Integración de metodologías geofísicas para la caracterización geológico-geotécnica del terreno
- Autores: J. Olona
- Directores de la Tesis: Francisco Javier Álvarez Pulgar (dir. tes.), Gabriela Fernández Viejo (codir. tes.)
- Lectura: En la Universidad de Oviedo ( España ) en 2014
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: Albert Casas Ponsatí (presid.), Daniel Arias Prieto (secret.), Beatriz Benjumea Moreno (voc.)
- Materias:
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- Resumen
En esta tesis doctoral se presentan los resultados de la integración de varias metodologías geofísicas como medio para caracterizar el subsuelo desde un punto de vista geológico-geotécnico. Se propone el uso de tres métodos diferentes: sísmica de refracción, análisis multicanal de ondas superficiales y tomografía eléctrica. Dichas técnicas se han aplicado a un total de seis casos de estudio con diversos contextos geológico-geotécnicos. Como medio de contraste y validación a las técnicas geofísicas, la metodología de trabajo incluye una caracterización geológico-geotécnica del terreno a dos escalas. En campo, mediante el análisis de afloramientos y la realización de sondeos con recuperación de testigo, y en laboratorio a través del desarrollo sobre muestras de testigo de ensayos de densidad, porosidad abierta, resistencia a la compresión uniaxial y velocidad de ondas P y S. Los objetivos propuestos son evaluar el tipo de información ofrecida por cada método geofísico y valorar las mejoras que plantea la integración de dichos métodos.
En este trabajo se acotan las profundidades de investigación proporcionadas por cada método geofísico, un factor fundamental a tener en cuenta en la planificación y desarrollo de este tipo de ensayos. Los ensayos realizados en diversas localizaciones evidencian la existencia de una variación importante en la profundidad de investigación de cada método en función de las características geológicas del terreno. Las variaciones más notables se producen para la sísmica de refracción, esta alcanza cotas de estudio de entre el 11 al 32% la longitud del dispositivo de registro, siendo el principal factor que controla este rango la posición de la capa de mayor velocidad sísmica presente en el terreno. Los ensayos de tomografía eléctrica ofrecen una profundidad de investigación relativamente constante, sobre el 23 al 25% de la distancia máxima desarrollada entre los electrodos de adquisición AN para ensayos dipolo-dipolo, y entre el 19 al 21% la distancia máxima AB para ensayos Wenner y Schlumberger. Por su parte el método de análisis multicanal de ondas superficiales ofrece un rango de investigación dependiente del tipo de las longitudes de onda de las ondas Rayleigh analizadas en cada medio. Este rango puede ir de 1 a 4,5 veces el espaciado entre geófonos hasta el 52 a 72% la longitud de la línea de sensores de adquisición.
La conclusión general de la tesis doctoral es que la correcta caracterización del subsuelo requiere de la aplicación conjunta de diversas técnicas geofísicas, dado que un método por sí solo ofrece una información limitada y que, en determinados casos, puede resultar errónea como consecuencia de sus limitaciones metodológicas.
Se ha constatado que el análisis de la potencia de los recubrimientos que se asientan sobre los sustratos rocosos requiere de la utilización de métodos sísmicos. Complementariamente la técnica de tomografía eléctrica permite establecer unidades en base a criterios granulométricos.
La utilización de varias técnicas ha demostrado ser imprescindible para la correcta caracterización geomecánica de sustratos rocosos. En este tipo de análisis los métodos sísmicos resultan más adecuados al existir una relación directa de la velocidad de las ondas P y S con las clasificaciones geomecánicas basadas en los índices RMR y Q de Barton. La técnica de sísmica de refracción es fundamental a la hora de evaluar los cambios que se producen en las partes más someras del sustrato rocoso como consecuencia de la meteorización del mismo. El análisis multicanal de ondas superficiales es especialmente útil en medios saturados donde la sísmica de refracción no ofrece resultados positivos. Por su parte la tomografía eléctrica es un complemento elemental por dos razones. Una es que permite posicionar zonas de falla, algunas de ellas sin representación en los métodos sísmicos, donde se producen cambios puntuales pero fundamentales en las características geomecánicas de la roca. La segunda razón es que es la técnica más adecuada para identificar la presencia de aguas subterráneas, aspecto que incide de un modo directo en el estado geomecánico.
La utilización conjunta de los métodos de sísmica de refracción y análisis multicanal de ondas superficiales ha demostrado ser una herramienta no invasiva, sencilla y rápida para la cuantificación de las cualidades mecánicas del terreno in situ. Ambos métodos proporcionan una estimación de la velocidad de las ondas P y S del subsuelo, información base para la estimación del coeficiente de Poisson, así como los módulos de Young, de cizalla y de compresibilidad. Se ha determinado que en la estimación de dichos parámetros cobra especial importancia la profundidad de investigación alcanzada por cada método sísmico. En este aspecto juega un papel fundamental el contexto geológico-geotécnico, siendo la información obtenida mínima en medios fundamentalmente rocosos y máxima en medios con cualidades físicas crecientes en profundidad. También se ha determinado que la cuantificación de los citados parámetros elásticos en muestras de testigo proporciona una información fundamental, desde un punto de vista cuantitativo y cualitativo, con la que evaluar la fiabilidad de los datos establecidos para el terreno.
