Evaluación de la técnica de prospección mediante el uso de Georradar. Edwin Alfonso Roa Ramos

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1 Evaluación de la técnica de prospección mediante el uso de Georradar Edwin Alfonso Roa Ramos Universidad Nacional de Colombia Facultad de Ingeniería, Maestría en Ingeniería Bogotá, Colombia 2015

2 Evaluación de la técnica de prospección mediante el uso de Georradar Edwin Alfonso Roa Ramos Tesis o trabajo de investigación presentado como requisito parcial para optar al título de: Máster en Ingeniería Director: PhD. Octavio Coronado Línea de Investigación: Geotecnia Básica Universidad Nacional de Colombia Facultad de Ingeniería, Maestría en Ingeniería Bogotá, Colombia 2015

3 Resumen y Abstract III Resumen La técnica de prospección mediante el uso de georradar es una práctica poco usual en nuestro medio en el desarrollo de estudios geotécnicos, debido principalmente a la falta de conocimiento en cuanto a su funcionamiento y resultados, específicamente las mediciones realizadas por medio de antenas de baja frecuencia que alcanzan lecturas a mayor profundidad. El presente estudio pretende realizar un acercamiento al uso de esta técnica con el fin de evaluar sus ventajas y limitaciones a la hora de determinar la posición y el espesor de los estratos que componen el subsuelo en el área en estudio. El presente trabajo es una combinación de investigación, labor de campo y comparación de datos obtenidos para determinar la coincidencia o la imprecisión de la detección mediante GPR (exploración indirecta) con los registros de perforación (exploración directa). Se estableció un particular interés por obtener los espesores de los estratos identificados y la posición del nivel freático que arroja el GPR para compararlos con los datos obtenidos de la exploración directa y determinar la fiabilidad del uso de esta tecnología. Para este fin fue seleccionada un área de aproximadamente m 2 en el municipio de Dosquebradas (Risaralda), donde fueron realizadas diez líneas de exploración mediante georradar por medio del uso de una antena de 50 MHz, así mismo para establecer el paralelo entre los métodos directos e indirectos (GPR) fueron tenidos en cuenta 13 sondeos realizados en el desarrollo de estudios geotécnicos en el sector en evaluación. Finalmente fueron analizados los resultados de la prospección mediante el uso del GPR tomando como valores reales los obtenidos por medio de los sondeos, para establecer de esta manera la eficacia y la precisión de la técnica en la detección de los espesores de los estratos y la identificación de la posición del nivel freático. Palabras clave: Prospección, georradar, suelos.

4 IV Evaluación de la técnica de prospección mediante el uso de Georradar Abstract Prospecting technique using GPR is an unusual practice in the development of geotechnical studies in our environment, mainly due to lack of knowledge as to its operation and results, specifically the measurements made by the low frequency antenna reaching deeper readings. This study aims to make an approach to use this technique in order to evaluate advantages and limitations at determining the position and thickness of the layers that make up the subsoil in the area under study. Present work is a combination of research, field work and comparison of data to determine the precision or inaccuracy detection by GPR (indirect exploration) with drill logs (direct examination). A particular interest to obtain the thicknesses of layers identified and the position of water table which gives the GPR for comparison with the data obtained from direct examination and determine the reliability of the use of this technology. In order to check that it was selected an area of 108,000 m2 (aprox.) in town of Dosquebradas (Risaralda). It was made ten lines of GPR exploration using a 50 MHz antenna. In addition, investigation wants to create a parallel between direct methods and indirect (GPR) using 13 surveys (with mechanical drills) to develop geotechnical studies in evaluation zone. Finally, survey results were analyzed using GPR as a comparison with true values obtained by the probes in order to establish the effectiveness and accuracy of the technique in detecting the thicknesses of layers and water table depth and position. Keywords: Prospecting, ground penetrating radar, ground.

5 Contenido V Contenido Pág. Capítulo 1. Problema de investigación Identificación del problema Hipótesis Objetivos Objetivo general Objetivos específicos Capítulo 2. Prospección mediante el uso de georradar Características de los medios Constante dieléctrica Conductividad Permeabilidad magnética Velocidad de propagación Capítulo 3. Generalidades de los equipos de GPR y descripción del georradar empleado Antenas Características de las antenas Frecuencia de excitación y duración del impulso Direccionalidad Dipolos Orientación de las antenas emisora y receptora Tipos de Antenas Antenas Monoestáticas Antenas Biestáticas Equipos Complementarios Características del equipo empleado Unidad Central de proceso (Mala ProEx) Antena de 50 MHz Monitor de control Ramac XV Toma de datos en campo Procesamiento de datos e interpretación Herramientas informáticas para interpretación Software de procesamiento RadExplorer Herramientas de ganancia Filtros Ejemplo del procesamiento de un radargrama...26

6 VI Evaluación de la técnica de prospección mediante el uso de Georradar Aplicación de filtros Time-zero adjustment DC removal Trace edit Background removal Amplitude correction Selección de estratos Determinación de la profundidad de los contactos Capítulo 4. Metodología Investigación Geología regional Geología Local Litología Geología estructural Fallas Exploración directa Perfil estratigráfico promedio Exploración indirecta Labor de campo y resultados de la exploración indirecta Capítulo 5. Análisis de resultados Determinación de los espesores método Determinación de los espesores con información proveniente de los resultados de laboratorio (método 2) Calculo de error absoluto y error relativo Capítulo 6. Conclusiones...72 Capítulo 7. Bibliografía...81

7 Contenido VII Lista de figuras Pág. Figura 2-1. Diagramas esquemáticos de radar de impulsos y de radar de onda continua.6 Figura 2-2. Medición de un perfil con antenas de desplazamiento constante Tx y Rx....7 Figura 2-3. Método de Reflexión y Refracción Gran Angular...8 Figura 2-4. Variación de la constante dieléctrica y la velocidad de propagación de onda en función del material...14 Figura 3-1. Unidad central de proceso Mala ProEx...21 Figura 3-2. Antenas producidas por la firma Mala: a) Antena de alta frecuencia de 1000 MHz b) Antena de media frecuencia de 400 MHz c) Antena de baja frecuencia de 50 MHz (como la empleada en el presente trabajo)...22 Figura 3-3. Monitor de control Mala Ramac XV Figura 3-4. Descripción del ensayo...23 Figura 3-5. Gadargrama sin procesar...27 Figura 3-6. Ruido electromagnético presente en los radargramas...28 Figura 3-7. Gadargrama con los filtros aplicados...29 Figura 3-8. Definición de materiales por picks...30 Figura 3-9. Radargrama con materiales identificados...31 Figura Radargrama terminado...32 Figura 4-1. Localización geográfica, general y específica del sector de estudio...36 Figura 4-2. Características Geológicas Generales del Área de estudio. Tomado de La Geología de la Plancha 224 Pereira del Servicio Geológico Colombiano (Antiguo Ingeominas), año 1984 versión digital 2009, a escala 1: Figura 4-3. Localización sondeos directos ejecutados...42 Figura 4-4. Resumen gráfico de propiedades sondeo S Figura 4-5. Secciones estudiadas...45 Figura 4-6. Perfil estratigráfico Sección A-A...45 Figura 4-7. Perfil estratigráfico Sección B-B...46 Figura 4-8. Perfil estratigráfico Sección C-C...46 Figura 4-9. Perfil estratigráfico Sección D-D...46 Figura Perfil estratigráfico Sección E-E...47 Figura Perfil estratigráfico Sección F-F...47 Figura Toma de GPR en la zona de estudio...48 Figura Localización líneas GPR...49 Figura Radargrama Línea Figura Variación de la profundidad en función de la constante dieléctrica...52

8 VIII Evaluación de la técnica de prospección mediante el uso de Georradar Figura Zonificación mediante lecturas GPR según profundidad de contacto Figura Constante dieléctrica para una profundidad de contacto de 4.5 m Figura Profundidad de contacto para una constante dieléctrica de Figura 5-1. Radargrama Línea Figura 5-2. Resumen grafico cálculo de la constante dieléctrica. Sondeo Figura 5-3. Comparación valores de constate dieléctrica. Sondeo Figura 5-4. Comparación profundidades de contacto. Sondeo Figura 5-5. Gráfica de error absoluto por sondeo método Figura 5-6. Gráfica de error absoluto por sondeo método Figura 5-7. Vista Sureste Noroeste Figura 5-8. Vista Sur Norte Figura 5-9. Diagrama isoprofundidades... 71

9 Contenido IX Lista de tablas Pág. Tabla 2-1. Parámetros electromagnéticos para diferentes tipos de materiales...14 Tabla 4-1. Exploración directa del subsuelo...41 Tabla 4-2. Ensayos de laboratorio realizados...43 Tabla 4-3. Exploración indirecta del subsuelo...48 Tabla 4-4. Cálculo de la profundidad de contacto de los estratos...51 Tabla 4-5. Constante dieléctrica para una profundidad de contacto de 4.5 m...54 Tabla 5-1. Profundidad real de contacto de los estratos...58 Tabla 5-2. Profundidad de contacto de los estratos método Tabla 5-3. Resultados de laboratorio sondeo Tabla 5-4. Constante dieléctrica, método Tabla 5-5. Porcentaje de error método Tabla 5-6. Porcentaje de error método 2, resultado de laboratorio...68

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11 Introducción El subsuelo terrestre encierra para el hombre muchas incógnitas relacionadas con diferentes aspectos tan importantes como la alimentación, la energía, el transporte, la vivienda, las tecnologías de la información y las comunicaciones, entre otras. Como consecuencia del tipo de necesidades que el hombre busque resolver y del sitio específico en que desee hacerlo, se puede hacer necesario conocer las características de ese subsuelo y además conocerlas con la mayor rapidez y al costo más racional posible; la precisión y confiabilidad de la información también varía, dependiendo del tipo de proyecto a desarrollar; así por ejemplo, es diferente establecer las condiciones del suelo para la construcción de un edificio de vivienda, para instalar un acueducto o un poliducto, o para una carretera. Esas diferentes necesidades de información sobre el subsuelo pueden entonces demandar datos relacionados no sólo acerca del tipo de material del subsuelo, sino en algunos casos también el espesor de las diferentes capas que lo componen, su resistencia mecánica y en algunos incluso su composición química. En función del tipo de información que se necesite conocer del subsuelo, se deben emplear las técnicas exploratorias apropiadas; en algunos casos se requiere también la combinación de diferentes técnicas, las que se pueden diferenciar por su nivel de costo, demora y precisión, entre otros atributos. La técnica del Georradar (en inglés Ground- Penetrating Radar -GPR) es un método no destructivo para la investigación del subsuelo, cuyo origen práctico se remonta a la década de los 70 s; su aplicación inicial fue principalmente en las áreas de geología y arqueología el área de la geología y arqueología. Sin embargo, el uso de ondas electromagnéticas amplió su utilidad hacia el campo de las comunicaciones. El georradar es un equipo compuesto por una antena trasmisora de ondas electromagnéticas, una antena receptora, una unidad de control y almacenamiento de datos y en algunos casos posee dispositivos de visualización. La técnica consiste en la generación un tren de pulsos electromagnéticos de corta duración que genera ondas que

12 2 Introducción se propagan a través del subsuelo y posteriormente son reflejadas hacia la superficie; los límites o interfaces de los diversos tipos materiales presentes en el subsuelo generan diferencias en las propiedades electromagnéticas de cada uno de ellos (Permitividad dieléctrica y conductividad), lo que a su vez permite que el receptor capte respuestas de diferente intensidad, con base en las cuales se puede identificar, desde la presencia de rocas de diferente densidad hasta cuerpos de agua o espacios vacíos. El presente trabajo busca evaluar algunas de las características de la técnica de georradar para su empleo práctico en proyectos de Ingeniería Civil, tomando como aspecto clave el análisis de los valores numéricos captados por este tipo de equipo en una prospección real del subsuelo.

