Transcript ensayos no destructivos en geotecnia

UNIVERSIDAD NACIONAL DE CORDOBA
ENSAYOS NO
DESTRUCTIVOS EN
GEOTECNIA
Dr. Ing. Civil Víctor Alejandro Rinaldi
Universidad Nacional de Córdoba (Argentina)
GEoS Geotechnical and Environmental Services
PROBLEMA
INGENIERO
GEOTÉCNICO
• Análisis del
Problema
• Modelo Físico
• Identificación de
Variables
• Estudios y
Ensayos
DIAGNÓSTICO
ESTUDIOS Y ENSAYOS
TÉCNICAS
DESTRUCTIVAS
TÉCNICAS NO
DESTRUCTIVAS
• Muestreo: Perforación,
Muestreadores, Pozos,
Calicatas, etc
• Sísmicos: Reflexión
Refracción, Cross-Hole,
Down-Hole, SASW, etc.
• Ensayos In-Situ:
Penetrómetros, Dilatómetro,
Presiómetro, etc.
• Eléctricos: Geoeléctrica,
Georradar, Conductividad,
etc.
OPTIMIZACIÓN: T-E
GEOFÍSICA
“Conjunto De Técnicas Físicas Y Matemáticas Aplicadas A
La Exploración Del Subsuelo Por Medio De Observaciones
Efectuadas En La Superficie De La Tierra” (Orellana,
1972)
GEOLOGÍA
GEOFÍSICA
FÍSICA
NUEVA ESPECIALIDAD ???
GEOLOGÍA
GEOFÍSICA
GEOTÉCNIA
?
TECNICAS NO DESTRUCTIVAS
TECNICAS NO DESTRUCTIVAS
•
•
•
•
LOS RESULTADOS SON FUNDAMENTALMENTE
CUALITATIVOS
LOS RESULTADOS DEPENDEN DEL CONTRASTE
ENTRE LAS PROPIEDADES FÍSICAS A MAPEAR
ES UN COMPLEMENTO DE OTROS ESTUDIOS Y
NO UN REEMPLAZO
DEBEN CONOCERSE LAS RELACIÓNES:
GEOTÉCNICO
Humedad
Porosidad
Módulo Elástico
Const. Dieléctrica
GEOFÍSICO
Resistividad
Resistividad
Veloc. de Onda
Contaminante
OBJETIVOS DE LA PRESENTACIÓN
•
•
DESCRIPCIÓN DE LOS MÉTODOS DE PROSPECCIÓN
GEOFISICOS MÁS COMUNES DE INVESTIGACIÓN
SUPERFICIAL
REVISIÓN DE LOS PRINCIPIOS BÁSICOS DE
FUNCIONAMIENTO DE CADA UNO DE LOS MÉTODOS
•
LIMITACIÓNES Y ALCANCES DE CADA MÉTODO
•
MOSTRAR EJEMPLOS PRACTICOS DE APLICACIÓN
•
DESCRIBIR LA INTERACCIÓN DESEABLE ENTRE EL
PROFESIONAL Y EL COMITENTE
PLANEAMIENTO DE LA PROSPECCIÓN
•
•
•
UN CONSULTOR COMPETENTE QUE ENTIENDA
LOS REQUERIMIENTOS DEL COMITENTE
PLANTEO DE OBJETIVOS CLAROS POR PARTE
DEL COMITENTE
COMITENTE CON MÍNIMA FORMACIÓN EN
GEOFÍSICA
PREGUNTAS UTILES
• CUAL ES EL PROBLEMA?
• QUE QUIERE EL COMITENTE DETECTAR?
• CUALES SON LAS CARACTERÍSTICAS FÍSICAS
DEL ELEMENTO A DETECTAR Y MAPEAR?
• CUALES SON LAS CARACTERÍSTICAS FÍSICAS
DEL ENTORNO AL ELEMENTO A DETECTAR?
• CUAL ES LA RESOLUCIÓN DESEABLE DEL
ESTUDIO?
• CUAL ES LA FORMA DE PRESENTACIÓN DE
LOS RESULTADOS?
SELECCIÓN DE LA METODOLOGÍA
CONDUCTIVIDAD ?
RESISTIVIDAD ?
SISMICIDAD ?
PROPIEDADES
ELECTROMAGNÉTICAS ?
PROPIEDADES MAGNÉTICAS ?
PARÁMETROS GEOFÍSICOS

