Masw Analisis Multicanal de Ondas Superficiales

ANALISIS MULTICANAL DE ONDAS SUPERFICIALES (MASW) I.

RESUMEN

Esta técnica fue desarrollada a finales de los años 90 en Estados Unidos y fue creada en respuesta a los defectos del método SASW en presencia de ruido, la llamada técnica de Análisis Multicanal de Ondas Superficiales (MASW), analiza las propiedades de dispersión de los tipos de ondas sísmicas superficiales (Modos fundamentales de ondas Rayleigh) provocadas por las vibraciones generadas en el suelo a través del golpe con un martillo , las cuales se propagan horizontalmente a lo largo de la superficie desde el punto de impacto a los receptores (geófonos).(Linares, 2005). El método de Análisis Multicanal de Ondas Superficiales permite reconstruir la curva de dispersión de un sitio, mediante una transformación frecuencia-número de onda. A través del uso de múltiples canales en distintas posiciones, es posible evaluar la curva de dispersión para un gran rango de frecuencias con una sola medición. Esta técnica propuesta por Park et al. (1997), del Instituto Geológico de Kansas (KGS), se desarrolló con el fin de corregir los problemas del método SASW e introducir un control de calidad más eficiente en la adquisición y el procesamiento de datos. Se utilizan múltiples receptores equidistantes (usualmente 12 o más) para grabar la señal de una fuente vibratoria (Vibroseis) o impulsiva (e.g. martillo) y durante la medición, no es necesario cambiar la configuración de los receptores lo cual es una clara ventaja frente al método anterior. Con la grabación multicanal se hace la discriminación de las ondas superficiales con respecto a las de ondas internas (directas, refractadas, reflectadas y aéreas) por tiempos de llegada, utilizando técnicas de procesamiento que aumentan la precisión del análisis. De esta manera se pueden identificar y eliminar modos no fundamentales de ondas Rayleigh y otros ruidos coherentes, lo cual añade precisión a los resultados obtenidos.

Fuente vibratori ao impulsiv a

Canal #

Geófono s

Representación de adquisición de datos con método MASW. Modificado de (Park et al., 1997).

II.

RESUMEN DEL METODO DE PRUEBA

El método MASW se basa en el fenómeno de la dispersión de las ondas superficiales, y tiene como objetivo la obtención de modelos de distribución vertical de las velocidades de la onda cizallante en el subsuelo (Strobbia, 2002). El modelo se obtiene a partir de la inversión de la imagen de dispersión extraída a partir del procesamiento del campo de onda registrado en los datos. Dentro de las técnicas basadas en la dispersión de ondas superficiales destaca el MASW (Multichannel Analysis of Surface Waves). Es un método desarrollado a finales de los años 90 en Estados Unidos. Sus principales ventajas son que puede emplear (y combinar si es necesario) ondas Rayleigh generadas de manera activa (mediante maza, vibrador o fuente explosiva) o pasiva (tráfico, viento, mareas, etc). El Análisis Multicanal de Ondas Superficiales (MASW), es un método no destructivo, se usa para evaluar la velocidad de onda de corte (Vs), vinculado al mismo módulo de corte (G). Este método analiza las propiedades de dispersión de los modos fundamentales de las ondas Rayleigh, las cuales se propagan a lo largo de la superficie desde el punto de impacto a los receptores (Park et al., 1999).

Los registros se realizan con 12 o más geófonos en distancias cortas y largas desde una fuente impulsiva o vibratoria, que proporcionan una redundancia estadística para medir las velocidades de fase. Los datos multicanal permiten la identificación y rechazo de los modos no fundamentales de ondas Rayleigh, permiten también un proceso más efectivo para la eliminación del ruido y un proceso de recolección de datos más rápido (Louie, J. 2001). El metodo de adquisicion de datos consiste en un arreglo de geofonos los cuales se utilizan de 28 Hz o de menor frecuencia 4.5 Hz (utilizados para explorar mayor profundidad) , los cuales se acoplan al suelo o pavimento para detectar las ondas superficiales creadas por ej, por el golpe de un martillo para finalmente describir la variacion de la velocidad de onda de corte. , la adquisicion de ondas superficiales se realiza por medio de un sismografo, donde posteriormente se procesan los datos a traves de un sofware como ej. Surfeis 3.0 el cual permite representar los perfiles de Velocidad de onda de cortes(Vs) en 1-D y en 2-D.(Cuevas et al , 2001), Actualmente, es el método geofísico basado en la dispersión de ondas superficiales más popular en todo el mundo, dada su fiabilidad y versatilidad. Además, Geofísica Consultores incorpora el empleo de un landstreamer de alta resolución para la adquisición de los datos de campo, reduciendo los tiempos de adquisición y los costes económicos asociados de manera considerable. Con una separación entre geófonos de 1,0m y un sistema de desplazamiento optimizado se obtienen modelos de velocidad de ondas S de alta resolución en pocos minutos. Este sistema ha sido empleado con total éxito en zonas donde el tiempo de registro es reducido (aeropuertos, autovías, líneas férreas de alta velocidad, etc.

