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III Reunión Nacional de Ciencias de la Tierra Puerto Vallarta Jalisco, 2002 Estudio Geofísico en Pozo Somero Aplicado a la Ingeniería Civil Arturo Malagón M. 1 , Gabriel Martínez R. 2 y Pablo E. Zamudio Z. 3 1 Instituto de Ingeniería Sísmica, Universidad de Guadalajara. 2 Sandstorm – Gam. Ingeniería Geotécnica, Guadalajara, Jalisco. 3 Posgrado de Ingeniería Civil, Universidad de Guadalajara. RESUMEN Los estudios geofísicos de pozos han adquirido gran importancia para la ingeniería ya que estos han proporcionado información importante para el diseño antisísmico de estructuras civiles. Este trabajo es parte de un estudio multidisciplinario en donde participaron áreas como Geología, Sismología de Terremotos, Geotecnia, Dinámica de Suelos, Estructuras, etc. y está relacionado con el cálculo de las velocidades de ondas de cizalla en diferentes tipos de materiales, dato fundamental para que los geotecnistas y estructuristas puedan conocer los valores reales de las constantes elásticas de los materiales “in situ”, ya que es una herramienta fundamental en el diseño y reforzamiento de edificios para que soporten las fuerzas dinámicas ocasionadas por fuentes naturales (terremotos) o artificiales (vibraciones), se describe la técnica y método de los trabajos de exploración geofísica realizados en un sitio en el centro de la ciudad de Guadalajara para el reforzamiento de una estructura civil, usando la técnica de pozo (down–hole) en cuatro sondeos perforados a 15.5, 11.0, 11.40 y 12.20 metros de profundidad respectivamente, con el propósito de conocer los parámetros elásticos- dinámicos de los materiales del subsuelo en el sitio de estudio como son: La relación de Poisson, el módulo dinámico de Young y el módulo de rigidez o de corte. El propósito de este estudio es describir una de las técnicas geofísicas utilizadas comúnmente y que son de uso normal en trabajos de ingeniería. ABSTRACT The boreholes geophysical tests have acquired great importance for the engineering since they have provided important information for the antisesmic design of civil structures. This work is part of a multidisciplinary study in which have participated areas as Geology, Earthquake Seismology, Geotechnical Engineering, Soil Dynamics, Structural Engineering, et., and it is related to the computation of the shear waves propagation velocity, main value so the geotechnical and structural engineers can obtain the real values of the materials elastic constants “in situ”, since they are a fundamental tool in the design and reinforcement of buildings in order to they could resist dynamic forces caused by natural (earthquakes) or artificial (vibrations) sources, it is described the technique and method of the geophysical exploration tests made in a site in the Guadalajara city downtown in order to reforce a civil structure, using the down – hole technique in four boreholes with a 15.5, 11.0, 11.40 and 12.20 meters of depth respectively, in order to compute the elastic dynamic soil properties in the study sitie, such as: Poisson module dynamic young module and shear module. The purpose of the study is to describe one of the mayors used geophysical techniques in the engineering projects. INTRODUCCIÓN A partir de los últimos años del siglo XX, los estudios geofísicos han adquirido gran importancia para proporcionar datos en el diseño antisísmico de estructuras civiles. Varias técnicas sísmicas han evolucionado, permitiendo a los geofísicos obtener datos suficientes para determinar algunas propiedades de los materiales y usar los resultados obtenidos para conocer los módulos elásticos de dichos materiales. Cada día resulta más evidente que los valores de las propiedades elásticas, obtenidos en base a estimaciones empíricas, no son aceptables para diseño antisísmico. Esto ha llevado a los geofísicos a modificar viejas técnicas y desarrollar otras nuevas que permitan obtener, con razonable precisión, valores cuantitativos. El propósito de este estudio es describir algunas técnicas geofísicas, fundamentalmente la