Resistividad/Conductividad r, s

Constante dieléctrica k

Velocidad de Onda Vs o Vp

Densidad g

Permeabilidad Magnética: m
PARÁMETROS GEOFÍSICOS
RELACIÓN UNIVERSAL
P: es cualquier parámetro geofísico
n: Exponente variable entre -1 y 1
n: Porosidad
w, m, s: agua, la matriz del suelo y el suelo
METODOS NO
DESTRUCTIVOS
ONDAS ELÁSTICAS
PROPAGACIÓN DE ONDAS SÍSMICAS
M
E
V 
;V 
M
r E r
G
V 
S r
V 0,9V
R
S
ENERGÍA Y ATENUACIÓN
REFLEXIÓN Y REFRACCIÓN
P
b
a
P Sv
a
a
b
b
1
2
Sv
Sv
P
2
f
Sv P
Sh
b
1
e
Sh
b
1
e
fS
v
2
P
Seno(a) Seno(b) Seno(e) Seno( f )



VD1
VS1
VD 2
VS 2
fS
h
INCIDENCIA NORMAL
Ai
Ar
z1
z2
Coeficiente de Reflexión:
AR
Z 2  Z1
R 

AI
Z 2  Z1
Coeficiente de Transmisión:
T 1R
Impedancia Del Material:
Z  r Vc A  A r E
VELOCIDADES ONDA DE
COMPRESIÓN - GEOMATERIALES
Greenhouse et al. (1998)
VELOCIDADES DE ONDA DE
CORTE - GEOMATERIALES
Greenhouse et al. (1998)
VELOCIDADES DE ONDA DE
COMPRESIÓN - HORMIGÓN
Finno et al. (1996)
ENSAYO DE INTEGRIDAD DE PILOTES
Análisis de la Respuesta en Tiempo
Análisis de la respuesta en Frecuencia
METODO DE LA RESPUESTA EN TIEMPO
Reflexión:
AR
Z2  Z1