13 Capítulo 1. Problema de investigación 1.1. Identificación del problema En el campo de la Ingeniería Civil, los principales elementos de trabajo son el suelo y la roca, puesto que todas las obras de ingeniería se apoyan sobre ellos de una u otra forma. Por esta razón es de gran importancia contar con técnicas apropiadas que permitan realizar una exploración adecuada del subsuelo con el fin de identificar y cuantificar las propiedades físicas y mecánicas de los materiales que lo conforman. El método más utilizado a la hora de realizar la exploración del subsuelo es la realización de perforaciones y apiques, que permiten realizar pruebas in-situ y así mismo extraer muestras de suelo con el fin de ejecutar pruebas en el laboratorio. Este tipo de técnica de exploración requiere el desplazamiento de instrumentos pesados a los sectores a estudiar, lo cual implica la utilización de una serie de recursos tanto económicos como de tiempo, los cuales representan un factor importante en la ejecución de cualquier diseño geotécnico. Teniendo en cuenta lo anterior y la dinámica con la que actualmente se ejecutan los diseños técnicos para la construcción de toda clase de estructuras, es de gran importancia contar con otro tipo de exploración del subsuelo que sea más ágil, económica y a su vez efectiva, como es el caso del uso de técnicas no destructivas o no invasivas, las cuales se basan principalmente en la emisión y posterior recepción de ciertos tipos de ondas (eléctricas, sísmicas, electromagnéticas, etc.) con el fin de conocer mediante correlaciones las propiedades de los materiales a estudiar. La prospección mediante georradar es una de las técnicas no destructivas más recientes, la cual no presenta un desarrollo importante en el país debido a que su efectividad no ha sido suficientemente probada en los suelos de Colombia, por lo que el presente trabajo se centró en determinar experimentalmente la efectividad del uso del georradar en la

14 4 Evaluación de la técnica de prospección mediante el uso de Georradar exploración del subsuelo para un sector en la ciudad de Pereira, El objetivo es motivar un acercamiento a esta técnica, la cual puede llegar a ser una alternativa viable para prospección geotécnica, ahorrando tiempo y dinero en la ejecución de estudios geotécnicos Hipótesis La técnica de prospección mediante el uso del georradar es una práctica efectiva para determinar los espesores de los estratos que componen el perfil estratigráfico y para identificar la posición de la lámina de agua, hasta una profundidad de 20 m en la zona de estudio seleccionada Objetivos Objetivo general. Determinar experimentalmente los alcances y limitaciones de la utilización de la técnica de prospección mediante georradar para suelos Objetivos específicos. Realizar una descripción del ensayo de prospección mediante el uso del georradar teniendo en cuenta su funcionamiento teórico, representatividad y confiabilidad para la determinación de la estratigrafía. Realizar ensayos usando el georradar para determinar el perfil estratigráfico en la zona de estudio. Comparar los resultados obtenidos en el ensayo de prospección mediante el uso del georradar con los resultados de la exploración directa del subsuelo obtenidos de perforaciones y sus respectivos ensayos de laboratorio. Evaluar los resultados obtenidos mediante la técnica de georradar y establecer la eficacia de este método dadas las características típicas de los suelos estudiados.

15 Capítulo 2. Prospección mediante el uso de georradar La aplicación de metodologías de prueba y evaluación no destructivas (NDT / NDE) en la Ingeniería Civil ha planteado un creciente interés en los últimos años debido a su impacto potencial en diversos escenarios. Como consecuencia de ello, las tecnologías GPR han sido ampliamente adoptadas como un instrumento para la inspección de la estabilidad estructural de los edificios y para la detección de grietas y huecos. El GPR se define como una serie de técnicas electromagnéticas diseñadas principalmente para la ubicación de objetos o interfaces enterrados bajo la superficie de la tierra o ubicados dentro de una estructura visualmente opaca (Salucci, et al., 2014, p. 1) Los ensayos no destructivos permiten analizar las estructuras de hormigón armado y mampostería, con el fin de determinar deficiencias, defectos, exfoliaciones y fracturas. En el campo de la Ingeniería, se utiliza para probar los procesos de construcción y mantenimiento de edificios y de componentes individuales, con el fin de reducir el tiempo de análisis y los costes de intervención(capozzoli, et al., 2014). Se trata de un dispositivo portátil de obtención de imágenes geofísicas, para la detección y caracterización de rasgos enterrados, mediante el registro de ondas reflejadas y la medición del tiempo de viaje en doble dirección, para determinar la profundidad, posición y tamaño del objeto a medir o de las características del subsuelo. Dado que es un sistema no destructivo y rentable, se ha utilizado cada vez más para diversas disciplinas como la Arqueología, la Geología, la Hidrogeología, la Sedimentología, la Arboricultura, la detección de instalaciones, el estudio de dunas de arena y la detección de minas terrestres, entre otras. El Georradar (en adelante GPR), es un método de formación de imágenes del subsuelo que proporciona información de alta resolución a una profundidad típica de 0 a 10 m, aunque es posible alcanzar hasta 40m en ciertos entornos geológicos(jelf, 2007). El

16 6 Evaluación de la técnica de prospección mediante el uso de Georradar GPR se puso en práctica por primera vez en la década de 1970 para el sondeo de hielo en la Antártida y desde entonces ha ganado una amplia aceptación internacional. La técnica es no destructiva y no invasiva y utiliza ondas electromagnéticas no sinusoidales de baja potencia, con frecuencias que van desde 10 MHz a 4 GHz. El GPR se puede aplicar en una amplia gama de tareas de inspección; por ejemplo, para detectar servicios enterrados (como tuberías y cables), para la inspección de capas en las carreteras y lastres en vías de ferrocarril, así como para el mapeo detallado de refuerzos de acero en estructuras de hormigón (Jelf, 2007). En la teoría del GPR, tres términos importantes están interconectados entre sí, como son la frecuencia, la constante dieléctrica (también conocido como coeficiente de reflexión) y la resolución. Como reglas generales, cuanto mayor es la frecuencia de la señal, más corta es la longitud de onda; cuanto mayor es la constante dieléctrica de los objetivos, menor es el área de la huella cubierta por la antena y viceversa. Con base en lo anterior, existen dos tipos principales de GPR, que se clasifican según el tipo de señal transmitida, como se muestra en la Figura 2-1. Figura 2-1. Diagramas esquemáticos de radar de impulsos y de radar de onda continua Pulso transmitido Forma de onda medida Onda transmitida Onda recibida Compresión del pulso Forma de onda medida Radar de pulso Fuente: Jelf (2007) Radar de compresión de onda El tipo más utilizado es el radar de pulso y funciona mediante la transmisión de numerosos pulsos pequeños (típicamente 50 a 100 pulsos por segundo) de corta duración (normalmente 1 a 10 nanosegundos), de onda de radio no sinusoidal de banda ancha. Los sistemas GPR de pulso son más fáciles de fabricar y por lo tanto son menos costosos; sin embargo, están normalmente limitados por la potencia de señal media que se puede transmitir. Otro tipo de GPR de menor uso es de onda continua (CW-GPR), que utiliza ondas de radio sinusoidales de una sola frecuencia.

17 Capítulo 2 7 Una forma más avanzada de CW-GPR es el método de frecuencia por pasos (SF-GPR), que utiliza múltiples etapas de frecuencias discretas que se incrementan progresivamente en un amplio espectro de frecuencias de manera programada y paso a paso. Estos sistemas CW pueden transmitir más potencia media, aunque se requiere un nivel mucho más alto de procesamiento de señales para convertir los datos en bruto a un formato interpretable por el operador (Jelf, 2007). Casi todos los sistemas GPR comerciales utilizan antenas dipolares accionadas por voltaje. Con el fin de alcanzar mayores profundidades de penetración, se está investigando la posibilidad de utilizar la antena movida por corriente (Harmuth, 2007), que tienen el potencial de lograr un kilómetro de profundidad de penetración en roca. El GPR se puede utilizar tanto en los modos de reflexión como de transmisión. El método de perfilado por reflexión es el más común y normalmente se lleva a cabo utilizando dos antenas (llamado el modo de bi-estático), con un transmisor (Tx) y un receptor (Rx) separados, como se muestra la Figura 2-2. Figura 2-2. Medición de un perfil con antenas de desplazamiento constante Tx y Rx. Fuente: Jelf (2007) Estas antenas se colocan directamente sobre de la superficie del terreno a medir o relativamente cerca aquella; también se pueden montar en un carro con ruedas para proteger el equipo y para acelerar la medición. El tamaño físico de las antenas varía considerablemente de unos 100 mm (1,5 GHz) para la inspección de hormigón, a 3 m (25 MHz) para aplicaciones geológicas profundas. Para alcanzar la mayor frecuencia de las antenas, el Tx y el Rx normalmente se combinan dentro de una caja llamada transductor. Las reflexiones de radio producidas por los

18 8 Evaluación de la técnica de prospección mediante el uso de Georradar objetos presentes en el suelo son detectadas por la unidad receptora y se amplifican y se muestran en la unidad de control. Las reflexiones ocurren en los puntos en donde se presenta un cambio en las propiedades dieléctricas de dos capas adyacentes través de un límite del suelo o una interfaz de material. La información de la velocidad sub-superficial y por lo tanto de la profundidad, se puede derivar separando progresivamente el Tx o el Rx uno del otro, mientras se registra la demora en la llegada de las señales; esto se conoce como el Método de Reflexión y Refracción Gran Angular (WARR), que se muestra en la Figura 2-3. Figura 2-3. Método de Reflexión y Refracción Gran Angular Fuente: Jelf (2007) La información sobre la velocidad también se deriva comúnmente del análisis de la forma de reflexiones hiperbólicas producidas por objetos como tuberías o cables presentes en el subsuelo. El valor obtenido se utiliza para establecer las profundidades correctas y fijar las difracciones de objetos del subsuelo a sus formas geométricas correctas. Este proceso se denomina migración. Cuando el espacio es limitado, las antenas Tx y Rx también pueden combinarse en una sola unidad, lo que se conoce como modo monoestático, aunque esta modalidad no permite la detección de objetos superficiales ubicados cerca de la antena. Si bien la información específica sobre las limitaciones propias de la tecnología GPR es escasa, de acuerdo con Fu et al (2014), una de ellas se refiere al uso en áreas extensas que tengan vegetación densa. Para superar esa restricción, dentro de los avances más recientes de esta tecnología y de acuerdo con Fu et al (Fu, et al., 2014), el Laboratorio de

