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ENSAYO DE REFRACCIÓN SÍSMICA

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gregorio ganoza aguilar

on 26 November 2014

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ENSAYO DE REFRACCIÓN SÍSMICA
UNIVERSIDAD PRIVADA ANTENOR ORREGO
CURSO: Mecánica de Suelos II
INTEGRANTES:
Benites García, Lucerito
Ganoza Aguilar, Gregorio
Lázaro Gutiérrez, Ana
Luna Meza, Ana
Sánchez Plasencia, Luis
MARCO TEORICO
PRUEBA DE REFRACCIÓN SÍSMICA
PROCEDIMIENTO DE ENSAYO
SEGÚN NORMA ASTM D-5777
Docente: Ing. Huertas Polo, José
Escuela Profesional de Ingeniería Civil
INTRODUCCIÓN
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 ondas S en algunos caso así para la determinación de parámetros.
Esta técnica, a través de la elaboración y análisis de un gráfico tiempo-distancia determina la velocidad de propagación de las ondas símicas (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
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/o alteradas, determinación de fallas, determinación del nivel freático, etc.
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
Se llaman geófonos a los sensores o receptores que transforman los movimientos sísmico del suelo a señales eléctricas de características de frecuencia y amplitud análoga a la de las ondas sísmicas que son detectadas y registradas por el sismógrafo.
Este cable es el que transporta las señales eléctricas transformadas por los geófonos. Además, tiene puntos de conexión eléctrica donde se conecta cada receptor a intervalos uniformes. El espaciamiento entre geófonos varía desde 1 m o mayores, todo en función del nivel de detalle definido por los objetivos de la investigación por refracción.
El sismógrafo cumple la función de recibir los impulsos eléctricos (voltajes) de los geófonos, amplificarlos y convertirlos de señales analógicas a señales digitales, que es la forma en que se almacenan los datos sísmicos.
FUENTE DE ENERGÍA SÍSMICA
Los amplificadores sísmicos son de diseño muy variado, pero todos ellos tienen como característica la alta fidelidad a las bajas frecuencias, ya que el rango de las señales de origen sísmico que normalmente se manejan se encuentra entre 2 y 200 ciclos por segundo.
MATERIALES E INSTRUMENTOS
CABLE DE CONEXIONES SISMÓGRAFOS –GEOFONOS
AMPLIFICADORES
El método de la refracción sísmica consiste en la medición del tiempo de viaje de la primera onda detectada (onda de compresión u onda P) en una serie de puntos separados a intervalos regulares a lo largo de una línea de referencia ubicada sobre la superficie de la tierra. Dicha línea se conoce como línea de inspección, y en cada punto de la misma se encuentra un dispositivo receptor de señales llamado geófono.
Luego, el conjunto de registros obtenidos de la realización del ensayo son recolectados, visualizados, revisados y almacenados por un equipo de adquisición de datos, que incluye instrumentos como sismógrafo, batería y, en ciertas ocasiones, una computadora portátil, para formar parte de un expediente o archivo digital sobre el cual se realiza el respectivo procesamiento.
PROPAGACIÓN DE ONDA
Puesto que las vibraciones transmitidas por las cimentaciones (bien sean de las estructuras hacia el suelo, como son las fuerzas de maquinaria, o del suelo hacia las estructuras, como es el caso de sismos) se efectúan siempre a través de ondas, es muy importante conocer los distintos tipos de ondas que se producen en el suelo y sus mecanismos de propagación.
LEY DE REFRACCIÓN


Como consecuencia del Principio de Huygens y/o del principio de Fermat, la Ley de refracción dice que el seno del ángulo incidente es al seno del ángulo de refracción como la velocidad de la onda incidente es a la velocidad de la correspondiente onda refractada.

Para explicar la trayectoria de las ondas en el método de la Refracción sísmica, consideremos un medio, con velocidad C1, que subrayase un medio semi infinito, con velocidad C2 , mayor que C1 Una vez se han generado las ondas en el punto de disparo, éstas empiezan a viajar por el medio superior conformando unos frentes de onda en el espacio.

