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Técnica experimental de campo para determinar las velocidades de compresión y de corte

Field experimental technique to measure the velocities of compression and shear

Osvaldo FLORES1, Mario FLORES1 y Omar JUAREZ1


1Instituto de Ingeniería, Universidad Nacional Autónoma de México

RESUMEN: En el trabajo se describe una técnica experimental para medir in situ las velocidades de propagación de ondas de corte, Vs, y ondas de compresión, Vp, en suelo y/o roca, con el equipo de campo denominado sonda suspendida. Esta técnica permite obtener perfiles continuos de velocidades, con separaciones de medición de hasta 0.50 m, a profundidades variables. Se describen las partes que componen el equipo, el procedimiento del ensaye y la metodología para el cálculo de las velocidades. La prueba consiste en un golpe (transmisor) y dos geófonos biaxiales (superior e inferior) separados por unos filtros físicos (elemento flexible). En el ensaye el sistema genera ondas que viajan a través del suelo y son registradas por dos geófonos. El sistema excitador lo conforman dos solenoides con polarización reversible para generar ondas horizontales de cortante (SH) y de compresión (SP). En otro punto se encuentran los geófonos receptores que registran las vibraciones emitidas con el martillo, con una separación entre ellos de 1 m. Las señales generadas se registran y amplifican y se mandan al sistema de adquisición de datos para su posterior análisis.

ABSTRACT: This paper describes an experimental technique to measure in situ shear and compression wave velocities (Vp and Vs), in soil and / or rock with suspension logging probe. This technique obtained continuous velocity profiles, with gaps measuring up to 0.50 m, at varying depths. It describe the parts of the equipment, the procedure and methodology for calculating the velocities. The test consists of a blow (transmitter) and two biaxial geophones (upper and lower) separated by physical filters (flexible element). The system generates waves that travel through the soil and are recorded by two geophones. The excitation system is made up of two solenoid reversible horizontal polarization to generate shear waves (SH) and compression (SP). At another point there are two geophones that recorded the vibrations emitted with the hammer, with a spacing of 1 m between them. The generated signals for later analysis are recorded and amplified.

DESCRIPCIÓN DEL ENSAYE


La sonda suspendida es uno de los ensayes de campo disponibles para determinar las velocidades de onda de cortante y compresión (Vs y Vp, respectivamente) en perfiles de suelo y roca. La medición se puede hacer en perforaciones sin ademe llenos de mezcla de bentonita con agua o con un ademe de PVC con un enjarre de bentonita-cemento entre el suelo y el ademe. Este equipo permite determinar las velocidades en un segmento de 1 m de columna de suelo que rodea a una perforación en la que se miden las velocidades de onda de arribo.
Para la ejecución del ensaye se requiere la perforación, la sonda (con la instrumentación), el cable, el winch o malacate y el sistema de control y adquisición de datos. La prueba consiste en un golpe (transmisor) y dos geófonos biaxiales (superior e inferior) separados por unos filtros físicos (elemento flexible). La Figura 1 muestra los elementos básicos que conforman la sonda.
En la prueba, el sistema genera ondas que viajan a través del suelo y son registradas por los geófonos. La sonda se mueve por la perforación en sentido ascendente o descendente, produciendo una señal con amplitud aproximadamente constante en toda la perforación. El sistema excitador consiste dos solenoides con polarización reversible para generar ondas horizontales de cortante (SH) y de compresión (SP). En otro punto se encuentran los receptores (R1 y R2) separados 1 m, los que registran las vibraciones emitidas con el martillo. Estas señales se registran y amplifican para luego mandarlas al sistema de adquisición de datos. Los cables conductores están envueltos por un cable metálico, el que soporta el peso de la sonda y que se enreda en el malacate o winch.



Figura 1. Esquema general del sistema perforación-sonda suspendida (Modificado de Bringen y Davie, 2010)




La sonda completa es soportada por el cable, de tal forma que el cuerpo del equipo queda suspendida en la perforación (de ahí el nombre del ensaye) por lo que no hace contacto directo con la perforación. Al activar el martillo de la sonda suspendida, las ondas P y S viajan a través de la periferia de la perforación y éstas son registrados por los geófonos inferior y superior para su posterior análisis. La generación de estas ondas se hace de la siguiente forma:


  • La orientación de los receptores horizontales se mantienen paralelos al eje de la excitación, maximizando la amplitud de la señal receptora.

  • Para cada profundidad, las ondas S son obtenidas con la excitación generada en la dirección opuesta, produciendo ondas S con polaridad opuesta, proveyendo una característica de las ondas S, distinta que el signo de la onda P.

