Cálculo de las propiedades geotécnicas a partir de las velocidades
transversales obtenidas en la sísmica de refracción. Estudio de caso en la
ciudad de Luanda (Angola)
Determination of geothecnical properties by using seismic
refraction velocities. A
case study in Luanda (Angola)
Maria Amélia Pereira
de Barros da Silva
mely-barros@hotmail.com
Universidad Agostinho Neto, Angola
Héctor Manuel Fernández
hector@civil.cujae.edu.cu
Universidad Tecnólogica de La Habana “José António
Echeverría”, Cuba
João Júnior Baptista
Joao.baptista@segeo.org
Universidad Agostinho Neto, Angola
Gabriela Jeremias Pereira Teixeira-Pires
gabrielapires@hotmail.com
Universidad Agostinho Neto, Angola
La
sísmica de refracción es un método de geofísica de prospección, que estudia las
respuestas del terreno cuando se propaga a través de él una onda de compresión
(onda P) producida por medios mecánicos en la superficie. El parámetro físico
que se utiliza es la velocidad de propagación de la onda Vp
que viaja a través de los materiales del subsuelo en función de la densidad del
mismo. Tal parámetro aportará información de las características geomecanicas de la zona en la que se aplican. Los índices
medidos mantienen correlaciones con la naturaleza geológica de los diversos
horizontes, pudiéndose aún conocer sus respectivas profundidades y espesores.
Este trabajo tiene como objectivo presentar un
procedimiento para la representación de los parámetros geotécnicos, estimados
por el método de refracción sísmica. Las velocidades longitudinales son
obtenidas y se correlacionan con los valores de la resistencia a la penetración
estandar (N) calculados por los ensayos homónimos de
SPT. Los parámetros dinámicos se presentan en secciones 2D para conseguir una
mejor representación e interpretación, siendo capaz de caracterizar
continuamente todo el área desde el punto de vista
geotécnico. El área de estudio está localizada en los suelos areno - limo -
arcillosos de la ciudad de Luanda (Angola).
Palabras
clave: Refracción sísmica, SPT, Parámetros dinámicos,
Cartografía geotécnica.
Seismic refraction is a prospecting
geophysical method, which measures the terrain response in reaction to a P
compression wave, mechanically produced at the surface and propagating across.
The physical parameter in use, in the case, is the wave propagation velocity, Vp, which travel across the subsurface rock material and
reflects to the surface in function of the material’s density it finds on its
way down. That way, indexes associated to the parameter will measure and reveal
the geomechanic characteristics of the terrain under
study. Those indexes, whilst keeping some correlations with the geological
nature of the rock in different horizons, allow to infer also their depths and
thickness. The present study has the scope of showing a methodology to map
geotechnical parameters using seismic reflection, and it has been noticed that
the longitudinal velocities also computed are correlated with penetration
resistance values, measured by Standard Penetration Tests (SPT). The dynamic parameters
were chosen to be presented in 2D maps, in order to give either, a better
representation of their characteristics, as well to allow for a continuous
geotechnical interpretation over the entire area of study. The latter, is an
area of silty/sandy soils located in the city of Luanda (Angola).
Keywords: Seismic refraction, SPT, Dynamic
parameters, Geotechnical mapping.
Forma de citar: De
Barros da Silva, M.A.P., Fernández, H.M., Baptista, J.Jr.,
y Teixeira-Pires, G.J.P. (2018). Cálculo de las propiedades geotécnicas a
partir de las velocidades transversales obtenidas en la sísmica de refracción.
Estudio de caso en la ciudad de Luanda (Angola). Boletín de Geología, 40(2),
101-112. DOI: 10.18273/revbol.v40n2-2018006.
Los métodos geofísicos han sido utilizados desde
algunos años en las prospeciones geotécnicas y sus
resultados han mejorado substancialmente estas investigaciones. Ejemplo de eso,
son los trabajos de Luna
y Jadi (2000), Naranjo y Dranichnikov
(2012) y Nabil
y Al-Heety (2014) por solo
mencionar algunos de los consultados para esta investigación. La principal
dificultad que se observa es en la representación de sus resultados que muchas
veces deben ser presentados a ingenieros u otros investigadores que no
entienden o desconocen en muchos casos el lenguaje de las Geociencias.
Por otro lado, los parámetros físicomecánicos
calculados se presentan en tablas o se ofrecen sus valores para las diferentes
capas sin reflejar la continuidad en la representación que dan estos métodos.
Debido a lo anterior, el objetivo principal de este trabajo es el de ofrecer un
procedimiento para la representación de los parámetros geotécnicos estimados
por la sísmica de refracción, tomando como base los datos sísmicos medidos en
un área de la ciudad de Luanda, Angola.
