Sistema combinado para la adquisición de las velocidades de ondas de compresión y de ondas Rayleigh y para la generación de secciones Vs, Vp y de parámetros geomecánicos del subsuelo.

Sistema combinado para la adquisición de las velocidades de ondas de compresión y de ondas Rayleigh y para la generación de secciones Vs,

Vp y de parámetros geomecánicos del subsuelo.

La invención se refiere a un sistema para la adquisición de datos sísmicos producidos por ondas superficiales, u ondas Rayleigh, y ondas de compresión, u ondas P, de forma rápida y efectiva en zonas urbanas de alto tráfico vehicular, por ejemplo zonas donde existen cruces, rotondas, o pasos peatonales. Dicho sistema comprende, preferentemente, una manguera (1) conectada a un dispositivo de arrastre (2), y equipada con una pluralidad de geófonos (5) conectados mediante un cable principal (9) a una unidad de medida y registro (4). Asimismo, el sistema comprende una pluralidad de placas de golpeo (7) dispuestas e intercaladas entre los geófonos (5) para la generación de las ondas de compresión u ondas P.

SISTEMA COMBINADO PARA LA ADQUISICIÓN DE LAS VELOCIDADES DE ONDAS DE COMPRESIÓN Y DE ONDAS RAYLEIGH Y PARA LA GENERACIÓN DE SECCIONES Vs, Vp Y DE PARÁMETROS GEOMECÁNICOS DEL SUBSUELO

SECTOR DE LA TÉCNICA

La presente invención se enmarca en el sector de la exploración geofísica, más concretamente se refiere a sistemas para la obtención efectiva de las ondas superficiales o Rayleigh y ondas de compresión u ondas P del terreno, enfocados a zonas urbanas con tráfico vehicular.

ESTADO DE LA TÉCNICA

Cuando ocurre un sismo se producen dos tipos importantes de ondas elásticas que se propagan por el medio: las ondas de volumen y las ondas superficiales.

En cuanto a las ondas de volumen, éstas viajan por el interior de la tierra, poseen poco poder destructivo y son las que transmiten los movimientos o temblores preliminares del terremoto. Las ondas de volumen están compuestas por las ondas P o primarias y las ondas S o secundarias.

Las ondas P, primarias, longitudinales o compresionales, se definen como vibraciones donde las partículas sólidas se mueven en el mismo sentido en que se propagan las ondas con velocidades de entre 3 y 13,6 km/s (en función del medio). Éstas son de mayor velocidad y se propagan en cualquier medio.

Las ondas S, secundarias, transversales o de cizalla presentan una velocidad menor que las de las ondas P. Producen un movimiento de las partículas del terreno perpendicular a la dirección de propagación de la onda, con velocidades comprendidas entre 3,7 y 7,2 km/s. Éstas no alteran el volumen ni se propagan a través de fluidos.

En el momento en que las ondas sísmicas internas llegan a la superficie, se produce interferencia de las ondas P y las ondas S, produciéndose las ondas superficiales. Estas ondas son más lentas que las ondas de volumen, pero su amplitud es mayor, siendo estas ondas las que causan mayores daños a las estructuras. Se distinguen dos tipos:

- Ondas Love, o L: que al propagarse producen un movimiento horizontal de corte o cizalla. Su velocidad de propagación es del orden de un 90% de la velocidad de las ondas S.

- Ondas Rayleigh: producen un movimiento elíptico retrógrado (en sentido contrario a la propagación) en el terreno. La velocidad de propagación es casi un 70% de la velocidad de las ondas S. Estas ondas presentan varias características principales, especialmente en la aportación de información relevante en el estudio sísmico de una zona. A continuación se describen algunas de las más importantes:

1. Las ondas Rayleigh se transmiten por la superficie del terreno, afectando así a un rango de profundidad que es proporcional a su longitud de onda.

2. Su amplitud vertical disminuye con la profundidad, y el movimiento de la partícula asociado a ellas es de tipo elipsoidal, con el eje mayor en disposición vertical y en el sentido de avance del frente de ondas.

3. Son más fáciles de generar y registrar que las ondas Love.

4. Más de 2/3 de la energía sísmica generada es impartida en forma de ondas Rayleigh.

Estas ondas sísmicas superficiales pueden ser generadas de muy diferentes maneras: terremotos, explosiones, golpeo del suelo con una fuente de impacto, ruido ambiental, etc.

La evaluación de la rigidez de los materiales superficiales ha sido una de las tareas de importancia crítica en muchas obras de ingeniería civil. Éste es el objetivo principal de la caracterización geotécnica. En el método de propagación de ondas, las medidas de la velocidad sísmica a diferentes profundidades y el perfil de rigidez (cambios de rigidez con la profundidad) se pueden obtener a partir de los datos de velocidad medidos. Los perfiles de rigidez se expresan a menudo por la velocidad de ondas que cambian con la profundidad debido a que éstas son proporcionales al módulo de cizalla que es un indicador directo de la rigidez.

En cuanto a la densidad de los suelos superficiales, éstos cambian un poco con la profundidad por lo que, generalmente, se asume como hipótesis inicial que la densidad sea constante en las diferentes capas del terreno. La velocidad de fase no solo está en función de la velocidad de las ondas S, sino también que depende de la velocidad de las ondas P, aunque su contribución es menor. Con las velocidades de onda S y P disponibles, se pueden conseguir todos los módulos de elasticidad y los parámetros que caracterizan el subsuelo. La velocidad

de fase de las ondas Rayleigh están en función de la frecuencia y de los siguientes cuatro parámetros: La velocidad de ondas S, la velocidad de ondas P, la densidad y el espesor de las capas.