En la figura se ve la forma en como actúa las ondas conforme se adentra en el suelo
OBJETIVOS
Objetivos específicos:
- Recabar información sobre los fundamentos de la Teoría de las Ondas Sísmicas (específicamente de las Ondas P) y de la Teoría de Refracción de Ondas.
- Realizar una investigación bibliográfica sobre los métodos de Prospección Sísmica de interés para el área de Geotecnia, específicamente sobre el Método de Refracción Sísmica de Ondas P, la normativa que lo rige, ventajas y desventajas del método, sus aplicaciones y los factores que influyen en el desarrollo del mismo.

OBJETIVO GENERAL
Aplicar el Método de Refracción Sísmica para la Determinación de Velocidades de Ondas P y su aplicación en los suelos
GEÓFONOS
SISMÓGRAFO
Tomando en cuenta la gran variación de constantes elásticas que pueden presentar los diferentes tipos de suelos y estructuras geológicas del subsuelo, la energía sísmica necesaria para obtener información del subsuelo puede ser muy grande, cuanto más profunda sea la capa, y conforme aumente el número de cambios de medios elásticos, la energía susceptible de regresar a la superficie y ser detectada en los geófonos, disminuye rápidamente.
SISTEMA DE DISPARO
El sistema de disparo o trigger consiste en el envío de una señal 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 éste de inicio a la toma de datos (tiempo cero) y registro de las ondas sísmicas.
Las ondas detectadas en cada receptor son originadas a partir de una fuente de energía de tipo impulsiva en una ubicación estratégica conocida con el nombre de punto de disparo, pudiendo utilizar una explosión o el impacto de un objeto sobre el terreno.
Entonces existen dos tipos de ondas que son perceptibles en esta prueba de refracción sísmica. La medición de estos tiempos de viaje de las onda compresionales (ondas P), y algunas veces las ondas de corte (Ondas S), generada por una fuente de energía impulsiva a unos puntos localizados a diferentes distancias a lo largo de un eje sobre la superficie del suelo.

En primer lugar, se recomienda aislar el sitio donde se realizará la inspección por refracción, especialmente del ingreso de vehículos y de personas ajenas al grupo de técnicos de campo.
2. Realización de un recorrido previo por el sitio, para la verificar las condiciones del mismo (limpieza, topografía, clima, drenaje natural, nivel de ruido, etc.) antes de proceder a la ubicación de la línea de inspección.
Trazo de la línea de inspección. Haciendo uso de la cinta métrica se marcarán sobre el suelo, en línea recta, la separación a la cual deben espaciarse los geófonos, dependiendo de la cantidad de canales a utilizar y de la longitud de la línea. Sirve la siguiente tabla:
El cable de conexión de los geófonos se tiende y debe ser puesto fuera dela línea de geófonos a lo largo de una línea recta. Preferentemente se recomienda colocarlo al lado izquierdo del arreglo de geófonos (tomando como referencia la ubicación del sismógrafo) y se conectan los geófonosal cable.
3. Chequeo de la información inicial requerida. Debe indicarse la cantidad, longitud y ubicación de las líneas de inspección. Si alguna de las líneas de inspección no es posible realizarla en el lugar o con la longitud prevista, se deberá justificar cualquier cambio.
4
1
2
3
Los geófonos verticales de 14 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
La espiga debe introducirse lo suficiente para asegurar la fijación del geófono. Si la espiga no puede introducirse a presión, se perforará primero un agujero con la punta de 1045/8”, procurando que la profundidad del mismo sea un poco menor a la longitud de la espiga. La colocación inapropiada de los geófonos es un problema común que resulta en una detección pobre de las señales de ondas P.
5
Realizar de una prueba para verificar el funcionamiento de los geófonos conectados al cable conductor de señales. Por lo general cuando todo el equipo esta conectado y ubicado en su lugar, un integrante del grupo de técnicos de campo realiza una revisión pasando junto a cada geófono, y el técnico encargado del manejo del sismógrafo verifica en el sismógrafos existe un registro de señales obtenidas en cada geófono debidas a esta actividad.
Realización de una prueba para la determinación del nivel de ruido ambiental en el sitio, lo que ayudará para definir el conjunto de filtros (Lowcut y Highcut) a ser utilizados para eliminar dicha influencia en los registros (ver especificaciones del sismógrafo).
Proceda a realizar la adquisición de datos en la línea de inspección, haciendo que exista una proporción adecuada de ruido en la señal para que las primeras llegadas puedan ser determinadas con claridad. No se debe de olvidar que la ubicación del punto de disparo se modifica conforme se va desarrollando la inspección por refracción. Se debe identificar la línea de inspección utilizada y la ubicación del punto de disparo para la obtención de señales sísmicas.
Se ubica la placa de impacto en la marca respectiva, dándole unos pocos golpes para fijarla. Se da la señal para que el auxiliar golpee la placa con el mazo. Al golpear la placa, el interruptor del martillo emite una señal 109 que indica al sismógrafo el momento en que comience a registrar las señales.
PROCEDIMIENTO DE ENSAYO
SEGÚN NORMA ASTM D-5777

