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• Mojica Padilla Luisinho

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ENSAYO DOWNHOLE Y CROSSHOLE

DOWNHOLE

El objetivo del ensayo es tomar medidas de los tiempos de viaje de las ondas sísmicas internas generadas a partir de la energía de la fuente emisora. Se recurre a la representación en una curva

el valor inverso de la pendiente de esta curva representa la velocidad de propagación de la onda sísmica. El ensayo Down-Hole genera ondas sísmicas de cizalla S con mayor facilidad que el de los tiempos de llegada versus la profundidad;

ensayo Up-Hole y por lo tanto su uso es más frecuente. Con una fuente de ondas SH el ensayo Down-Hole mide las velocidades de onda similares a aquellas que transportaron mayor energía sísmica hacia la superficie del suelo.

También se ha intentado medir la razón de amortiguamiento con este ensayo. Dado que las ondas pueden atravesar todos los materiales que existan entre la fuente emisora y el receptor el ensayo Down-Hole puede, además, detectar capas ciegas. Las limitaciones del ensayo son el grado de alteración del suelo cuando se realiza el sondeo, posibles efectos de fluidos en el sondeo, excesivo o insuficiente impulso, efectos de ruido sísmico y efectos del nivel freático. La expansión geométrica y el amortiguamiento pueden influir en las longitudes de onda y por tanto las velocidades de las ondas S pueden tener una interpretación incorrecta para profundidades superiores a 30-60 m.

Con el Ensayo Down-Hole se obtienen módulos elásticos (dinámicos) del terreno. En esta técnica, la fuente sísmica está fija en la superficie, mientras que el receptor se ubica dentro del pozo. Para cada profundidad específica, se obtiene un registro sísmico en el cual se mide el tiempo de viaje de las ondas primarias desde la fuente hasta el receptor. El procedimiento se repite para varias profundidades de la sonda. El ensayo se repite a intervalos regulares de profundidad y, de este modo, se obtiene la variación de las velocidades de propagación de ondas P y S. De manera indirecta, se obtienen los módulos elásticos de los distintos estratos que componen el subsuelo. NOTA TÉCNICA El procedimiento de ejecución de este ensayo se rige mediante la norma ASTM D-7400. Para la ejecución de este ensayo se requiere de una perforación entubada. La camisa empreada es generalmente tubo de PVC reforzado de 110 mm no menor a 75 mm. Este tubo se coloca en la perforación previamente realizada y se inyecta con un mortero cemento – bentonita (en proporción 1:1:6-cemento:bentonita:agua, según ASTM 4428) el contacto entre el tubo y la perforación. La inyección debe realizarse desde la parte inferior para lograr una correcta limpieza. El tubo debe estar convenientemente sellado, de tal forma que se evite el ingreso de líquido proveniente de la perforación. Por otro lado, la falta de una correcta cementación del tubo trae aparejado dificultades en las mediciones ya que no permite capturar las ondas. En la superficie del suelo y a una distancia de 1,20 a 1,50 m se coloca un perfil metálico cementado que se utiliza como emisor de las ondas de corte y compresión.

Esquema con los dispositivos empleados para la ejecución del ensayo Down-Hole

El ensayo consiste en la emisión de un impulso sísmico producido en la superficie del terreno generado por un martillo que impacta sobre el riel empotrado. Los golpes se realizan en sentido

horizontal a los fines de generar ondas fundamentalmente de corte. Las ondas generadas son capturadas por un geófono colocado mediante un dispositivo dentro del pozo. El sensor se fija mediante una membrana, la cual se presuriza con aire comprimido. Tanto la señal emitida, como la receptada son capturadas por un osciloscopio y almacenadas en un computador para su posterior procesamiento.

Señales capturadas Los registros se toman a cada metro de perforación. Es decir, que el sensor del pozo se baja y se fija cada metro donde se repite el procedimiento de medición. Cada registro resulta el promedio de al menos 30 impactos. Los impactos se realizan en ambos sentidos con el fin de identificar las ondas de corte ya que las mismas se revierten (no así las ondas de compresión). En gabinete se analizan las señales capturadas y se identifican mediante diferentes técnicas los arribos de ondas de compresión y corte. Las técnicas más usuales son la reversión de registro y la cross correlatión. FUNCIONAMIENTO

El método Down-Hole consiste en generar ondas sísmicas en la superficie, mediantes golpes verticales y horizontales en una placa (Fig.1) ubicada a una distancia de 1 a 3 metros aprox. del pozo, registrándose los tiempos de llegada de las ondas de compresión (ondas P) y cizalle (ondas S).

Fig.1: Esquema de un ensayo Down-Hole

Fig.2: Geófono Triaxial para ensayos Down-hole

Las ondas P y S son registradas mediante un geófono triaxial (Fig.2) situado en la parte inferior de la sonda, midiéndose éstas cada 1 metro (distancia nominal comúnmente empleada) hasta alcanzar la profundidad del pozo estudiado. Conociendo la geometría fuente-geófonos del dispositivo y los tiempos de llegada de las ondas sísmicas (Fig.3) es posible calcular las velocidades de propagación a distintos niveles de profundidad a lo largo del pozo (Fig.4).

