Evaluación de la técnica de prospección mediante el...

Evaluación de la técnica de prospección mediante el uso de

Georradar

Edwin Alfonso Roa Ramos

Universidad Nacional de Colombia

Facultad de Ingeniería, Maestría en Ingeniería

Bogotá, Colombia

2015

Evaluación de la técnica de prospección mediante el uso de

Georradar

Edwin Alfonso Roa Ramos

Tesis o trabajo de investigación presentado como requisito parcial para optar al título de:

Máster en Ingeniería

Director:

PhD. Octavio Coronado

Línea de Investigación:

Geotecnia Básica

Universidad Nacional de Colombia

Facultad de Ingeniería, Maestría en Ingeniería

Bogotá, Colombia

2015

Resumen y Abstract III

Resumen

La técnica de prospección mediante el uso de georradar es una práctica poco usual en

nuestro medio en el desarrollo de estudios geotécnicos, debido principalmente a la falta

de conocimiento en cuanto a su funcionamiento y resultados, específicamente las

mediciones realizadas por medio de antenas de baja frecuencia que alcanzan lecturas a

mayor profundidad. El presente estudio pretende realizar un acercamiento al uso de esta

técnica con el fin de evaluar sus ventajas y limitaciones a la hora de determinar la

posición y el espesor de los estratos que componen el subsuelo en el área en estudio.

El presente trabajo es una combinación de investigación, labor de campo y comparación

de datos obtenidos para determinar la coincidencia o la imprecisión de la detección

mediante GPR (exploración indirecta) con los registros de perforación (exploración

directa). Se estableció un particular interés por obtener los espesores de los estratos

identificados y la posición del nivel freático que arroja el GPR para compararlos con los

datos obtenidos de la exploración directa y determinar la fiabilidad del uso de esta

tecnología. Para este fin fue seleccionada un área de aproximadamente 108.000 m2 en

el municipio de Dosquebradas (Risaralda), donde fueron realizadas diez líneas de

exploración mediante georradar por medio del uso de una antena de 50 MHz, así mismo

para establecer el paralelo entre los métodos directos e indirectos (GPR) fueron tenidos

en cuenta 13 sondeos realizados en el desarrollo de estudios geotécnicos en el sector en

evaluación.

Finalmente fueron analizados los resultados de la prospección mediante el uso del GPR

tomando como valores reales los obtenidos por medio de los sondeos, para establecer

de esta manera la eficacia y la precisión de la técnica en la detección de los espesores

de los estratos y la identificación de la posición del nivel freático.

Palabras clave: Prospección, georradar, suelos.

IV Evaluación de la técnica de prospección mediante el uso de Georradar

Abstract

Prospecting technique using GPR is an unusual practice in the development of

geotechnical studies in our environment, mainly due to lack of knowledge as to its

operation and results, specifically the measurements made by the low frequency antenna

reaching deeper readings. This study aims to make an approach to use this technique in

order to evaluate advantages and limitations at determining the position and thickness of

the layers that make up the subsoil in the area under study.

Present work is a combination of research, field work and comparison of data to

determine the precision or inaccuracy detection by GPR (indirect exploration) with drill

logs (direct examination). A particular interest to obtain the thicknesses of layers identified

and the position of water table which gives the GPR for comparison with the data

obtained from direct examination and determine the reliability of the use of this

technology. In order to check that it was selected an area of 108,000 m2 (aprox.) in town

of Dosquebradas (Risaralda). It was made ten lines of GPR exploration using a 50 MHz

antenna. In addition, investigation wants to create a parallel between direct methods and

indirect (GPR) using 13 surveys (with mechanical drills) to develop geotechnical studies in

evaluation zone.

Finally, survey results were analyzed using GPR as a comparison with true values

obtained by the probes in order to establish the effectiveness and accuracy of the

technique in detecting the thicknesses of layers and water table depth and position.

Keywords: Prospecting, ground penetrating radar, ground.

Contenido V

Contenido

Pág.

Capítulo 1. Problema de investigación ................................................................ 3

1.1. Identificación del problema ..................................................................................3 1.2. Hipótesis .............................................................................................................4 1.3. Objetivos .............................................................................................................4

1.3.1. Objetivo general. .............................................................................................. 4 1.3.2. Objetivos específicos. ...................................................................................... 4

Capítulo 2. Prospección mediante el uso de georradar ..................................... 5

2.1. Características de los medios............................................................................11 2.1.1. Constante dieléctrica ..................................................................................... 11 2.1.2. Conductividad ................................................................................................ 12 2.1.3. Permeabilidad magnética .............................................................................. 12 2.1.4. Velocidad de propagación ............................................................................. 12

