuelo.Es un método muy útil para la

investigación de la estructura geológica, las propiedades del terreno, problemas

de cimentación, así como el estudio de capas aluviales, deslizamientos,

graveras y areneros, etc.

Una de las aplicaciones del método de refracción sísmica en la ingeniería civil

es el estudio del subsuelo, para la determinación de las condiciones

(meteorización, fracturación, alteración) y competencia de la roca, como

también para detección de fallas geológicas. Este método mide el tiempo de

propagación de las ondas elásticas, transcurrido entre un sitio donde se

generan ondas sísmicas y la llegada de éstas a diferentes puntos de

observación, como lo muestra la Figura. 1.

Figura 1.

Éste es un método sísmico muy empleado y consiste en realizar perfiles

longitudinales con sensores, geófonos, espaciados entre sí una distancia

predeterminada. La energía que se libera al disparo mediante el golpeo con un

martillo o la utilización de explosivos, es registrada en sensores y almacenada

en un sismógrafo.

La profundidad normal de la investigación oscila 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.

Produciendo un impacto mecánico (choque o explosión) se propagan en el

subsuelo ondas sísmicas, convelocidades diferentes según los terrenos

atravesados.Esta velocidad de las ondas sísmicas depende esencialmente de

la compacidad de las capasconsideradas. La refracción sísmica saca partido de

este fenómeno.

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

velocidades crecientes con laprofundidad. Se admite que la onda de choque se

propaga en línea recta en un terreno dado, nocambiando nunca la dirección,

excepto cuando penetraen un terreno diferente (refracción de la onda).

Descripción del método:

En la zona de exploración se produce una serie de mini-explosiones que son

recibidas en pequeños aparatos denominados GEÓFONOS, los que calculan la

velocidad de transmisión de las ondas perturbadoras y a través de una tabla

correlativa se determina el tipo de suelo.

Para esto se disponen en superficie una serie de sensores (geófonos) en línea

recta a distancias conocidas, formando lo que se conoce como tendido sísmico

o línea de refracción. A una distancia conocida del extremo del tendido, en el

punto de disparo, se generan ondas sísmicas con la ayuda de un martillo o por

la detonación de explosivos, las cuales inducen vibraciones en el terreno que

se propagan por el subsuelo y que son detectadas por cada uno de los

sensores en el tendido.

Los registros de cada sensor tienen información de la respuesta del terreno en

función del tiempo y son conocidos como sismogramas. Estas trazas son

analizadas en la refracción sísmica para obtener el tiempo de llegada de las

primeras ondas de cuerpo, tanto onda P como también las llegadas de la onda

S, a cada sensor desde el punto de disparo. El análisis e interpretación de

estos datos permite calcular las velocidades longitudinales (Vp [m/s]), además

de la determinación de los refractores que se pueden asociar a interfaces de

los materiales del subsuelo en profundidad, lo que a su vez se puede

interpretar litológicamente. (Fig. 2)

Interpretación de perfil sísmico

Figura 2. (Secuencia de proceso)

El método de refracción sísmica se basa en:

a) Según la naturaleza del terreno varía la transmisión –velocidad de

propagación- de las ondas elásticas.

b) Los contactos entre los estratos con diferente velocidad de transmisión de

las ondas sísmicas, definen superficies de separación donde las ondas

experimentan fenómenos de refracción. Esto permitirá determinar la

profundidad a la que aparecen nuevas capas.

Realización del ensayo:

• En el terreno a estudiar se realizan perfiles longitudinales sobre los que

se colocan sensores espaciados entre sí una distancia conocida y

generalmente regular. Estos sensores que se denominan geófonos

llevan incorporados sismógrafos para registrar el movimiento y se

pinchan sobre la tierra firme.

• Desde algunos puntos significativos del perfil se realiza un disparo,

habitualmente mediante golpeo con un martillo de 8kg o usando

explosivos, y el impulso de éste llega a los sensores provocando una

perturbación que se registra en el sismógrafo.

• La longitud de los perfiles suele situarse habitualmente entre 25 y 100m,

con separación entre geófonos que no suele exceder los 5m, con objeto

de garantizar el detalle de la investigación. Los puntos de golpeo suelen

ser como mínimo tres en cada perfil, situados al inicio, mitad y final de

éste. Si los perfiles exceden de longitudes de 60m, el número de puntos

de golpeo es habitualmente de cinco.

• La medida de los tiempos de llegada de las ondas elásticas a los

geófonos proporciona el valor de la velocidad de propagación y el

espesor de los distintos materiales atravesados.

• Cada punto alcanzado por una onda se puede considerar como centro

emisor de ondas secundarias, habrá una onda secundaria que llegará a

un punto de la superficie y será registrada por uno de los geófonos.