Características geológicas del
área de estudio
El terreno para esta campaña de prospección se sitúa
en el barrio Proyecto Nueva Vida, en Luanda (FIGURA 1).
FIGURA 1
Localización Del Área De Estudio
Y Líneas Sísmicas Analizadas (Adaptado De Google Map).
De acuerdo con la carta litológica, en la zona de
Luanda aflora la parte superior de una potente sucesión Mesozoica y Terciaria
que abarca en profundidad un máximo de 4000 m de espesor conformando tres
cuencas sedimentarias siendo la más importante la cuenca del Kwanza que
constituye gran parte de la franja de costa de Angola. La secuencia
estratigráfica que se apoya sobre el basamento Pre-cambrico
viene expuesta de forma sintética en la FIGURA 2.
FIGURA 2
Esquema Geológico Estratigráfico
De La Ciudad De Luanda, Angola (Modificado De Tecnasol,
2007).
Litología
En la región de Luanda se distinguen dos unidades
litológicas: las someras, que corresponden a las unidades recientes del
Pleistoceno y las del substrato del Plioceno y del Mioceno (FIGURA 2).
Las unidades recientes incluyen los materiales no
consolidados de origen antrópico (A), los aluviones, constituidos por
materiales heterogéneos y los sedimentos fluvio-lacustres
(Al), las arenas de playa (ap) que constituyen las
islas y cordones litorales, los depósitos de vertiente (a3) y conos de
deyección (a2), los aluviones recientes (a1), que están asociados a las líneas
de flujo superficial de agua, y la unidad de las arcillas negras o arcillas del
Cazenga (Q3). Las formaciones Quelo
con dos unidades, arenas rojas (Q2) y arenas grises (Q1) constituidas
esencialmente por arenas de edad Pleistoceno, se incluyen también en las
unidades someras. Las unidades del substrato corresponden a la formación Luanda
(p1) del Plioceno, constituida por materiales no consolidados arenas, limos y
arcillas y materiales consolidados de arenas y la formación Cacuaco
(m1c), constituida por carbonatos descompuestos y calizas (FIGURA 2).
En el área de Luanda apenas afloran terrenos desde el
Mioceno Inferior. Las formaciones reconocidas son, de la base para el tope, Quifangondo (m1), Cacuaco (m1c),
Luanda (p1), Arenas cenizas (Q1), formación Quelo o
Arena de Muceque (Q2) y la unidad informal de las
Arcillas negras (Q3), o Formación del Cazenga. Sobre
este paquete geológico se asientan otras formaciones del Holoceno, entre las
que pueden ser nombradas están las arenas de dunas y de playa y depósitos
actuales diversos (Teixeira
Pires, 2006).
El objeto de estudio de esta investigación son los
terrenos transportados del Pleistoceno y Plioceno de las formaciones Quelo y Luanda, respetivamente que constituyen las unidades
geotécnicas de interés en esta área. Como característica propia de esta región
se destaca la no presencia de un sustrato rocoso, por lo que se estudiaran
sedimentos areno limo arcillosos que se compactan con
la profundidad.
Campaña de prospección geológico
- geotécnica
El trabajo consistió en la perforación de sondeos
ejecutados con un equipo de percusión, acompañados de la realización de ensayos
de penetración dinámica tipo SPT cada 1,5 m. Las prospecciones fueron dadas por
terminadas despues de haber alcanzado un mínimo de 15
metros de profundidad y despues de lograrse tres
valores de NSPT > 60 golpes, a excepción de la prospección S1,
donde no se consiguió proseguir la perforación debido a la naturaleza de las litologias encontradas.
Los diámetros de la perforación utilizada fueron de 8”
y 6”(Ø 203,20 mm y Ø 152,40 mm), siendo los pozos protegidos por tubería de
revestimiento de igual diámetro, conforme al propio método de perforación (Tecnasol, 2007).
Los ensayos de penetración dinámica, tipo SPT, tienen
como objetivo la determinación de la resistencia del suelo a la penetración de
un muestreador estandardizado,
al mismo tiempo se obtienen muestras representativas. Son realizados dentro de
los pozos de prospección a profundidades definidas, y siempre que ocurra un
cambio de litologia. Los resultados de los cuatro
sondeos realizados, se pueden observar en la TABLA 1 y representados en un perfil en la FIGURA 3.
FIGURA 3
Perfil Litológico Obtenido Con
Los Ensayos De Spt De Campo.
TABLA 1
Resultados De Los Ensayos De Spt.
