UTILIZACION DE LA GEOFISICA EN LA ING. CIVIL

1. GEOFISICA

Uno de los problemas que afecta a la ingeniería civil y otras disciplinas es conocer una o varias características y propiedades del subsuelo. Para ello se emplea la ciencia de la geofísica.La geofísica es una ciencia aplicada que estudia los fenómenos naturales de nuestro planeta desde el punto de vista físico y matemático. Su objeto de estudio abarca todos los fenómenos relacionados con la estructura, condiciones físicas e historia evolutiva de la Tierra.Originalmente fue desarrollada como un método efectivo para la prospección del petróleo y otros depósitos minerales, pero actualmente tiene aplicaciones específicas en el campo de la ingeniería civil.Al ser una disciplina experimental, usa para su estudio métodos cuantitativos físicos como la física de reflexión y refracción de ondas mecánicas, y una serie de métodos basados en la medida de la gravedad, de campos electromagnéticos, magnéticos o eléctricos y de fenómenos radiactivos. En algunos casos dichos métodos aprovechan campos o fenómenos naturales (gravedad, magnetismo terrestre, mareas, terremotos, tsunamis, etc.) y en otros son inducidos por el hombre (campos eléctricos y fenómenos sísmicos).

2. Historia de la geofísica de exploración y tendencias actuales

El desarrollo de la prospección geofísica data desde 2700 aC de manera indirecta hasta las contribuciones recientes de los países desarrollados, ejerciendo la percepción remota para los estudios de astrogeofísica, imágenes satelitales, y fotografías aéreas, entre otros. A continuación se hace una breve historia de los métodos popularmente utilizados en la exploración geofísica.

2.1. Métodos Magnéticos

Historia:

La literatura antigua China (2637 aC), indica que conocían una piedra “lodestone”, la cual se orientaba aproximadamente en dirección Norte-Sur. A la vez, los peregrinos habían descubierto en 1269 los “polos magnéticos” a los que llamaron “Norte” y “Sur”. William Gilbert, físico, condujo varias investigaciones y experimentos con magnetos y cuerpos magnéticos; su gran aportación fue concebir a la Tierra como un imán gigante, un pensamiento muy avanzado para la época el cual plasmó en el libro “De Magnete”, en 1600. Como método de exploración, probablemente comenzó en 1640, cuando la brújula fue utilizada como instrumento para detectar cuerpos sepultados de hierro.

Concepto:

El geomagnetismo se ocupa del estudio del campo magnético terrestre, tanto de

su generación como de su variación espacial y temporal.

Dentro de su estudio distingue entre campo interno y campo externo. En el campo

interno intenta buscar una explicación para la generación y mantenimiento de un

campo magnético propio y para las variaciones espaciales y temporales

detectadas en la superficie terrestre, basándose en la teoría de la dinamo. En el

campo externo estudia el efecto del campo magnético interno y del campo

magnético solar sobre la ionosfera.

La rama que estudia esta ciencia es la Geofísica

2.2. Métodos Gravimétricos

Historia:

Jean Richer en 1672, notó que el reloj de péndulo que había construido en París para marcar los segundos, perdía uno y medio a dos minutos al día cuando este se situaba en Cayenne, Francia. Era sabido que el tiempo de desplazamiento de un péndulo simple es función de su longitud por la acción de la gravedad;

entonces concluyó que si la longitud del péndulo no se alteraba, las variaciones en el tiempo se debían a que el campo gravitacional terrestre era diferente en París y en Cayenne. Henry Cavendish y Eötvös, utilizando la balanza de torsión de Coulomb diseñada para estudiar los campos magnéticos y eléctricos, obtuvieron evidencia concreta acerca de las variaciones de la densidad a profundidad, en la corteza terrestre. 3 Las aplicaciones en la prospección petrolera comenzaron en 1914 con las investigaciones de E de Goyler, y la relación con las estructuras geológicas se deben a H V Boeckh, en 1917.