Fuente : (Linares, 2005). III.

SIGNIFICANCIA Y USO

Los métodos sísmicos son ampliamente utilizados para el estudio del medio geológico. A través de registros de tiempo de recorrido de la onda elástica, diversos métodos de análisis y procesamiento fueron desarrollados para determinar diferentes características de ese medio. Los métodos sísmicos de refracción y / o reflexión son bastante utilizados para el estudio del medio geológico. Ambos se basan en el análisis de las ondas de cuerpo, pero los sismogramos obtenidos usualmente contienen registros muy notables de las ondas superficiales (groundroll). Los métodos de sísmica de refracción (Palmer, 1980, Podvim y Lecomte 1991, 2000), sísmica de reflexión (Mayne, 1962, Yilmaz, 1980), sísmica entre agujeros (crosshole), análisis multicanal de ondas superficiales , 1998, Xia, 1999). Cada uno de estos métodos se centra en un solo campo de onda, siendo los demás campos de onda también se registran considerados "ruidos coherentes". Por ejemplo, métodos sísmicos de refracción utilizan mayoritariamente sólo el campo de las ondas P refractadas. Los ensayos de sísmica de reflexión se utilizan de la reflexión de ondas P, mayoritariamente, o de las ondas S (Guy et al, 2003; Bexfield et al, 2006). El MASW utiliza el campo de las ondas superficiales, específicamente las ondas Rayleigh. A través de este método es posible mapear la distribución de las velocidades de las ondas S con la profundidad (Xia et al., 2002; 2003). Los métodos sísmicos de refracción, reflexión y MASW emplean en la adquisición de los datos geometrías de campo similares, es decir, la configuración de los geofones y puntos de disparo son parecidos. Podemos entonces, después de un análisis previo de la respuesta del medio a través del ensayo estándar de análisis de ruido determinar parámetros de campo que pueden resultar en el mejor registro de todos los campos de ondas en una única adquisición. La integración de los métodos posibilita la obtención de un modelo geológico. A pesar de que existen trabajos con integración de métodos sísmicos (Sloan et al, 2013, Ouellet y Fortier, 2014), su enfoque no es recurrente. Representa una tendencia más reciente a la sísmica de explotación baja buscando la obtención de modelos más completos de subsuperficie. EL MASW ha ganado gran credibilidad y ha motivado el estudio de la utilización de las ondas de superficie pasivas generadas por actividades naturales y culturales (Suzuki & Hayashi, 2003) (Park, et al., 2004) (Yoon &

Rix, 2004). La inspección con fuentes activas provee una curva de dispersión con una frecuencia relativamente alta (baja longitud de onda) en un rango de frecuencias de 15 -50 Hz (ej. Correspondiente a longitudes de onda de 1-30m aprox.). En cambio, la investigación con fuentes pasivas puede llenar la tendencia de la curva de dispersión en el rango de bajas frecuencias (larga longitud de onda) en el rango de 5 - 15Hz (ej. Correspondiente a longitudes de onda de 30 - 100m). Una diferencia importante entre ambos métodos es que para el activo la distancia entre la fuente y los sensores es conocida, mientras que para el pasivo es desconocida. La ventaja de conocer la distancia es un beneficio para definir la calidad de las curvas de dispersión y su respectiva interpretación. La ventaja de emplear el ensayo MASW es que aumenta la fiabilidad de los resultados y acorta el tiempo de ejecución de estudios tanto en el campo como durante la interpretación de la data. En los últimos años el MASW ha atraído la atención de los investigadores. Este método es una herramienta rápida, poderosa y rentable para estimar la velocidad de onda de corte. Es claro que este método es útil para ingenieros geotécnicos y sismólogos que necesitan una rápida evaluación de las características del suelo. El proceso para trabajar con este método involucra principalmente tres pasos que son la adquisición de los datos, construcción de la curva de dispersión (velocidad de fase vs frecuencia) y el proceso de inversión para obtener el modelo de velocidad de onda de corte (Foti, 2000).