técnica sísmica de pozo conocida como Down - Hole. Estos métodos se utilizan comúnmente y son de uso normal en trabajos de ingeniería. La mayor parte de este estudio está relacionado con la medida de la velocidad de las ondas transversales III Reunión Nacional de Ciencias de la Tierra Puerto Vallarta Jalisco, 2002 en los distintos materiales, dato fundamental para que geofísicos y geotecnistas puedan conocer los valores reales de los módulos elásticos de los distintos materiales “in situ”. Está técnica se aplicó en el estudio del subsuelo de un sitio en el centro de la Ciudad de Guadalajara para el reforzamiento de una estructura civil. Para ello fue necesario conocer el comportamiento de la velocidad de onda de cizalla y compresional a profundidades someras que son de interés para la ingeniería, alcanzando profundidades de 11 a 15.5 metros y poder establecer los diversos módulos elásticos de los materiales presentes a estas profundidades. MÓDULOS ELÁSTICOS Cualquier material, sometido a un esfuerzo, experimenta algún tipo de deformación. La elasticidad es la medida de aquella parte de la deformación que desaparece al suprimirse el esfuerzo. Para pequeñas deformaciones, éstas pueden considerarse proporcionales al esfuerzo (Ley de Hooke) y las constantes elásticas del material pueden definirse mediante módulos elásticos. La definición gráfica de los módulos elásticos se presenta en la figura 1, teniendo en cuenta que llamamos esfuerzo a la fuerza aplicada, uniformemente, sobre una superficie. Si la fuerza actúa perpendicularmente a la superficie, será llamada de compresión o de tracción, según que su sentido sea hacia o desde la superficie. Una fuerza que actúa paralelamente a la superficie se denomina transversal y da lugar a un esfuerzo cortante o de cizalla (Crice, D., 1995). Los módulos elásticos se determinan mediante ensayos de laboratorio, en condiciones estáticas. Sin embargo, es imposible reproducir en el laboratorio las condiciones en que se encuentran los materiales “in situ”. Las técnicas sísmicas pueden aplicarse en campo, para medir algunos parámetros que intervienen en la determinación de los módulos dinámicos y a partir de ellos obtener las constantes elásticas de los materiales “in situ”. ONDAS SÍSMICAS Antes de describir las técnicas de campo para medir los módulos elásticos, parece conveniente revisar algunas de las propiedades fundamentales de las ondas sísmicas y su transmisión en el terreno. Muchos materiales del terreno se comportan de forma aproximadamente elástica, ante la acción de una fuerza instantánea aplicada a ellos. Este comportamiento se traduce en la aparición de vibraciones que se propagan a través de los materiales, como ondas sísmicas cuyo frente se desplaza radialmente a partir del punto de aplicación de la fuerza. En este proceso se generan cuatro tipos básicos de ondas: dos que se propagan dentro de los materiales y otros dos que viajan siguiendo el contacto entre el material y la superficie del suelo. Las ondas de los dos primeros tipos son las que, en la literatura anglosajona, se denominan "body waves" y las dos últimas son las ondas superficiales. La velocidad de propagación de estas ondas depende de la densidad del material a través del cual se propagan y normalmente crece al aumentar la densidad. El movimiento de las partículas a que da lugar el paso de las ondas depende del tipo de estas y de los módulos elásticos de los materiales (Clark, et al., 1985) Las ondas longitudinales o compresionales (ondas "P"), se propagan dentro de los materiales, produciendo, alternativamente, compresiones y dilataciones y dando lugar a un movimiento de las partículas en la dirección de propagación de la onda. Las ondas longitudinales son las que tienen una mayor velocidad depropagación, para un material dado. Las ondas transversales o cortantes (ondas "S"), producen el movimiento de las partículas perpendicularmente a la dirección de propagación de la onda. Las ondas compresionales puede considerarse como resultantes de dos tipos de ondas: unas que se transmiten en un plano horizontal, ondas