19 Capítulo 2 9 Investigación e Ingeniería del Ejército de Estados Unidos para las Regiones Frías desarrolló un sistema de transmisión mediante la suspensión de un sistema GPR convencional basado en un helicóptero, que se ha empleado en diferentes estudios para detectar el espesor del hielo y la presencia de grietas en Alaska y la Antártida. El Instituto Federal de Geociencias y Recursos Naturales de Alemania también ha diseñado un sistema de radar basado en un helicóptero, en colaboración con otros institutos; el equipo está suspendido de un helicóptero AS350 y utiliza antenas de reflexión para transmitir y recibir las señales. Por su parte el Instituto de Geofísica de la Universidad de Austin, en el estado de Texas, desarrolló un sistema GPR que transmite fijado en el ala de un avión y que combina una plataforma móvil, altímetro barométrico, antena GPS, radar y magnetómetro; en este caso el radar empleado es de alta velocidad, de alta potencia, sistema de banda estrecha, funciona a 60 MHz y tiene una potencia de 7000W; está diseñado especialmente para investigaciones en glaciares. El sistema GPR aerotransportado tiene el potencial de permitir aplicaciones más amplias, tales como el análisis de riesgos geológicos (deslizamientos, flujos de lodo, etc.), así como el monitoreo y la investigación relacionada con el medio ambiente en zonas desérticas. Una de las restricciones de esta técnica está dada por los espacios cerrados, teniendo en cuenta que la reflexión de las ondas en muros o cubiertas puede distorsionar los resultados obtenidos a partir del análisis que hace el transductor de las ondas que provienen del subsuelo. Entre tanto, Cheng et al (2014) dan cuenta del desarrollo de un modelo de tres dimensiones para sistemas de raíces de árboles que usa GPR en Hong Kong. Cuando el área de estudio se encuentra en una vía pública o en un parque, se puede requerir de permisos de cierre con el propósito de evitar la presencia de fuentes generadoras de perturbaciones en los resultados del análisis que se pretende adelantar. Las ubicaciones de las líneas de estudio están marcadas en el sitio. Para obtener mejores resultados es recomendable que la superficie de estudio sea lo más plana posible, para lo cual puede ser necesario cortar la hierba, el pasto y los matorrales o arbustos localizados a lo largo de la ruta de análisis. En sitios con terreno irregular, la superficie puede requerir preparación con una excavadora o una niveladora, a fin de asegurar un buen contacto entre la base de la antena y la superficie del terreno.(jelf, 2007)

20 10 Evaluación de la técnica de prospección mediante el uso de Georradar En cuanto a los aspectos operativos del proceso, el equipo GPR está configurado y conectado a una fuente de alimentación, normalmente una batería de 12 voltios o una fuente de corriente alterna; antes de empezar a utilizarlo, se debe esperar el tiempo indicado por el fabricante en posición estable, así como hacer los ajustes del intervalo de tiempo con que se van a grabar los resultados, la frecuencia de muestreo, las ganancias de la señal y los filtros de paso de banda, parámetros que se deben definir de acuerdo con la profundidad del objetivo y la frecuencia de la antena empleada. Se puede utilizar una rueda de medición de distancias para controlar el avance del proceso de sondeo. Igualmente es necesario revisar las condiciones del terreno y registrar la presencia de objetos metálicos cerca de la línea de análisis, dado que esas condiciones pueden afectar el proceso de interpretación de los resultados. El equipo está configurado de modo que durante el proceso, el operador de la unidad de control pueda ver tanto la pantalla del monitor como las antenas, las cuales se montan normalmente en un carro con ruedas para facilitar su desplazamiento. Dependiendo del tipo de estudio, las antenas se mueven tirando manualmente a través de la superficie del suelo o remolcadas con un vehículo. Para la operación manual de las antenas, las velocidades de exploración pueden oscilar entre 20 y 100 lecturas por segundo, mientras que para para estudios como carreteras o ferrocarriles, la velocidad de barrido puede llegar a 200 lecturas por segundo o más. La velocidad de propagación de las ondas electromagnéticas en la tierra varía típicamente en el intervalo entre 3 y 20 centímetros por nanosegundo (cm/ns). Para algunos estudios tales como la localización de tuberías enterradas, puede no ser necesario conocer la velocidad de propagación del subsuelo con mucha precisión, por lo que un valor aproximado de la misma es suficiente para estimar la profundidad del objetivo. Eventualmente la velocidad se puede establecer durante el procesamiento posterior, mediante el análisis de las difracciones hiperbólicas producidas por objetivos discretos.(jelf, 2007) Si se dispone del equipo de construcción en el sitio, la calibración directa de la profundidad por medio de pozos de prueba excavados para exponer las estructuras detectadas con GPR permite confirmar las profundidades reales desde la parte superior de uno o varios de los objetivos a detectar, con lo cual se puede calibrar el equipo. Las perforaciones para medir la profundidad a la que se encuentra el acero de refuerzo en el

21 Capítulo 2 11 hormigón o el espesor de las capas de asfalto en carreteras, proporcionan datos de calibración similares. La velocidad de dispersión de la onda en la capa superficial también se puede determinar rápidamente en el sitio usando un medidor de dieléctrico portátil o se determina en el laboratorio usando muestras de núcleo. En caso de que se presenten condiciones de relámpagos por lluvia durante la medición, se debe proteger el equipo con una cubierta impermeable para poder continuar el proceso. Sin embargo, las lluvias fuertes pueden saturar el suelo, afectando negativamente las señales de GPR y pueden causar fallas en el equipo y en la confiablidad de los resultados, dado que un contenido de humedad variable a través del terreno a lo largo de un tramo de carretera puede dar lugar a mediciones de profundidad inexactas, a menos que las variaciones de humedad locales se incluyan en los cálculos de velocidad de propagación y en la interpretación de los resultados(jelf, 2007) Características de los medios Al momento de entender el funcionamiento de un georradar es necesario tener en cuenta que las propiedades físicas de los suelos inciden en la forma como se comportan ante los fenómenos eléctricos y magnéticos; esas diferentes propiedades de las rocas, del aire y del agua que componen los suelos, como elementos sólidos, gaseosos y líquidos, son las que hacen posible la utilidad del GPR. Específicamente las propiedades que tienen incidencia en los resultados son la constante dieléctrica, la conductividad y la permeabilidad magnética Constante dieléctrica La constante dieléctrica una constante ( ) que da una medida de la polarización de un material en presencia de un campo eléctrico. Proporciona un valor de la respuesta estática del medio cuando está en presencia de un campo eléctrico externo. La constante dieléctrica del vacío es 1. Para la mayoría de los materiales que se pueden encontrar en el subsuelo al realizar una prospección electromagnética, los valores de la constante dieléctrica se encontrarán entre 1 (la del aire) y 81, siendo esta ultima la constante dieléctrica del agua a 20 de temperatura (Pérez, 2001)

22 12 Evaluación de la técnica de prospección mediante el uso de Georradar Conductividad La conductividad ( ) de un medio proporciona una medida de la respuesta de sus cargas libres en presencia de un campo eléctrico externo, siendo el factor de proporcionalidad entre el campo libre aplicado y la densidad de volumen de corriente debido al movimiento de aquellas cargas libres; es decir, proporciona una medida de la capacidad de un material de conducir corriente eléctrica. Las unidades de medida de la conductividad son Siemens/metro. La conductividad de un medio es la inversa de su resistividad. En general se puede distinguir entre materiales conductores, semiconductores y aislantes. Los conductores son aquellos cuya conductividad es mayor a 10 5 S/m, mientras que los materiales que presentan una conductividad menor a 10-8 S/m se clasifican como aislantes, siendo los semiconductores aquellos cuya conductividad se encuentra entre estos dos valores. La mayor parte de las rocas y subsuelos en los que se realizan estudios, pueden ser considerados como aislantes. En estos medios, la conducción eléctrica se debe básicamente a la existencia de fluido en poros y fisuras; es decir, cuando mayor sea el contenido de agua, el porcentaje de iones disueltos y la porosidad del medio, mayor será su conductividad (Pérez, 2001) Permeabilidad magnética La permeabilidad magnética ( ) es un parámetro que relaciona la inducción magnética con la intensidad del campo magnético, el cual se puede describir como el producto entre la permeabilidad magnética del vacío ( ) y la permeabilidad relativa de la materia ( ). En la mayoría de los materiales sobre los que se realizan estudios mediante GPR, con excepción de aquellos que contienen componentes Ferromagnéticos, se determina que la permeabilidad magnética es próxima a Velocidad de propagación Para definir la velocidad de propagación de las ondas electromagnéticas en un medio material se puede partir de las cuatro ecuaciones que conforman las leyes de Maxwell. Una vez desarrolladas dichas formulaciones se obtiene la siguiente expresión:

23 Capítulo 2 13 ( ( ) ) Donde, Sin embargo, dado que los suelos corresponden en su mayoría a medios no magnéticos, la permeabilidad magnética es próxima a 1, por lo que la expresión puede ser simplificada obteniendo el siguiente resultado (Pérez, 2001): Investigaciones orientadas a la evaluación de las propiedades electromagnéticas de los materiales que conforman el subsuelo han determinado los parámetros electromagnéticos para diferentes tipos de suelos y rocas; en la Tabla 2-1 se presentan algunos de los resultados obtenidos, adicionalmente se presenta la Figura 2-4 que muestra el valor medio de constante dieléctrica y velocidad de propagación de onda en función del tipo de material.

24 14 Evaluación de la técnica de prospección mediante el uso de Georradar Tabla 2-1. Parámetros electromagnéticos para diferentes tipos de materiales (Conyers y Goodman, 1997; Garcia, 1997; Hanninen, 1997; Reynolds, 1997; Lorenzo, 1994; Pilon et al., 1994; Hanninen et al., 1992; Sutinen, 1992; Carmichael, 1990; Davis y Annan, 1989; Marshall et al., 1982) Figura 2-4. Variación de la constante dieléctrica y la velocidad de propagación de onda en función del material

25 Capítulo 2 15 Con base en la Figura 2-4 se puede observar la tendencia a aumentar exponencialmente que presenta el valor de constante dieléctrica a medida que la dureza de los materiales disminuye, así mismo, se puede apreciar la diferencia entre los materiales rocosos y los suelos, ya que en los primeros se puede hablar de un valor medio que no supera las 10 unidades, mientras que en los suelos la diferencia de la constante dieléctrica es muy variable entre los diferentes tipos estudiados. En cuanto a la velocidad de propagación de onda, aunque es una propiedad que depende directamente de la constante dieléctrica de cada material, los resultados de las investigaciones mostrados en la Tabla 2-1 presentan poca variabilidad, sin embargo al igual que la constante dieléctrica es clara la diferencia del rango de valores de los materiales rocosos y los suelos.

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27 Capítulo 3. Generalidades de los equipos de GPR y descripción del georradar empleado El Georradar es un equipo que está compuesto por una antena transmisora de ondas electromagnéticas, una antena receptora, una unidad de control y almacenamiento de datos y en algunos casos de dispositivos de visualización. La técnica se basa en la emisión de una serie de pulsos electromagnéticas hacia el suelo, los cuales se reflejan hacia la antena receptora cuando estos encuentran un material con propiedades electromagnéticas diferentes a las del material que lo antecede; esto a medida que el instrumento se desplaza longitudinalmente sobre el sector de estudio Antenas Características de las antenas A continuación se describen las características principales de las antenas de un georradar Frecuencia de excitación y duración del impulso La frecuencia central de una emisión es uno de los parámetros más importantes de las antenas. Ésta determina la penetración de la señal emitida en los materiales del medio a estudiar. Otra de las características de las antenas es el ancho de banda de la emisión, centrada en la frecuencia que caracteriza al equipo. Ya que se requiere que el pulso emitido por la antena sea de corta duración, el ancho de banda de la frecuencia debe ser amplio. El ancho de banda de este tipo de antenas provoca una pérdida de energía por dispersión. La atenuación de la señal para una misma frecuencia central aumenta cuando la banda

28 18 Evaluación de la técnica de prospección mediante el uso de Georradar de frecuencias es más ancha, haciendo que la sensibilidad del aparato y el alcance disminuyan. La frecuencia central de la emisión depende del dipolo de la antena. Este parámetro limita, tanto el alcance del método como su resolución. Las emisiones a bajas frecuencias se atenúan en menor medida que las emisiones a frecuencias altas, pudiendo alcanzar con las primeras profundidades mayores de estudio. Por otro lado, debido a que tienen una longitud de onda mayor que las emisiones a más alta frecuencia, la resolución obtenida es menor Direccionalidad El campo electromagnético radiado debe ser enfocado hacia una dirección que se hará coincidir con la penetración del terreno. Esta propiedad se traduce en una cierta direccionalidad de la antena con respecto a otra antena imaginaria que radiase en todas direcciones; esto a su vez supone un ahorro a la hora de generar el campo en la dirección deseada, pues disminuye la potencia necesaria para alcanzar un reflector situado a igual profundidad. A la magnitud del ahorro se le conoce como ganancia de la antena Dipolos Las antenas formadas por dipolos de onda media son aquellos en que la distancia máxima entre puntos del dipolo es aproximadamente igual a la mitad de la longitud de onda de la frecuencia resonante; irradia un campo electromagnético máximo en la dirección perpendicular al dipolo y nulo a lo largo del eje, por lo que habitualmente constituyen un buen modelo para antenas de radar Orientación de las antenas emisora y receptora Las antenas formadas por dipolos de onda media son aquellos en que la distancia máxima entre puntos del dipolo es aproximadamente igual a la mitad de la longitud de onda de la frecuencia resonante; irradia un campo electromagnético máximo en la dirección perpendicular al dipolo y nulo a lo largo del eje, por lo que habitualmente constituyen un buen modelo para antenas de radar.