  • Por la distancia que separa el punto de la excitación y el receptor 1 (R1 ó cercano) permite que la onda P se amortigüe significativamente, después de que la onda S arribe al receptor. En suelos o rocas con velocidades altas, el cilindro donde se genera la excitación se extiende, permitiendo una mayor separación entre las ondas P y S.

  • En suelos saturados los valores de las ondas P son suficientemente altos que permiten una razonable separación con el arribo en las ondas S.

  • El arribo directo de las ondas del fluido por el cual se transmiten las ondas no se detectan en los sensores porque la longitud de onda del pulso en el fluido es significativamente alta respecto a las dimensiones del anillo alrededor de la sonda (escala de metros versus centímetros), evitando la transmisión importante de energía a través del fluido.

Los datos para cada receptor son almacenados en diferentes canales del sistema de adquisición de datos. La sonda cuenta con 6 canales, con adquisición simultanea de dos canales, con 1024 muestras en cada uno. El usuario puede utilizar filtros digitales en el análisis, posterior a la ejecución del ensaye.


La interpretación de los datos en general es relativamente sencilla, pero una pobre adquisición lleva a una interpretación ambigua. La calidad de los datos generalmente está ligada con la calidad de la perforación. El mejor método de perforación corresponde a un pozo obtenido por rotación y lavado. Además, la calidad de la perforación se deteriora con el tiempo, luego de haber sido concluida. Cuando existe la posibilidad de que el material que conforma el perfil de suelo tenga caídos o se cierre, se pude ademar con PVC, pero no con acero. Los resultados a profundidades someras (≤ 5 m) no siempre son de buena calidad, debido a que está poco confinado el suelo.
Chen, et al. (2008) comentan y ejemplifican que al tomar dos señales de arribo se puede definir el punto de llegada de las ondas S en más de un punto, pero con diferentes resultados. La Figura 2 muestra señales en las que se define el tiempo considerando el momento en el que se aprecia el arribo de las ondas S (Ta), el segundo intervalo de tiempo para el primer valle (Tb) y el tercero para la primera cresta (Tc). En apariencia, pudiera parecer un procedimiento apropiado, pero al realizar el cálculo de la velocidad se observa que ésta disminuye al pasar de la condición A a C. Lo que recomiendan estos autores es tomar como tiempo de arribo de las ondas S el punto donde se aprecia que éstas aparecen, es decir Ta.
Estos mismos autores hacen la observación de que en algunos casos las señales emitidas para determinar las ondas S pueden apoyar para obtener los tiempos de arribo de las ondas P y viceversa, lo cual se ejemplifica en la Figura 3. Se aprecia que en las señales H1 y H2, de los geófonos lejanos y cercanos para determinar las ondas S, respectivamente, se puede definir el arribo de las ondas P (punto I de las señales H2), mientras que en las señales V1 y V2 para determinar las ondas P (putos III y II de las señales V1 y V2, respectivamente), se pueden definir los arribos de las S. Este ejercicio puede ayudar a definir cualquiera de los arribos de las dos ondas cuando la señal que le corresponde no es muy clara o bien para corroborar que el punto de arribo asignado es el correcto.

Figura 2.  Criterios para definir los tiempos de arribo de las ondas S (Chen et al., 2008).


Figura 3.  Identificación del arribo de las ondas P y S.


PROCEDIMIENTO DEL ENSAYE


Es importante que se cubran los siguientes requerimientos para ayudar a que los resultados de los ensayes sean exitosos:
• Cuando se realice el ensaye sin ademe, se debe estar al pendiente del término de la perforación del pozo, de tal forma que al momento de que se saquen las barras de perforación, se tenga el equipo de sonda suspendida armado para iniciar el ensaye.

• Los sondeos deben estar perforados en un diámetro de 4” y se deben mantener rellenos durante la prueba con una mezcla de bentonita con agua (fluido de perforación), para estabilizar y retardar el cierre de la perforación.

• En casos específicos donde las condiciones del subsuelo lo requieran se deberá ademar la perforación con tubo de PVC reforzado de 4” de diámetro, para lo cual será necesario ampliar la perforación a 6” y enjarrar el espacio entre el tubo y el suelo con una mezcla de bentonita con cemento y agua.

• Durante la ejecución de los ensayes no puede estar en operación equipo que genere vibraciones en el terreno, para evitar que las mediciones experimentales se pueden ver afectadas.