Concepto:

Los métodos gravimétricos son un tipo de método geofísico, y constituyen

pruebas realizadas para la determinación de las características geotécnicas de un

terreno, como parte de las técnicas de un reconocimiento geotécnico. Además

pueden obtenerse en una muestra de agua antigua y por lo tanto consiste en la

medición muy precisa de la aceleración de la gravedad en distintos puntos,

registrando variaciones anómalas de dicha aceleración, que pueden suponer

cambios bruscos en la densidad de un terreno.

De esta forma, se pueden detectar huecos o cavernas, como las existentes en los

terrenos cársticos, o en zonas de explotación minera actual o

histórica, fallas, domos salinos, profundidad de capas competentes compactas,

etc.

Los resultados obtenidos son, en general, poco concluyentes para que su empleo

esté generalizado en la ingeniería civil, a pesar de lo cual, no dejan de constituir

un método particular de los métodos geofísicos, como alternativa en

el reconocimiento geotécnico de un terreno.

2.3. Métodos Eléctricos

Historia:

Los primeros descubrimientos de que la Tierra actuaba como un conductor se deben en 1746 a Watson, quien notó una corriente errática que pasaba a través de dos electrodos hincados en el terreno y separado varios kilómetros, de igual manera observó que cuando se cerraba el circuito conectando cables, el flujo era diferente. Con anterioridad, en 1720, Gray y Wheeler habían realizado medidas de resistividad en rocas, tabulando sus resultados. El uso comercial de los métodos eléctricos se debe a Marcel y Conrad Schlumberger en 1913. Durante la Primera Guerra Mundial lo aplicaron en la detección de minas y boyas marinas.

Concepto:

Los métodos eléctricos son un tipo de método geofísico, y constituyen pruebas

realizadas para la determinación de las características geotécnicas de un terreno,

como parte de las técnicas de reconocimiento de un reconocimiento geotécnico.

Permiten evaluar la resistividad media del subsuelo mediante la medición de

una diferencia de potencial entre dos electrodos situados en la superficie.

El flujo de corriente a través del terreno discurre gracias a fenómenos

electrolíticos, por lo que la resistividad depende básicamente de la humedad del

terreno y de la concentración de sales en el agua intersticial. Por ello existe una

gran variabilidad de valores de la resistividad para cada tipo de terreno, con

rangos muy amplios.

El método consiste en colocar cuatro electrodos alineados a igual distancia entre

sí (d). Se conecta una batería a los electrodos exteriores midiendo

la intensidad que circula entre ellos, así como el voltaje entre los electrodos

intermedios. La resistividad viene definida por el cociente entre el voltaje y la

intensidad de la corriente medidos, multiplicado por 2 Π d.

El valor obtenido representa la resistividad media de un gran volumen de suelo, ya

que la red de corriente se extiende en profundidad, aunque tienen mayor peso las

características eléctricas de los terrenos más superficiales. En cualquier caso, la

presencia de un estrato de alta resistividad cercano a la superficie bajo otro de

gran resistividad, eleva el valor resultante del ensayo, al contrario de lo que

sucede si existe un material de baja resistividad bajo un estrato de alta.

El ensayo puede realizarse en forma de sondeo eléctrico, buscando la variación

de la resistividad con la profundidad. Para ello se hacen diferentes medidas

variando la distancia "d" entre los electrodos y manteniendo el centro de la

alineación de los cuatro electrodos en un punto fijo.

Al incrementar la distancia aumenta la profundidad alcanzada por las líneas de

corriente, englobando, por tanto, una mayor profundidad de suelo. Si la

resistividad crece, puede concluirse que hay un estrato profundo de mayor

resistividad, sucediendo lo contrario si la resistividad decrece al aumentar la

separación. La profundidad hasta la que puede aplicarse es de unos 20 metros.

Otro procedimiento utilizado es el de perfil eléctrico, en el que se investiga la

variación lateral del tipo de terreno. Se mantiene la misma distancia entre

electrodos, desplazando el punto central de la alineación. De esta forma se

obtienen datos en un área determinada para un espesor constante del terreno.