Adquisición geofísica
Sísmica de refracción
La refracción sísmica se basa en el estudio de las
ondas elásticas, para determinar en terminos de
velocidad y espesor, la disposición de las capas en el subsuelo, siendo posible
detectar, con un grado elevado de fiabilidad estructuras geológicas en el
subsuelo de un área (Lankston, 1989).
Según Sacasas
(2012), la refracción sísmica capta la componente refractada
de una onda entre dos medios con diferentes propiedades elásticas a lo largo de
una serie de geófonos colocados en la superficie del suelo. La onda en el
subsuelo es generada por una fuente impulsiva a partir de impactos directos en
el suelo o por explosivos. Se logra registrar el movimiento de las ondas desde
la fuente hasta los receptores a través de un sismógrafo, con diferentes
arreglos de geófonos. Es de particular interés, para este método, las primeras
entradas (ondas directas y ondas P refractada críticamente). Con las
informaciones suministradas por esas ondas se construyen los gráficos
tiempo-distancia, a partir de los cuales se realiza la interpretación y se
obtienen las velocidades y los espesores de las diferentes capas del corte
geológico.
Adquisición y tratamiento de los
datos sísmicos
Metodología de adquisición
Para la adquisición de los datos fue utilizado un
sismógrafo de la Geometrics, modelo Geode de 24 canales y geófonos de 14 ó
40 Hz siguiendo los procedimientos de la Norma ASTM D5777-95.
La distancia entre los geófonos fue igual a 2 metros, generando una línea
sísmica de 46 metros de largo, donde el primer geófono es considerado de
referencia, se queda en la posición cero. La fuente de energía fue un martillo
de aproximadamente 10 kilogramos con un trigger de
contacto acoplado. Para aumentar el área de impacto entre el martillo y el
suelo una chapa metálica fue usada, generando un frente de ondas mecánicas
inicial mayor. Los puntos de impacto fueron dispuestos, con relación al geófono
de referencia, en las posiciones: -12; -2; 23; 48; 58 metros (FIGURA 4). Cada punto
de impacto fue caracterizado por el apilamiento (suma) de una secuencia de 30
golpes, lo que permitió atenuar los ruidos y aumentar la resolución.
FIGURA 4
Configuración Del Arreglo
Utilizado En El Levantamiento De Los Datos (Modificado De Araújo
Y Peres-Rocha, 2010).
Durante el proceso de adquisición de los datos se
realizó un pre-procesamiento en el campo lo que permitió controlar la calidad
de los datos que estaban siendo adquiridos. Para ejecución de este
procedimiento fue usado el SIPQC que es un programa de interpretación
interactivo confeccionado por la United States Geological Survey y la
versión QC y que está incorporado en el software SCS (acquisition
control software). El procedimiento obedeció a tres etapas: marcación de las
primeras llegadas, generación del gráfico tiempo-distancia e inversión para
crear el modelo de profundidades. La primera etapa en el análisis de los datos
de sísmica de refracción consiste en la identificación de las primeras llegadas
de la energía sísmica en cada traza. La FIGURA 5,
ilustra el sismograma referido a la línea sísmica de Nueva Vida, generado con
el impacto en el punto central (23 metros), donde fueron hechas marcaciones de
las primeras llegadas de las ondas refractadas. La marcación de las primeras
llegadas de todos los puntos de impacto suministró el gráfico del
tiempo-distancia ilustrado en la FIGURA 6.
Después de la marcación de las primeras llegadas y la generación del gráfico
del tiempo-distancia se le realizó el control de calidad de los resultados con
el SIPQC, cuyo ejemplo se ilustra en la FIGURA 7.
FIGURA 5
Sismograma Y Marcación De Las
Primeras Llegadas Con Sipqc.
FIGURA 6
Gráfico Tiempo-Distancia Generado
Con El Sipqc
FIGURA 7
Modelo De Profundidad Generado
Con Sipqc.
Posteriormente, los datos fueron sometidos al
procesamiento final con la utilización del software SEISIMAGER 2D, que
incorpora diversos paquetes entre ellos el Pickwin y
el Plotrefa versiones 4.4.1.4 y 2.9.2.6,
respetivamente, todas de la Geometrics Inc. Para la
marcación de las primeras llegadas fue usado el paquete Pickwin,
y para la generación de los gráficos de los tiempos de viaje y del modelo de
velocidades el Plotrefa. En las FIGURAS 8 y 9 se presentan,
respetivamente, el sismograma y el gráfico tiempo-distancia.
FIGURA 8
Sismograma Resultado Del Punto De
Impacto En La Posición -12 M.