AI
Z2  Z1
Z  r Vc A  A r E
Distancia A La Reflexión LI:
Vc ti
Li 
2
r: Densidad del Material,
Vc: Velocidad de propagación .
E: Módulo elástico del material.
A: la sección transversal.
METODO DE LA RESPUESTA EN FRECUENCIA
Movilidad Dinámica
V
M
P
Longitud del Pilote
P  FFT ( pulso)
V  FFT ( aceleración)
t
Vc
Li 
2 f i
CASOS HISTÓRICO 1: Pilote en Condiciones
0 .0 5
0
0 .0 5
L = 18 m
5
2
1
4
7
10
13
16
19
22
25
Longi tud (m )
0.005
Ampli tud
0.004
f = 115 Hz
0.003
f
f
f
f
0.002
L = 4100 / (2 . 115)
= 17,80 m
0.001
0
50
125
200
275
350
425
500
Frecuenci a (Hz )
575
650
725 800
CASOS HISTÓRICO 2: Defectuoso en la Cabeza
0 .0 5
0
0 .0 5
L = 15 m
5
2 .5
0
2 .5
5
7 .5
10
1 2 .5
15
1 7 .5
20
Longi tud (m )
0 .3
Ampli tud
Ampli tud
f = 1650 Hz
Lc = 1,20 m
0.5
Lp = 14,60 m
0 .2
f = 140 Hz
0 .1
0
100 290
480
670
860
1050 1240 1430 1620 18102000
Frecuenci a (Hz )
0
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900 1000
CASOS HISTÓRICO 3: Pilote Seccionado
0.05
0.05
0
0
0.05
5
2.5
0
2.5
5
7.5
10
12.5
15
17.5
0.05
20
2
1
0
1
2
Longi tud (m )
3
4
5
6
Longi tud (m )
Ampli tud
f = 140 Hz
Lp = 14,60 m Hz
0 .0 0 1
f
f
f = 570 Hz
Ld = 3,60 m
f
0
50
135
220
305
390
475
560
645
Frecuenci a (Hz )
730
815 900
7
8
9
10
CASOS HISTÓRICO 4: Pila de Puente
Tablero del
Puente
Hormigón
de apoyo
Excavación
Pila del Puente
2,00m
Cilindros de
fundación de la
pila
0.01
0.05
Ampli tud
Lp = 11,00 m
f = 140 Hz
0
0.05
f = 300 Hz
0.005
5
3
1
1
3
5
7
9
Longitud (m )
11
13
15
0
100 290
480
670
860
1 0 5 0 1 2 4 0 1 4 3 0 1 6 2 0 1 8 1 02 0 0 0
Frecuenci a (Hz )
CASOS HISTÓRICO 5: Pilote Colapsado
Caño de
Agua
Vista
Frente
Derrame
Vista
Planta
H%
0%
10%
20%
Perfil de Suelo
N (c/ 30cm)
30%
40%
0
10
20
30
0
2
Profundidad [m]
4
6
Relleno Limo con algunos
vestigios de antiguas
edificaciones
Limo loéssico coloracion
Pardo Amarillento
Muy saturado
8
Limo arcilloso Plastico
10
12
Arena fina limosa parda
muy humeda
14
16
Arena gruesa inicialmente
algo limosa limpiandosé en
profundidad - Densa
CASOS HISTÓRICO 5: Pilote Colapsado
Masa
instrumentada Equipo
con Trigger
De Señales
N (c/ 10cm)
0
Acelerómetro
20
30
0
5
10
15
0
2
Cono
Dinámico
Trayectoria de
las Señales
Emitidas
Profundidad [m]
4
Pilote
10
Perfil de Suelo
Tiempo [ms]
6
8
10
12
14
16
18
Relleno Limo con algunos
vestigios de antiguas
edificaciones