El análisis de peligrosidad sísmica del terreno requiere de la estimación de la velocidad de las ondas S en los 30 primeros metros de profundidad. En esta tesis doctoral se ha estimado la capacidad del método de análisis multicanal de ondas superficiales para cuantificar la velocidad de las ondas S en dicho rango de profundidades. El resultado de los ensayos muestra las dificultades que plantea un dispositivo de registro único para proporcionar una estimación fiable de dicha velocidad. La solución más adecuada es la combinación de dos dispositivos de registro, uno de menor longitud destinado al estudio de la parte más somera y otro más largo para el análisis del terreno en profundidad.
La integración de metodologías geofísicas ha demostrado aportar múltiples beneficios con respecto a las técnicas individuales, cuya incidencia es fundamental en la correcta caracterización del subsuelo: facilita un conocimiento más completo y acotado de las condiciones geológico-geotécnicas del terreno, amplia la profundidad de investigación, mejora la resolución espacial de los ensayos, permite afianzar las unidades interpretadas así como valorar el grado de incertidumbre de las mismas, evita la interpretación de resultados erróneos asociados a las limitaciones de cada método y permite mejorar el ratio beneficio/coste de los ensayos.
RESUMEN (en Inglés) This doctoral thesis presents the results of the integration of various geophysical methods as a means of characterizing the subsurface from a geological¿geotechnical point of view. We propose the use of three different methods: seismic refraction, multichannel analysis of surface waves, and electrical resistivity tomography. Such techniques have been applied to a total of six case studies in different geological¿geotechnical contexts. As a means of contrast and validation of these geophysical techniques, the work methodology includes a geological-geotechnical characterization of the subsoil at two levels: in the field, through the analysis of outcrops and by conducting boreholes with core recovery control; in the laboratory by way of the development of tests of density, open porosity, uniaxial compressive strength, and the P and S wave velocity on core samples collected in the boreholes. The proposed aims are to assess the type of information provided by each geophysical method, and to evaluate the improvements that the integration of such methods offers.
In this study we define the depths of investigation provided by each geophysical method, a key factor to be considered in the planning and development of this type of testing. Tests conducted at various locations reveal the existence of a significant variation in the research depth of each method based on the geological characteristics of the subsoil. The most significant variations occur with seismic refraction, which reaches depths from 11 to 32% of the acquisition device length, the main factor determining this range being the position of the highest-velocity seismic layer present in the terrain. The tests of electrical resistivity tomography provide a relatively constant research depth, about 23 to 25% of the maximum distance developed between the AN acquisition electrodes for dipole-dipole testing, and from 19 to 21% of the maximum AB distance for Wenner and Schlumberger tests. Lastly, the method of multichannel analysis of surface waves provides a research range dependent on the type of wavelengths of the Rayleigh waves analysed in each medium. This range can go from 1-4,5 times the spacing between geophones to 52-72% of the length of the acquisition sensors line.
The overall conclusion of the thesis is that the correct characterization of the subsurface requires the combined application of various geophysical techniques, since a single method alone provides limited information which may, in certain cases, be incorrect due to methodological limitations.
It has been found that the analysis of the thickness of near-surface deposits that sit on bedrock requires the use of seismic methods. Additionally, electrical resistivity tomography allows us to establish units based on granulometric criteria.
The use of several techniques has proven to be essential for a correct geomechanical characterization of bedrock. Seismic methods are best suited to this type of analysis because of the direct relationship that exists between the P and S wave velocity and the geomechanical classifications based on the RMR and Barton`s Q indices. The technique of seismic refraction is critical when assessing the changes that occur in the shallower parts of the bedrock due to weathering. Multichannel analysis of surface waves is especially useful in saturated environments where seismic refraction method does not yield positive results. Finally, electrical resistivity tomography is a key complement for two reasons. On the one hand, it allows us to locate fault zones, some of which lie undetected by seismic methods, where there are occasional but fundamental changes in the geomechanical characteristics of the rock. The second reason is that it is the most appropriate technique for identifying the presence of groundwater, an issue that directly affects the geomechanical state.
The combined use of the methods of seismic refraction and multichannel analysis of surface waves has proven to be a simple, quick, non-invasive tool for the in situ quantification of the mechanical properties of the subsoil. Both methods provide an estimate of the P and S wave velocity in the subsoil, which is basic information for estimating Poisson`s ratio, as well as the Young's, shear, and bulk moduli. It has been found that the research depth reached by each seismic method is particularly important in the estimation of these parameters. In this respect, the geological and geotechnical context plays a key role, the information obtained being minimum in fundamentally rocky environments, and maximum in those with physical qualities that increase with depth. It has also been found that the quantification of these elastic parameters in control samples provides essential information, from a quantitative and qualitative point of view, with which to assess the reliability of the data obtained for the terrain.
The analysis of seismic hazard of the terrain requires an estimation of the S-wave velocity in the first 30 meters. In this thesis, we have estimated the capacity of the multichannel analysis of surface waves method to quantify the S-wave velocity in this range of depths. The test results show the difficulties that a single recording device poses when it comes to providing a reliable estimate of this velocity. The best solution is a combination of two recording devices, one of a shorter length for the study of the near-surface subsoil, and a longer length for the analysis of the deeper part.
The integration of geophysical methods has provided multiple benefits over individual techniques, the incidence of which is fundamental to the proper characterization of the ground: it facilitates a more complete bounded understanding of the geotechnical and geological conditions of the subsoil, it widens the research depth, it improves the spatial resolution of the tests, it allows us consolidate the units interpreted as well as to assess the degree of uncertainty in them, it avoids the interpretation of erroneous results associated with the limitations of each method, and it improves the benefit/cost ratio of the tests.