La amplitud de los rangos de la resistividad aparente para un determinado terreno,

da lugar a que exista solape entre los rangos de diferentes tipos de terreno. Esto

hace muy difícil la identificación de un determinado suelo o roca, y la profundidad

de su localización. Además, hay una pobre correlación entre la resistividad y las

condiciones mecánicas de un terreno.

Por lo tanto, tienen una menor aplicación en la ingeniería civil que los métodos

sísmicos de refracción, aunque pueden servir para detectar la profundidad

del nivel freático, apoyándose siempre en los resultados de prospecciones

como sondeos o calicatas.

Donde sí tienen una utilización interesante es en la determinación de cavernas

en zonas cársticas, dada la clara diferencia de resistividad existente entre un

terreno y el aire, siendo esta última prácticamente infinita. En cualquier caso, la

interpretación de los resultados no es fácil, puesto que el resultado proporciona el

valor medio de la resistividad a través de una determinada trayectoria, que

engloba al terreno sano y al vacío en las cuevas cársticas. Pero, por otra parte, las

cuevas o galerías existentes pueden estar parcial o totalmente rellenas de agua, y

como el agua, al contrario que el aire, es un gran conductor eléctrico, el resultado

obtenido al atravesar una caverna puede no ser un aumento drástico de la

resistividad, sino su reducción.

Otra aplicación de este método consiste en definir si un suelo es adecuado para

albergar tuberías de fundición como las realizadas en abastecimientos de agua. Si

su resistividad es baja, posibilita que las corrientes parásitas existentes en el

terreno (zonas cercanas a vías de ferrocarril, transformadores, subestaciones

eléctricas) puedan afectar a estas tuberías provocando y acelerando su corrosión.

Por tanto, en el informe geotécnico de proyecto deberá contemplarse esta

posibilidad, obteniendo la resistividad de los terrenos atravesados por la traza de

la conducción, para en su caso, plantear un sistema de protección.

2.4. Método Sísmico

Historia:

En 1761 John Michel publicó un escrito en el cual establecía que el moviento del terreno producido por terremotos, se transmite a través de las vibraciones elásticas en la corteza terrestre; además, sugirió que de las observaciones sobre el tiempo de impacto en diferentes lugares, permitía determinar el lugar de origen del terremoto. La técnica de refracción sísmica nació por parte de los geofísicos para localizar los domos salinos entre 1905 y 1906. En ese sentido L P Garrett condujo de manera exitosa este tipo de exploraciones

Concepto:

Los métodos sísmicos son un tipo de método geofísico, y constituyen pruebas

realizadas para la determinación de las características geotécnicas de un terreno,

como parte de las técnicas de reconocimiento de un reconocimiento geotécnico .

Las ondas sísmicas que atraviesan un terreno pueden ser:

Longitudinales o de compresión.

Transversales o de cizallamiento.

Superficiales.

La velocidad de propagación de las ondas sísmicas en el terreno depende de sus

características de deformabilidad. En la hipótesis de suponer un comportamiento

elástico para el terreno, la velocidad de las ondas longitudinales y transversales es

función delmódulo elástico y del coeficiente de Poisson (ambos dinámicos), por lo

que con ambas expresiones pueden obtenerse dichos parámetros.

Las ondas longitudinales (Ondas P) son más rápidas que

las transversales (Ondas S), lo que dificulta la detección de estas últimas en

campo. Por ello, en general se obtiene el módulo elástico a partir de la velocidad

longitudinal, estableciendo hipótesis respecto al valor del coeficiente de Pisson. El

módulo dinámico tiene un valor mayor que el estático, ya que se obtiene para

incrementos tensionales pequeños como son los producidos por ondas sísmicas.

La relación entre el módulo dinámico y el estático se considera normalmente de 4,

pero el rango puede estar entre 1 y 20.