En general, los métodos geofísicos consisten en pruebas realizadas a una determinada zona para la caracterización geotécnica del terreno. Estos pueden ser considerados como métodos complementarios de reconocimiento, debiendo estar acompañados por prospecciones directas como sondeos y de esa manera comprobar los resultados. Debido a su rapidez y economía se utilizan para la investigación de grandes áreas.

El método MASW ("Multichannel Analysis of Surface Waves) puede encontrar varios tipos de aplicaciones en la ingeniería civil, ya que es un método rápido para evaluar sistemas de pavimentos en forma continua y para determinar anomalías en zonas subterráneas, tales como huecos o zonas débiles en donde se pretende construir.

Una de las aplicaciones más importante del método MASW es la adquisición del coeficiente de Poisson (a) para zonas superficiales, el cual representa uno de los parámetros claves en la mayoría de los proyectos geotécnicos. Éste está usualmente asociado con la integridad de los materiales. Sísmicamente, el valor de a puede ser determinado si la velocidad de las ondas P, (llamada VP) y la velocidad de onda S, (VS) son conocidas. La expresión matemática que define este concepto es la siguiente:

a

(VVs)2

2(Vp/Vs)2 - 2

Los estudios de ondas P y ondas S para obtener VP y VS resultan, por lo general, costosos en términos de equipo, procesamiento de datos y tiempo de ejecución. Hay que destacar que, en el estudio de las ondas S, es generalmente más difícil de adquirir datos de buena calidad que en el estudio de las ondas P.

A continuación, se presentan diversos módulos y constantes del terreno, que es posible determinar a partir del conocimiento de las velocidades VP, VS y la densidad volumétrica p del terreno:

La obtención de VP a través del método de tomografía sísmica presenta múltiples ventajas, relacionadas con en el grado de detalle que es posible obtener mediante su aplicación. Además, dicho método no está limitado ante la presencia de capas de baja velocidad, fuertes gradientes laterales o elevados buzamientos en el terreno analizado.

La tomografía sísmica se basa en la inversión de residuos (diferencia entre tiempos de recorridos de ondas P observados y teóricos). El proceso de inversión es un proceso iterativo, en el que un modelo inicial se actualiza hasta dar lugar al modelo final.

Otra ventaja de la tomografía sísmica es la posibilidad de determinar, de forma cuantitativa (valor del mínimo de los residuos) y cualitativa (a través de la distribución espacial de los rayos dentro del modelo), el grado de certeza de las soluciones alcanzadas, lo cual es muy útil a la hora de realizar la interpretación del modelo.

Al medir las ondas superficiales tipo Rayleigh se puede describir la variación de la velocidad de cizalla (VS) con respecto a la profundidad, obteniendo un perfil de VS. Las ondas Rayleigh son del tipo de ondas superficiales generadas con más eficacia en todo tipo de levantamientos sísmicos de superficie y se generan cuando una fuente de impacto (un martillo por ejemplo) golpea el suelo. Generalmente estas ondas toman alrededor del 70% de la energía sísmica total. Las ondas Rayleigh presentan una propiedad importante llamada propiedad de dispersión, la cual muestra los diferentes módulos de elasticidad de los materiales superficiales del terreno. Basado en esto conceptos, se establece que las diferentes longitudes de ondas tienen diferentes velocidades de propagación y diferente...

1- Sistema combinado para la adquisición de ondas superficiales, u ondas Rayleigh, y ondas de compresión, u ondas P, y generación de perfiles VP, Vs, y de factores geomecánicos del subsuelo caracterizado por que comprende una manguera (1) conectada a un dispositivo de arrastre (2), y equipada con una pluralidad de geófonos (5) conectados mediante un cable principal (9) a una unidad de medida y registro (4), y por que comprende una pluralidad de placas de golpeo (7) dispuestas e intercaladas entre los geófonos para la generación de las ondas de compresión u ondas P (5).

2- Sistema, según la reivindicación anterior, caracterizado por que la manguera (1) está dividida en dos secciones (1a, 1b), cada una con un cable principal (9) conectado a la misma unidad de medida y registro (4) dispuesta centralmente.

3- Sistema, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que comprende un tubo de protección (10) del cable principal (9) dispuesto en paralelo con cada placa de golpeo (7).

4- Sistema, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que el dispositivo de arrastre (2) es un motocultor.

5- Sistema, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que cada geófono (5) dispone de una placa de acoplamiento (6) al suelo.

6- Sistema, según la reivindicación 5, caracterizado por que la placa de acoplamiento (6) está formada por una placa superior (6a) y una placa inferior (6b) que aprisionan la manguera (1), y por que la placa inferior (6b) comprende un patín.

7- Sistema, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que comprende un tambor de recogida de la manguera (1).

8- Sistema, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que el cable principal (9) recorre el interior de la manguera (1), salvo en la zona de los geófonos (5) donde se ha realizado un corte (13) a la manguera (1).

9- Sistema, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que comprende una fuente de ondas S formada por un penetrómetro (14) con una placa de ajuste (14a) en el extremo inferior de su masa.