La manera más simple para generar la energía sísmica en el (los) punto(s) de disparo(s), 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 manejo no siempre es fácil y la energía generada no penetra mucho en el subsuelo. Cuando 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 eléctrico en el instante preciso en que se produzca el impacto, con el objeto de tener una referencia en tiempo, de la iniciación del movimiento sísmico (tiempo cero). El dispositivo utilizado como fuente de energía es un mazo de 20 libras, adecuado con un interruptor especial para marcar el tiempo cero, y una placa de acero de 15x15cm y 16 mm de espesor, que se coloca sobre el suelo y recibe el golpe del mazo.
7
8
9
10
11
Se procede a almacenar el registro obtenido de la fuente de energía utilizada en cada punto de disparo.
12
CALCULOS Y RESULTADOS
Caso de dos estratos
Para el caso de un sistema simple de dos estratos (medio semi infinito que infrayace a un estrato simple de velocidad inferior y espesor uniforme), se puede deducir una expresión para evaluar el espesor del primer estrato en función de las distancia crítica y de las velocidades de las ondas en estos estratos obteniéndose:
Cada interface tiene una distancia crítica y un correspondiente tiempo de intercepción. Los subíndices que identifican la distancia crítica y el tiempo de interpretación, indican el estrato que se encuentra inmediatamente debajo de la interfase.

En general, el cálculo de la potencia de cualquier estrato está dado por:
Caso de múltiples estratos:
Se asume que los estratos tienen límites planos y paralelos (incluyendo la superficie del terreno), las velocidades son uniformes entro 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.

La medición de la velocidad de propagación de ondas P y S en pozos, permiten calcular rigidez inicial del suelo así como sus constantes elásticas dinámicas en la determinación de la respuesta dinámica del suelo.
El método de medición tiene tres variantes, pudiendo ser “Down Hole”, “Up Hole” o “Cross Hole”, según la ubicación exterior o interior de la fuente de energía y de la posición del geófono. Las velocidades de propagación de las ondas P y S se expresan de la siguiente manera:
El método de Refracción Sísmica tiene una gran aplicación en la explotación geotécnica; pero su interpretación debe necesariamente correlacionarse con la información de los sondeos convencionales, pues tiene inconvenientes de no detectas estratos blandos que subyacen a otros duros.
El método de medición de ondas P-S en pozos permite obtener los parámetros dinámicos del suelo , las cuales son necesarios para poder determinar la respuesta dinámicas del suelo. Por 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.
CONCLUSIONES
CÁLCULOS Y RESULTADOS
VALORES TIPICOS DE Vp Y Vs
Módulo de Poisson: Es una constante elástica que proporciona una medida del estrechamiento de sección de una partícula de material elástico lineal e isótropo cuando se estira longitudinalmente y se adelgaza en las direcciones perpendiculares a la de estiramiento.
Módulo de corte: La aplicación de estos parámetros en la mecánica de suelos suele trabajarse con otros dos parámetros elásticos, el módulo de corte “G”, que divide las deformaciones elásticas o recuperables. Puede obtenerse a partir de los valores de “E” (Modulo de Young) y “ν” (Velocidad)
Constantes Elásticas Dinámicas
Módulo de Young: El módulo de elasticidad o módulo de Young es el parámetro que caracteriza el comportamiento de un material elástico, en función a la dirección en la que se aplica una fuerza. Para un material elástico lineal e isótropo, el módulo de Young tiene el mismo valor para una tracción que para una compresión, siendo una constante independiente del esfuerzo siempre que no exceda de un valor máximo denominado límite elástico.
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