SH, y otras en un plano vertical, ondas SV. De los dos tipos de ondas superficiales, son las denominadas ondas Love las que presentan mayor velocidad de propagación. Dan lugar a un movimiento de partículas en dirección transversal a la de propagación. La existencia de las ondas Love está restringida a capas del terreno en contacto con la atmósfera y bajo las cuales existen otras capas en que la velocidad de las ondas transversales sea mayor que en la capa en cuestión. Las ondas Rayleigh imprimen a las partículas un movimiento según una trayectoria elíptica con un sentido contrario a la propagación de la onda (Redpath, 1973). RELACIÓN ENTRE ONDAS SÍSMICAS Y CONSTANTES ELÁSTICAS Puesto que las velocidades de propagación de las ondas sísmicas son función de las características elásticas de los materiales a través de los cuales se III Reunión Nacional de Ciencias de la Tierra Puerto Vallarta Jalisco, 2002 propagan, es posible servirse de ellas para calcular el coeficiente de Poisson de un Material, a partir de las siguientes relaciones. 2)(2 2)( 2 2 S P S P V V V V (1) Si en el laboratorio se determina además, la densidad de dicho material, es posible conocer el valor de los otros módulos elásticos, como son: Módulo de Rigidez 2 sVG (2) Módulo de Compresibilidad 22 3 4 sp VVK (3) Módulo de Young ó Elasticidad )1(2 2 sVE (4) Donde: = densidad sV = velocidad de propagación de las ondas transversales pV = velocidad de propagación de las ondas longitudinales = Coeficiente de Poisson Estas son las fórmulas básicas utilizadas para la determinación de las constantes elásticas. Como puede observarse, dichas constantes pueden calcularse a partir del conocimiento exacto de los valores de las velocidades de onda longitudinal y transversal y de la densidad del material Clark, et al., 1985) METODO GEOFÍSICO EN EL ESTUDIO DEL SUELO EN UN SITIO DEL CENTRO DE LA CIUDAD DE GUADALAJARA. Este trabajo es parte de un estudio multidisciplinario en donde participaron áreas como Geología, Sismología de Terremotos, Geotecnia, Geofísica, Dinámica de Suelos. El estudio Geofísico está relacionado con el cálculo de las velocidades de ondas de cizalla en diferentes tipos de materiales, dato fundamental para que los geotecnistas puedan conocer los valores reales de las constantes elásticas de los materiales “in situ”, ya que es una herramienta fundamental en el diseño y reforzamiento de edificios para que soporten las fuerzas dinámicas ocasionadas por fuentes naturales (terremotos) o artificiales (vibraciones). Se describe la técnica y método de los trabajos de exploración geofísica realizados en un sitio del centro de la ciudad de Guadalajara como parte de un estudio de ingeniería sísmica para una estructura civil. Estos trabajos forman parte de la evaluación de las condiciones estructurales del mercado Libertad de “San Juan de Dios” el cual se encuentra en la manzana que forman las calles de Dionisio Rodríguez, Alfareros, Cabañas y la Av. Javier Mina, en el municipio de Guadalajara (Figura 2). Se uso la técnica geofísica de pozo conocida como Down–Hole, realizando pruebas en cuatro sondeos perforados a 15.5, 11.0, 11.40 y 12.20 metros de profundidad respectivamente, con el propósito de conocer las velocidades de propagación de las ondas sísmicas, y poder determinar los parámetros elásticos-dinámicos de los materiales del subsuelo en el sitio de estudio como son: La relación de Poisson, el módulo dinámico de Young y el módulo dinámico de rigidez. TRABAJO DE CAMPO (EXPLORACIÓN DIRECTA) Se realizaron nueve sondeos mediante la técnica de penetración estándar ASTM-1589 y perforación en roca con barril NXL (Martínez y Morales, 2001). A los sondeos se les nombro como S1, S2, S3, S4, S5, S6, S7, S8, S9 respectivamente, se ubicaron alrededor del mercado Libertad con la finalidad de conocer la estratigrafía y propiedades índice de los materiales (Figura 3). Como los sondeos se ubicaron en las vialidades fue necesario extraer corazones de concreto para poder iniciar las perforaciones. Debido a que el agua se encontró a poca profundidad fue necesario el empleo de