Fig.3: Curvas Camino-Tiempo

Fig.3: Perfiles en profundidad Vp (Azul) y Vs APLICACIONES Basados en la velocidad de propagación de las ondas de compresión (ondas P) y de cizalle (ondas S); y la densidad de los materiales este ensayo permite estimar los módulos dinámicos de deformación del terreno, tales como, Razón de Poisson, Módulo de Corte, Módulo de Young, Modulo Volumétrico Dinámico, entre otros. Entre las principales aplicaciones destaca: Es uno de los métodos geofísicos activos actualmente recomendado para la obtención de la velocidad de propagación de las ondas de corte y con ello la clasificación de suelos según el DS61 of. 2011. Reconocer los contactos entre las distintas unidades litológicas reconocidas hasta la profundidad de investigación. Evaluar las características geotécnicas de cada unidad geológica e identificar posibles zonas de falla, de fracturamiento/alteración de rocas, etc.

Con los módulos que se obtienen, se pueden realizar cálculos del comportamiento sísmico en diversas estructuras u obras civiles, según normativa de diseño vigente. LIMITACIONES Requiere de una gran precisión en la determinación de los tiempos de llegada de las ondas sísmicas (Fig.5) Para la aplicación del método, la habilitación del pozo debe asegurar la integridad de éste a medida que se ejecuta el ensayo. Las lecturas pueden sufrir posibles distorsiones por presencia de fluidos en el sondeo, por lo que se recomendaría algún perfilaje de tipo acústico en el caso de contar con un pozo que presente dicha característica. Excesivo o insuficiente impulso al generar la onda, según profundidad en la que es captada por el receptor, puede influir en la calidad de señal/ruido. Importancia en que la sonda se desplace centrada a medida que baja o sube por el pozo, pues podría afectar los tiempo de llegada en que son recogidas por el sensor receptor y propiciar una interpretación errónea respecto de la isotropía del medio.

Fig.5: Determinación de tiempos de primeras llegadas de ondas. Ondas de Compresión Vp (izquierda), Ondas de Corte Vs (derecha)

CROOSHOLE Este ensayo sísmico utiliza dos o más sondeos para medir la velocidad de las ondas sísmicas. El dispositivo consiste en dos sondeos, el primero con la fuente emisora de energía y el segundo con el receptor situados a la misma profundidad. De esta manera se miden la velocidad de propagación de las ondas a través del material situado entre ambos sondeos. Repitiendo el ensayo a distintas profundidades se obtiene un perfil de velocidades vs. la profundidad.

Se recomienda utilizar más de dos sondeos para minimizar los errores resultados de las medidas del tiempo de disparo, los efectos del material superficial e intersondeos y la anisotropía. Las velocidades de onda se calculan a partir de la diferencia en los tiempos de llegada en el par de sondeos. Los tiempos de llegada se determinan visulamente usando puntos de fase común (primera llegada, primer pico, etc). o por medio de técnicas de correlaciones cruzadas usadas habitualmente en exploración petrolera.

En función del tipo de fuente emisora utilizada en la generación de las ondas sísmicas, el contenido en ondas P y S es diferente. Por ejemplo para explosivos el contenido en ondas P es mayor particularmente cuando se utilizan grandes cantidades y se detona cerca de la superfície del suelo. Las fuentes de tipo mecánico son ensayos de penetración tipo SPT, impactos verticales y cargas torsionales en la base del sondeo. Los impactos verticales también tienen un contenido elevado en ondas P, por ello se recomienda utilizar impactos horizontales en la superficie del suelo que generan mayor contenido en ondas SH. Las ventajas de este método son las siguientes. Permite obtener perfiles de velocidades a profundidades de 30 a 60 m utilizando fuentes emisoras mecánicas. Con fuentes emisoras tipo explosivo puede alcanzar profundidades mayores. Además detecta capas ciegas con mayor facilidad que otros métodos como por ejemplo la sísmica de refracción.

NOTA TÉCNICA En el ensayo de Cross-Hole se realizan dos (2) o tres (3) perforaciones perfectamente entubadas y cementadas. En una de las perforaciones se genera una señal dinámica de martillo a distintas profundidades, la cual es registrada mediante geófonos en las otras perforaciones.

Esquema de operación de dos (2) pozos ensayo Cross-Hole En una de las perforaciones se genera una señal y en las otras se recibe la propagación de las ondas P y S a diferentes profundidades con un geófono. De los registros de tiempo obtenidos se determinan los tiempos de viaje de las ondas que permiten luego calcular las velocidades de propagación.