FIGURA 9
Gráfico De Los Tiempos De Viaje.
La FIGURA 10,
ilustra el modelo de velocidades de propagación de las ondas sísmicas
correspondiente al perfil sísmico. En el modelo pueden ser observadas dos capas
con velocidades distintas, siendo el espesor de la segunda capa ilimitada, lo
que refleja una situación en la que las interfaces refractoras son irregulares
y en que la velocidad aumenta con la profundidad, que es condición necesaria
para un levantamiento de sísmica de refracción. Los valores de las velocidades
en las capas pueden variar en función de algunos factores como la húmedad local o alteraciones climáticas, y no siempre es
posible lograr valores de velocidades idénticos, pero solamente con intervalos
pequeños. Se puede verificar que el espesor de la primera capa disminuye
significativamente en el punto 30, mostrando que existe variación lateral del
espesor en las capas observadas.
FIGURA 10
Modelo De Velocidades Para El
Perfil Sísmico Nueva Vida.
La mayor aplicación del método de refracción sísmica
en este trabajo fue explorar los efectos geotécnicos someros a profundidades
entre 0 y 30 m, permitiendo hacer la caracterización estratigráfica del
subsuelo, determinar la profundidad donde el suelo está más compacto, y
calcular algunas propiedades físico-mecánicas.
Los datos sísmicos someros fueron procesados usando el
programa SeisImager, con el objetivo de estudiar las
ondas longitudinales directa y refractada. Como no fue realizada una
metodología para estudiar las ondas superficiales, la velocidad de las ondas
transversales de la primera capa se estimó con el método 1D MASW utilizando los
disparos más apartados del registro con el subsiguiente análisis del carácter
dispersivo del área. A través del Pickwin fue posible
seleccionar los valores de tiempo de las primeras entradas de las ondas P
registradas en cada sismograma del perfil que componen el área, utilizando los
datos de refracción. Los resultados fueron interpretados en el módulo Plotrefa donde la interpretación fue realizada utilizando
el método Time Term Inversion
para dos tres capas y tomografia sísmica.
Los datos logrados de la tomografia
sísmica fueron interpolados y representados como puede observarse en la FIGURA 11.
FIGURA 11
Resultado De La Tomografia Sísmica.
Los valores de velocidad fueron correlacionados con
los valores SPT, teniendo en cuenta que los valores de velocidad calculados con
la refracción sísmica no coinciden exactamente con la localización de las
prospecciones SPT, sin embargo, fue realizado ese análisis para no usar las
fórmulas propuestas por otros autores en diferentes condiciones geológicas y
geotécnicas.
Cuando la correlación fue realizada con los datos de
todos los ensayos SPT (TABLA 2),
se obtuvo un coeficiente de correlación lineal de r = 0,86 que es aceptable si
se tiene en cuenta que las dos variables no fueron medidas en la misma
localización exactamente.
TABLA 2
Datos Utilizados Para Realizar La
Regresión.
La ecuación de correlación lograda fue:
(01)
Donde NSPT es el Número de Golpes de los
ensayos de SPT y VP es la velocidad de las ondas sísmicas
longitudinales.
La prueba de hipótesis realizada confirma que la
ecuación es significativa aunque en algunos puntos los
parámetros estimados a partir de ella no fueron muy buenos, sobre todo en el
área cercana al ensayo S1, esto puede ser causado por la presencia de
fragmentos de calizas dentro de estos suelos arenosos.
Esto prueba que con las velocidades obtenidas con el
método de refracción sísmica puede estimarse los valores de NSPT.
Usando la fórmula 1 todos los valores de velocidad Vp
fueron convertidos en valores de NSPT como se puede observar en la FIGURA 12.
FIGURA 12
Valores Nspt
Estimados Desde Las Velocidades Obtenidas Por La Sísmica De Refracción.
Para calcular los parámetros físico-mecánicos fueron
utilizados los datos de velocidad longitudinal creado por la tomografia sísmica.
Las velocidades de las ondas transversales fueron
estimadas con el software SeisImager empleando los
disparos más distantes de la sísmica de refracción e interpretado con la
metodología 1D MASW, los resultados son presentados en la FIGURA 13. Se tiene una
velocidad constante hasta los 10 metros de profundidad, el valor Vs=277m/s
puede ser utilizado para el cálculo de las propiedades físico mecánicas.
FIGURA 13
Estimativa De Las Velocidades
Transversales (Vs) Con El Método 1dmasw.
Una vez obtenido el perfil de velocidades de las ondas
longitudinales (Vp) y el de las ondas transversales
(Vs) se estimaron otros parámetros geotécnicos que son muy importante para el
cálculo de la capacidad portante de los suelos utilizando las siguientes
expresiones matemáticas.