ademe metálico para poder realizar las perforaciones. Las profundidades de cada sondeo variaron, pero se observó una fuerte concordancia entre los estratos. En la tabla I se muestra la profundidad alcanzada en cada sondeo. III Reunión Nacional de Ciencias de la Tierra Puerto Vallarta Jalisco, 2002 Tabla I. Profundidad de cada sondeo Los sondeos en suelo se detuvieron hasta alcanzar un número de golpes “n” mayor a 50 o cuando ya no se podía recuperar muestra, posteriormente se perforo la roca meteorizada y finalmente se obtuvieron núcleos de roca sólida con barril muestreador del tipo NXL (Martínez y Morales, 2001). TRABAJO DE CAMPO (EXPLORACIÓN INDIRECTA) En está parte del estudio se describen los trabajos de prospección geofísica realizados mediante la técnica de sísmica de pozo en cuatro barrenos (S2, S4, S5 y S7), equipados a 15.50, 11.0, 11.40 y 12.20 metros de profundidad, respectivamente. Se hicieron lecturas de los tiempos de arribo de las ondas longitudinal y transversal a cada metro de profundidad dentro de cada barreno con el propósito de conocer las velocidades de propagación de onda en diferentes tipos de material, atravesados por los sondeos, a partir del cual se determinaron los parámetros elásticos dinámicos de los materiales del subsuelo denominados Relación de Poisson, Módulo Dinámico de Young y Módulo de Rigidez o de Corte. Durante estos trabajos se utilizó un sismógrafo de 12 canales marca Geometrics, modelo ES-1225 versión 3.3, el cual esta diseñado para visualizar en pantalla la información registrada y poder analizar en forma inmediata el tiempo de viaje de los arribos tanto de las ondas longitudinales como transversales, entre otras funciones cuenta con una salida para impresión de sismogramas a través de papel electro sensitivo de 3.97 pulgadas en donde quedan registrados los datos. En cada sondeo se colocó una sonda constituida por un geófono triaxial en el interior de un tubo de PVC de 4 “con el que se equipo a cada barreno (figura 4). Por cada posición de la sonda colocada en el interior del barreno, se generaron impulsos sísmicos en la superficie del terreno mediante el golpe de un marro sobre una placa metálica colocada en casi todos los casos a una distancia de 1.00 metro, excepto en el barreno S7 que se colocó a una distancia de 1.30 metros, del centro del brocal del barreno al centro de la placa. Tanto el marro como la placa fueron sincronizados con el sismógrafo que registra los diferentes tiempos de arribo de las ondas longitudinales y transversales. La misma técnica se aplicó en los cuatro barrenos. La corrección del tiempo de viaje vertical, t a la profundidad z, se obtuvo multiplicando el tiempo observado por el siguiente factor de corrección. 2 122 )( xz z (5) es decir, el tiempo de viaje corregido se determinó por la siguiente relación (Sheriff and Geldart, 1991). 2 122 )( xz z TT obsv (6) donde: vT = tiempo de viaje vertical obsT = tiempo observado z = profundidad x = distancia de la fuente al brocal del pozo. para corregir por la distancia oblicua real. Lavelocidad promedio entre la superficie y la profundidad z está dada por la relación: vT Z V (7) En la tabla II, se muestra un ejemplo de los corregidos con las velocidades calculadas y en la figura 5 se observa la gráfica tiempo – profundidad para el sondeo S4. Este procedimiento se funda en obtener las diferentes velocidades de propagación de ondas vibratorias de tipo sísmico a través de diferentes medios materiales. Las mediciones realizadas sobre diversos medios permiten establecer que esa velocidad de propagación varía entre 150 y 2,000 m/s en suelos, correspondiendo los valores mayores a mantos de grava muy compactos y las Sondeo Prof. Perforada (m) S1 16.00 S2 (prueba geofísica) 15.50 S3 13.00 S4 (prueba geofísica) 11.00 S5 (prueba geofísica) 11.40 S6 11.70 S7 (prueba geofísica) 12.20 S8 18.60 S9 7.20 III Reunión Nacional de Ciencias de la Tierra Puerto Vallarta Jalisco, 2002 menores a arenas sueltas; los suelos arcillosos tienen valores medios, mayores que las arcillas duras y menores para las suaves. En roca sana los