• Se mide el tiempo transcurrido entre el momento del disparo y la llegada

de la primera perturbación a cada geófono. Las primeras en llegar son

las ondas directas, sin embargo a partir de un punto (distancia crítica)

llegan primero las ondas refractadas, es decir, las que circulan por los

niveles inferiores del subsuelo. La mayor distancia recorrida por estas

ondas es compensada por la mayor velocidad.

Cálculos:

En la figura 3. Se puede observar gráficamente la exploración geofísica por el

método sísmico de refracción.

Figura 3.

Sobre un gráfico de coordenadas (Fig. 4 y 5), se colocan en las abscisas las distancias

entre el punto emisor y el geófono, y en las ordenadas los tiempos medidos, seobtiene

una Curva Democrónica, que normalmente está formada por segmentos de rectas

correspondientes a las distintas capas del subsuelo.

Estos segmentos tienen una gradiente inversamente proporcional a la velocidad del

medio considerado, pudiendo por este concepto, obtenerse las velocidades buscadas.

Figura 4.

En la figura 5. se podrá observar la forma de determinar la altura H del suelo

hasta la roca basal.

Figura 5.

El Espesor de los diferentes estratos, se puede calcularcon la siguiente

expresión:

Donde:

H = espesor de cada estrato.

x = distancia horizontal correspondiente al cambio de velocidad en la Curva

Democrónica.

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

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:

RESULTADOS DEL ENSAYO:

La velocidad de transmisión de ondas sísmicas es un buen indicador de

las características geotécnicas de los materiales. Los resultados obtenidos son

las velocidades de propagación de las ondas de los medios encontrados, así

como los espesores. Por comparación con tipos de referencia, es posible tener

una idea de su naturaleza geológica.A medida que los materiales se degradan

y aumenta el grado de alteración, la velocidad disminuye.

Además proporciona óptimos resultados a la hora de determinar la profundidad

del nivel freático, ya que dicho nivel constituye un refractor muy característico

con velocidad de propagación de 1500m/s (velocidad de propagación del

sonido en el agua).

No existe una normativa al respecto pero sí se puede encontrar ejemplos de

caracterización del terreno atendiendo a la velocidad de propagación de las

ondas elásticas.

A continuación se puede leer la tabla 1 que muestra la correlación existente entre

el tipo de suelo y la velocidad de transmisión de las ondas sísmicas.

INTERVALO APROXIMADO DE LA VELOCIDAD DE ONDA LONGITUDINAL

PARA DIVERSOS TIPOS DE MATERIALES REPRESENTATIVOS

MATERIAL VELOCIDAD (m/seg)

Suelo

Arcilla

Arcilla arenosa

Arcilla arenosa cementada

Limo

Arena seca

170 - 500

1.000 - 2.800

975 - 1.100

1.160 - 1.280

760

300

Arena húmeda

Aluvión

Aluvión profundo

Depósito glaciar

Dunas

Loess

Arenisca

Caliza

Granito

Roca ígnea de Basamento (BASAL)

610 - 1.830

550 - 1.000

1.100 - 2.360

490 - 1.700

500

375 - 400

2.400 - 4.000

3.000 - 5.700

4.000 - 5.600

5.500 - 6.600

Tabla 1.

Limitaciones:

• Para que exista refracción de las ondas, la velocidad de propagación de

estas debe ser estrictamente creciente con la profundidad. En el caso de

suelos con capas intermedias de menor velocidad el método no las

visualizará (capa ciega).

• Requiere disponer de zonas con suficiente extensión, ya que la longitud

del tendido en superficie está directamente relacionada con la profundidad

de investigación que se alcance.

• Dicha profundidad está condicionada por el tipo de fuente activa

empleada (entre otros factores como se mencionó anteriormente). Es así,

como mediante el uso de martillo se puede alcanzar una profundidad del

orden de 30-50 metros.

Consideraciones:

• La precisión del método requiere el uso de un levantamiento topográfico

de detalle.

• Se considera que las ondas longitudinales se propagan a velocidades

constantes en cada estrato para cada tendido sísmico (spread), que es la

unidad básica de interpretación.

• Si la longitud del perfil supera la extensión de un spread, se debe

considerar un traslape de geófonos para no perder información de los

rayos.

• El contraste de velocidad entre estratos y el espesor de éstos, debe ser

suficientemente alto para que queden representados con claridad en las

curvas camino-tiempo.

• 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), provocando también ondas

parásitas que pueden también alterar las medidas.

• Si es un terreno de alta velocidad, que se encuentra sobre otro de

velocidad más débil, este último no puede ser prospectado, puesto que la

onda profunda en ningún caso alcanzará la onda superficial.

Equipos para el ensayo

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

impactos.

• Un captor fijo o geófono, mide el tiempo de llegada de las ondas

propagadas por el subsuelo.

• Sismógrafo de refracción, mide de los tiempos de refracción de las

ondas sísmicas en el suelo.

Ventajas de ensayo:

• Generación de perfiles continuos frente a los tradicionales puntos de

ensayo.