Limo loéssico coloracion
Pardo Amarillento
Muy saturado
Limo arcilloso Plastico
Arena fina limosa parda
muy humeda
Arena gruesa inicialmente
algo limosa limpiandosé en
profundidad - Densa
ENSAYO DE IMPACT-ECHO
T Vp
H  Vp 
2 2f
APLICACIONES
• Determinación de espesores de losas y
muros
• Estudios de delaminación de
pavimentos
• Detección de cavidades e inclusiones
en muros, losas, presas, etc.
• Control de calidad de hormigonado
ENSAYO DE REFLEXIÓN SÍSMICA
ENSAYO DE REFLEXIÓN SÍSMICA
DETECCIÓN DE UN CONDUCTO DE GRAN DIÁMETRO
ENSAYO DE REFLEXIÓN SÍSMICA
DETECCIÓN DE UN CONDUCTO DE GRAN DIÁMETRO
ENSAYO DE CROSS-HOLE
Amplificador
Impulso
Osciloscopio
PC-586
Trigger
APLICACIONES:
Geofono
1
Geofono
2
Pozo 1
Pozo 2
Verificación Sísmica
Control de densidad
Tomografía
ENSAYO DE CROSS-HOLE
DISPOSITIVOS DE ENSAYO
ENSAYO DE CROSS-HOLE
RESULTADOS TÍPICOS
ENSAYO DE CROSS-HOLE
RESULTADOS TÍPICOS
Arena arcillosa (relleno)
1.00
Relleno calcareo marrón
Vp = 400 m/s Vs = 250 m/s
0
0
-2
-2
4.00
Vp = 260 m/s Vs = 150 m/s
Vp = 290 m/s Vs = 200 m/s
-4
-4
Profundidad
Profundidad (m)
(m)
Arena marrón con lentes
de Arcilla
CROSS-HOLE; SONDEO S3
VELOCIDAD
VELOCIDAD
DE ONDAS
DE ONDAS
DE CORTE
DE
COMPRESION
-6
-6
-8-8
Vs01
Vp01
Vs02
Vp02
Vs12
Vp12
Vcr
-10
-10
-12
-12
-14
-14
14.70
20.00
-16
-16
Limo calcareo marrón
cementado
Vp = 1800 m/s Vs = 1000 m/s
-18
-18
-20
-20
100
100
1000
1000
Velocidad(m/s)
(m/s)
Velocidad
10000
10000
ENSAYO DE REFRACCIÓN
Geófono 1 Geófono 2 Geófono 3
Geófono 4
Trigger
Estrato 1
Estrato 2
APLICACIONES:
Perfil geotécnico
Detección de Roca
ENSAYO DE REFRACCIÓN
PROCESAMIENTO Y RESULTADOS
P
S
R
0,00 m
40
Vp = 412 m/s
TIEMPO (ms)
35
Vp =6250 m/s
1,20 m
30
25
Vp =1756 m/s
20
Vp =412 m/s
Vp = 1756 m/s
15
10
5
0
0
10
20
30
DISTANCIA (m)
Vp = 6250 m/s
40
14,00 50
m
ENSAYO DE REFRACCIÓN
DISPOSITIVOS DE ENSAYOS
ANALISIS ESPECTRAL: SASW
Unidad de
Procesamiento
Digital
LC
S1
x
VR
0.75 R
MEDIO UNIFORME
S2
x/2
x/2
VR1
VR2
MEDIO ESTRATIFICADO
ANÁLISIS ESPECTRAL; SASW
PROCEDIMIENTO
Impacto
Sensor
xx
x x
x
x
x = 0,50 m;
APLICACIONES:
x = 1,00 m;
x
x
x = 2,00 m; .…....etc.
Cambios de Estratigrafía
Detección de Cavidades e Inclusiones
Estudio de Paquetes Pavimentos
Control de Compactación
Estudios Geosísmicos
ANÁLISIS ESPECTRAL; SASW
PROCESAMIENTO
Cross-Correlación:
S1,2S1.S2*
Autocorrelaciones:
*
A11