valores fluctúan entre 2,000 y 8,000 m/s. Como término de comparación se menciona el hecho de que en el agua la velocidad de propagación de este tipo de onda es del orden de 1,400 m/s. PROPIEDADES DINÁMICAS DEL SUELO A PEQUEÑAS DEFORMACIONES Las velocidades de onda obtenidas operan en niveles por debajo del 0.001% de deformación angular, es decir, induciendo un comportamiento esfuerzo-deformación totalmente elástico, lo cual permite utilizar la relación entre las ondas sísmicas y las constantes elásticas para obtener las propiedades dinámicas máximas del suelo. En la tabla II se muestra un ejemplo de los cálculos de los módulos elásticos aspectos mencionados anteriormente, para el sondeo 4. Tabla II.- Obtención de los módulos elásticos. PERFILES ESTRATIGRÁFICOS Con los datos estratigráficos obtenidos mediante exploración directa, se realizaron perfiles, cuya correlación de pozo, muestran una secuencia estratigráfica horizontal con intercalaciones de arenas limosas con diferentes compacidades y limos de diversas consistencias en cuanto a la compresibilidad, presentándose acuñamientos de la arena limosa sobre el material limoso atravesados por los sondeos. La figura 6 muestra un ejemplo de esta correlación. DISCUSIÓN La interpretación geofísica, en general, es de cierto modo un arte mezclado con conocimiento, ciencia y paciencia. La experiencia y el ingenio personal son muy importantes tanto en la aplicación de las técnicas de campo como en la interpretación de los datos. Las principales aplicaciones o parámetros de un estudio Geofísico que se pueden localizar y que son de mucha utilidad para los estudios de Ingeniería Civil, Ingeniería Sísmica y Geotecnia son: Caracterización del suelo en cuanto a su compacidad o consistencia, resistencia, capacidad de carga, zonas de alteración, espesores de materiales, profundidad a la roca, obtención de módulos elásticos-dinámicos, análisis de espectro de frecuencia para cimentaciones, etc. Esto nos indica la importancia de estos tipos de estudios en la ingeniería y los cuales no debemos descartar. Los métodos geofísicos de exploración aplicados a los estudios del suelo se han desarrollado en la ingeniería, principalmente con el propósito de determinar las variaciones de las velocidades de propagación de las ondas sísmicas, que nos permitan determinar las características físicas de los diferentes estratos del suelo o los contornos de la roca basal que subyace a depósitos sedimentarios. CONCLUSIONES De acuerdo con los resultados de la exploración directa (sondeos) e indirectos (sísmica de exploración) los estratos encontrados presentan una estratigráfica horizontal y homogénea, con intercalaciones de materiales de arena limosa y limos con diferentes compacidades, lo que represento, poder realizar una correlación entre pozos, se observó una variación en los espesores y profundidad del estrato duro. El material encontrado en los diferentes sondeos presentó variaciones importantes en el contenido de agua y en algunos casos fue mayor a su límite líquido, por lo que debe considerarse la presencia del agua en los análisis y diseños que se realicen, ya que influye considerablemente en el peso volumétrico del material y puede modificar de una manera negativa las propiedades mecánicas del suelo. Los valores de velocidad de onda P y S son congruentes con los materiales atravesado, primeramente, porque estamos trabajando con capas cercanas a la superficie de la Tierra lo que hace que se presente una marcada diferencia en cuanto a velocidades y algunas otras propiedades del resto de la Tierra. Esto hace especialmente Prof. TP (corr.) TS (corr.) VP VS Gmax (m) (mseg) (mseg) (m/s) (m/s) (kg/m3) (kg/cm2) 1 2.47 6.36 404 157 155 0.4109 382 2 4.92 14.76 409 119 159 0.4537 226 3 6.64 19.92 581 194 185 0.4375 693 4 7.03 21.83 2546 525 187 0.4778 5143 5 7.55 24.51 1934 372 175 0.4808 2425 6 8.14 26.88 1703 423 172 0.4671 3082 7 8.41 30.19 3612 302 183 0.4965 1666 7.9 8.68 31.75 3381 579 177 0.4849 5927 SONDEO S4 III Reunión Nacional de Ciencias de la Tierra Puerto Vallarta Jalisco, 2002 importante la presencia