• Pueden servir también para prever el comportamiento del terreno frente

al sismo.

• Son técnicas indirectas y por tanto de carácter no destructivo.

Inconvenientes del ensayo:

• Los resultados pueden ser ambiguos, sin embargo se pueden combinar

los resultados de diferentes métodos para reducir la ambigüedad. Las

perforaciones pueden reducirse a tan sólo confirmar los resultados

obtenidos, especialmente en los puntos de interés.

• Necesidad de mano de obra cualificada para trabajar con los equipos y

el software de interpretación de los ensayos.

CONCLUSIONES:

Dichas técnicas más consolidadas en ingeniería civil, son aptas y utilizables

dentro de los estudios geotécnicos de edificación, pero dado por un lado que

no son métodos contrastados por la experiencia, al menos en el caso de los

estudios geotécnicos para edificación y por otro que pueden contener

ambigüedades en los resultados en ciertos casos, deben tratarse con cautela y

por tanto sería necesario que vinieran acompañados de otros ensayos

comunes aceptados (sondeos o en su caso ensayos de penetración o

calicatas)que complementaran o corroboraran los resultados.

Log de resultados:

Los datos que se entregan al ingeniero geotécnico son los siguientes:

CapaTipo de material del

que se conforma

Velocidad

(m/seg)

Altura de

la capa

(m)

1 Suelo 170 - 500 5

2 Arena seca 300 0.95

3 Arcilla arenosa 975 - 1.100 3

4 Granito 4.000 - 5.600 14.5

5Roca ígnea de Basamento

(BASAL)5.500 - 6.600 18

SÍSMICA DE REFLEXIÓN.-

El método sísmico de reflexión se basa en las reflexiones del frente de ondas

sísmico sobre las distintas interfaces del subsuelo. Estas interfaces

(reflectores) responden, al igual que en la refracción, a contrastes de

impedancia que posteriormente se relacionaran con las distintas capas

geológicas. Las reflexiones son detectadas por los receptores (geófonos) que

se ubican en superficie y que están alineados con la fuente emisora. Dado que

las distancias entre la fuente y los geófonos son pequeñas respecto a la

profundidad de penetración que se alcanza (FiguraIII.6), el dispositivo

experimental soporta que se esté operando en "cortoángulo"; asegurando así la

obtención de reflexiones y, distinguiéndose de la sísmica de refracción o de

"gran ángulo".

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Esquema básico de la emisión y recepción de los

Rayos reflectados en las distintas capas reflectoras.

La sísmica de reflexión es un método de exploración geofísica que usa los

principios de la sísmica para estimar las propiedades subsuperficiales de la

Tierra a partir de la reflexión de ondas sísmicas. El método requiere una fuente

controlada de energía, como la dinamita o el tovex, un cañón de aire

especializado o un vibrador sísmico (conocido como Vibroseis).

Ensayo:

Las ondas sísmicas son perturbaciones mecánicas que se propagan por el

suelo a una velocidad determinada por la impedancia acústica (resistencia que

opone un medio a que las ondas se propaguen sobre este) del medio en el que

viajan.

Cuando una onda sísmica viajando a través del suelo se encuentra la interface

de dos materiales con distintas impedancias acústicas, parte de la energía se

refleja y otra parte se refracta a través de la interface.

La técnica de la sísmica de reflexión consiste en generar ondas sísmicas y

medir el tiempo que tardan en viajar de la fuente, reflejarse en una interface y

ser detectada por los geófonos (puestos en una cola llamada streamer).

Sabiendo el tiempo que tardan las ondas a llegar a los distintos receptores del

streamer y su velocidad, un geofísico reconstruirá la forma de las ondas de

manera que se pueda obtener una imagen subsuperficial.

Los métodos geofísicos tienen que verse como un "problemainverso". Nosotros

recibimos como resultado de la aplicación de ondas sísmicas unos datos que

nos indican como se comporta el fondo y a partir de ahí, con la ayuda de las

leyes físicas, el geofísico intenta reconstruir el modelo más probable que se

ajuste a los resultados. En muchos casos, el modelo final no es sólo uno, sino

que hay varias opciones que responden al mismo modelo y pequeños errores

de captación de datos, procesado y análisis pueden cambiar significativamente

el modelo obtenido. Es por eso que es importante ser cuidadosos a la hora de

interpretar los resultados.

El principio general de la sísmica de reflexiónesenviarondaselásticas al suelo y

recoger la energíaquevuelve (y cuándo lo hace) através de los hidrófonos,

queconvierten los cambios de presión en señaleseléctricas. Cadarespuestadel

receptor se graba en unacintamagnética, cadaexplosión se registra y luego se

procesantodas.

La sección sísmica representa la profundidad (en el eje y) que se puede

obtener trastransformar el tiempo de respuesta a la profundidad a través de la

aplicación de la velocidad de lasondas; en la siguiente magen se puede ver

algo mejor: