DETECCIÓN DE INCLUSIONES EN EL SUBSUELO MEDIANTE ECOGRAFÍA SÍSMICA

Transcripción

1 DETECCIÓN DE INCLUSIONES EN EL SUBSUELO MEDIANTE ECOGRAFÍA SÍSMICA RINALDI Víctor A. (1), Clariá Juan J. (), Francisca Franco M. () SINTESIS Los métodos más comunes para la detección de inclusiones en el subsuelo se basan fundamentalmente en la propagación de corrientes eléctricas y ondas electromagnéticas tales como el geo-radar, la polarización inducida, y la tomografía geoeléctrica. La principal dificultad de estos métodos es que no pueden aplicarse en todos los tipos de suelos, especialmente aquellos con elevada conductividad eléctrica (ej. algunos limos y arcillas) debido a la escasa penetración de los mismos en profundidad. En este trabajo se presenta una alternativa para la detección de inclusiones enterradas en suelos conductivos basada en la reflexión de ondas sísmicas. La teoría de propagación y reflexión de ondas sísmicas es revisada, y se indican los límites probables de detección y la sensibilidad del método a distintas profundidades de exploración. Se presenta un caso práctico en donde se muestra la aplicación del método para la detección de una tubería enterrada de gran diámetro. INTRODUCCIÓN La localización de inclusiones o anomalías en una masa de suelo ha sido el centro de interés de muchos métodos geofísicos. Los métodos más comunes se basan en la propagación de ondas electromagnéticas tales como el geo-radar (GPR) y la polarización inducida (IP) o directamente en la propagación de corrientes eléctricas tal como la tomografía geoeléctrica. La aplicación de los métodos mencionados está limitada por la conductividad del terreno donde se realiza la prospección y el contraste eléctrico entre la inclusión y el suelo circundante. En muchos casos se pueden presentar suelos muy conductivos, como son por ejemplo las arcillas y limos saturados. En tales circunstancias la penetración del GPR estaría limitada a algunos centímetros de profundidad (Annan, 199; Rinaldi et at., 1997, Rinaldi y Francisca, 000), mientras que con la medición geoeléctrica deberían aplicarse potenciales tan elevados que se perdería resolución. Por otro lado, muchas veces puede ocurrir que las inclusiones enterradas no muestren valores de parámetros eléctricos muy diferentes al del medio circundante (por ejemplo concreto de hormigón en arenas) por lo que la detección resultaría muy dificultosa. (1) Prof. Asociado, U.N.C., Investigador del CONICET, Córdoba, Arg. () Estudiantes de Doctorado en Ciencias de la Ingeniería, U.N.C., Becarios del CONICOR, Córdoba, Arg.

2 El método de reflexión sísmica es ampliamente conocido en la geofísica, sobretodo en su aplicación al estudio de estratos superficiales sobre basamento rocosos en las costas marinas y lechos de ríos. Las aplicaciones mencionadas requieren de equipamiento, dispositivos de medición y procesamiento de la información muy específica. Un sistema similar aplicado en microescala y con un sistema de medición y procesamiento diferente se designa como ecografía sísmica (US Army Corps of Engineers, 1995). Esta técnica utiliza los mismos principios de la reflexión pero requiere de sistemas de medición y procesamiento más rápidos y sofisticados similares a los utilizados para el GPR. En este trabajo se describe brevemente el funcionamiento de la técnica y el principio de funcionamiento de la ecografía sísmica. Asimismo, se muestran los resultados de los ensayos realizados para la localización de una tubería enterrada de,8 m de diámetro, en el cruce del río Anisacate, en la Provincia de Córdoba en donde el objeto se estudió la traza y profundidad de la tubería. DESCRIPCIÓN DEL MÉTODO DE ECOGRAFÍA SÍSMICA La Figura 1 muestra un esquema de funcionamiento del método de ecografía empleado en este trabajo. Básicamente, se mide la diferencia de tiempo entre que una señal es emitida y reflejada. Aún cuando la propagación del pulso es esférica, la dirección principal del frente de onda puede materializarse mediante una línea recta. La reflexión se produce en planos en los cuales existe una discontinuidad en el material o un cambio en la impedancia mecánica del mismo. Arribo directo (a) Pantalla del Osciloscopio Impulso Interfase 1 Interfase AD R1 R (b) Figura 1: Método de estudio empleado en este trabajo. AD: arribo directo del frente de ondas, R1: reflexión en la interfase 1, R: reflexión en la interfase. Para este ensayo, se coloca un geófono en la superficie mediante un sistema de acoplamiento con el suelo (ver Figura ). La señal se genera mediante un impacto de un martillo modal instrumentado. Las señales emitidas y reflejadas son amplificadas y filtradas en la banda de frecuencia de trabajo,