de capas de baja velocidad cercana a la superficie (CBV). La medición de la velocidad in situ se efectuó directamente por medio de determinaciones convencionales de velocidad donde el tiempo de viaje se mide entre una fuente sobre la superficie y un geófono dentro de un pozo de sondeo somero. Esto nos permitió obtener gráficas (distancia-profundidad) de la medición de la velocidad en distintos materiales atravesados por los sondeos, datos necesarios para calcular las constantes elásticas de los materiales. Con los resultados obtenidos anteriormente y pruebas de laboratorio en el área de mecánica de suelos (pruebas triaxiales cíclicas) es posible obtener una ley constitutiva que modele el comportamiento del suelo ante solicitaciones sísmicas cubriendo todos los rangos de deformación. Además, las constantes elásticas obtenidas por medio de estudios geofísicos se emplean para modelar un sistema masa-resorte del suelo. REFERENCIAS Clark D. G., Maldonado Z. A. y Negrillo M. R. (1985). Técnicas Geofísicas para la determinación de Propiedades Elásticas. Pag. 71-91, Geotécnica, S. A. Crice D. (1995). Preliminary Draft. Shear Waves – Techniques Systems. Geophysical Instruments for subsurface Investigation’s seismographs. Kitzsunezaki, C. (1965). In situ Determination of Variation of Poisson´s ratio in Granite Accompanied by Weathering Effect and its Significance in Engineering Projects, Bulletin of the Disaster Prevention Research Institute, Vol. 15, Part 2, No. 92. Kyoto University, Japan. Martínez, R., G, y Morales, G. A, (2001). Informe Geotécnico. Sandstrorm-Gam, Ingeniería Geotécnica. Inédito. Redpath B. B., (1973). Seismic Refraction Exploration for Engineering site Investigations. Explosive Excavation Research Laboratory Livermore, California. Technical Report E-73-4. Sheriff. E.R. and Geldart P.L. 1991.- Exploración Sismológica. Procesamiento e Interpretación de datos. Cambridge University Press. Vol. II. III Reunión Nacional de Ciencias de la Tierra Puerto Vallarta Jalisco, 2002 Figura 1.- Definición gráfica de los módulos elásticos Figura 2.- Ubicación del sitio de estudio. Mercado Libertad III Reunión Nacional de Ciencias de la Tierra Puerto Vallarta Jalisco, 2002 Fi gu ra 3 . U bi ca ci ón d e lo s p oz os o so nd eo s e n dond e se re al iz ar on p ru eb as g eo fís ic as . III Reunión Nacional de Ciencias de la Tierra Puerto Vallarta Jalisco, 2002 Figura 4.- Técnica de campo por el método Down-Hole. Figura 5.- Ejemplo de una gráfica distancia–profundidad para el sondeo 4 y las correspondientes gráficas de los cálculos del Módulo de Poisson () y de Corte (Gmax) Gmáx. Módulo de Poisson () 1.00 3.00 5.00 7.00 9.00 0.00 2.00 4.00 6.00 8.00 10.00 P ro fu n d id a d ( m ) 1000 3000 50000 2000 4000 Velocidad (m/seg) 10.00 30.000.00 20.00 Tiempo (ms) Limo de baja Compresibilidad Basalto Meteorizado Arena limosa de compacidad suelta Limo de baja compresibilidad Limo de baja compresibilidad Arena limosa de compacidad muy densa Arena limosa de compacidad muy densa Limo de baja compresibilidad Sección Geológica Leyenda Velocidad de la onda P Velocidad de la onda S Tiempo de arribo de la onda S Tiempo de arribo de la onda P Ts Vp TpVs 1.00 3.00 5.00 7.00 0.00 2.00 4.00 6.00 8.00 P ro fu n d id a d ( m ) 0.1 0.3 0.50.0 0.2 0.4 0.6 Módulo de Poisson 1000.0 3000.0 5000.0 7000.00.0 2000.0 4000.0 6000.0 8000.0 Gmáx III Reunión Nacional de Ciencias de la Tierra Puerto Vallarta Jalisco, 2002 Figura 6.- Secciones estratigráfica obtenidas utilizando la exploración directa, realizada en el suelo del mercado libertad, ubicado en el centro de la ciudad de Guadalajara. 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 S5 S4 S3 Pr of un di da d (m ) 90 m 67.5 m "MERCADO LIBERTAD", CALLE DIONISIO RODRÍGUEZ. 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 S2 S8 S1 Pr of un di da d (m ) "MERCADO LIBERTAD", CALLE ALFAREROS. 12.5 m 12.5 m 0 2 4 6 8 10 12 14 S7 S6 Pr of un di da d (m ) ARCILLA ARENA SUELTA ARENA MEDIA ARENA COMPACTA LIMO ROCA 35 m "MERCADO LIBERTAD", CALLE CABAÑAS.
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