29 Capítulo Tipos de Antenas Las antenas utilizadas por el georradar, se pueden clasificar en Monoestáticas y Biestáticas Antenas Monoestáticas Este tipo de antenas son a la vez emisoras y receptoras de energía. Pueden diferenciarse dos tipos: Antenas de conmutación y antenas de dos dipolos. La primeras tienen una única espira que puede actuar como emisora y como receptora de energía. Para ello se incluye un conmutador que va modificando su actuación. Al inicio de cada traza, la antena funciona emitiendo el pulso de energía de corta duración pasando inmediatamente a funcionar como receptora. Tras un tiempo de recepción (que varía según la antena), vuelve a conmutar la función y de nuevo emite pulsos. Las antenas de dos dipolos presentan en el interior de la carcasa, dos dipolos separados; uno de ellos funciona como emisor, mientras el otro es receptor. La separación de las dos espiras es constante y se desplazan juntas con una única carcasa que las cubre a ambas Antenas Biestáticas Se componen de dos módulos separados. Por un lado se tiene la antena emisora y por otro la antena receptora. La independencia entre la emisora y la receptora permite variar la distancia entre ambas. Esta característica permite calcular velocidades aparentes de propagación de onda utilizando técnicas similares a las que se emplean en prospección sísmica con estudios de punto medio común Equipos Complementarios Con el fin de facilitar la adquisición de los datos, el georradar cuenta con una serie de accesorios o equipos complementarios, los cuales se describen a continuación. - Pantalla: Se vincula a la unidad central con el fin de obtener una visión en tiempo real de los registros adquiridos. - Odómetro: Al igual que la pantalla es conectado a la unidad central y es utilizado para determinar con mayor precisión la longitud de los registros.

30 20 Evaluación de la técnica de prospección mediante el uso de Georradar 3.3. Características del equipo empleado A continuación se exponen las partes que conforman el equipo de GPR empleado en la exploración indirecta; es un equipo producido por la firma sueca Mala, reconocida por su trabajo en geofísica desde hace más de medio siglo. - Unidad Central de proceso (Mala ProEx) Este componente contiene la unidad de proceso del georradar. Se encarga de recibir los datos emitidos y reflejados por las entenas (emisora y receptora, respectivamente), procesarlos y enviarlos a la pantalla de control, en donde se almacenan en formato x86 con el sufijo.rad. El procesamiento consiste en la ejecución de los procesos matemáticos resultantes de medir los tiempos de salida y de llegada de las ondas ante los cambios en las propiedades electromagnéticas de los materiales subyacentes. La unidad central ProEx posee una serie de interfaces para la conexión de terminales electrónicas que conectan las antenas para la emisión y recepción de datos (estas terminales son únicas para cada tipo de antena). Igualmente, la unidad central se conecta directamente con el odómetro encargado de medir la distancia recorrida por las antenas sobre la zona de prospección.

31 Capítulo 3 21 Figura 3-1. Unidad central de proceso Mala ProEx La unidad central cuenta con una fuente de alimentación de corriente continua consistente en una batería de 12 voltios. - Antena de 50 MHz Si bien existen varios tipos de antenas para GPR (como se puede apreciar en la Figura 3-2), se abordará específicamente la antena empleada en el presente trabajo: La antena de baja frecuencia de 50 MHz; este tipo de antena se emplea para exploraciones relacionadas con geología y geotecnia debido a su capacidad de penetración en el suelo de acuerdo con las investigaciones realizadas por las compañías dedicadas al estudio y producción de este tipo de equipos, las ondas electromagnéticas de baja frecuencia (16 a 100 MHz) emitidas por un GPR, permiten penetrar los suelos hasta profundidades cercanas a los 60 m. A título ilustrativo las antenas de frecuencias medias (200 a 600 MHz) penetran los suelos típicamente hasta una profundidad de 8 m, mientras que las antenas de denominadas como de alta frecuencia (900 a 1200 MHz) penetran un máximo de 0.5 m. La antena de 50 MHz es similar a una manguera de 9 m de longitud que posee dos emisores (a los 3 m y a los 6 m) y un receptor a todo lo largo de la antena, de tal manera que los dos emisores sincronizados arrojan los pulsos electromagnéticos a medida que el operario arrastra el equipo sobre el sector de estudio. Tanto los emisores como el receptor están emitiendo permanentemente, lo que implica que al percibir variaciones en la velocidad de retorno de las ondas (provocadas por los

32 22 Evaluación de la técnica de prospección mediante el uso de Georradar cambios en las propiedades electromagnéticas de cada material) la antena registra electrónicamente el evento para que la unidad central lo procese y lo convierta en información legible por el software ubicado en la pantalla de control, de manera tal que el operador pueda observarlo o por lo menos para que quede registrado para su posterior análisis mediante herramientas informáticas específicas. Figura 3-2. Antenas producidas por la firma Mala: a) Antena de alta frecuencia de 1000 MHz b) Antena de media frecuencia de 400 MHz c) Antena de baja frecuencia de 50 MHz (como la empleada en el presente trabajo) - Monitor de control Ramac XV 11 Esta parte del equipo es un microcomputador con sistema operativo que carga de manera nativa un software que permite configurar el GPR en lo relacionado con: Profundidad a alcanzar, método de emisión de ondas (por desplazamiento horizontal con odómetro o por tiempo), inicio y final de la medición, almacenamiento de archivos con cada una de las mediciones, imagen en directo del subsuelo explorado y características de la onda captada y de la onda emitida.

33 Capítulo 3 23 Figura 3-3. Monitor de control Mala Ramac XV Toma de datos en campo El procedimiento a seguir para la toma de información en campo consiste en el desplazamiento sobre el área a explorar arrastrando la antena por la superficie, tal y como se puede apreciar en la figura 4.4 Figura 3-4. Descripción del ensayo Unidad central de proceso Antena de 50 MHz Monitor de control Onda reflejada Onda emitida Al desplazar la antena todoterreno por encima del área de estudio, el equipo emite (a medida que el operario se desplaza) una serie de pulsos electromagnéticos que varían su velocidad de desplazamiento dependiendo de las características electromagnéticas del material por el cual se desplazan; al detectar un cambio en esa velocidad, el GPR traza una anomalía en la gráfica indicando cambio de material o presencia de un objeto o

34 24 Evaluación de la técnica de prospección mediante el uso de Georradar estructura subyacente. El radargrama se genera al graficar cada uno de esos pulsos emitidos y reflejados por los materiales presentes en el subsuelo Procesamiento de datos e interpretación La base de la diferenciación de estratos realizada por el georradar es una combinación de la aplicación de filtros sobre las ondas electromagnéticas reflejadas y el análisis de la resistividad de cada capa del suelo, la cual consiste en la cantidad de energía que el suelo quita a la onda electromagnética y el valor de la velocidad de la misma onda en un período determinado. Las herramientas para el procesamiento son de dos tipos: Las de ganancia y los filtros Herramientas informáticas para interpretación Luego de la toma de datos en campo, se debe hacer uso de una o varias herramientas informáticas dependiendo del alcance que se quiera dar a los radargramas; en una prospección simple de detección de estructuras, oquedades u objetos en general se pueden emplear aplicaciones informáticas sencillas que evidencian la presencia de estos elementos en el subsuelo; para obtener con precisión el contacto entre materiales con fines de análisis geotécnico se debe emplear software especializado que permita limpiar interferencias, eliminar ruido electromagnético, agregar contrastes y una serie de procesos matemáticos para establecer la existencia y continuidad de cada estrato. Para el procesamiento de los datos y de las imágenes obtenidas por el GPR, existen varios programas de análisis, siendo los más destacados, Radan, Ground Vision y RadExplorer; cada herramienta cuenta con sofisticados sistemas de análisis, los cuales incluyen tanto funciones de adquisición de datos como herramientas para realizar el post procesamiento utilizando filtros que pueden limpiar la señal adquirida. Para el presente trabajo se empleó el programa RadExplorer, con el cual se realizaron todos los análisis. Esta aplicación cuenta con todos los filtros desarrollados para el procesamiento de datos obtenidas por reflexión de ondas electromagnéticas y permite obtener imágenes (denominadas radargramas) con la claridad suficiente para determinar interfaces entre materiales y/o la presencia de estructuras subyacentes. Un radargrama está compuesto por una sucesión de trazos verticales denominados traces. Cada uno de los traces corresponde a un pulso que se desplaza y retorna desde

35 Capítulo 3 25 la superficie hasta el límite de profundidad predeterminado y regresa a su origen. Durante la toma de datos en campo es indispensable registrar las características del sector de estudio en la superficie (para fines topográficos) y preferiblemente contar con un registro de perforación realizado en la zona (para fines de calibración) Software de procesamiento RadExplorer El procesamiento de las imágenes obtenidas en campo se realiza mediante el software RadExplorer desarrollado por la firma rusa RadExpro. Esta aplicación permite, mediante una serie de filtros basados en complejos procesos matemáticos, limpiar la imagen obtenida por el GPR para establecer con precisión las interfaces entre los materiales subyacentes, las posibles estructuras presentes en el subsuelo y la profundidad a la que estas se encuentran. Los filtros y herramientas que posee esta aplicación son: - Band Pass - Background Removal (BR) - Subtract Mean Trace (SMT) - Running Average - DC Removal Herramientas de ganancia Las herramientas de ganancia permiten realzar la amplitud de una señal cuando esta es muy tenue. AGC (Automatic Gain Control): Sirve para igualar la amplitud de una traza, sobre cada una individualmente. El AGC calcula la amplitud media (sobre el cuadrado de la misma) de una ventana temporal y luego multiplica a todos los valores por este valor. Time-varying Gain (ganancia temporal): Sirve para compensar pérdidas por atenuación eléctrica y por el carácter expansivo de la onda transmitida. El Time-varying Gain aumenta la amplitud de una traza multiplicando el dato por dos funciones crecientes en el tiempo. Una de estas es una función lineal y la otra es una exponencial. Los datos que corresponden a un tiempo mayor obtienen una ganancia mayor.