3 como se discute más adelante, y se almacenan en un osciloscopio digital. En la pantalla del osciloscopio puede verse en tiempo real el pulso emitido y la señal con las reflexiones producidas en los distintos planos (ver Figura 1(b)). El procedimiento descripto se repite a lo largo de la traza de estudio y se van acumulando las señales recibidas por el geófono en la memoria de un computador personal. Un software especializado permite el procesamiento y conversión de los registros a imágenes de alta resolución que facilita la interpretación del ensayo. Las reflexiones del pulso emitido se producen en planos en los cuales exista un cambio de impedancia del material, siendo la impedancia mecánica (Z) de cualquier material (Richard et al., 1970): Z = ρv A= A ρ E (1) c En donde ρ es la densidad del medio, V c es la velocidad de propagación de onda de compresión, E el módulo elástico del material y A la sección transversal (en el presente caso se asume área unitaria). De acuerdo con la expresión (1) la impedancia mecánica puede modificarse si se modifican las propiedades del material ya sea su resistencia, traducido en un cambio en su velocidad de onda (V c ), o del módulo elástico (E), o en la densidad (ρ). El cociente entre las amplitudes del pulso incidente (A I ) y reflejado (A R ) se designa como coeficiente de reflexión (R): R A A Z Z Z + Z R 1 = = () I 1 En la ecuación (), Z 1 es la impedancia del medio en donde viaja la onda incidente y Z la impedancia donde se refleja. Obsérvese que en el caso de la interfase de un estrato rígido (1) sobre un estrato blando (), la expresión () resulta de signo negativo. Por lo que el pulso reflejado resultará de signo opuesto al emitido. Impacto mediante martillo instrumentado Perfil Transversal de reflexiones Acelerómetro Geófono Inclusión Inclusión Figura : Principio de trabajo del método de ecografía sísmica.

4 Tabla 1: Valores de velocidad de propagación de ondas en algunos materiales comunes en geotecnia y coeficiente de reflexión calculado para las posibles interfases. δ Vp Coeficiente de Reflexión [g/cm3] [m/s] Agua Loess Arena Aluvión Roca Hormigón Acero Agua Loess Arena Aluvión Roca Hormigón Acero En la Tabla 1 se presentan los valores calculados del coeficiente de reflexión para distintos materiales posibles de encontrarse comúnmente en los trabajos geotécnicos. Obsérvese que la detección será más fácil mientras resulte mayor en valor absoluto del coeficiente R. En general las interfases con suelo-hormigón y suelo-acero son reflectoras de muy buena calidad. Actualmente los sistemas de medición permiten detectar interfases con coeficientes de reflexión mayores en valor absoluto a 0,0 (US Army Corps of Engineers, 1995). Los autores estiman que este valor debería ser un poco más elevado (+/- 0,1). La profundidad (z i ) a la cual se obtiene una reflexión se puede calcular a partir de la siguiente expresión: z i Vc ti = (3) V c es la velocidad de propagación de la onda de compresión del medio (1). Conocida la velocidad de propagación del medio, mediante ensayos adicionales (ej. Refracción sísmica) o asumiendo valores aproximados, se determina la profundidad y geometría de las inclusiones. Otro parámetro de importancia en el método de reflexión es la atenuación que sufre el puso cuando se propaga a través de la masa del material. En este caso la amplitud de la onda incidente sufre una atenuación geométrica debido a que la energía en una propagación esférica se distribuye en la masa a lo largo de la trayectoria y una atenuación material ( damping ) debido a las perdidas de energía de la onda por fricción entre los granos de las partículas. En general este ultimo es poco significativo y no se tiene en cuenta en la práctica. El efecto de ambos se puede tener en consideración mediante la siguiente expresión (Annan, 199; Santamarina y Fratta, 1998): En donde t i es el tiempo medido entre que el pulso es emitido, se refleja en la imperfección y regresa nuevamente al punto de emisión, y A = A ( L) ( L ) 0 L0 L e α ( L L ) 0 (4)