Esquema de operación de tres (3) pozos en el Ensayo Cross-Hole

Registro típico

APLICACIÓN Este método tiene como finalidad investigar el valor de las velocidades de onda de corte y compresión de los diferentes estratos de suelo y roca en una perforación dada. El método CrossHole provee de un diseño con información referente a las velocidades de ondas sísmicas de los materiales en estudio. Estos datos pueden ser utilizados, ya sea, como datos de entrada en análisis estático – dinámico, o bien como un medio para la obtención de propiedades dinámicas como el módulo de rigidez al esfuerzo cortante (G), módulo de elasticidad dinámico (Ed) y relación de Poisson. Los módulos obtenidos mediante la prueba Cross-Hole se utilizan directamente en el diseño de fundaciones de maquinaria como base para predecir asentamientos de suelos y en conjunto con módulos obtenidos en laboratorio para el análisis de respuesta debido a sismos y ráfagas de vientos en estructuras importantes. Además, este método puede ser utilizado para la determinación de anomalías existentes entre perforaciones.

LA METODOLOGÍA DE TRABAJO puede presentar la siguiente secuencia: Las ondas sísmicas generadas por la fuente de energía, a una cierta profundidad, se registran a lo largo de todo el sondeo. Y si es posible en la superficie entre los sondeos. Ver figura siguiente, en la que se representa un esquema con algunos trayectos Se coloca la fuente de energía en la posición siguiente y se repite la operación hasta alcanzar la máxima profundidad

Es muy importante que la distancia entre los sondeos no sea excesiva. Ya que la energía de las fuentes es limitada, y por tanto, la calidad de la señal disminuye al aumentar la separación entre los sondeos. Asimismo, el poder resolutivo del método disminuye con la distancia, ya que siempre ha de existir una relación entre el tamaño de la “anomalía” y la sección de terreno comprendida entre los sondeos de recepción y emisión. Los condicionantes para la realización de un ensayo de tomografía sísmica son los siguientes: Los sondeos, de emisión y recepción, deben estar entubados en PVC y rellenos de agua Se debe conocer la posición espacial de los sondeos (desviación e inclinación), con una precisión de +/- 5 cm, en X,Y,Z; a lo largo de todo el sondeo, ya que con esa precisión se deben conocer las coordenadas de la fuente de energía y de los “captores” Los sondeos deben alcanzar una profundidad que supere en un 20-30% la profundidad a la que se sitúe el objetivo del estudio

APLICACIÓN EN PILOTES

Los ensayos se realizan según la norma ASTM D 6760-08. El método es aplicable a pilotes, pantallas continuas o a módulos de pantalla aislados. Tiene la ventaja que pueden identificarse los defectos con certeza a cualquier profundidad. Los tubos requieren estar embebidos dentro del concreto.

TRABAJOS PREVIOS AL ENSAYO

Para la realización del ensayo se precisa que en los pilotes el constructor deje instalados tubos para poder introducir las sondas hasta la profundidad que se quiera ensayar. Se deben colocar tres tubos hacia el interior de la canasta de refuerzo del mismo, antes de fundir el pilote.

Vista en planta del pilote.

El número de tubos por pilote recomendados por la norma ASTM D 6760 es de un tubo cada 0,25 a 0,30 m de diámetro, con un mínimo de tres tubos. ¿CÓMO SE HACE? Los pilotes estarán accesibles y no deben estar sumergidos. El hormigón no tendrá, en general, menos de una semana en el momento del ensayo. Es recomendable disponer del registro de fundida con la identificación de los pilotes, su longitud aproximada, e información sobre posibles incidencias durante su construcción. Previamente al inicio del ensayo de cada pilote, se pasará una plomada por cada tubo, se medirá su longitud, y se comprobará la ausencia de obstrucciones. Se comprobará que están llenos de agua.

En pilotes con cuatro tubos se realizarán seis ensayos, cuatro en las parejas de tubos adyacentes y dos en las parejas de tubos diagonalmente opuestos. El ensayo se realizará después de bajar las sondas hasta el fondo de los tubos, levantando ambas simultáneamente después de asegurarse de que están en el mismo plano horizontal.

CRITERIOS DE ACEPTACIÓN Y RECHAZO: Los pilotes que presenten una gráfica uniforme de tiempo de llegada de la onda ultrasónica en toda su altura y en todos los perfiles ensayados pueden ser aceptados (Figura 4). En el caso de que uno o varios perfiles entre parejas de tubos presenten retrasos significativos o pérdidas de señal a una o varias profundidades, el ingeniero especialista tratará de dar una interpretación evaluando los posibles fallos en el pilote.

El número y posición de perfiles que tienen una determinada anomalía a una misma profundidad pueden dar una indicación de la zona afectada en planta. La interpretación concluirá con una estimación de la gravedad del fallo en el pilote detectado.

BIBLIOGRAFIA http://geofisicasismospgf.blogspot.com/p/ensayo-downhole-y-ensayo-crosshole.html http://cim-group.net/servicio/down-hole-seismic-testing-2/ http://www.geodatos.cl/downhole.php https://cim-group.net/servicio/cross-hole-seismic-testing-2/ http://www.ocsa-geofisica.com/crosshole.html