FUENTE: INTERNET

Fig. 16: Inversión de la velocidad

FUENTE: INTERNET IV. V.

APARTADO PROCEDIMIENTO

Este ensayo consiste en colocar 24 geófonos a lo largo de una línea y registrar la vibración por una fuente activa (golpes con un martillo de 16 Lb) en al menos 9 posiciones a largo de ésta. Posteriormente, se realiza un análisis de la primeras llegadas o tiempos de viaje de las ondas en cada geófono versus la posición de cada uno, para diseñar las llamadas dromocrónas (gráficos de distancia versus tiempo) de donde se extraen, de acuerdo a sus cambios de pendientes, las velocidad de los sustratos en profundidad. Como producto final, SYNCRONA ofrece una Tomografía Sísmica de Superficie que permite observar la distribución de velocidad de onda compresional a lo largo de una línea y en profundidad, es decir, se entregan espesores de estratos con sus correspondientes velocidades de onda sísmica. La técnica de análisis multicanal de ondas superficiales (MASW), es un método no destructivo que analiza las propiedades de dispersión de los tipos de ondas sísmicas superficiales (modos fundamentales de ondas Rayleigh), las cuales se propagan horizontalmente a lo largo de la superficie desde el punto de impacto a los receptores. La técnica MASW proporciona velocidades de ondas de corte con sus respectivos espesores en formatos 1D, 2D y 3D. Los registros simultáneos con múltiples diferentes intervalos de distancias, desde impulsiva proporcionan un adecuado datos para medir la velocidad de fase de las propiedades de dispersión de ondas representadas en imágenes donde se patrón de dispersión en la distribución de transformada.

receptores a una fuente almacenamiento de ondas de corte. Las superficiales son representa un energía

El principio fundamental del análisis de ondas superficiales, se trata de que las ondas Rayleigh, viajen a una velocidad independiente de su longitud de onda en suelos uniformes y homogéneos mientras que en sustratos estratificados donde la rigidez y la densidad son variables, la MODELO DE VELOCIDAD velocidad y la frecuencia se vuelven DE ONDAS S dependientes una de la otra. Los perfiles de velocidad de corte «Vs», se obtienen con registros convencionales de tendidos de refracción sísmica con la diferencia de utilizar geófonos verticales de 4.5 Hz (adecuados para registrar el modo fundamental de las ondas Rayleigh), además se realizan impactos frente a cada geófono para aumentar la resolución horizontal y definir con mayor precisión los espesores.

Landstreame r

Ejemplo de espectro de amplitudes obtenido en un ensayo N Edificioindica con MASW.W La línea negra la curva de Escal patologías era dispersión obtenida.

5 1 0 1 5

Anomalía posible karstificación

Anomalía posible zona alterada

S E

El objetivo fundamental del presente estudio es caracterizar los materiales del subsuelo en el entorno próximo de una serie de edificios.

I.

APLICACIONES 

       II.

Se aplica el análisis multicanal de ondas superficiales para hallar las ondas de corte (Vs) y poder clasificar la zona de estudio de acuerdo a los diferentes códigos sísmicos existentes (IBC 2012, Norma Peruana E.030 Diseño Sismorresistente, etc), para ello se va a tener que calcular el valor de Vs30, que es el valor promedio de ondas de corte de los primeros 30 metros. Medición de otros parámetros para la ingeniería y geotecnia, como el módulo de corte. Permiten detectar estratos de suelos más blandos entre estratos más rígidos, como puede observarse en la figura 16. Determinación de morfologías y espesores de las capas del subsuelo (suelos, roca). Estado de compactación y fracturación de los materiales. Estimación de módulos elásticos de deformación. Determinación de la compacidad de los estratos para definir la profundidad de cimentación. Microzonificación sísmica de ciudades.

VENTAJAS Posee un bajo costo en comparación con otras técnicas como el Down Hole y Cross Hole. Permite detectar inversiones de velocidad de ondas de corte. Permite la optimización de los esquemas de diseño de las edificaciones. Permite la descripción estratigráfica sísmica y la profundidad de los estratos sísmicos por medio de la comparación de las ondas de corte.  Permite hacer estudios para estabilidad de taludes, estudios de canteras, estudios para presas de agua, relaves, botaderos de minerales, diseño de puentes, etc  Permiten cubrir grandes áreas en corto tiempo y a un precio razonable.  Constituye una alternativa muy económica para la evaluación de los parámetros elásticos del suelo de fundación, conjuntamente con los estudios de refracción sísmica.    

