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REFRACCIÓN SÍSMICA

1. DESCRIPCIÓN GENERAL

El ensayo de refracción sísmica es una herramienta básica para explotar en forma rápida y

económica grandes áreas, permitiendo obtener con relativa precisión los espesores de los

estratos y las velocidades de onda p y de onda s en algunos casos así para la

determinación de parámetros.

Estos parámetros son la estratigrafía del suelo, compacidad del subsuelo de fundación,

definición del tipo de cimentación a utilizar y su dimensionamiento, cota de fundación en la

que se encuentra el suelo sano y firme, ubicación de yacimientos de rocas sanas y/oalteradas, determinación de fallas, determinación del nivel freático, etc.

Esta t cnica, a trav s de la elaboración y análisis de un gráfico tiempo!distancia determina

la velocidad de propagación de las ondas sísmicas "función de los módulos elásticos del

medio de propagación# en un medio determinado, con lo cual, se establece el espesor,

profundidad y litología de los estratos que constituyen el subsuelo de alguna región

geológica.

En refracción sísmica se acepta como capacidad de detección mínima la de un horizonte

con espesor no menor a una cuarta parte de la profundidad a que se encuentra su contacto

superior.

Esto es aceptable como forma general de presentación de la estructura geológica del

subsuelo

1.1. APLICACIONES EN LA INGENIERÍA CIVIL

$a aplicación más com%n de la refracción sísmica en la ingeniería civil es para la

determinación de la profundidad a basamento en los proyectos de construcción de represas

y grandes hidroel ctricas, y para la determinación de las condiciones "meteorización,

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fracturación# y competencia de la roca en donde se asentarán las estructuras, así como por

donde se realizarán los t%neles.

&ambi n es muy %til para detección de fallas geológicas.

En el caso de contextos urbanos la refracción resulta %til para la determinación de la

profundidad a basamento y el perfil de velocidades de onda ' y () y para la extrapolación

lateral de perforaciones puntuales de suelos.

El m todo utiliza la llegada de las primeras ondas a los g ofonos, ondas ', pero como

tambi n las llegadas de las ondas (, de tal manera que se pueden determinar la relación

de 'oisson y otros módulos dinámicos.

(arria "*++ # enuncia otras potenciales aplicaciones del m todo-

a# utilización del ruido sísmico para determinar el módulo dinámico G en masas dearcilla.

b# evaluación del amortiguamiento.

c# evaluación de los límites de tterberg.

d# determinación de módulos E y en mecánica de rocas.

e# explotación de canteras.

f# ubicación de sondeos en roca.

g# para determinar la capacidad de carga de los pilotes.

1.2. ALCANCES Y LIMITACIONES DEL MÉTODO.

En t rminos de la 0ngeniería 1ivil, y el estudio dinámico de los suelos los alcances y

limitaciones del m todo serían los siguientes-

ALCANCES.

2 3etecta variaciones tanto en profundidad como en la horizontal de la velocidad de la onda

' "y de la (#.

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2 'ermite la detección de la profundidad a basamento y de su relieve, dependiendo de

variables 1omo longitud del tendido, energía de la fuente sísmica, velocidades de los

suelos.

LIMITACIONES.

2 (ólo funciona cuando la velocidad de propagación de las ondas aumenta con la

profundidad. En el caso de suelos con capas intermedias de menor velocidad el m todo

arro4aría resultados erróneos.

2 'ara el caso de aplicaciones urbanas de la 0ngeniería 1ivil, el 5 todo de 6efracción

(ísmica está limitada por la disponibilidad de zonas descubiertas con suficiente extensión.

$a longitud del tendido en superficie está directamente relacionada con el alcance de laexploración en profundidad.

0ntroducción

2. OBJETIVOSObjeti ! "e#e$%&

plicar el m todo de refracción sísmica para la determinación de velocidades

de ondas p y su aplicación en los suelos

Objeti !' e'(e)*+i)!'

6ecabar información sobre los fundamentos de la teoría de las ondas

sísmica"específicamente de las ondas p# y de la teoría de refracción sísmica.

