geofisica

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7. GEOFÍSICA APLICADA Y MÉTODOS
La investigación geofísica es definida como un método para deducir las
condiciones del subsuelo a través de la observación de fenómenos físicos, bien
sea naturales o artificiales, directa o indirectamente relacionados con la
estructura geológica del subsuelo (p. ej. Imai, 1975). Originalmente fue
desarrollada como un método efectivo para la prospección del petróleo y otros
depósitos de minerales.
Después de la segunda guerra mundial se empezó a utilizar para estudiar
terrenos montañosos (rocosos) para la construcción de represas y túneles. En la
década 1970, se empezó a aplicar la geofísica para el estudio de suelos blandos,
en el campo de la ingeniería, en áreas aluviales y depósitos sedimentarios.
Actualmente el método es empleado para investigar además de los recursos
minerales la estructura geológica superficial de los suelos y tiene aplicaciones
específicas en el campo de la ingeniería civil.
Los métodos geofísicos generales que actualmente se usan en la ingeniería civil
se incluyen en la Tabla 9.
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Tabla 9. Métodos geofísicos usados en ingeniería civil.
Prospección
en:
Método Fenómeno físico
observado
Propiedades físicas
obtenidas
Aplicación
Prospección
Sísmica
(reflexión,
refracción y
medición de
microtrepidaciones).
Ondas elásticas Velocidad de las ondas
elásticas
Estructura y
características
dinámicas del subsuelo
Prospección sónica Reflexión de las ondas
de sonido
Impedancia acústica Estructura del subsuelo
(área marina)
Prospección eléctrica Corriente terrestre
eléctrica
Potencial espontáneo y
Resistividad
Estructura del suelo y de
aguas subterráneas
 S
up
er
fic
ie
Microgravimetría Gravedad terrestre Gravedad Ubicación de fallas,
fracturas, ubicación de
cavidades
Sondeo de velocidad
(borehole, downhole,
uphole)
Ondas elásticas Velocidad de las ondas
elásticas
Estructura y
características
dinámicas del subsuelo
Sondeo PS Ondas elásticas Velocidad de las ondas
elásticas
Estructura y
características
dinámicas del subsuelo
Sondeo de reflexión Reflexión de las ondas
de sonido
Impedancia acústica Dureza y grietas en el
subsuelo
Prospección eléctrica Corriente eléctrica de la
tierra
Potencial espontáneo,
resistividad específica
Estructura del suelo y de
aguas subterráneas
Pr
of
un
di
da
d
Sondeo radioactivo Intensidad de los rayos
radioactivos
Densidad y contenido de
humedad
Propiedades de los
suelos
Modificado a partir de Imai (1975) complementado con Sarria (1996)
La tabla es una aproximación general a los métodos empleados en los campos
de la ingeniería civil y la construcción, exceptuando los métodos de prospección
magnética que se emplean en otros campos.
Para propósitos de la ingeniería civil son muy usados los métodos de refracción
y reflexión sísmica, down-hole y microtrepidaciones. Los tres primeros hacen
parte de los métodos activos que requieren de una fuente artificial generadora de
ondas sísmicas, y el de microtrepidaciones se clasifica dentro de los pasivos ya
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que se limita a registrar las vibraciones a las que están sometidos
permanentemente los depósitos de suelo y roca.
La refracción sísmica está basada en la observación de los tiempos de llegada
de los primeros movimientos del terreno en diversos sitios, generados por una
fuente de energía específica en un sitio determinado. Los movimientos
posteriores son descartados. De tal manera, el conjunto de datos obtenido en los
experimentos consiste de series de tiempo versus distancia. Estas series son
interpretadas en términos de la profundidad a interfaces entre capas de suelo y
de las velocidades de propagación de la onda P en cada capa. Estas
velocidades están controladas por los parámetros elásticos que describen el
material.
En los experimentos de reflexión, el análisis está basado en la energía de las
