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• Carlos Álvarez Bebeto

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REPUBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA UNIVERSIDAD DEL ZULIA FACULTAD DE INGENIERIA METODOS SISMICOS DE EXPLORACION

APLICACIÓN DE RADAR DE PENETRACIÓN DE SUELOS (GPR) PARA LA CARACTERIZACIÓN GEOTÉCNICA DE SUELOS

Realizado Por: Br. Diego Chacin ci.:23441024 Br.Carlos Alvarez ci.: 20165081

Maracaibo, Enero 2016 INTRODUCCIÓN

La necesidad de implantar metodologías de estudios geotécnicos que disminuyan eluso de técnicas destructivas, tal como son perforaciones, calicatas, etc., ha permitidoconsiderar los métodos geofísicos dentro de las opciones para obtener este tipoinformación sin necesidad de afectar el medio de estudio. Estos métodos permitenuna mayor cobertura de prospección reduciendo a su vez, el tiempo de aplicación ylos costos operativos. Entre los métodos geofísicos mayormente utilizados en estudios geotécnicos seencuentran la refracción sísmica somera, el análisis espectral de ondas superficiales yla tomografía sísmica. En las últimas dos décadas del siglo XX, la aplicación del radarde penetración de suelos GPR [de las siglas en inglés GroundPenetrating Radar] haido tomando importancia y creciente aceptación como uno de los métodos geofísicosde estudios no destructivos. El GPR es un método similar a la sísmica de reflexión deoffset constante, pero con la diferencia que emplea ondas electromagnéticas. Unejemplo de esta aceptación fue la creación de un congreso monotemático denominado“International ConferenceonGroundPenetrating Radar (GPR)” organizado porprimera vez en 1986 en Georgia USA [Facultad de Ingeniería Civil y Geociencias(CITG), 2003]. Parte de los trabajos importantes que implican la herramienta del GPR, y que son deinterés dentro del contexto desarrollado en el presente trabajo son: (i) en el área queinvolucran ensayos de laboratorios para determinar propiedades electromagnéticas ydefinir comportamiento de las ondas, se cuenta con trabajos como el de Suman et al.(1997) y Santamarina (2001). (ii) También se pueden mencionar trabajos basados enensayos de campo apoyados por pruebas de laboratorios, como el realizado porSaarenketo (1996). (iii) En otro ámbito se encuentran los trabajos que exponen elfuncionamiento de un GPR comercial determinado, acompañado de ejemplos deaplicaciones, entre ellos Annan (2002). (iv) Por último, los trabajos de Carcione (1996) y (1998) y Cai y McMechan (1995), describen simulaciones y desarrollos demodelos matemáticos que explican los fenómenos que se producen durante la propagación de las ondas.

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DESARROLLO

1.- PRINCIPIO BÁSICO DEL GPR El Geo-radar o radar de investigación del subsuelo es un método geofísico de estudio indirecto de las características del subsuelo. La operación con el GPR es similar a la sísmica de Reflexión, se fundamenta en un breve pulso de energía electromagnética que es irradiado hacia el subsuelo, con una frecuencia característica única que puede estar entre 16 y 2.000 MHz. Cuando este pulso alcanza las interfaces donde existe un contraste en la constante dieléctrica, ocurren fenómenos análogos a los que se dan en sísmica cuando cambia la impedancia acústica: una fracción de la energía de la onda es reflejada, regresa hasta la superficie y es detectada en la antena receptora, mientras que la energía remanente continúa hasta la próxima interfase. La profundidad de penetración y la resolución observada depende del tipo de antena usada para una adquisición particular.

En aplicaciones de tipo geológico, las antenas no-blindadas

(unshieldedantennas) permiten investigar hasta profundidades de 30-60 m. En aplicaciones

urbanas

y

de

alta

resolución

las

antenas

blindadas

(shieldedantennas) de alta frecuencia permiten un mejor control del ruido y las reflexiones desde el aire y una altísima calidad en la imagen radar con un alcance en la profundidad de investigación de hasta 5-10 m.

Esquema del funcionamiento del geo-radar 3

El GPR genera una imagen del subsuelo con altísima resolución lateral y vertical permitiendo no solamente la identificación de objetos, sino caracterizar el entorno. Es el método moderno de más éxito en aplicaciones “no-dig”, investigaciones del subsuelo no invasivas, sin necesidad de realizar excavaciones o algún otro tipo de intervención destructiva. Por esto es un método que no afecta el medio ambiente y es excelente para las fases de planificación y desarrollo de proyectos industriales. Adicionalmente, no necesita establecer contacto físico de ningún tipo (electrodos) con el suelo, es rápido y de fácil aplicación en todos los ambientes. Siendo un método electromagnético activo, permite investigar áreas urbanas (con antenas blindadas) y ambientes geológicos donde las condiciones superficiales limitan la aplicación de otros métodos. Las aplicaciones de métodos de procesamiento similares a los de la sísmica a reflexión permiten una interpretación cuantitativa de gran resolución.

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CANTIDADES MEDIDAS, CALCULADAS Y RECOMENDADAS. El GPR registra un perfil gráfico continuo de interfaces subsuperficiales.

Ejemplo de un perfil gráfico producido por el GPR

La escala horizontal representa unidades de la distancia que viajó la onda en su trayecto. Esta escala es dependiente de la velocidad que lleva la onda. La escala vertical representa de tiempo (en nanosegundos) de recorrido a través del medio hasta que llega a la antena. Conociendo el tiempo se puede determinar la profundidad si se conoce la velocidad de la señal de radar. Las líneas verticales rayadas son marcadores del acontecimiento insertados en el perfil por el operador de radar para indicar localizaciones de la antena o puntos de referencia conocidos a lo largo de las líneas del trayecto. Las líneas horizontales uniformemente espaciadas son las líneas de la escala que proporcionan los planos de referencia para los gravámenes relativos de tiempo-profundidad.