5 En donde A (L) y A (L0) son la amplitud de la onda en la posición L y L 0 respectivamente (L- L 0 representa la trayectoria recorrida por la onda), α es la atenuación del material y e es la base del logaritmo neperiano. Una vez capturadas todas las señales a lo largo de una traza se efectúa el procesamiento de las mismas. Debido a estos efectos de atenuación, se introduce una amplificación exponencial a la señal recibida. Esta amplificación exponencial permite resaltar las reflexiones de mayor profundidad. Una vez amplificadas las señales se las filtra tomándose solo el intervalo de frecuencias de interés eliminándose los ruidos de más alta frecuencia y las distorsiones de baja frecuencia. Posteriormente se normalizan las señales respecto a la máxima amplitud de cada una de ellas, se las coloca en forma matricial y se las grafica generándose imágenes de reflexiones. En las mismas es posible apreciar las diferencias de impedancia a través de las reflexiones que se detecten. de agua a las plantas potabilizadoras del sur de la ciudad. Estos tubos presentan trazas paralelas y fueron construidos con el objeto de atravesar el río Anizacate. Los mismos fueron colocados en zanjas y recubriertos con mezclas de suelo-cemento. Posteriormente fueron tapados con distintos tipos de suelos, tales como limos, aluviones, y arenas sueltas con un elevado contenido de humedad. El nivel freático solo sobrepasaba el nivel de enterramiento de los tubos en el tramo del cauce del río. Las profundidades de enterramiento de los tubos variaban a lo largo de la traza entre 0,50 m y 7,00 m.. Las sucesivas crecidas del río provocaron la rotura de uno de ellos en un tramo de aproximadamente 70 m de longitud. El objetivo del trabajo fue determinar los tramos de tuberías averiadas y posibles desplazamientos de los tubos a lo largo de la traza. Para ello se realizaron 15 perfiles ecográficos transversales a lo largo del conducto. En todos los casos se obtuvieron reflexiones detectables. EJEMPLO DE APLICACIÓN DEL MÉTODO EN LA DETECCIÓN DE TUBERÍAS ENTERRADAS En el presente trabajo se realizaron detecciones de tubos de hormigón armado de.8 m de diámetro. Ambos tubos forman parte del canal Los Molinos-Córdoba que abastece Las Figuras 3 y 4 muestran ecografías típicas obtenidas en este trabajo. Observe que las reflexiones producidas por la tubería se presentan en las imágenes como parábolas. La ubicación de la tubería en planta coincide con el eje de la parábola que se forma. La profundidad de la misma pueden obtenerse de diferentes maneras. Una alternativa es calcular

6 la velocidad de propagación de las ondas a partir de la apertura de las ramas de la parábola. Otra forma es medirla mediante una sísmica de refracción. Esta última metodología fue la utilizada en el presente trabajo. Para ello se realizaron ensayos de sísmica de refracción con el objeto de determinar la velocidad de propagación de ondas del material de cobertura de los conductos. La Figura 5 muestra una curva isocrona obtenida mediante este ensayo para un material aluvional, en donde se obtuvo una velocidad de propagación de ondas promedio de 80 m/s. Con la velocidad así obtenida, se estimó una profundidad de enterramiento de los tubos de 4, m para las ecografías mostradas en las Figuras 3 y Figura 4: Ecografía tipo mostrando las reflexiones producidas por las dos tuberías enterradas Distancia [m] Tiempo [seg] Figura 3: Ecografía tipo mostrando las reflexiones producidas por una de las tuberías enterradas. Figura 5: Determinación de la velocidad de propagación de ondas mediante sísmica de refracción.

7 realizaron ensayos de sísmica de refracción. El perfil del la Figura 4 tiene una longitud de 14 m. Para esta imagen se emplearon 140 señales. En la misma se observa claramente la presencia de los dos tubos y ambos a distintas profundidades. Aún con la presencia del nivel freático y la cobertura de suelo cemento, se puede observar que la detección de los tubos es clara y no deja lugar a dudas. Con este método pudieron obtenerse las velocidades de propagación de ondas en los sectores de estudio de la traza y finalmente determinar la profundidad de enterramiento del tubo. Las profundidades calculadas se encuentran en el margen de error del método estimado en menos del 5 %. CONCLUSIONES En este trabajo se ha descripto brevemente el método de ecografía sísmica tanto en los aspectos teóricos como experimentales. Este método se presenta como una variante interesante para aquellos casos en los cuales no se puede utilizar otra alternativa de detección de inclusiones enterradas tal como el geo-radar. Se presento un ejemplo de aplicación practica del método en la detección de una tubería enterrada. El método de estudio funcionó aceptablemente hasta profundidades de enterramiento de la tubería de hasta 5 m, aún con presencia del nivel freático y cobertura de suelo cemento sobre el tubo. REFERENCIAS Annan, A. P., 199, Ground Penetrating Radar Workshop Notes, Sensors & Software Inc. US Army Corps of Engineers, 1995, Geophysical Exploration for Engineering and Environmental Applications, Washington, DC Richard, Hall and Woods, 1970, Vibration of Soils and Foundations, Prentice-Hall, 414 p. Rinaldi V. A. y Francisca F. M., 000, Dielectric Permittivity of Loess From the Central Area of Argentina, XI Panamerican Conference on Soil Mechanics and Geotechnical Engineering, Foz do Iguazú, Brasil, Vol 1, pp Rinaldi V. A., Redolfi E. R. y Santamarina J. C., 1997, Propiedades dieléctricas del Loess y su Influencia en las Mediciones con Geo- Radar, Encuentro de Geotécnicos Argentinos GT 97. Santamarina J. C. y Fratta D., 1998, Introduction to Discrete Signals and Inverse Problems in Civil Engineering, ASCE Press, Reston Virginia A los fines de determinar la profundidad de enterramiento de la tubería detectada se