S
.
S
,
1 1
Coherencia:
g 2
S
A2,2S2.S2*
2
1,2
A A
1,1 2,2
Fase:
  tan 1
Im S
1,2
Re S
12
,
Tiempo de Viaje de la Onda:
Velocidad de la Onda:
Longitud de Onda:
t

360 f
x
V
t
V

f
TOMOGRAFÍA
Tiempo de Viaje de Sa hasta Sb
Pixels
d a1 d a 2
ta 

v1
v2
En General:
ta  da1 S1  da 2 S2
t b  d b1 S3  d b4 S 4
t c  d c1 S1  d c3 S3
t d  d d1 S 2  d d 4 S 4
TOMOGRAFÍA
PROCESAMIENTO
t    d   S 
Incognita
Determinada
Geométricamente
Mediciones
Soluciones Para Matrices Sobredimensionadas
A. Inversión Matricial
 S    d    d    d    d 
T
1
T
B. Métodos Iterativos
(ei )k  ti   dij S jk 1
Los algoritmos más comunes por este método son:
1. ART (Algebraic Reconstruction Technique) (Gordon, 1974)
2. IRT (Sequential Image Reconstruction Technique) (Herman, 1980)
( S j ) k 1
(ei ) k
 (S j )k 
d ij
2
 (dij )
El error ei se distribuye entre los pixels iluminados por el rayo i en forma proporcional a las
longitudes dij:
ART : actualiza el vector [S] luego de cada rayo procesado
SIRT Se corrige posterior al procesamiento de todos los rayos
TOMOGRAFÍA
RESULTADOS
Flint et al. (1996)
TOMOGRAFÍA DE SUPERFICIE
(Kilty, 1990).
DISPOSICIÓN
DE LOS
SENSORES
PRINCIPIO DE
TRABAJO
ANALISIS MODAL DE ESTRUCTURAS
CONCEPTO
Modos Teóricos de
Vibración (flexión)
(Richard et al, 1970)
Se Compara Con Los
Medidos In Situ
ANÁLISIS MODAL DE ESTRUCTURAS
DISPOSITIVOS DE MEDICIÓN
APLICACIONES:
• Verificación del estado de servicio de un elemento estructural.
• Verificación de las rigideces de los nudos y vínculos del elemento.
• Verificación del estado de servicio de un edificios, puentes, estribos,
muros de sostenimiento, etc.
• Verificación de la respuesta de las estructuras ante solicitaciones
sísmicas de diseño y otras fuentes dinámicas (transito, máquinas, etc.
CASO HISTÓRICO 1: Edificio 20 Pisos
CASO HISTÓRICO 2: losa de entrepiso
Atenuación de las
amplitudes con la distancia
para la frecuencia de 12,5
Hz
CASO HISTÓRICO 2: losa de entrepiso
Luzlibre
CASO HISTÓRICO 3: Atucha II
CASO HISTÓRICO 4: Compuerta de
Central Hidroeléctrica Yaciretá
CASO HISTÓRICO 5: Puente Carretero
CASO HISTÓRICO 6: Puente Zarate
CONTROL DE VIBRACIONES
Fuente de
Ruido
Amplificador
Osciloscopio
Acelerómetro
APLICACIONES
 Control y evaluación de máquinas.
 Control de niveles máximos permisibles para personas y edificaciones .
 Monitoreo de procesos constructivos e industriales.
 Mejoramiento del funcionamiento de máquinas.
Diseño de fundaciones para máquinas.
CONTROL DE VIBRACIONES
RESULTADOS TÍPICOS
Espectro de Frecuencia de la Vibración (mm/s)
Espectro de Frecuencia de la Vibración (mm)
CASO HISTÓRICO 1: Compactación
Vibratoria
CASO HISTÓRICO 1: Compactación
Vibratoria
METODOS NO
DESTRUCTIVOS
ONDAS
ELECTROMAGNÉTICAS
PROPAGACIÓN DE ONDAS
ELECTROMAGNÉTICAS
ECUACIÓN DE LA
PROPAGACIÓN
Ex  Eo e
CONSTANTE DE
PROPAGACIÓN
g    j
j  t g z
 " so 
j

g 
 k ' j  k 
c
 o 

CONSTANTE DE
ATENUACIÓN
VELOCIDAD DE
PROPAGACIÓN
CONSTANTE
DIELÉCTRICA


" 2


k
 k´ 1 

e


  Re(g ) 
1


1

 k´ 
c
2 

 


V
co
2

s
2
1

'


'
 2 2
2
 o

k *k ' j k e "




MECANISMOS DE POLARIZACIÓN
POLARIZACIÓN EN SUELOS
POLARIZACIÓN POR ORIENTACIÓN
POLARIZACIÓN MAXWELL-WAGNER
PARÁMETROS GEOFÍSICOS
RELACIÓN UNIVERSAL
P: es cualquier parámetro geofísico
n: Exponente variable entre -1 y 1
n: Porosidad
w, m, s: agua, la matriz del suelo y el suelo
CONSTANTES DE ALGUNOS MATERIALES
Annan (1991)
GEORRADAR (GPR)
 z1* 
1   * 
COEFICIENTE DE *
z2 