Módulo de Elasticidad o Módulo de Young (Edin): Representa la cantidad de esfuerzo por unidad de
deformación E=σ/ε.
(02)
Módulo de Corte o Cizallamiento (G): definido como la
relación entre la tensión y la deformación de corte, es una medida de la dureza
del material.
(03)
Coeficiente de Poisson, η: Expresa la
relación entre las deformaciones transversales y longitudinales.
(04)
Se observa que las ecuaciones de regresión logradas
entre los valores de velocidades y la Resistencia a la Penetración Estándar de
los ensayos SPT son significativos, pudiendo ser empleadas con confiabilidad
para estimar de manera preliminar este parámetro geotécnico desde la sísmica de
refracción. Una gran ventaja que ofrece la sísmica es que se obtienen datos más
continuos que los ofrecidos por las prospecciones geotécnicas.
Por la descripción litológica de las prospecciones se
observa la presencia de rocas calizas en el centro del área coincidente con la
prospección S1, éste tuvo que ser eliminado del análisis porque ya a los 5
metros no se pudo continuar con el ensayo de penetración estandar.
En estos suelos es común que aparezcan fragmentos de roca caliza dentro de las
capas. Cuando se realizó el perfil con los datos de NSPT sin
corregir, se observó como en esa zona aumentaba estos valores a poca
profundidad (FIGURA 3),
la información sísmica corroboró igualmente esta situación al existir un
aumento de las velocidades sísmicas en esta zona (FIGURA 12), se puede
ver que con la sísmica se detallan las dimensiones de este cuerpo, la presencia
de fragmentos de rocas calizas pueden afectar los ensayos geotécnicos, dando
lugar a falsas interpretaciones y pensar que se encontró un suelo más compacto
para las cimentaciones, cuando no es así. En este trabajo se decidió hacer otro
ensayo de SPT a pocos metros y no se encontraron los fragmentos de rocas.
Para calcular las velocidades de las ondas
transversales se utilizó el disparo más distante (6 m), con el objetivo de
interpretarlo utilizando la metodología 1D MASW, esto no es lo correcto y solo
se logra una velocidad con la profundidad como puede ser observardo
en la FIGURA 13.
Lo ideal es realizar estudios de ondas superficiales utilizando las
metodologías de adquisición de los métodos 1D MASW, 2D MASW o REMI descritos
por diferentes autores (Humire et al., 2015), todos estos procedimientos
permiten calcular las velocidades de las ondas transversales con mayor precisión.
En las FIGURAS 14, 15, y 16 se observa
como el módulo de Young, módulo de Rigidez y el coeficiente de Poisson aumentan con la profundidad delimitando dos capas,
por otro lado puede observarse, como en el lugar donde existía presencia de
fragmentos de rocas calcáreas, se presentan los valores mas
bajos de los modulos de Young y de Corte, indicando
condiciones geotécnicas más mala, es posible que en esta área se hubiese realizado
algún tipo de excavación, de ahí que los suelos esten
menos compactos y que existan fragmentos de rocas.
FIGURA 14
Módulo De Young, Dinámico
Calculado A Partir De Los Datos Sísmicos.
FIGURA 15
Módulo De Corte (G) En Mpa, Calculado Por Datos Sísmicos.
FIGURA 16
Coeficiente De Poisson (Μ)
Estimado Por Datos Sísmicos
La presentación de los parámetros geotécnicos en mapas
2D, son más representativos que la información tabulada.
Se puede convertir todos los valores de velocidades en
parámetros geotécnicos si existen ecuaciones de correlaciones lo
suficientemente significativas.
Al tener las velocidades de las ondas longitudinales y
las transversales se pueden estimar mucho más parámetros
geotécnicos y representarlos en mapas 2D.
En el áea de estudio se
observó refracciones debiles, debido a que no existen
grandes contrastes entre las velocidades de las diferentes capas de arena, limo
y arcillas con la profundidad, causados principalmente por la ausencia de un
sustrato rocoso.
Se observó un nivel de ruido alto en el sismograma
obtenido propio del ambiente urbano donde se hicieron las mediciones sísmicas.
Los autores agradecen a SASSCAL (Southern African Science Service Centre Sea Climate Change and Adaptive Land Use) por la financiación del equipo y algunas
actividades para el desarrollo de este trabajo.
Araújo,
P., y Peres-Rocha, M. (2010). Estudo
do método geofísico de sísmica de refração com aplicação no futuro trecho
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Curso de Física, Universidade Católica
de Brasília e Instituto de Geociências
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