 Otra ventaja de este método es que, además de analizar el modo fundamental de dispersión de la ondas Rayleigh, puede incorporar información proveniente de los modos superiores de vibración, generando de este modo modelos de velocidad de mayor resolución.

III.

DESVENTAJAS

 Presenta limitaciones impuestas por la física de propagación de ondas, difracciones, contaminación con ruidos externos muy cercanos, producto de perforaciones, tránsito de maquinaria pesada, lo que redunda en una mala calidad de los datos de adquisición.  Sólo permite diferenciar las capas del subsuelo que presenten mayor contraste de velocidad y mayor espesor. En el caso de suelos con capas intermedias de menor velocidad el método si las puede visualizar, siempre y cuando estas capas sean de regular espesor, no va a poder detectar lentes de material muy delgados  En la práctica el ensayo MASW está limitado a profundidades de 25 m a 30 m, en algunos casos, esta

profundidad de investigación puede aumentar, dependiendo de las características de suelo.  Este ensayo está limitado por la disponibilidad de zonas descubiertas con suficiente extensión. La longitud del tendido en superficie está directamente relacionada con el alcance de la exploración en profundidad.  Para el ensayo MASW, la zona donde se coloquen los geófonos no debe de tener una diferencia de cotas muy pronunciada, es decir, debe de ser una zona casi plana.  Por ser métodos indirectos, se debe verificar su aproximación mediante perforaciones u otros ensayos directo. Bibliografía http://www.geofisica-consultores.es/es/sismica.html http://www.georys.com/wp-content/uploads/2016/04/Presentacion-masw.pdf

http://www.masw.it/esp/index.html http://www.masw.com/WhatisMASW.html http://www.masw.com/Hardware.html http://www.masw.com/WhatisMASW.html https://www.academia.edu/11383326/ENSAYOS_GEOF%C3%8DSICOS_PARA_LA_EXPLORACI %C3%93N_DE_SUELOS_UNIVERSIDAD_NACIONAL_DE_INGENIERIA_Facultad_de_Ingenier%C3%ADa_Civil_GEO_GROUP_DAMS http://tesis.pucp.edu.pe/repositorio/handle/123456789/6890 http://www.redgeofisica.es/masw/ http://cybertesis.uach.cl/tesis/uach/2014/bmfcir173i/doc/bmfcir173i.pdf

ADICIONALE SQUE PEUDE IR COMO EN LOS PDFS QUE SUBIO TAVO. Foti, S., 2000 Multistation Methods for Geotechnical Characterization using Surface Waves: Ph. D. thesis, Politecnico di Torino. • Gabriels, P., R. Snieder, and G. Nolet., 1987, In situ measurements of shear-wave velocity in sediments with higher-mode Rayleigh waves: Geophysical Prospecting, 35, no. 2, 187-196. • Herrmann, R.B., 1973, Some aspects of band-pass filtering of surface waves: Bulletin of the Seismological Society of America, 63, 663-671. • McMechan, G.A., and M.J. Yedlin, 1981, Analysis of dispersive wave by wave field transformation: Geophysics, 46, 869-874. • Nazarian, S., and K.H. Stokoe, 1984, In situ shear wave velocity from spectral analysis of surface waves: Proc 8th Conference on Earthquake engineering – St Francisco, vol. 3, Prentice Hall, pp.31-38. • Nolet, G., and G.F. Panza, 1976, Array analysis of seismic surface waves: limits and possibilities: Pure and Applied geophysics, 114, 776-790. • Qin, F., Luo, Y., Olsen, K., Cai, W., and Schuster, G. T., 1992, “Finite-Difference Solution of the Eikonal Equation,” Geophysics, Vol. 57, pp. 478-487. • Reynolds, J.M., 1995, An Introduction to Applied Geophysics, John Wiley & Sons. • Sheehan, J., Doll, W., and Mandell, W., 2005, “An Evaluation of Methods and Available Software for Seismic Refraction Tomography Analysis,” Journal of Environmental and Engineering Geophysics, Vol. 10, No. 1, March, pp. 21-3.