36 26 Evaluación de la técnica de prospección mediante el uso de Georradar Filtros Band Pass: Este es un filtro que selecciona las frecuencias dentro de la señal recibida. Una señal puede ser descompuesta en una combinación lineal de frecuencias. Este filtro elimina la contribución de las frecuencias bajas (Lowercut- off frequency) y las de las frecuencias altas (Highercut-off frequency). Por lo general se eliminan frecuencias menores a la mitad y superiores al doble de la frecuencia de la antena transmisora. La antena receptora detecta señales electromagnéticas, el pasa-bandas filtra aquellas señales que no. Background Removal (BR) - Subtract Mean Trace (SMT): Estos dos filtros pertenecen al grupo llamado filtros horizontales. El primero (BR), ayuda a reducir el ruido de fondo. Se entiende como ruido a las señales que aparecen en algunas trazas y desaparecen en otras, por lo que el BR reduce los rasgos horizontales. El SMT hace algo muy similar al BR en su modo running average (promedio punto a punto), reduciendo los rasgos horizontales. En el modo total average (promedio sobre todas las trazas), busca eliminar los rasgos de horizontalidad marcada para que se destaquen aquellos que tienen un cierta pendiente (reflectores inclinados o hipérbolas). Running Average: Este filtro es una combinación de filtros verticales y horizontales. Su principal aplicación es eliminar rasgos muy marcados entre datos cercanos (esto es, temporalmente o en trazas vecinas). DC Removal: En los casos donde la antena receptora está acoplada a una señal continua muy fuerte, este filtro cumple la función de restar la componente no nula de la amplitud sobre la cual se encuentra la señal reforzada Ejemplo del procesamiento de un radargrama A continuación se describe el proceso realizado para la obtención final de un radargrama tomando como ejemplo una lectura realizada en la línea numero 8 del presente trabajo. En esteb radiograma pueden identificar dos materiales diferentes. En la figura a continuación se muestra la imagen de un radargrama sin ningún tipo de procesamiento.

37 Capítulo 3 27 Figura 3-5. Gadargrama sin procesar Aplicación de filtros Para el procesamiento de datos de los radargramas se utilizan filtros, los cuales permiten eliminar el ruido generado por distintos factores en campo; estos factores pueden ser, presencia de motores de vehículos, señales de alta frecuencia provenientes de torres de transmisión de telefonía celular o de radio, campos electromagnéticos provocados por cableado eléctrico de alta tensión, estructuras metálicas cercanas, etc. - Time-zero adjustment Este primer filtro se aplica para definir el cero de referencia de la imagen, para el caso de la definición de estratos, será la superficie actual del terreno; una vez seleccionado el filtro aparecerá una línea roja punteada que muestra el cero actual tomado por el programa (parte superior del redargrama); para mostrar la profundidad en metros se hace necesario remitirse a la barra de herramientas de dibujo y seleccionar el ícono de la regla. Una vez se haya seleccionado el filtro se debe ir a la pestaña de los parámetros de módulo y ajustar la barra del First Brake, la cual permitirá bajar el cero de referencia al lugar donde necesite el usuario; para el caso de la definición de estratos será la superficie del terreno.

38 28 Evaluación de la técnica de prospección mediante el uso de Georradar - DC removal Este filtro permite eliminar de la imagen el ruido provocado por variaciones eléctricas del subsuelo; el ruido de este origen se revela como puntos y líneas de color gris claro u oscuro a lo largo del radargrama, como se aprecia en la figura a continuación. Figura 3-6. Ruido electromagnético presente en los radargramas Ruido electromagnético presente en la imagen Después de seleccionar el filtro, se pueden digitar las correlaciones correspondientes en función del tiempo, para que se atenué la basura registrada por los TRACES, a menor tiempo relacionado, la corrección será más somera, y la imagen se verá menos afectada; para cada lectura realizada es necesario realizar la menor alteración posible para cada filtro aplicado, con el fin de mantener las propiedades iniciales de la imagen. - Trace edit Este filtro se utiliza para remover los traces erróneos generados en la toma del ensayo en campo; generalmente aparecen como líneas verticales negras debido a la falta de información contenida en el trace. Se selecciona el filtro trace edit y en el model parameter, se selecciona la opción select traces y se seleccionan en la imagen los traces que están erróneos; inmediatamente después de escogidos una X aparece en la parte superior. Una vez se escoge la opción de correr el filtro, se limpiarán las líneas erróneas y la imagen quedará lista para continuar el proceso.

39 Capítulo Background removal Comúnmente en un ensayo de GPR se obtienen reflejos no solo del objetivo deseado sino también de muchos elementos diferentes, a estos se les llama clutters. Adicionalmente, la señal se ve distorsionada por la onda directa, el efecto de acoplamiento de las antenas y el sonido de fondo. Con el fin de extraer con éxito la imagen real, estos efectos extra de ruido tienen que ser eliminados; aunque los clutters no pueden ser removidos en su totalidad, las técnicas utilizadas por el filtro background removal suprime su influencia en gran medida. - Amplitude correction La aplicación de este filtro aclara la imagen y define los detalles del radargrama; en module parameter se selecciona ejecutar el comando, este filtro define la parte profunda del radargrama, definiendo con precisión los estratos detectados. Figura 3-7. Gadargrama con los filtros aplicados Superficie del terreno Anomalías correspondientes a cambio de material

40 30 Evaluación de la técnica de prospección mediante el uso de Georradar Selección de estratos Una vez aplicados los filtros se procede a seleccionar los diferentes estratos encontrados. El modelado es el proceso mediante el cual se ajustan las profundidades de los estratos hallados y se colorea cada uno de ellos para aumentar el contraste entre los materiales. Cuando en las opciones se encuentra seleccionada la pestaña edit model, todo dentro de la imagen es modificable; se pueden seleccionar velocidades de los materiales, grosor, inclusión de polígonos etc.; cuando se selecciona la pestaña convert to depth, se muestra el resultado final del radargrama con profundidad real. El model transparency difumina la imagen de fondo para que durante el proceso de identificación de materiales y en el resultado final se puedan apreciar mejor los estratos definidos. La definición de los materiales en el RadExplorer se hace por medio de la selección de polígonos; estos están compuestos por líneas consecutivas de picks (Puntos escogidos por el usuario que definen la separación de materiales). Los piks se pueden escoger mediante la herramienta en la barra de dibujo. Una vez seleccionado el comando, simplemente se señalan los puntos donde se aprecia la continuidad del estrato, tal y como se muestra la figura a continuación. Figura 3-8. Definición de materiales por picks Interface identificada entre materiales

41 Capítulo 3 31 Una vez hecha la separación de materiales es necesario crear un polígono con la opción nuevo desde picks (New from picks) y el programa solicita que sea seleccionada el área entre las líneas que se encuentra el polígono a modelar; inmediatamente después se selecciona el color y nombre del estrato contenido dentro de este polígono. Figura 3-9. Radargrama con materiales identificados Material 1 Material Determinación de la profundidad de los contactos Una vez terminado el proceso de selección de polígonos es necesario realizar la calibración de la profundidad, para lo cual es necesario establecer la velocidad de propagación de las ondas o la constante dieléctrica del medio; para esta tarea se puede utilizar uno de los métodos descritos a continuación. - Método 1: Calibración mediante sondeo Sin embargo dada la variabilidad de los datos de constante dieléctrica para cada material, es posible establecer la velocidad de propagación de las ondas mediante el conocimiento de la estratigrafía del sector de estudio. La metodología consiste en realizar una línea GPR en un punto donde se haya efectuado un sondeo directo y de esta manera, en la interpretación de los resultados, se correlaciona la posición de los contactos identificados en la exploración directa con los eventos registrados como interfaces en el radargrama. Una vez realizada la calibración, el proceso de interpretación

42 32 Evaluación de la técnica de prospección mediante el uso de Georradar se da por terminado obteniendo el resultado que se muestra en la Figura Es importante mencionar que en varias de las líneas GPR realizadas se realizó mas de un sondeo, por lo que se efectúo la calibración con cada uno se las perforaciones realizadas y para efectos de interpretación y análisis de resultados fue seleccionada la que presentara mayor fidelidad con los contactos detectados mediante exploración directa. Figura Radargrama terminado Material 1 Material 2 Escala de profundidad Dentro del proceso de selección de los materiales es importante tener en cuenta que no todas las líneas encontradas corresponden a un cambio en las propiedades de los suelos encontrados, por consiguiente no se consideran cambios de estratos; para definir un estrato se buscan líneas que tengan continuidad a lo largo del radargrama o que cierren con un vértice. Los diferentes tipos de líneas presentadas en una imagen pueden representar diferentes objetos; por ejemplo una parábola invertida puede señalar la existencia de algún objeto sólido, rocas o tuberías a lo largo del trazado; en el ejemplo se pueden observar varias formaciones de parábolas hacia el final de la lectura, las cuales corresponden a materiales fracturados. - Método 2: Resultados de laboratorio Ejecución de ensayos de laboratorio, donde se puede obtener la constante dieléctrica de materiales provenientes de la zona de estudio. A través de las relaciones de fase donde

43 Capítulo 3 33 por medio de investigaciones realizadas es posible relacionar propiedades físicas de los suelos como saturación, porosidad y humedad con las propiedades electromagnéticas, en este caso especifico la constante dieléctrica. Con base en lo anterior fueron ejecutados ensayos para determinar la gravedad especifica (Gs) a algunas de las muestra obtenidas y cuyos resultados se presentan en el anexo correspondiente a la exploración del subsuelo. Para la determinación de la constante dieléctrica a partir de las propiedades físicas del suelo han sido utilizadas las propuestas de Hara y Sakayama (1984) y Moreno y Montes (2003), para medios de tres fases (aire, agua y solidos), en donde se relaciona la constante dieléctrica del material con la saturación y la porosidad, como se muestra en las ecuaciones a continuación. Hara y Sakayama (1984) (( ) ) ( ) Moreno y Montes (2003) ( ) ( ) ( ) ( ) Donde, Teniendo en cuenda lo anterior los valores de constante dieléctrica del agua, aire y de la parte solida han sido adoptados como constantes a partir de valores medidos en investigaciones anteriores, específicamente Moreno y Montes (2003), lo cual es

44 34 Evaluación de la técnica de prospección mediante el uso de Georradar consistente con (Pérez, 2001), donde establece los siguiente:, y.

45 Capítulo 4. Metodología El presente trabajo es una combinación de investigación, labor de campo y comparación de datos obtenidos para determinar la coincidencia o la imprecisión de la detección mediante GPR (exploración indirecta) con los registros de perforación (exploración directa). Se estableció un particular interés por obtener los espesores de los estratos identificados y la posición del nivel freático que arroja el GPR para compararlos con los datos obtenidos de la exploración directa y determinar la fiabilidad del uso de esta tecnología. A continuación se describen las actividades desarrolladas para alcanzar los objetivos propuestos: 4.1. Investigación Se revisó y analizó la información disponible acerca de la prospección geotécnica mediante la utilización de GPR, así como las normas técnicas vigentes para el uso de esta tecnología y su aplicación práctica. También se revisaron los trabajos relacionados con el uso de esta tecnología, los proyectos de investigación y tesis elaborados para optar títulos de maestría y doctorado en diferentes universidades nacionales e internacionales, así como los últimos trabajos presentados en congresos, los cuales sirvieron de guía para llevar a cabo el presente estudio. Se hizo una revisión de los estudios de suelos ejecutados por diferentes compañías en el área de estudio con el fin de identificar y recopilar información de sondeos efectuados con toma de muestras inalteradas en las que se hubieran determinado las propiedades físicas de los materiales que conforman el perfil estratigráfico en el sector. Para el presente documento se reunió la información de tres campañas de exploración directa (desarrolladas por diferentes compañías) de las cuales se presentan los resultados obtenidos por los sondeos.