vibraciones después de iniciado el movimiento del suelo. Específicamente se
concentra en los movimientos del terreno inducidos por la reflexión de las ondas,
en las diferentes interfaces de capas, que han sido generadas en un sitio
específico. En la reflexión se extrae información del subsuelo estudiando la
amplitud y forma de los movimientos del terreno. A continuación una
comparación entre ambos métodos (Tabla 10).
Tabla 10. Ventajas y desventajas de la refracción y reflexión sísmica
Refracción Reflexión
Ventajas Desventajas
Utiliza menos geófonos y menos fuentes de generación. Esto
hace mas barato la adquisición de los equipos.
Requiere mas geófonos y mas fuentes de generacion de
ondas para producir una imagen del interior de la tierra. Esto
hace mas caro la adquisición de los equipos.
El procesamiento es muy corto, solo requiere aplicar
adecuados filtros a la señales para leer mejor los tiempos de
llegada de la onda P.
El procesamiento en computador es mas complejo, requiere
hardware especializado y experiencia.
Del sismograma registrado en cada punto de observación solo
se requiere leer el tiempo de llegada de la onda P
Requiere analizar el sismograma completo.
Como se utiliza solo una parte del sismograma los modelos
desarrollados y las interpretaciones no son muy complicadas.
Debido a las grandes cantidades de información registrada
que debe ser usada, hay mayor complejidad en la
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Refracción Reflexión
interpretación de la propagación de la ondas. Adicionalmente
se presenta un mayor grado de complejidad por las
suposiciones que se hacen.
Desventajas Ventajas
Requiere tendidos sísmicos relativamente largos. Requiere tendidos mas cortos.
Solamente funciona cuando la velocidad incrementa con la
profundidad.
Funciona independiente de la velocidad de propagación de
las ondas en profundidad.
Generalmente se interpreta en términos de capas. Éstas
pueden tener inclinación y rugosidad.
Se interpreta en términos de estructuras geológicas mas
complejas.
Como solo usa una parte del sismograma, el resto de
información se desperdicia-
No se desperdicia nada.
El modelo del suelo es construido a partir de los primeros
tiempos de llegada.
El modelo del suelo es construido directamente con las
observaciones adquiridas.
Modificado a partir de Boyd, 1999.
En el método de down-hole se produce una excitación en la superficie y se
recoge la respuesta a diferentes profundidades dentro de un sondeo. Esto
permite ver las variaciones de la velocidad de la onda P en profundidad.
Las microtrepidaciones, vibraciones a las que están sometidos los estratos de
suelo, han sido utilizadas desde mediados de 1950 para el estudio de los
periodos de vibración de suelo. Requieren de un solo sitio de observación donde
se registran las microtrepidaciones. Los análisis de las señales son
principalmente de sus contenidos frecuenciales.
	AGRADECIMIENTOS
	RESUMEN
	CONTENIDO
	LISTA DE FIGURAS
	LISTA DE TABLAS
	LISTA DE ANEXOS
	INTRODUCCIÓN
	MARCO GENERAL
	ANTECEDENTES Y JUSTIFICACIÓN
	ÁREA DE ESTUDIO
	DESCRIPCIÓN DEL PROBLEMA
	ALCANCES Y LIMITACIONES
	OBJETIVOS
	METODOLOGÍA
	MARCO TEÓRICO
	CONCEPTO DE RAYO
	Definición.
	Principio de Huygens.
	Principio de Fermat.
	Ley de reflexión.
	Ley de refracción.
	CONCEPTO DE ONDA
	Definición.
	Descripción de las ondas
	Ondas elásticas
	Contenido espectral de las ondas
	Interferencia.
	PRINCIPIOS DE LA TEORÍA DE LA ELASTICIDAD
	Esfuerzo.
	Deformación.
	Ley de Hooke.
	Constantes elásticas en medios isotrópicos.
	Constantes elásticas en medios anisotrópicos.
	Ecuación de la onda.
	Velocidades de las ondas elásticas.
	FUNCIÓN DE TRANSFERENCIA
	LA ZONA DE CAÑAVERALEJO EN LA HISTORIA DE CALI
	OBJETIVOS.
	FUNDACIÓN DE CALI.
	LA ZONA DEL CAÑAVERALEJO EN LA HISTORIA DE CALI.
	CAÑAVERALEJO EN EL SIGLO XX
	LAS OBRAS DE INGENIERÍA HIDRAÚLICA Y SU PAPEL UR
	CONCLUSIONES.
	CONDICIONES GEOAMBIENTALES
	ASPECTOS CLIMÁTICOS.
	Precipitación.
	Parámetros morfométricos.
	