Descripción de la sonda suspendida


La medición de las velocidades de onda en el suelo se realiza con la sonda suspendida (fabricado por OYO Corporation en Japón y distribuida por su subsidiaria, Robertson Geologging). Esta técnica determina indirectamente la velocidad promedio a cada metro a lo largo de la perforación de interés, mediante la medición del tiempo transcurrido entre la fuente y los geófonos receptores.
Como ya se mencionó, la sonda suspendida se introduce en un pozo lleno de una mezcla de bentonita y agua para estabilizar la perforación, o en su caso, ademado con tubería de PVC, lleno de agua, y una mezcla de bentonita con cemento y agua entre el tubo y el suelo. La sonda queda suspendida de un cable a través de una polea. El cable lleva en el centro la conexión que transmite la señal eléctrica de la fuente a la unidad de control y medición colocada en la superficie (Micrologger). Con esta técnica se miden las velocidades de onda de compresión y de cortante en el suelo.
El equipo de sonda suspendida consiste en un sistema de adquisición de datos, un malacate mecánico, un tripié y la propia sonda. Esta última cuenta en su parte inferior con una fuente de excitación, un filtro y dos unidades de medición con dos geófonos colocados en dos direcciones (uno horizontal y otro vertical), dichos geófonos están separados un metro por filtros de neopreno para atenuar la vibración entre ellos. Las mediciones de ondas de compresión y cortante son obtenidas mediante la generación de una excitación dinámica en dirección transversal al eje de la perforación, que se propagan al suelo circundante. Tanto la excitación como la respuesta se transmiten a través del agua o lodo bentonítico y son registradas por los geófonos horizontales alineados con la fuente de cada estación, y guardadas para su posterior análisis. Se produce otra onda en dirección opuesta a la primera, con objeto de verificar que la onda generada sea de cortante S. Luego se produce otra onda que se detecta con los geófonos verticales, para estimar las ondas de compresión. Las señales de respuesta son analizadas posteriormente para calculas las Vs y Vp.
El procedimiento general de operación es como sigue:

  • La sonda se suspende a la profundidad a la que se desea hacer la medición. La profundidad registrada corresponde a la distancia entre la superficie y el valor medio entre los dos geófonos receptores.

  • Se activa el martillo en una dirección horizontal y se registra la señal en ambas direcciones horizontales en los geófonos (SH).

  • Se aplica una excitación en la dirección horizontal opuesta, produciendo una polaridad opuesta a la primera (SH).

  • Finalmente, se aplica la señal en la primera dirección y se activa el geófono vertical, el cual representa la señal de las ondas P (SP).

  • La fuente de excitación es un martillo solenoide electromagnético, que al ser activado produce en el agua una onda perpendicular al eje largo del sondeo, la que a su vez se transmite a la pared del pozo, así, el suelo es excitado indirectamente a través del agua.

A continuación se presenta los componentes de la sonda suspendida:




Micrologger

Es una unidad donde se conecta a la PC, con sistema operativo XP o Windows vista, a 32 ó 64 bits. Los conectores con que cuenta son para la entrada de la señal del sensor de profundidad instalado en el tripié, para la PC donde se visualizan las señales experimentales y para el suministro de corriente a los acondicionadores (Figura 4).


La función del micrologger es el acondicionamiento de la señal de los sensores (geófonos y sensor de desplazamiento) y la adquisición de los datos de éstos y como interfaz con la PC para la visualización gráfica de las señales. Para el análisis de las señales, se cargan los archivos generados experimentalmente y se interpretan mediante el software instalado en la PC.

Figura 4.  Sistema de adquisición de datos (Micrologger)


Winch o malacate

El carrete del winch tiene un cable de 3/16” con 175 m de longitud. El cable de acero que soporta la sonda aloja en su alma los cables por las que viaja la información de la PC al martillo, para generar la excitación dinámica y de los geófonos a los acondicionadores de señal, razón por la cual se debe tener el debido cuidado para operarlo correctamente. El malacate, donde se aloja el cable, cuenta con un botón de control de velocidad (mínimo y máximo), para subir o bajar la sonda (botones up y down, respectivamente), además del de paro de emergencia (stop), tal como se muestra en la Figura 5.


a) Vista general, b) conexiones

Figura 5.  Winch o malacate de la sonda suspendida.

Tripié

El tripié soporta la polea de 500 mm de perímetro (dos vueltas equivalen a un metro de desplazamiento) por la que corre el cable que soporta la sonda. A esta polea se encuentra adosado un sensor que registra el desplazamiento axial de la sonda durante el ensaye. El tripié debe quedar bien fijo y alineado con la perforación (Figura 6), en sentido vertical, y al malacate, en sentido horizontal.



Figura 6. Conexión del tripié hacia el malacate.