46 36 Evaluación de la técnica de prospección mediante el uso de Georradar Cabe anotar que el equipo empleado cumple con la normatividad ASTM D (reaprobada en 2005). Se realizó la evaluación geológica con el fin de definir la constitución, origen y comportamiento de los materiales que conforman el perfil estratigráfico en el sector estudiado con base en los documentos existentes sobre geología regional y local Geología regional La zona seleccionada para la ejecución del presente trabajo corresponde a un área de aproximada de 108,000 m2, localizada en el área urbana del municipio de Dosquebradas. El área de estudio seleccionada se localiza al norte del municipio de Dosquebradas, Risaralda. En la figura a continuación se presenta la localización del estudio. Figura 4-1. Localización geográfica, general y específica del sector de estudio La evaluación de las características geológicas generales del área de estudio se identifican según la información registrada en los estudios de Geología correspondientes

47 Capítulo 4 37 a la Geología de la Plancha 224 Pereira, del Servicio Geológico Colombiano (Antiguo Ingeominas), año 1984 versión digital 2009, a escala 1: A nivel regional, se identifica una geología compleja, donde se pueden encontrar rocas metamórficas paleozoicas que conforman el Complejo Cajamarca (Pa y Pe), rocas ígneas Cretáceas y terciarias de origen intrusivo y extrusivo, donde se identifican en primera instancia las unidades Stock Gábrico de Pereira (Kgp), Grupo Diabásico (Kvo) y Pórfidos Andesíticos de Pereira (Tpp), además de rocas cretáceas sedimentarias de la unidad superior del Grupo Dagua (Kso), se identifican depósitos cuaternarios donde inicialmente encontramos flujos de lodos y cenizas de la unidad Qto, formados a partir de actividad volcánica reciente, Depósitos de Pendiente (Qtl), conformados por materiales residuales de las formaciones geológicas circundantes afectadas por procesos de denudación (principalmente por la afectación de las aguas de infiltración en épocas de altas lluvias); por último, se encuentran depósitos recientes de origen aluvial, los cuales se localizan próximos a los principales ríos y quebradas y su composición es variable donde se puede evidenciar algunos bloques redondos a sub-redondos embebidos en una matriz generalmente arenosa y en menor proporción areno arcillosa a areno limosa. Las últimas dos unidades geológicas mencionadas interactúan directamente con el sector de estudio. El área de estudio está afectada por una tectónica regional, que afecta el sector denominado Depresión Intramontañosa del Cauca, localizada entre las cordilleras Occidental y Central; esta se encuentra regida a partir de cuerpos plutónicos que intruyeron las rocas suprayacentes y han generado un metamorfismo de grado medio en estas, además de distintos lineamientos de falla y un intenso fracturamiento en las rocas, donde se presentan zonas de infiltración, las cuales en épocas invernales actúan como factor detonante (junto con el agua infiltrada) ante la alteración de las rocas y movimientos de las diferentes cuñas y fallas planares en los afloramientos rocosos. En el área de estudio se logran identificar algunas fallas inferidas con dirección rumbo NE relacionadas con la actividad regional del Sistema de fallas de Romeral; este sistema rige en gran proporción la actividad tectónica correspondiente a la cordillera Central. Estas fallas también siguen una secuencia en la dirección de rumbo de las fallas principales próximas al sector de estudio, como lo son las de Quebrada Nueva y Toro localizadas al occidente del área de estudio, cerca al municipio de Cartago.

48 38 Evaluación de la técnica de prospección mediante el uso de Georradar A partir de la actividad tectónica regional, en el área de estudio se presenta un nivel de amenaza Sísmica alta a intermedia donde se registran valores de Aceleración Sísmica (Aa) de 0,25. En la Figura 4-2 se presentan las características geológicas generales del área de estudio. Figura 4-2. Características Geológicas Generales del Área de estudio. Tomado de La Geología de la Plancha 224 Pereira del Servicio Geológico Colombiano (Antiguo Ingeominas), año 1984 versión digital 2009, a escala 1: Geología Local En el área de estudio se pueden identificar unidades geológicas recientes no consolidadas, donde se observan Depósitos de Pendiente (Qtl) y Aluviales (Qal), además de la presencia de suelos residuales orgánicos de poco espesor y Rellenos Antrópicos (Qra). No se presenta una afectación directa por fallas geológicas; sin embargo se debe tener en cuenta el nivel de amenaza sísmica generado a partir de la actividad de fallas geológicas regionales ya que estas generalmente presentan un rango de afectación amplio.

49 Capítulo Litología Se describen a continuación las unidades geológicas presentes en el sector estudiado en orden cronológico desde la más antigua a la más reciente. Depósitos Aluviales Esta unidad comprende los suelos no consolidados formados a partir de la actividad de los drenajes principales, se componen principalmente de bloques y fragmentos de rocas redondos a sub-redondos embebidos en una matriz que varía de areno-limosa a arenoarcillosa, también se presentan en proporciones menores algunos niveles finos compuestos por suelos limosos y arcillosos. Esta unidad geológica comprende la mayor parte del área de estudio, donde los materiales más finos se ubican hacia el sector occidental entre las quebradas La Almoladora y El Mandarino, aquí encontramos niveles de materiales limo arcillosos de hasta 9m de espesor, suprayacidos por niveles de gravas y arenas que conforman el estrato principal de estos depósitos. Hacia el sector oriental encontramos un predominio de suelos arenosos y areno-limosos con presencia de gravas, los cuales aparecen a una profundidad media de 3.5m, suprayacidos por una capa de suelos residuales blandos que conforman la unidad aluvial afectada por procesos de denudación superficial. Morfológicamente en esta área se observa suave a plana con algunos sectores ondulados. Depósitos de Pendiente Esta unidad corresponde a suelos residuales formados a partir de la meteorización de las rocas de las unidades geológicas adyacentes al área de estudio los cuales, a partir de procesos hidrogravitacionales han sido transportados ladera abajo. Su composición es generalmente fina (arcilla y limo) con menores niveles de arena y grava, con coloraciones que van desde pardas a cafés. A partir de la exploración del subsuelo se estima que la unidad alcanza entre los 7m y 9m de espesor. Esta corresponde a la segunda unidad predominante en el área de estudio y se ubica en el sector noroccidental, donde se presentan pendientes suaves y onduladas.

50 40 Evaluación de la técnica de prospección mediante el uso de Georradar Depósitos de Rellenos Antrópicos La unidad agrupa los niveles de suelos heterogéneos resultantes de obras de expansión urbana relacionadas con viviendas, vías y rellenos utilizados en explanaciones Geología estructural El área de estudio no se encuentra afectada directamente por fallas geológicas, sin embargo se presenta una afectación a partir de fallas regionales cuya magnitud hace que su rango de afectación sea muy extenso, donde se generan fallas satélites, las cuales son cercanas al área de estudio, tanto así que en el sector se presenta un nivel de amenaza sísmica alto a intermedio, regido a partir de la actividad de las fallas principales próximas al sector Fallas A continuación se describen las fallas geológicas principales que interactúan con la actividad tectónica en el área de estudio. Sistema de fallas de Romeral Es uno de los sistemas de falla más importantes del país en cuanto a su afectación tectónica, ya que está relacionado con diferentes acontecimientos geológicos registrados sobre la cordillera Central. Este sistema de fallas genera una afectación a partir de sus lineamientos más occidentales localizados a pocos kilómetros al oriente del área de estudio; estos presentan una dirección de rumbo predominantemente NE. Este sistema de fallas es muy activo y su zona de afectación es muy extensa, donde se registran grandes desplazamientos y buzamientos fuertes, lo cual hace que la zona sea potencialmente crítica ante la generación de fenómenos tectónicos. Falla de Toro Es una falla inversa de ángulo alto a vertical que buza al occidente (W), es una falla de actividad media, la cual hace parte del Sistema de Fallas del Cauca, donde se registran desplazamientos significantes. Esta estructura se localiza al occidente del área de estudio a una distancia aproximada de 35 Km al noroccidente del Municipio de Cartago.

51 Capítulo 4 41 Falla de Quebrada Nueva Falla de Cabalgamiento de buzamiento variable que pone en contacto las Formaciones Paila con el miembro Cinta de Piedra de la Formación Cauca Superior. Presenta una actividad media y se localiza al occidente del área de estudio a una distancia aproximada de 22 Km Exploración directa Las labores consistieron en la interpretación de 13 sondeos efectuados con equipo manual. Estas perforaciones alcanzaron profundidades entre 3,0 m y 14,8 m, como se aprecia en la siguiente tabla: Tabla 4-1. Exploración directa del subsuelo Sondeo No. Nombre Profundidad Localización (m) Norte Este S1 AQ-S1 11, S2 AQ-S2 7, S3 AQ-S3 8, S4 AQ-S5 3, S5 AQ-S6 5, S6 AQ-S8 9, S7 AQ-S9 9, S8 HYD-S4 14, S9 HYD-S8 14, S10 HYD-S10 6, S11 MILL-S2 12, S12 MILL-S3 10, S13 MILL-S5 12, En la Figura 4-3 se presenta la localización de cada uno de los sondeos ejecutados.

52 42 Evaluación de la técnica de prospección mediante el uso de Georradar Figura 4-3. Localización sondeos directos ejecutados S-5 S-10 S-2 S-3 S-13 S-1 S-4 S-5 S-9 S-12 S-11 S-8 S-7 Durante la ejecución de los sondeos fueron identificados visualmente los diferentes estratos. En los suelos en donde, debido a la elevada consistencia de los materiales finos o a la presencia de materiales granulares no fue posible la recuperación de muestras inalteradas, fue adelantado el ensayo de penetración estándar (SPT), con la respectiva recuperación de la muestra alterada mediante el tubo de cuchara partida (split spoon). Adicionalmente algunas de las muestras obtenidas fueron ejecutados ensayos tendientes a conocer sus propiedades físicas, tales como granulometría, límites de Atterberg, humedad natural, gravedad específica y peso unitario. En la figura a continuación se presenta el resumen gráfico de propiedades índice de uno de los sondeos ejecutados.

53 Capítulo 4 43 Figura 4-4. Resumen gráfico de propiedades sondeo S1 Proyecto: RESUMEN DE PROPIEDADES FÍSICAS Y MECÁNICAS Aquaterra -Sondeo 1 Fecha: 20/04/2015 Propiedades físicas y mecánicas MH N.F MH CL MH LL LP IP Finos SPT % W qu (ton/m2) limo de color café claro y gris, con vetas amarillas y ferrosas. Arenas limosas de color café. Con el fin de caracterizar los materiales que conforman el perfil estratigráfico en la zona de estudio fueron realizados los siguientes ensayos de laboratorio. Tabla 4-2. Ensayos de laboratorio realizados ENSAYO NORMA CANTIDAD Granulometría E Limite Liquido del Suelo E Limite Plástico e Índice de Plasticidad E Humedad Natural E Corte directo E Gravedad especifica E Los resultados de los ensayos realizados se presentan en el anexo C del presente documento.

54 44 Evaluación de la técnica de prospección mediante el uso de Georradar - Perfil estratigráfico promedio Con base en la exploracion del suelo ha sido posible establecer el perfil estratigrafico típico del área en estudio el cual se describe a continuacion. Desde la superficie actual del terreno y hasta una profundidad variable entre 3 y 10 m se reporta la presencia de arcillas y limos de color amarillo y café de consistencia blanda a media, humedad alta, plasticidad alta a muy alta, que clasifican en el sistema unificado de calsificación de suelos (USCS) como CH y MH y presenta valores de humedad natural variables entre 33,6 y 199%, limite liquido entre 26,9 y 146,8%, en índice de plasticidad entre 19,4 y 96,6%. Presentan valores de resistencia al ensayo de penetración estándar (SPT) entre 4 y 16 golpes/pie, estos materiales corresponden a la capa superficial de depósitos aluviales (Qal1) que por procesos de meteorización de composición limosa y arcillosa. Seguido al estrato anterior y hasta la maxima profundiad de exploracion se reportan arenas y gravas de compacidad densa a muy densa, que presentan valores de rechazo al ensayo de penetracion estandar (SPT). Estos materiales corresponden a depósitos aluviales de composicion arenos y limosa en proporciones variables (Qal2). Con el fin de analizar la variacion del perfil estratigrafico en toda el area de estudio, se procedió a la realizacion de cinco secciones transversales donde se integran los resultados de la exploracion del subsuelo. En la figuras a continuacion se muestra la localizacion de las secciones evaluadas.