	Con base en Mayorquín, 1997.
	Nomenclatura utilizada en la tabla:
	Ia : Índice de alargamiento
	Km : Coeficiente de masividad
	GEOLOGÍA
	GEOFORMAS Y UNIDADES GEOLÓGICASSUPERFICIALES.
	CARTOGRAFÍA DE DRENAJES ANTIGUOS.
	ESTRATIGRAFÍA DE LOS DEPÓSITOS.
	Perfiles estratigráficos y espesores de arcillas�
	ASPECTOS TECTÓNICOS.
	INFORMACIÓN GEOTÉCNICA.
	SÍNTESIS DE INFORMACIÓN MACROSÍSMICA
	FUENTES SISMOGÉNICAS Y SISMICIDAD
	EVALUACIÓN DE INFORMACIÓN MACROSÍSMICA.
	Fuentes de información.
	Sismos sentidos.
	Sismos con daños.
	Daños por sismos en la zona de estudio.
	GEOFÍSICA APLICADA Y MÉTODOS
	
	
	
	Aplicación
	Desventajas
	REFRACCIÓN SÍSMICA
	DESCRIPCIÓN GENERAL
	Aplicaciones en la Ingeniería Civil.
	Alcances y limitaciones del método.
	PROPAGACIÓN Y TRAYECTORIA DE LAS ONDAS
	EQUIPO DE MEDICIÓN
	CURVAS TIEMPO-DISTANCIA
	SUPOSICIONES DEL MÉTODO
	PRINCIPIOS GENERALES DE INTERPRETACIÓN EN REFRAC�
	Ley de las velocidades aparentes.
	Principio de reciprocidad.
	Principio del intercepto en el origen.
	Principio de paralelismo.
	METODOLOGÍAS DE CÁLCULO
	Tiempos de intercepto.
	Velocidades aparentes.
	Frentes de onda.
	Tiempos de retardo.
	Trazado de rayos.
	Cuadro comparativo.
	MÉTODOS APLICADOS EN EL PROYECTO
	Tiempos de intercepto.
	Velocidades aparentes.
	Profundidad mínima.
	ESTUDIO DE LA VELOCIDAD DE LA ONDA S
	MEDICIONES DE REFRACCIÓN SÍSMICA
	EQUIPO DE REFRACCIÓN
	Fuente de generación de ondas sísmicas.
	Detección de los movimientos del terreno.
	Cables sísmicos.
	Adquisición y almacenamiento.
	Sismógrafo apilador \(unidad de adquisición\)�
	Batería 12 v. Para alimentación de la unidad de 
	Lectura tiempos de llegada en campo.
	SELECCIÓN DE SITIOS DE MEDICIÓN
	
	
	Mediciones de velocidad de onda S
	MEDICIÓN DE VELOCIDAD DE LA ONDA P
	Coliseo El Pueblo (RS #7)
	Iglesia Tequendama (RS#8)
	Colegio Politécnico \(RS#14\).
	Univalle Biblioteca (RS#10)
	Procesamiento de señales, interpretación y cálc�
	Coliseo El Pueblo (RS#7).
	Iglesia Tequendama (RS#8).
	Colegio Politécnico RS#14 y RS#16
	RESULTADOS.
	
	
	M/s
	MEDICIÓN DE VELOCIDAD DE ONDA S
	Ensayos.
	Coliseo El Pueblo (RS#15).
	Cp directa = 330 m/s�Colegio Politécnico \(RS �
	Resultados.
	PARÁMETROS DINÁMICOS
	MICROTREPIDACIONES: APROXIMACIÓN AL ESTADO DEL A�
	INTRODUCCIÓN
	DEFINICIÓN
	NATURALEZA DE LAS MICROTREPIDACIONES
	METODOLOGÍAS PARA LA MEDICIÓN DEL EFECTO DE SITI
	Antecedentes, metodología de Kanai y estudios po�
	Método 1: Observación con arreglos de sensores.
	Método 2: Relación espectral con un sitio de ref
	Método 3: Observaciones con un sólo sensor \(1�
	METODOLOGÍA DE NAKAMURA
	Descripción.
	Resultados de Nakamura.
	Fundamentos de la técnica del cociente espectral�
	Aplicaciones y estudios teóricos y numéricos.
	Otras aplicaciones.
	Equipos y procedimiento de medición.
	Procesamiento y análisis de las señales.
	DISCUSIÓN Y SÍNTESIS
	MEDICIONES DE MICROTREPIDACIONES
	EQUIPO DE MEDICIÓN
	Sensor de velocidad.
	Unidad de digitalización.
	Unidad de almacenamiento.
	PARÁMETROS DE ADQUISICIÓN
	Tiempo de registro y tasa de muestreo.
	Nomenclatura de archivos.
	SITIOS DE MEDICIÓN Y REGISTROS
	Selección de sitios.
	Descripción y registros.
	PROCESAMIENTO DE LAS SEÑALES
	Fase 1: Tratamiento básico y preparación de las 
	Fase 2: Procesamiento y análisis.
	Descripción
	RESULTADOS.
	Periodos fundamentales.
	Factor de amplificación.
	DISCUSIÓN DE RESULTADOS
	Factor de amplificación.
	Periodos fundamentales.
	Sitio
	VIBRACIONES INDUCIDAS POR CONCIERTOS
	CARGA DINÁMICA Y FRECUENCIAS
	
	
	
	
	Tasa de actividad
	Definición.
	Casos de vibraciones inducidas.
	ANTECEDENTES.
	Fuentes y reportes de vibraciones inducidas.
	Distribución espacial.
	MEDICIONES.
	Descripción.
	Análisis.
	UN MODELO PRELIMINAR
	INTRODUCCIÓN
	SÍNTESIS DE RESULTADOS
	MODELO
	RECOMENDACIONES.