El método sísmico de refracción se basa, tanto en el hecho de la diferencia de

velocidad de la onda sísmica en los distintos terrenos, como en que las ondas al

cruzar la frontera entre dos tipos de terreno distinto sufren refracción, (al igual que

sucede con las ondas de luz), cambiando su dirección en un ángulo cuyo valor

depende de la relación entre las velocidades de onda de cada terreno.

El impulso generador de la onda puede ser un impacto o una pequeña carga

explosiva que se coloca, generalmente, en un punto de la superficie.

Mediante geófonos (que son detectores de pequeñas vibraciones en el terreno),

dispuestos a distintas distancias del punto de impacto, se mide el momento en que

llega la primera onda que alcanza a un determinado geófono. De esta forma se

obtiene la velocidad de transmisión.

Cuando se produce el impulso, las ondas se emiten en todas direcciones. Una

onda en particular recorre un camino por la superficie del terreno en dirección al

geófono (onda directa). Otras ondas descienden con diversos ángulos respecto a

la horizontal. Al encontrar un estrato inferior con velocidades sísmicas, la onda se

refracta en el plano de contacto entre ambos terrenos.

Existe una dirección de onda que al alcanzar el estrato inferior con un determinado

ángulo de incidencia, su refracción se dirige por encima del estrato inferior

paralelamente a la frontera entre terrenos. Esta onda, con su nueva dirección,

continúa emitiendo energía hacia la superficie con un ángulo de refracción

simétrico al de incidencia anterior, por lo que los geófonos pueden llegar a

detectarla.

Si la velocidad sísmica del terreno inferior tiene un valor mayor que la del terreno

superficial, el tiempo necesario para que la onda refractada alcance un punto de la

superficie puede llegar a ser menor que el requerido por la onda directa que viaja

superficialmente, aún cuando la longitud del camino sea mayor. Los geófonos

cercanos al impulso reciben en primer lugar la onda directa, pero a los que se

encuentran a una cierta distancia les alcanza antes la onda refractada.

3. Tendencias actuales

El desarrollo tecnológico y la necesidad de solucionar situaciones del medio físico han contribuido al crecimiento y diversificación de la geofísica aplicada. Se han creado aparatos más sensibles, con los que es posible detectar objetivos económicamente importantes localizados a profundidades diversas; los satélites que escudriñan la Tierra y los astros proporcionan información valiosa y detallada; el desarrollo de las técnicas del filtrado lineal y los elementos finitos hacen cada vez más poderosa la simulación numérica en la solución inversa. Las aportaciones de la sismología de refracción para medir parámetros mecánicos elásticos en suelos y rocas, ha permitido la construcción de túneles, puentes y otro tipo de infraestructura de magnitud nacional. Los incontenibles adelantos en el arte del estado sólido de la electrónica, y la refinación de transductores condujeron a aplicar la técnica del radar de penetración terrestre en el reconocimiento del subsuelo y estructuras, el estado que guardan 4 estas, así como detectar eventualidades geológicas que ponen en riesgo potencial una obra civil. En la UPC de Barcelona, España se ha buscado integrar y relacionar en los últimos años las deformaciones no solamente a las cargas, sino también a las transformaciones por cambios químicos. Sus formulaciones en cuanto a ecuaciones constitutivas están sumamente adelantadas, y sin duda lo lograrán con la prospección geofísica al integrar los métodos sísmico y eléctrico principalmente.

4. Factores que gobiernan la aplicación de la geofísica de exploración

Como se apuntó, la exploración geofísica es el arte de aplicar las ciencias físicas al estudio de la estructura, y composición de los materiales geológicos y recursos naturales (agua, petróleo, vapor, minerales) que representan un interés económico

para el hombre. La aplicación de las diversas técnicas geofísicas de exploración dependen fundamentalmente de la existencia en el subsuelo de cuerpos físicos, químicos o físico-químicos contrastantes. Una limitación primordial en la aplicación de cualquier método es la carencia de un suficiente contraste de alguna propiedad física o química; las limitaciones son causadas directa o indirectamente por esto. En la actualidad, en vez de decir que un instrumento no es suficientemente sensible o potente, se externa que los cuerpos en el subsuelo presentan un paupérrimo contraste en sus propiedades respecto al medio encajonarte.