55 Capítulo 4 45 Figura 4-5. Secciones estudiadas B A D E C A D B E C Figura 4-6. Perfil estratigráfico Sección A-A

56 46 Evaluación de la técnica de prospección mediante el uso de Georradar Figura 4-7. Perfil estratigráfico Sección B-B Figura 4-8. Perfil estratigráfico Sección C-C Figura 4-9. Perfil estratigráfico Sección D-D

57 Capítulo 4 47 Figura Perfil estratigráfico Sección E-E Figura Perfil estratigráfico Sección F-F 4.3. Exploración indirecta Se elaboró una cuadrícula sobre la cual se desplazó el equipo de GPR de manera tal que los resultados obtenidos (radargramas) se compararan con los resultados de los registros de perforación Labor de campo y resultados de la exploración indirecta Se llevaron a cabo 10 líneas de georradar distribuidas en dos mallas o cuadrículas. El propósito de hacer esta subdivisión del terreno tuvo dos motivaciones: En primer lugar, una línea de georradar muy larga presenta dificultades para su análisis y visualización; por otra parte, se estableció esta disposición con el fin de generar un modelo que cubriera el área más amplia posible y correlacionar así el perfil estratigráfico en toda la zona de estudio.

58 48 Evaluación de la técnica de prospección mediante el uso de Georradar Tabla 4-3. Exploración indirecta del subsuelo Numero Línea Longitud (m) Localización Inicio Fin Norte Este Norte Este L L L L L L L L L L Figura Toma de GPR en la zona de estudio En la figura a continuación se presenta la localización de las líneas GPR realizadas.

59 Capítulo 4 49 Figura Localización líneas GPR L1 L2 L3 L1 L6 L5 L4 L7 L8 L9 L7 L6 L2 L5 L4 L8 L10 L9 L10 Tal y como se describió en el numeral 3.5., los registros obtenidos en campo por medio de GPR han sido procesados con el fin de determinar la secuencia estratigráfica, obteniendo radargramas que representan claramente la existencia de dos estratos característicos con propiedades electromagnéticas sustancialmente diferentes, los cuales se ven reflejados en las discontinuidades presentadas en los registros. En la Figura 4-14, se presenta el radargrama correspondiente a la linea 8 donde se puede observar el contacto entre materiales (los radargramas correspondientes a las demas lineas ejecutadas se presentan en el Anexo C).

60 50 Evaluación de la técnica de prospección mediante el uso de Georradar Figura Radargrama Línea 8 Superficie del terreno Material 1 Material 2 Anomalías que representa el contacto entre materiales Es importante mencionar que aunque se pueden apreciar contactos definidos entre los materiales, el eje Y del radargrama corresponde a tiempo en nano segundos, por lo que para determinar la profundidad de estos cambios de material se ha optado por usar la metodologia mencionada en el numeral Valores de referencia, otorgando datos de constante dieléctrica al estrato superfical obtenido mediante investigaciones previas y cuyos resultados se presentan en la Tabla 2-1. Una vez asignado este valor es posible establecer la velocidad de propagacion de onda en el material seleccionado y de esta manera calcular la profundidad del estrato dado que se cuenta con el tiempo de llegada de la onda y la velocidad, para lo cual fue utilizado el software RadExplorer. Con base en la geología local del sector ha sido posible determinar los materiales que conforman el perfil estratigráfico;en la parte superior corresponden principalmente a limos con presencia de arena de consistencia blanda, por lo que según la Tabla 2-1 es posible asignar un valor de constante dielectrica entre 3 y 40. Teniendo en cuenta lo anterior y la variabilidad de la constante dieléctrica se evaluó la posible profundidad del estrato mediante el uso de 5 valores (3, 7.5, 12, 26 y 40), para cada una de las lineas efectuadas. Los valores de profundidad presentados corresponden a la posicion donde se realizo alguna de las perforaciones con el fin de posteriormente realizar una comparacion entre los valores obtenidos y los reales. En la tabla Tabla 4-4 se muestran los resultados.

61 Capítulo 4 51 Tabla 4-4. Cálculo de la profundidad de contacto de los estratos GPR L1 L2 L3 L4 L5 L6 L7 L8 L9 L10 POSICIÓN (m) CONSTANTE DIELÉCTRICA PROFUNDIDAD (m)

62 52 Evaluación de la técnica de prospección mediante el uso de Georradar Figura Variación de la profundidad en función de la constante dieléctrica De la grafica anterior se pueden identificar 2 grupos de datos que presentan comportamientos similares en cuanto a la posición del contacto de los estratos; el primero con los resultados correspondientes a las líneas L1, L3 y L4 con posibles espesores del estrato superior entre 2.2 y 7.3 m, mientras que las demás líneas presentan valores superiores a los registrados en los ensayos anteriormente mencionados. Con base en lo anterior es posible establecer que el área evaluada puede ser dividida en dos sectores con respecto al espesor del estrato superficial ya que los GPR que arrojan valores similares de profundidad presentan cercanía en cuanto a su localización geográfica, como es el caso del primer grupo de líneas GPR que se encuentran en la zona nororiental del área evaluada (Sector 1), mientras que el sector 2 corresponde a la superficie restante, así como se presenta en la figura a continuación.

63 Capítulo 4 53 Figura Zonificación mediante lecturas GPR según profundidad de contacto. L1 L2 L3 L7 L8 L6 L5 L4 ZONA 1 L9 L10 ZONA 2 Además en la Figura 4-15 se puede apreciar que para los radargramas de la Zona 1, la variación de la profundidad de contacto disminuye cuando se asignan valores mayores a 12 de constante dieléctrica, lo que indica que la velocidad de desplazamiento de las ondas electromagnéticas emitidas tiende a estabilizarse a medida que la constante dieléctrica supera dicho valor, comportamiento que no se aprecia en los GPR de la Zona 2, que aunque se observa un descenso en la pendiente de la línea sigue siendo importante la variación de la profundidad de contacto con el aumento de la constante dieléctrica. Es importante resaltar que si bien se observan comportamientos característicos en los resultados, esto no da una certeza de cual sea la velocidad de propagación y por ende la profundidad de contacto exacta en el sector. Por otra parte, y con animo de analizar que tan susceptible es la constante dieléctrica en función de la profundidad de contacto para cada una de las líneas GPR efectuadas, se

64 54 Evaluación de la técnica de prospección mediante el uso de Georradar estableció un espesor fijo del estrato superior de 4.5 m (profundidad seleccionada aleatoriamente), para así determinar el valor de constante dieléctrica en cada una de las líneas, obteniendo los siguientes resultados. Tabla 4-5. Constante dieléctrica para una profundidad de contacto de 4.5 m GPR PROFUNDIDAD (m) CONSTANTE DIELECTRICA L1 7 L2 56 L3 19 L4 1.7 L L6 40 L7 26 L8 47 L9 49 L10 46 Figura Constante dieléctrica para una profundidad de contacto de 4.5 m De la tabla y figura anterior, se puede observar una gran variabilidad de la constante dieléctrica para una misma profundidad de contacto (4.5 m), hasta el punto de obtener valores superiores a los planteados por la bibliografía para este tipo de material como es el caso de las líneas L2, L5, L8, L9 y L10; lo que indica claramente que el espesor de los

65 Capítulo 4 55 materiales superficiales (limos de consistencia blanda) es variable en el área estudiada, ya que al tratarse de un mismo tipo de suelo, la constante dieléctrica debería presentar valores similares. Sin embargo, al igual que en las evaluaciones previas, se aprecia un comportamiento semejante en las líneas L1, L3 y L4, lo que propone valores cercanos en cuanto a la profundidad del contacto entre los materiales identificados en la zona donde se ejecutaron dichas líneas GPR, específicamente en el sector nororiental. Finalmente se evaluó la variabilidad de la posible profundidad de contacto para cada una de las líneas GPR realizadas manteniendo una constante dieléctrica de 7.5,que muestra al igual que los análisis realizados previamente, una similitud en los resultados de las líneas L1, L3 y L4, como se muestra en la figura a continuación. Figura Profundidad de contacto para una constante dieléctrica de 7.5 Una vez realizado el procesamiento de los registros del georradar, se puede decir que con solo con la utilización de la técnica de prospección mediante el uso del GPR, no es posible establecer la localización exacta de los contactos entre materiales, debido a que sin la ejecución de sondeos directos solo se cuenta con valores de referencia para la constante dieléctrica, que permite (como se mostró en el desarrollo del presente numeral) establecer rangos posibles de la posición de la interface que para este caso especifico de la zona compuesta donde se localizaron los GPR nombrados L1, L3 y L4 fue calculada

66 56 Evaluación de la técnica de prospección mediante el uso de Georradar entre 2.2 y 7.3 m, mientras que para las demás sectores fue se determinaron profundidades entre 4.1 y 16 m. Finalmente, otro aspecto de gran importancia en la interpretación de los radargramas consiste en la es la identificación de la posición del nivel freático la cual típicamente es posible localizar debido a la presencia de anomalías a lo largo del registro, sin embargo en el presente trabajo no fue posible identificar este tipo de anomalías en ninguno de los radargramas, debido posiblemente a la baja frecuencia de las ondas emitidas (50 MHz) lo que se refleja en registros de baja resolución.

67 Capítulo 5. Análisis de resultados En este apartado se presenta la comparación de los resultados obtenidos por medio de la exploración directa (mediante la ejecución de sondeos) y los radargramas realizados para la determinación de la posición de los contactos entre materiales presentes en el área de estudio. Terminadas las actividades de exploración del subsuelo, se ejecutó el procesamiento de los datos obtenidos con el GPR, mediante el uso del software especializado RadExplorer, con el que mediante uso de sus filtros y herramientas se identificaron los estratos existentes en la zona evaluada. Para determinar la profundidad de contacto de dichos estratos se optó por el uso de las dos metodologías descritas en el numeral 3.6.3, el método 1 (Calibración mediante sondeo) consistente en determinar la constante dieléctrica por medio de la calibración de la sección GPR con la medición real del contacto en uno de los sondeos directos realizados en la sección en evaluación. Por otra parte, por medio del método 2 (experimentación en el laboratorio) se determino la constante dieléctrica mediante las relaciones con las propiedades físicas de los materiales, las cuales fueron medidas en el laboratorio, es importante aclarar que aunque se evaluó este procedimiento mediante dos propuestas Hara y Sakayama (1984) y Moreno y Montes (2003). Posteriormente los resultados de las dos técnicas son comparados con la posición real de los estratos determinados mediante exploración directa de manera tal que se puedan determinar los alcances y limitaciones del uso de esta técnica para la determinación de los espesores de los estratos y la identificación del nivel freático. Para este fin, ha sido determinada la posición de la interface entre los dos tipos de suelos identificados en cada uno de los sondeos, que corresponde a la profundidad real de los contactos en esos puntos, para de esta manera establecer el valor de la constante dieléctrica para este estrato.