,. MATERIALES E INSTR-MENTOS

GEÓFONOS

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(e llaman geófonos a los sensores o receptores que transforman los movimientos

sísmicos del suelo a se7ales el ctricas de características de frecuencia y amplitud análoga

a la de las ondas sísmicas que son detectadas y registradas por el sismógrafo.

CABLE DE CONE IONES SISMÓGRAFOS/GEÓFONOS

Este cable es el que transporta las se7ales el ctricas transformadas por los

geófonos. demás tiene puntos de conexión el ctrica donde se conecta cada receptor a

intervalos uniformes. El espaciamiento entre geófonos varia des * m o mayores, todo en

función del nivel de detalle definido por los ob4etivos de la investigación por refracción

SISMÓGRAFO

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El sismógrafo cumple la función de recibir los impulsos el ctricos "volta4es# de los

geofonos, amplificarlos y convertirlos de se7ales analógicas a se7ales digitales, que es la

forma en que se almacena los datos sísmicos.

AMPLIFICADORES

$os amplificadores sísmicos son de dise7o muy variado, pero todos ellos tienencomo característica la alta fidelidad a las ba4as frecuencias, ya que el rango de las se7ales

de origen sísmico que normalmente se mane4an se encuentra entre 8 y 899 ciclos por

segundo.

F-ENTE DE ENERGÍA SÍSMICA

&omando en cuenta la gran variación de constantes elásticas que pueden presentar

los diferentes tipos de suelo y estructuras geológicas del subsuelo, la energía sísmica

necesaria para obtener la información del subsuelo puede ser muy grande, cuanto mas

profunda sea la capa y conforme aumente el n%mero de cambios de medios elásticos, la

energía susceptible de regresar a la superficie y ser detectada en los geófonos, disminuye

rápidamente.

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SISTEMA DE DISPARO

El sistema de disparo o trigger consiste en el envió de una se7al a la unidad de

adquisición de datos, mediante el cierre o apertura del circuito entre la fuente de energía y

la unidad de adquisición de datos, al momento del impacto o explosión, para que este de

inicio a la toma de datos "tiempo cero# y registro de las ondas sísmicas.

0. PROCEDIMIENTO DE ENSAYO SEG N NORMA ASTM D/ 333

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En primer lugar, se recomienda aislar el sitio donde se realizara la inspección por

refracción, especialmente del ingreso de vehículos y de personas a4enas al grupo de

t cnicos de campo.6ealización de un recorrido previo por el sitio, para verificar las condiciones del

mismo "limpieza, topografía, clima, drena4e natural, nivel del ruido, etc.# antes de

proceder a la ubicación de la línea de inspección.1hequeo de la información inicial requerida, debe indicarse la cantidad, longitud y

ubicación de las líneas de inspección. (i alguna de las líneas de inspección no es

posible realizarla en el lugar o con la longitud prevista, se deberá 4ustificar cualquier

cambio.&razo de la línea de inspección, haciendo uso de la cinta m trica se marcaran sobre

el suelo, en la línea recta, la separación a la cual deben espaciarse los geofonos,

dependiendo de la cantidad de canales a utilizar y de la longitud de la línea, sirve la

siguiente tabla-

$os geófonos verticales de *: hz se colocan en los puntos marcados. El geófono

debe ser introducido a presión y no debe golpearse para lograr la penetración de la

espiga. $a espiga debe introducirse lo suficiente para asegurar la fi4ación del

geófono, si la espiga no puede introducirse a presión, se perforara primero unagu4ero, procurando que la profundidad del mismo sea un poco menor a la longitud

de la espiga. $a colocación inapropiada de los geófonos es un problema com%n que

resulta en una detección pobre de las se7ales de ondas p. El cable de conexión de

los geófonos se tiende y debe ser puesto fuera de la línea de geófonos a lo largo de

un alinea recta. 'referentemente se recomienda colocarlo al lado izquierdo del

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arreglo de geófonos "tomando como referencia la ubicación del sismógrafo# y se

conectan los geófonos cable.$a manera más simple para generar la energía sísmica en los puntos de disparos, es