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ADQUISICIÓN DE DATOS

Los datos de partida necesarios en la estrategia de procesamiento del presente trabajo son los siguientes: a) Perfiles litológicos representativos del área de estudio, mediante los cuales se determinaron los espesores de capas que permitieron la creación de las trazas sintéticas (b) Porosidad y saturación de agua de cada uno de los estratos modelados previamente, estos factores son los elementos geotécnicos necesarios para el cálculo matemático de los parámetros electromagnéticos de los suelos (c) La conductividad del agua de las zonas a estudiar, al igual que los dos últimos datos, constituye un factor determinante en el cálculo de la conductividad de los suelos (d) Los radargramas, los cuales son los datos principales en este proyecto de investigación. recolección y la instrumentación

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RESULTADOS Y ANÁLISIS En el presente capítulo se evalúan y relacionan los resultados obtenidos. Además se examinan los posibles factores causantes de dichas respuestas. Primeramente se analiza la conductividad del agua del lago, luego se estudian los diversos parámetros electromagnéticos obtenidos de conversiones de los datos geotécnicos y, finalmente, se relacionan los radargramas con los sismogramas sintéticos

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Parámetros electromagnéticos obtenidos mediante datos geotécnicos

En los análisis iniciales, se determinó que la concentración iónica del agua del Lago de Maracaibo genera un valor promedio de conductividad de 0,83 S/m, y, por ende,las arcillas y las arenas tienen el mismo rango de valores de conductividad. Ya que el aporte que puede producir la superficie de conducción (4,8x10-4 (S/m) en el cálculo de la conductividad del suelo, es muy inferior al que genera el agua hallada en el dique. Asimismo, las conductividades resultantes de los suelos se encuentran en un rango amplio desde 10-1 hasta 10-3 S/m, ya que este resultado depende del volumen de agua contenido en el estrato

Determinación de la conductividad del agua La conductividad del agua de la zona del dique Se determinó en el Laboratorio de Oceanografía y Derrames de PDVSAINTEVEP. Donde se midieron los valores de conductividad y contenido de sales disueltas (TDS), mediante el equipo de sondas multiparamétricas marca “Hydrolab”, modelo “surveyor 4”. El ensayo se realizó con 2 envases de 300 cm 3 cada uno con muestras de agua recogidas previamente en el dique del Lago de Maracaibo (muestra 1) y del propio Lago (muestra 2). El ensayo se realizó vertiendo la muestra de agua en un envase que se enrosca al medidor de sonda multiparamétrica y, después de unos segundos, la pantalla digital del equipo proyectaba los valores de interés. Los resultados obtenidos en el ensayo acerca de la conductividad y sales disueltas en el agua definido como TDS

Procesamiento de los radargramas 7

Los radargramas adquiridos, tanto los de reflexión como los de CMP, se les aplicó un filtro temporal Dewow y una ganancia AGC

De lo antes expuesto, a cada perfil analizado, tanto de tipo CMP o de tipo reflexión,se le aplicó la ganancia AGC y filtro temporal “Dewow”, a fin de favorecer las interpretaciones concernientes a los mismos. Si bien es claro que tanto la ganancia AGC como el filtro “Dewow” pueden recuperar las señales más profundas, se hace necesario, a la vez, especificar que dicho efecto depende del grado de atenuación y de los coeficientes de reflexión y transmisión del medio de propagación

CONCLUSIONES La técnica GPR proporciona una imagen de alta resolución, seccionada transversalmente de la superficie inferior baja. Un pulso corto de la energía 8

electromagnética se irradia en la superficie inferior. Cuando este pulso choca con unainterface entre las capas de material con diversas características eléctricas, la parte de la onda refleja detrás, y la energía restante continúa al interfaz siguiente. Las medidas de la profundidad a los interfaces se determinan a partir del tiempo del recorrido del pulso reflejado y de la velocidad de la señal de radar. El método de GPR proporciona medios muy rápidos de la colección de datos nointrusa. El sistema se mueve lo más comúnmente posible a lo largo de la superficie en un paso constante mientras que los datos se recogen continuamente a lo largo de perfiles. La profundidad en la cual una característica puede ser reflejada es en gran parte dependiente en el tipo material subsuperficie (resistente contra conductor). Con el conocimiento anterior de materiales subsuperficies previstos y de objetivos claramente definidos, un operador experimentado puede optimizar parámetros de la colección de datos para compensar para los ambientes geológicos menos que ideales. La principal desventaja del método es su excesiva dependencia delas características locales del lugar de aplicación; sobre todo la presencia de zonas de elevada conductividad eléctrica condiciona la penetración del impulso electromagnético y por tanto la detectabilidad de las estructuras del subsuelo En cuanto a frecuencia, profundidad y penetración para la mayor exactitud, la frecuencia de la onda emitida del radar puede ser aumentada. Sin embargo, la mayor exactitud y la resolución se alcanzan a expensas de la profundidad de la penetración. Generalmente, como la frecuencia de la antena y los aumentos de la resolución, la profundidad máxima de la investigación disminuye. La profundidad de la penetración es también dependiente sobre las condiciones geológicas de los suelos en los cuales se está realizando la investigación.

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