Capítulo 3. Generalidades de los equipos de GPR y descripción del georradar empleado ...................................................................................................... 17

3.1. Antenas .............................................................................................................17 3.1.1. Características de las antenas .......................................................................17 3.1.1.1. Frecuencia de excitación y duración del impulso ........................................17 3.1.1.2. Direccionalidad ...........................................................................................18 3.1.1.3. Dipolos .......................................................................................................18 3.1.1.4. Orientación de las antenas emisora y receptora .........................................18 3.1.2. Tipos de Antenas ...........................................................................................19 3.1.2.1. Antenas Monoestáticas ..............................................................................19 3.1.2.2. Antenas Biestáticas ....................................................................................19 3.2. Equipos Complementarios ................................................................................19 3.3. Características del equipo empleado.................................................................20 - Unidad Central de proceso (Mala ProEx) ..............................................................20 - Antena de 50 MHz ................................................................................................21 - Monitor de control Ramac XV 11 ..........................................................................22 3.3.1. Toma de datos en campo ..............................................................................23 3.4. Procesamiento de datos e interpretación ..........................................................24 3.5. Herramientas informáticas para interpretación ..................................................24 3.5.1. Software de procesamiento RadExplorer .......................................................25 3.5.2. Herramientas de ganancia .............................................................................25 3.5.3. Filtros .............................................................................................................26 3.6. Ejemplo del procesamiento de un radargrama ..................................................26

VI Evaluación de la técnica de prospección mediante el uso de Georradar

3.6.1. Aplicación de filtros ....................................................................................... 27 - Time-zero adjustment ........................................................................................... 27 - DC removal .......................................................................................................... 28 - Trace edit ............................................................................................................. 28 - Background removal ............................................................................................. 29 - Amplitude correction ............................................................................................. 29 3.6.2. Selección de estratos .................................................................................... 30 3.6.3. Determinación de la profundidad de los contactos ........................................ 31

Capítulo 4. Metodología ......................................................................................35

4.1. Investigación ..................................................................................................... 35 4.1.1. Geología regional .......................................................................................... 36 4.1.2. Geología Local .............................................................................................. 38 4.1.2.1. Litología ..................................................................................................... 39 4.1.2.2. Geología estructural................................................................................... 40 4.1.2.3. Fallas ......................................................................................................... 40 4.2. Exploración directa ........................................................................................... 41 - Perfil estratigráfico promedio ................................................................................ 44 4.3. Exploración indirecta ......................................................................................... 47 4.3.1. Labor de campo y resultados de la exploración indirecta .............................. 47

Capítulo 5. Análisis de resultados......................................................................57

5.1. Determinación de los espesores método 1 ....................................................... 58 5.2. Determinación de los espesores con información proveniente de los resultados de laboratorio (método 2) ............................................................................................ 60 5.3. Calculo de error absoluto y error relativo .......................................................... 66

Capítulo 6. Conclusiones ....................................................................................72

Capítulo 7. Bibliografía........................................................................................81

Contenido VII

Lista de figuras

Pág.

Figura 2-1. Diagramas esquemáticos de radar de impulsos y de radar de onda continua .6

Figura 2-2. Medición de un perfil con antenas de desplazamiento constante Tx y Rx. ......7

Figura 2-3. Método de Reflexión y Refracción Gran Angular .............................................8

Figura 2-4. Variación de la constante dieléctrica y la velocidad de propagación de onda

en función del material ....................................................................................................14

Figura 3-1. Unidad central de proceso Mala ProEx .........................................................21

Figura 3-2. Antenas producidas por la firma Mala: a) Antena de alta frecuencia de 1000

MHz b) Antena de media frecuencia de 400 MHz c) Antena de baja frecuencia de 50 MHz

(como la empleada en el presente trabajo) ......................................................................22

Figura 3-3. Monitor de control Mala Ramac XV 11 ..........................................................23

Figura 3-4. Descripción del ensayo .................................................................................23

Figura 3-5. Gadargrama sin procesar ..............................................................................27

Figura 3-6. Ruido electromagnético presente en los radargramas ...................................28

Figura 3-7. Gadargrama con los filtros aplicados .............................................................29

Figura 3-8. Definición de materiales por picks .................................................................30

Figura 3-9. Radargrama con materiales identificados ......................................................31

Figura 3-10. Radargrama terminado ................................................................................32

Figura 4-1. Localización geográfica, general y específica del sector de estudio ..............36

Figura 4-2. Características Geológicas Generales del Área de estudio. Tomado de La

Geología de la Plancha 224 Pereira del Servicio Geológico Colombiano (Antiguo

Ingeominas), año 1984 versión digital 2009, a escala 1:100.000. ....................................38