Orden de ensamblaje de la sonda suspendida

Las partes que componen la sonda suspendida, en el orden que se ensambla en el campo, es la siguiente:




  • Telemetría. Ésta va conectada a un cable de acero que viene del malacate, por el cual viajan las señales de excitación al martillo y respuesta de los geófonos (Figura 7).

  • Geófonos. Como se ha comentado, éstos tienen una distancia de separación entre ellos de 1 m y se encuentran separados por filtros físicos de plástico flexible, como se observa en dicha Figura 8.

  • Filtros en sus tramos largo y corto. Éstos tienen la función específica de amortiguar al máximo la señal que genera el martillo y evitar que viaje por la propia sonda y llegue a los geófonos antes que la que viaja por el suelo (Figura 9).

  • Martillo. Este dispositivo genera las ondas de propagación que viajan a través del suelo (Figura 10).

  • Driver y el lastre de la sonda suspendida. Esta última tiene la función de mantener alineada la sonda a lo largo de la perforación (figura 11).


Figura 7.  Telemetría


Figura 8.  Geófonos



d:\sonda suspendide iiunam\fotos sonda suspendida en el lab\3 filtro largo.jpg

  1. Filtro en su tramo largo b) filtro en su tramo corto

Figura 9.  Filtro de diferentes longitudes.

Figura 10.  Martillo


d:\sonda suspendide iiunam\fotos sonda suspendida en el lab\7 lastre.jpg

a)Driver b) Lastre

Figura 11.  Componentes de la sonda suspendida.

procedimiento para armar la sonda suspendida y su operación


  • Se arma el tripié, se debe tener cuidado que el transductor quede por la parte baja de la placa metálica, sobre la que está montada la polea.

  • Se alinea el winch o malacate, con respecto a la polea y la perforación para hacer la prueba, a una distancia mínima entre el tripié y el malacate de 5 m. La alimentación del winch debe ser de 12 volts. Se conecta a la batería (rojo a “+” y negro a “-“).

  • Se conecta el inversor de corriente a la batería. Ésta alimenta de corriente a la computadora y a la fuente de poder que suministra de energía al micrologger.

  • Se conecta el micrologger a la fuente de poder. Se verifica que la fuente de poder tenga 12 Volts, para evitar que se quemen las tarjetas de adquisición del micrologger.

  • Se conecta el cable que va del micrologger hacia la laptop (USB).

  • Se realiza la conexión de la sonda en el siguiente orden: telemetría, geófonos, filtro en su tramo largo (2 m), filtro en su tramo corto (1 m), martillo, driver y lastre.

  • Durante el armado de la sonda suspendida se requerirá engrasar los arosellos con grasa silicón, para evitar que el agua llegue a la parte eléctrica.

  • Checar la configuración del software. Verificar que corresponda el malacate con el que se tiene físicamente (polea de 500 mm de diámetro), ya que comercialmente existen de otros diámetros. Se verificar el funcionamiento del martillo que va a generar las ondas que viajan a través de las paredes de la perforación.

  • Se ubica la posición inicial de la sonda suspendida dentro de la perforación del sondeo a realizar.

  • El ensaye se inicia moviendo la sonda en sentido ascendente o descendente en el sondeo, según se escoja, y midiendo las velocidades de onda a cada 50 cm (distancia mínima más común en la práctica). En la Figura 12 se observan las partes que componen la sonda suspendida y la colocación de éstas en la perforación a donde se realizará las mediciones de las velocidades de onda.

En la Figura 13 se muestra la sonda ya ensamblada, en proceso de colocación en la perforación y en la Figura 14, operando.






Figura 12.  Colocación de la sonda suspendida en el pozo


Figura 13.  Sonda suspendida operando


Figura 14.  Sonda suspendida operando




ANÁLISIS de las señales


Se utiliza el programa PS Logger application versión 1.2, para analizar las señales que se obtuvieron en campo, con el cual se determinan los tiempos de arribo de las ondas P y S. El criterio utilizado es definir la primera deflexión de cada una de las señales sobre el eje vertical, lo que nos indica el arribo del frente de las ondas P y S.
Los geófonos utilizados para detectar ondas de corte son del tipo libremente suspendido y se mueven en fase con el agua. La fuente y los detectores están conectados por un tubo flexible y elástico para evitar la incidencia del ruido o de algunas otras interferencias, aunque para ello la sonda cuenta con un sistema de filtros. El impulso generado en la fuente se detecta en los sensores superiores que están a una separación constante de un metro.
El martillo de la sonda suspendida funciona como fuente y aplica tres golpes, el primero genera los frentes de onda P (señales en color azul), el segundo golpe genera los frentes de ondas para determinar las señales S (señales en color rojo), y el tercer golpe tiene la finalidad de verificar el arribo de las ondas S (señales en color verde.
La Figura 15 muestra un ejemplo de las mediciones realizadas con la sonda suspendida. Con los registros de los geófonos inferior y superior se determinaron los tiempos de arribo de cada una de las señales.