producir un impacto en el suelo con un martillazo. Este procedimiento tiene el

inconveniente de que la energía que se genera es de poca cuantía y aunque pueda

utilizarse martillos más pesados, su mane4o no siempre es fácil y la energía

generada no penetra mucho en el subsuelo. 1uando se utilizan impactos con

martillos, deberán hacerse sobre una placa o en terrenos en los cuales se pueda

colocar un dispositivo que genere un impulso el ctrico en el instante preciso en que

se produzca el impacto, con el ob4eto de tener una referencia en tiempo, de la

indicación del movimiento sísmico "tiempo cero#. El dispositivo utilizado como fuente

de energía es un mazo de 89 libras, adecuado con un interruptor especial paramarcar el tiempo cero y una placa de acero de *;x*; cm y de * mm de espesor,

que se coloca sobre el suelo y recibe el golpe del mazo.6ealizar una prueba para verificar el funcionamiento de los geófonos conectados al

cable conductor de se7ales, por lo general cuando todo el equipo está conectado y

ubicado en su lugar, un integrante del grupo de t cnicos de campo realiza una

revisión pasando 4unto a cada geófono y el t cnico encargado del mane4o del

sismógrafo verifica en el sismógrafos existe un registro de se7ales obtenidas en

cada geófono debidas a esta actividad.6ealización de una prueba para la determinación del nivel de ruido ambiental en el

sitio, lo que ayudara para definir el con4unto de filtros "lo

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(e procede a almacenar el registro obtenido de la fuente de energía utilizada en

cada punto de disparo.. C4LC-LOS Y RES-LTADOS

CASO DE DOS ESTRATOS

'ara el caso de un sistema simple de dos estratos "medio semi infinito que infrayace

aun estrato simple de velocidad inferior y espesor uniforme#, se puede deducir una

expresión para evaluar el espesor del primer estrato en función de la distancia crítica y de

las velocidades de las ondas en estos estratos obteni ndose.

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CASO DE M LTIPLES ESTRATOS

(e asume que los estratos tienen límites planos y paralelos "incluyendo la superficie

del terreno#, las velocidades son uniformes dentro de cada estrato, y las velocidades de los

estratos se incrementan con la profundidad. El grafico tiempo!distancia posee segmentos

de línea que corresponden a cada estrato y tienen una pendiente igual al reciproco de la

velocidad del estrato.

1ada interface tiene una distancia crítica y un correspondiente tiempo de

intercepción. $os subíndices que identifican la distancia crítica y el tiempo de interpretación,

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CONSTANTES EL4STICAS DIN4MICAS

MÓD-LO DE YO-NG

El módulo de elasticidad o módulo de Aoung es el parámetro que caracteriza el

comportamiento de un material elástico, en función a la dirección en la que se aplica una

fuerza. 'ara un material elástico lineal e isótropo, el módulo de Aoung tiene el mismo valor

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para una tracción que para una compresión, siendo una contante independiente del

esfuerzo siempre que no exceda de un valor máximo denominado limite elástico.

MÓD-LO DE POISSON

Es una constante elástica que proporciona una medida del estrechamiento de

sección de una partícula de material elástico lineal e isotrópico cuando se estira

longitudinalmente y se adelgaza en las direcciones perpendiculares a la de estiramiento.

MÓD-LO DE CORTE

$a aplicación de estos parámetros en la mecánica de suelos suele traba4arse con

otros dos parámetros elásticos, el módulo de corte B ?, que divide las deformacioneselásticas o recuperables. 'uede obtenerse a partir de los valores de módulo de Aoung y

velocidad.

5. CONCL-SIONES

El m todo de refracción sísmica tiene una gran aplicación en la explotación geot cnica,

pero su interpretación debe necesariamente correlacionarse con la información de los

sondeos convencionales, pues tiene inconvenientes de no detectar estratos blandos que

subyacen a otros duros.

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El m todo de medición de ondas '!( en pozos permite obtener los parámetros

dinámicos del suelo, las cuales son necesarios para poder determinar la respuesta

dinámica del suelo. 'or lo tanto, siempre que sea posible, se debe realizar este tipo de

ensayo, lo cual permitirá comparar los periodos de vibración natural del suelo obtenidos

mediante medición de micro vibraciones