Figura 4-3. Localización sondeos directos ejecutados .....................................................42

Figura 4-4. Resumen gráfico de propiedades sondeo S1 ................................................43

Figura 4-5. Secciones estudiadas....................................................................................45

Figura 4-6. Perfil estratigráfico Sección A-A’ ...................................................................45

Figura 4-7. Perfil estratigráfico Sección B-B’ ...................................................................46

Figura 4-8. Perfil estratigráfico Sección C-C’ ...................................................................46

Figura 4-9. Perfil estratigráfico Sección D-D’ ...................................................................46

Figura 4-10. Perfil estratigráfico Sección E-E’..................................................................47

Figura 4-11. Perfil estratigráfico Sección F-F’ ..................................................................47

Figura 4-12. Toma de GPR en la zona de estudio ...........................................................48

Figura 4-13. Localización líneas GPR .............................................................................49

Figura 4-14. Radargrama Línea 8...................................................................................50

Figura 4-15. Variación de la profundidad en función de la constante dieléctrica .............52

VIII Evaluación de la técnica de prospección mediante el uso de Georradar

Figura 4-16. Zonificación mediante lecturas GPR según profundidad de contacto. ........ 53

Figura 4-17. Constante dieléctrica para una profundidad de contacto de 4.5 m ............. 54

Figura 4-18. Profundidad de contacto para una constante dieléctrica de 7.5 ................. 55

Figura 5-1. Radargrama Línea 2 .................................................................................... 59

Figura 5-2. Resumen grafico cálculo de la constante dieléctrica. Sondeo 1 ................... 63

Figura 5-3. Comparación valores de constate dieléctrica. Sondeo 1 .............................. 65

Figura 5-4. Comparación profundidades de contacto. Sondeo 1 .................................... 66

Figura 5-5. Gráfica de error absoluto por sondeo método 1 ........................................... 68

Figura 5-6. Gráfica de error absoluto por sondeo método 2 ........................................... 69

Figura 5-7. Vista Sureste – Noroeste. ............................................................................ 70

Figura 5-8. Vista Sur – Norte. ......................................................................................... 70

Figura 5-9. Diagrama isoprofundidades ......................................................................... 71

Contenido IX

Lista de tablas

Pág.

Tabla 2-1. Parámetros electromagnéticos para diferentes tipos de materiales ................14

Tabla 4-1. Exploración directa del subsuelo ....................................................................41

Tabla 4-2. Ensayos de laboratorio realizados ..................................................................43

Tabla 4-3. Exploración indirecta del subsuelo .................................................................48

Tabla 4-4. Cálculo de la profundidad de contacto de los estratos ....................................51

Tabla 4-5. Constante dieléctrica para una profundidad de contacto de 4.5 m ..................54

Tabla 5-1. Profundidad real de contacto de los estratos ..................................................58

Tabla 5-2. Profundidad de contacto de los estratos método 1 .........................................60

Tabla 5-3. Resultados de laboratorio sondeo 1 ...............................................................61

Tabla 5-4. Constante dieléctrica, método 2 .....................................................................64

Tabla 5-5. Porcentaje de error método 1 .........................................................................67

Tabla 5-6. Porcentaje de error método 2, resultado de laboratorio ..................................68

Introducción

El subsuelo terrestre encierra para el hombre muchas incógnitas relacionadas con

diferentes aspectos tan importantes como la alimentación, la energía, el transporte, la

vivienda, las tecnologías de la información y las comunicaciones, entre otras. Como

consecuencia del tipo de necesidades que el hombre busque resolver y del sitio

específico en que desee hacerlo, se puede hacer necesario conocer las características

de ese subsuelo y además conocerlas con la mayor rapidez y al costo más racional

posible; la precisión y confiabilidad de la información también varía, dependiendo del tipo

de proyecto a desarrollar; así por ejemplo, es diferente establecer las condiciones del

suelo para la construcción de un edificio de vivienda, para instalar un acueducto o un

poliducto, o para una carretera. Esas diferentes necesidades de información sobre el

subsuelo pueden entonces demandar datos relacionados no sólo acerca del tipo de

material del subsuelo, sino en algunos casos también el espesor de las diferentes capas

que lo componen, su resistencia mecánica y en algunos incluso su composición química.

En función del tipo de información que se necesite conocer del subsuelo, se deben

emplear las técnicas exploratorias apropiadas; en algunos casos se requiere también la

combinación de diferentes técnicas, las que se pueden diferenciar por su nivel de costo,

demora y precisión, entre otros atributos. La técnica del Georradar (en inglés Ground-

Penetrating Radar -GPR) es un método no destructivo para la investigación del subsuelo,

cuyo origen práctico se remonta a la década de los 70´s; su aplicación inicial fue

principalmente en las áreas de geología y arqueología el área de la geología y

arqueología. Sin embargo, el uso de ondas electromagnéticas amplió su utilidad hacia el

campo de las comunicaciones.