68 58 Evaluación de la técnica de prospección mediante el uso de Georradar La determinación de la constante dieléctrica para estos puntos fue realizada a manera de retro análisis, variando éste valor en el procesamiento de los radargramas hasta conseguir la profundidad real del contacto y de esta manera obtener la constante dieléctrica del material superficial en cada uno de los puntos de sondeo, en la Tabla 5-1 se muestran los resultados obtenidos. Tabla 5-1. Profundidad real de contacto de los estratos SONDEO PROFUNDIDAD CONSTANTE DE CONTACTO REAL (m) DIELÉCTRICA REAL , En virtud de lo anterior y teniendo como premisa que solo es posible asignar un valor de constante dieléctrica para la determinación de la profundidad de los estratos en el proceso de interpretación de los radargramas, A continuación se presenta el uso de las dos metodologías utilizadas para la estimación del valor de constante dieléctrica y que están descritas en el numeral Determinación de los espesores método 1 Para cada una de las líneas GPR realizadas ha sido calibrado el valor de constante dieléctrica con uno de los sondeos ejecutados sobre la sección de análisis, esta calibración consiste en asignar valores de constante dieléctrica al estrato superficial hasta conseguir la que represente la profundidad real del contacto en el punto de sondeo. En la figura 5-1. se presenta el resultado del radargrama obtenido en la línea número 2, para el cual fue asignado un valor de constante dieléctrica igual a 4.6 que corresponde a la determinada para la perforación 13; teniendo en cuenta que en este perfil también se

69 Capítulo 5 59 encuentran los sondeos 3 y 1, se calculará el porcentaje de error en la determinación de la posición del contacto entre los materiales identificados en cada punto de sondeo. Figura 5-1. Radargrama Línea 2 Este procedimiento fue realizado para todas las líneas GPR, con excepción de L3, L4, L5 y L7, las cuales solo presentan un sondeo sobre la sección de análisis. A continuación se presenta los resultados obtenidos.

70 60 Evaluación de la técnica de prospección mediante el uso de Georradar Tabla 5-2. Profundidad de contacto de los estratos método 1 SONDEO LÍNEA GPR CONSTANTE PROFUNDIDAD DIELÉCTRICA DE CONTACTO (m) 1 L L L L L L L L L L L L L Determinación de los espesores con información proveniente de los resultados de laboratorio (método 2) Tal y como se describió en el numeral 3.6.3, se procedió a la determinación de la constante dieléctrica mediante la propuesta de Hara y Sakayama (1984), en donde se relaciona esta propiedad con la saturación y la porosidad. Para lo cual fueron realizados ensayos de gravedad especifica (Norma INVIAS 128), ensayos de humedad natural (Norma INVIAS 122) y de peso especifico, mediante los cuales fue posible determinar la saturación y la porosidad del material que conforma el estrato superficial para cada uno de los sondeos, teniendo en cuenta las siguientes formulaciones para suelos parcialmente saturados. Donde, ( )

71 Capítulo 5 61 Donde, A continuación se presenta a manera de ejemplo los cálculos realizados para la determinación de la constante dieléctrica en la muestra 1 del sondeo 1. Tabla 5-3. Resultados de laboratorio sondeo 1 PROF W (%) LL LP IP % FINOS Gs g seco Con base en los resultados de laboratorio presentados en la tabla anterior fue calculada la porosidad y la saturación para cada una de las muestras evaluadas. El valor presentado de Gravedad específica (Gs) corresponde a los resultados de los ensayos de laboratorio, que en el caso del sondeo 1 solo fue ejecutado para la muestra extraída a 1,50 m de profundidad. Teniendo en cuenta que se trata de un mismo estrato y que los resultados de los ensayos de laboratorio ejecutados para todo el proyecto fueron similares, se estableció un valor único de Gs de 2.58 para el estrato conformado por limos de consistencia blanda. Calculo de la saturación:

72 62 Evaluación de la técnica de prospección mediante el uso de Georradar Calculo de la porosidad: Calculo de la constante dieléctrica método Hara y Sakayama: (( ) ) ( ) (( ) ) ( ) Calculo de la constante dieléctrica método Moreno y Montes: ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) En la figura siguiente se muestra el resumen grafico con los resultados obtenidos de constante dieléctrica, así como los principales resultados de los ensayos de laboratorio ejecutados, sin embargo dada la diferencia entre las dos propuestas utilizadas para el calculo de la constate dieléctrica, se opto por la utilización de una de ellas para los cálculos correspondientes al presente trabajo, la metodología seleccionada es la propuesta por Hara y Sakayama (1984).

73 Capítulo 5 63 Figura 5-2. Resumen grafico cálculo de la constante dieléctrica. Sondeo 1 RESUMEN DE PROPIEDADES FÍSICAS Y MECÁNICAS Proyecto: EVALUACIÓN DE LA TÉCNICA DE PROSPECCIÓN MEDIANTE EL USO DE GEORRADAR Sondeo 1 Fecha: Junio de 2015 Propiedades físicas y mecánicas MH N.F MH CL MH LL LP IP SPT % W Saturación Porosidad Constante dielectrica limo de color café claro y gris, con vetas amarillas y ferrosas. Arenas limosas de color café. Con base en la figura anterior se puede observar la relación entre el contenido de humedad y la constante dieléctrica, lo cual es establecido por algunos autores, por lo que a mayor contenido de humedad la constante dieléctrica aumenta, lo que genera que la velocidad de propagación de la onda electromagnética disminuya ya que el agua es el material por el que las ondas emitidas por el GPR se desplazan a menor velocidad.

74 64 Evaluación de la técnica de prospección mediante el uso de Georradar Teniendo en cuenta la metodología para la determinación de la constante dieléctrica descrita previamente, se ha calculado este parámetro para el estrato superior (limos de consistencia blanda) en cada uno de los sondeos. Es importante mencionar que dado que solo es posible asignar un valor de constante dieléctrica por estrato, han sido tomados los valores de las muestras más cercanas a la superficie de contacto entre los estratos. Así mismo dada la similitud de los resultados de los ensayos de gravedad especifica realizados, los cálculos para todos los sondeos fueron realizados considerando 2.58 como dato constate. Así las cosas a continuación se presentan el valor de constante dieléctrica deducido por el método 2 en cada sondeo. Tabla 5-4. Constante dieléctrica, método 2 SONDEO POROSIDAD SATURACIÓN CONSTANTE PROFUNDIDAD DIELÉCTRICA DE CONTACTO (m) Una vez calculadas las constantes dieléctricas mediante los dos métodos establecidos en el presente documento y tomando como referencia la constante dieléctrica determinada en la Tabla 5-1 que corresponde al valor calculado por medio de la profundidad real del contacto, es posible establecer que el método que se aproxima mas a los valores reales es el método 1, ya que como se aprecia en la figura a continuación, los resultados obtenidos mediante el método 2, se alejan considerablemente de los de referencia, hasta el punto de obtener valores superiores a los establecidos por la bibliografía como máximos para materiales limosos.

75 Capítulo 5 65 Figura 5-3. Comparación valores de constate dieléctrica. Sondeo 1 Con base en lo anterior se ha establecido mediante las constantes dieléctricas calculadas la profundidad de contacto mediante el uso del GPR para el sondeo 1, en la figura a continuación se presenta los resultados obtenidos.

76 66 Evaluación de la técnica de prospección mediante el uso de Georradar Figura 5-4. Comparación profundidades de contacto. Sondeo 1 Profundidad Método 2 Profundidad real Profundidad Método 1 Con base en lo anterior se ha establecido mediante las constantes dieléctricas calculadas la profundidad de contacto mediante el uso del GPR para el sondeo 1, en la Figura 5-4 se presenta los resultados, este procedimiento fue realizado para todos los sondeos ejecutados y se presenta en el plano anexo a este documento Calculo de error absoluto y error relativo Para el cálculo del error relativo con respecto a la profundidad real, también se calculó el error absoluto. El error absoluto es la diferencia real entre los dos valores (la profundidad de la interfaz obtenida por el sondeo menos la profundidad obtenida por el GPR). Por ejemplo, si la profundidad de contacto real es de 2 m y la medida del GPR está errada por 0.6 m, el error relativo será grande. Pero, si la profundidad del contacto es de 12 m y

77 Capítulo 5 67 el GPR está errado por 0.6 m, el error relativo será mucho menor, a pesar de que el valor del error absoluto, 0.6 m, no ha cambiado. Para calcular el error absoluto se restó el valor obtenido por el GPR de la medida real obtenida por el sondeo. El valor absoluto de este número evidentemente no puede ser un valor negativo. Por ejemplo: El GPR arroja un contacto a 18 m de profundidad, este será el valor experimental. Por otra parte, el sondeo revela que el contacto real se encuentra a 20 m de profundidad; este será el valor real. El error absoluto en este ejemplo es de = 2 m. Para obtener el error relativo en el ejemplo, se divide el error absoluto entre el valor de la medición real: 2/20 = 0.1. Al multiplicar este valor por 100 se obtiene el porcentaje de error (10% en este caso). A continuacion se presenta la Tabla 5-5 y Tabla 5-6, donde se presenta el calculo error relativo y el error absoluto en la determinacion de la profunidad del contacto entre los materiales presentes en la zona en elvaluación para los dos metodos utilizados en la determinacion de la constante dielectrica. Tabla 5-5. Porcentaje de error método 1 SONDEO PROFUNDIDAD DE CONTACTO REAL (m) PROFUNDIDAD ESTIMADA - GPR (m) ERROR ABSOLUTO (m) ERROR RELATIVO (%) Aun cuando los valores correspondientes al error relativo oscilan entre 0% y 47.3%, se observa igualmente que los valores en metros del error absoluto no superan los 2.6 m con excepción del valor del sondeo 1 (3.1 m).

78 68 Evaluación de la técnica de prospección mediante el uso de Georradar Figura 5-5. Gráfica de error absoluto por sondeo método 1 En el gráfico anterior se agruparon los sondeos en donde se pudo determinar el porcentaje de error absoluto del uso de la técnica de GPR en rangos de 1 metro, con lo cual ha sido posible establecer que 7 de los 13 puntos de sondeo evaluados (53%) presenta un valor de error absoluto menor a 1 m, mientras que el 31% de los puntos muestra valores entre 1 y 2 m, esto indica un tolerable grado de precisión en el ámbito de la exploración con fines geotécnicos. Tabla 5-6. Porcentaje de error método 2, resultado de laboratorio SONDEO PROFUNDIDAD DE CONTACTO REAL (m) PROFUNDIDAD ESTIMADA - GPR (m) ERROR ABSOLUTO (m) ERROR RELATIVO (%)

79 Capítulo 5 69 Aun cuando los valores correspondientes al error relativo oscilan entre 0% y 50.8%, se observa igualmente que los valores en metros del error absoluto en su mayoría se encuentran entre los 2.5 y los 5.0 m. Figura 5-6. Gráfica de error absoluto por sondeo método 2 En el gráfico anterior se agruparon los sondeos en donde se pudo determinar el porcentaje de error absoluto del uso de la técnica de GPR en rangos de 1 metro, con lo cual ha sido posible establecer que 3 de los 13 puntos de sondeo evaluados (23%) presenta un valor de error absoluto menor a 1 m, mientras que el 61% de los puntos muestra valores superiores a 3 m, esto indica muy baja precisión en el ámbito de la exploración con fines geotécnicos. La combinación de los resultados obtenidos entre la exploración directa y la indirecta permite generar una representación tridimensional de la disposición de los materiales presentes en el subsuelo mediante el uso del método 1 para la determinación de la superficie de contacto, lo que es posible gracias a la gran cantidad de traces o lecturas que toma el georradar a lo largo de cada una de las líneas pudiendo generar un perfil longitudinal continuo mostrando sin interrupciones la geometría de la superficie de contacto entre los materiales identificados, así como se muestra en las figuras a continuación.

80 70 Evaluación de la técnica de prospección mediante el uso de Georradar Figura 5-7. Vista Sureste Noroeste. ZONA 1 ZONA 2 Figura 5-8. Vista Sur Norte. ZONA 1 ZONA 2 Por otra parte, con base en los resultados obtenidos en cuanto al espesor del estrato superficial se creó un diagrama de isoprofundidades que presenta, desde una vista en planta, la variablilidad de dichos espesores. Esto permite establecer con claridad la incidencia del material superficial en un diseño geotécnico y en el desarrollo de un proceso constructivo subsecuente.

81 Profundidad del contacto (m) Capítulo 5 71 Figura 5-9. Diagrama isoprofundidades L1 L2 L3 L7 L8 L6 L5 L4 L9 L10