Las velocidades de onda se calculan mediante la siguiente expresión:


(1)

donde:


tp,s1: Tiempos de arribo de las ondas P y S en el geófono 1, en s.

tp,s2: Tiempos de arribo de las ondas P y S en el geófono 2, en s.

Vp,s: Velocidades de la onda P o S, en m/s.


Figura 15.  Determinación de los tiempos de arribo



Señales obtenidas con la sonda suspendida


A continuación se muestran las señales características obtenidas con la sonda suspendida de un ensaye realizado en el lago de Texcoco. En la Figura 16 se observa el arribo de las señales que registraron los geófonos inferior y superior. En dicha figura se observa sin lugar a duda el arribo de la onda S. En las Figuras 17 y 18 se presentan dos casos diferentes e interesantes, puesto que se puede observar que las señales de las ondas P son un apoyo valioso para determinar el arribo de las ondas S.

Figura 16.  Señales características de la primera formación arcillosa profundidad de 0 a 30 m



Figura 17.  Señales características de la segunda formación arcillosa profundidad de 30 a 42 m




Figura 18. Señales características de la tercera formación arcillosa profundidad de 42 a 52 m



PRESENTACIÓN de resultados


Los resultados del perfil de la sonda suspendida corresponden a los valores máximos, ya que deben asociarse a distorsiones muy pequeñas, del orden de 10-4%, que induce este equipo en el campo En la figura 19 se muestran los resultados de forma gráfica el ensaye realizado en el lago de Texcoco.

Figura 19.  Velocidades de onda P medidos con la sonda suspendida

CONCLUSIONES


El ensaye de sonda suspendida es una técnica indirecta realizada in-situ y permite medir las velocidades de propagación de ondas de corte, Vs, y de compresión Vp en suelo y roca.
El dispositivo para la medición consiste de una sonda con una longitud aproximada de 8.0 m, en la que están integradas una fuente de perturbación mecánica, tipo martillo, y elementos receptores, llamados geófonos.
Durante las mediciones, la sonda se mantiene sumergida en lodo bentonítico, siendo éste es el medio transmisor por el que viajan las ondas y llegan a las paredes de la perforación. Conocida la distancia entre los geófonos, y el tiempo de arribo de un tren de ondas, se determinan las velocidades.
El perfil de velocidades de onda medidos con la sonda suspendida corresponden a los valores máximos, ya que estas asocian a distorsiones muy pequeñas, del orden de 10-4 %, que induce este equipo en el campo.
El ensaye se realiza midiendo las velocidades de onda con la sonda suspendida en un barreno de 4” de diámetro, hasta una profundidad establecida previamente en el cual, la estabilidad de la perforación se controlará usando lodo bentonítico, sin ademe.
Es necesario que las mediciones con sonda suspendida se lleven a cabo tan pronto como sea posible, después de haber finalizado la perforación del barreno.
Si se utiliza ademe es necesario una perforación de 6”, introducir el tubo de PVC de 4” reforzado tapado en su extremo inferior, enjarrar el espacio entre el tubo y el suelo con una mezcla de bentonita con cemento y agua y dejar que fragüe. Finalmente, se llena el tubo de PVC con agua.
Durante la ejecución de los ensayes no puede estar en operación equipo que genere vibraciones en el terreno, para evitar afectaciones a las mediciones.

Referencias


II-UNAM (2002). Estudio de ingeniería geotécnica para el Nuevo Aeropuerto Internacional de la Ciudad de México en el ex Lago de Texcoco y Zapotlán de Juárez, Anexos BI al BVIII, Segunda edición, Informe del Instituto de Ingeniería, UNAM a Aeropuertos y Servicios Auxiliares, México, D.F.
Biringen Emre, y Davie John (2010). Suspension P-S Logging for Geophysical Investigation of Deep Soil and Bedrock. Advances in Analysis, Modeling & Design
Ming-Hung Chen, Kuo-Liang Wen, Chin-Hsiung Loh, y Robert L. Nigbor (2008). Experience of Suspension P-S Logging Method and Empirical Formula of Shear Wave Velocities in Taiwan. Journal of the Chinese Institute of Civil and Hydraulic Engineering.





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