5. Objetivos de la geofísica aplicada

Los objetivos de la prospección geofísica, utilizando los contrastes y variaciones de las propiedades físico-químicas, son localizar en el subsuelo estratos (de rocas, tobas, suelos) que representen masas resistentes, y, que puedan soportar una obra civil; además de localizar yacimientos de: agua, petróleo, gas, vapor, y minerales de interés económico para el hombre; así como en el monitoreo de flujo y transporte de contaminantes; mapeo de eventualidades geológicas que representen un riesgo potencial para las obras civiles; mediante la percepción remota localizar yacimientos. En astrogeofísica discernir acerca de los elementos y compuestos constitutivos de las estrellas y planetas.

6. Relación: señal-mensaje-ruido.

El explorador debe comprender y diferenciar perfectamente en la señal medida si está afectada por ruido. Se puede establecer la relación siguiente:

Señal = mensaje + ruido

Existen tres tipos de ruido que se pueden acoplar a la señal: instrumental, operador y geológico.

6.1. Instrumental

Por el desarrollo del arte del estado sólido de la electrónica, el ruido instrumental en la actualidad se puede considerar despreciable; solamente alguna descompostura podría provocarlo.

6.2. Operador

Puede ser introducido en las medidas a través de las brigadas de campo, o por descuido durante el levantamiento

6.3. Geológico

Consiste a “grosso modo” en la contribución a la respuesta total, de las formaciones geológicas que no son de interés para el proyecto.

7. Métodos geofísicos y propiedades envueltas

Los métodos geofísicos de exploración pueden agruparse en cuatro tipos:

7.1. Activos

Es cuando se estimula el subsuelo por medios artificiales. Un ejemplo son los métodos eléctricos

7.2. Pasivos

En este tipo se detectan las variaciones naturales de los campos más comunes: magnético, y telúrico

7.3. Estáticos

En ellos se mide la variación espacial de un campo estático (no variante en el tiempo) como puede ser el campo gravitacional.

7.4. Dinámicos

Miden la variación espacial de los campo transitorios, como lo es el electromagnético

8. Clasificación de los métodos de exploración

La tabla muestra los métodos geofísicos de exploración, y las propiedades fundamentales asociadas en qué se sustenta su poder de resolución:

Conocer las variaciones y relaciones entre las propiedades geofísicas descritas, permite resolver diversos problemas de ingeniería geológica, y en geología económica.

9. Estructuras geológicas y fundamentos de la geofísica de exploración

La selección de un método geofísico apropiado para una exploración depende de las características de las estructuras geológicas, y de las condiciones del terreno. Las rocas sedimentarias marinas muestran estratificación y pliegues bien definidos, como son monoclinales, sinclinorios, anticlinorios y domos; las rocas ígneas presentan una estratificación compleja, usualmente lentes, intrusiones e ínter- 7 digitaciones difíciles de observar para la exploración geofísica, ya que ésta se basa en medios homogéneos, isótropos, horizontales, y de extensión infinita. Los materiales granulares son más accesibles para su estudio, debido a los procesos de transporte y estratificación.

10. Conclusión

Se lograron entender los diferentes métodos citados anteriormente concluyendo que estos métodos nos proporcionan informaciones sobre la composición del subsuelo mediante alguna propiedad física medida a partir de la superficie terrestre, que puede ser la velocidad de una onda mecánica, o variaciones de un campo gravitacional producidas por diferencias de densidad, o la intensidad de una corriente asociada a la mayor o menor facilidad de propagación de las cargas eléctricas.

Los métodos ofrecen una forma de obtener información detallada acerca de las condiciones del suelo y rocas del subsuelo. Esta capacidad de caracterizar rápidamente las condiciones del subsuelo sin perturbar el sitio ofrece el beneficio de costos más bajos y menos riesgo, dando mejor entendimiento general de las condiciones complejas del sitio. Es necesario a menudo utilizar más de un método para lograr obtener la información deseada.