R 
REFLEXIÓN
 z1* 
1   * 
 z2 
IMPEDANCIA
z* 
c

s 
k ' j  k "  o 
 o 

mo
GEORRADAR (GPR)
SISTEMA DE MEDICIÓN
CASO HISTÓRICO 1: Túneles
Annan (1991)
CASO HISTÓRICO 2: Deslizamiento de
un Talud
SUPERFICIE DEL TERRENO
Limos y arenas removidas
SUPERFICIE DE FALLA
Arcilla verde
Rinaldi y Francisca (1997)
CASO HISTÓRICO 3: Contaminación
SONDEO GEOELECTRICO VERTICAL
V
ra  k
I
APLICACIONES:
Estudios estratigráficos
Mapeo de humedades
Estudios Geoambientales.
Evaluación de trazas para rutas
Detección de Napas.
RESISTIVIDADES TÍPICAS DE
GEOMATERIALES
SONDEO GEOELECTRICO VERTICAL
PROCESAMIENTO DE LOS DATOS
SONDEO GEOELECTRICO VERTICAL
PERFIL GEOELÉCTRICO
SONDEO GEOELECTRICO VERTICAL
PROCEDIMIENTO DE MEDICIÓN
CALICATA GEOELÉCTRICA
CONTROL DE COMPACTACIÓN
TOMOGRAFÍA GEOELECTRICA
Loke (1999)
CASO HISTORICO 1:
Cavernas (mallín) detectadas con un sistema
dipolo-dipolo de 28 electrodos. (Loke, 1999)
CASO HISTORICO 2:
perfil en un ambiente marino en Miami (Florida)
(Loke, 1999)
RIO DE LA PLATA: CONDUCTO EMISOR
Plano de Ubicación
RIO DE LA PLATA: CONDUCTO EMISOR
Traza del Conducto
RIO DE LA PLATA: CONDUCTO EMISOR
Geoeléctrica de Agua
RIO DE LA PLATA: CONDUCTO EMISOR
PREPARATIVOS Y
TRASLADO DE
EQUIPOS
RIO DE LA PLATA: CONDUCTO EMISOR
FLOTACIÓN DE LA
LINEA DE
ELECTRODOS
RIO DE LA PLATA: CONDUCTO EMISOR
POSICIONAMIENTO
Y MEDICIÓN
RIO DE LA PLATA: CONDUCTO EMISOR
Ajuste de los Sondeos
Resistivos y Geotécnicos
RIO DE LA PLATA: CONDUCTO EMISOR
Procesamiento de un SEV
RIO DE LA PLATA: CONDUCTO EMISOR
Perfil Resistivo Tipo
RIO DE LA PLATA: CONDUCTO EMISOR
Curvas de Nivel del Estrato Resistivo
21
6173000
54
55
2285
6172500
6172000
86
56
5716
61
53
82
89
6171500
48 49
66
79
65
19
64
67
6171000
93
6
42
45
46
43
94
76
7
6170500
71
72
39
38
70
69
14
73
41
137
68
13
77
6170000
63
80
91
12 92 78
62
18
81
90
50
84
83
17 88
58
52
11
51
23
87
74
758
40
2
110
47
9
111
6169500
3
112
4
113
6169000
6377500
114
6378000
6378500
6379000
6379500
6380000
6380500
60
59
24
PUERTO DE MONTEVIDEO
PLANO DE UBICACIÓN
PUERTO DE MONTEVIDEO
LINEA DE
ELECTRODOS
CONCLUSIONES
•
•
•
•
•
•
•
LOS RESULTADOS SON FUNDAMENTALMENTE
CUALITATIVOS
LOS RESULTADOS DEPENDEN DEL CONTRASTE
ENTRE LAS PROPIEDADES FÍSICAS A MAPEAR
ES UN COMPLEMENTO DE OTROS ESTUDIOS Y
NO UN REEMPLAZO
REQUIERE DE CONOCIMIENTOS BÁSICOS DEL
COMITENTE DE GEOLOGÍA Y GEOFÍSICA
NO EXISTE SIEMPRE UN ÚNICO MÉTODO PARA
EL MISMO TRABAJO EN DISTINTOS AMBIENTES
LOS RESULTADOS NO TIENEN SIEMPRE LA
MISMA DEFINICIÓN
CADA PROBLEMA REQUIERE UN ANÁLISIS
PARTICULAR PARA LA SELECCIÓN DEL
MÉTODO OPTIMO