El georradar es un equipo compuesto por una antena trasmisora de ondas

electromagnéticas, una antena receptora, una unidad de control y almacenamiento de

datos y en algunos casos posee dispositivos de visualización. La técnica consiste en la

generación un tren de pulsos electromagnéticos de corta duración que genera ondas que

2 Introducción

se propagan a través del subsuelo y posteriormente son reflejadas hacia la superficie; los

límites o interfaces de los diversos tipos materiales presentes en el subsuelo generan

diferencias en las propiedades electromagnéticas de cada uno de ellos (Permitividad

dieléctrica y conductividad), lo que a su vez permite que el receptor capte respuestas de

diferente intensidad, con base en las cuales se puede identificar, desde la presencia de

rocas de diferente densidad hasta cuerpos de agua o espacios vacíos.

El presente trabajo busca evaluar algunas de las características de la técnica de

georradar para su empleo práctico en proyectos de Ingeniería Civil, tomando como

aspecto clave el análisis de los valores numéricos captados por este tipo de equipo en

una prospección real del subsuelo.

Capítulo 1. Problema de investigación

1.1. Identificación del problema

En el campo de la Ingeniería Civil, los principales elementos de trabajo son el suelo y la

roca, puesto que todas las obras de ingeniería se apoyan sobre ellos de una u otra

forma. Por esta razón es de gran importancia contar con técnicas apropiadas que

permitan realizar una exploración adecuada del subsuelo con el fin de identificar y

cuantificar las propiedades físicas y mecánicas de los materiales que lo conforman. El

método más utilizado a la hora de realizar la exploración del subsuelo es la realización de

perforaciones y apiques, que permiten realizar pruebas in-situ y así mismo extraer

muestras de suelo con el fin de ejecutar pruebas en el laboratorio. Este tipo de técnica de

exploración requiere el desplazamiento de instrumentos pesados a los sectores a

estudiar, lo cual implica la utilización de una serie de recursos tanto económicos como de

tiempo, los cuales representan un factor importante en la ejecución de cualquier diseño

geotécnico.

Teniendo en cuenta lo anterior y la dinámica con la que actualmente se ejecutan los

diseños técnicos para la construcción de toda clase de estructuras, es de gran

importancia contar con otro tipo de exploración del subsuelo que sea más ágil,

económica y a su vez efectiva, como es el caso del uso de técnicas no destructivas o no

invasivas, las cuales se basan principalmente en la emisión y posterior recepción de

ciertos tipos de ondas (eléctricas, sísmicas, electromagnéticas, etc.) con el fin de conocer

mediante correlaciones las propiedades de los materiales a estudiar.

La prospección mediante georradar es una de las técnicas no destructivas más recientes,

la cual no presenta un desarrollo importante en el país debido a que su efectividad no ha

sido suficientemente probada en los suelos de Colombia, por lo que el presente trabajo

se centró en determinar experimentalmente la efectividad del uso del georradar en la

4 Evaluación de la técnica de prospección mediante el uso de Georradar

exploración del subsuelo para un sector en la ciudad de Pereira, El objetivo es motivar un

acercamiento a esta técnica, la cual puede llegar a ser una alternativa viable para

prospección geotécnica, ahorrando tiempo y dinero en la ejecución de estudios

geotécnicos.

1.2. Hipótesis

La técnica de prospección mediante el uso del georradar es una práctica efectiva para

determinar los espesores de los estratos que componen el perfil estratigráfico y para

identificar la posición de la lámina de agua, hasta una profundidad de 20 m en la zona de

estudio seleccionada.

1.3. Objetivos

1.3.1. Objetivo general.

Determinar experimentalmente los alcances y limitaciones de la utilización de la técnica

de prospección mediante georradar para suelos.

1.3.2. Objetivos específicos.

Realizar una descripción del ensayo de prospección mediante el uso del

georradar teniendo en cuenta su funcionamiento teórico, representatividad y

confiabilidad para la determinación de la estratigrafía.

Realizar ensayos usando el georradar para determinar el perfil estratigráfico en la

zona de estudio.

Comparar los resultados obtenidos en el ensayo de prospección mediante el uso

del georradar con los resultados de la exploración directa del subsuelo obtenidos

de perforaciones y sus respectivos ensayos de laboratorio.

Evaluar los resultados obtenidos mediante la técnica de georradar y establecer la

eficacia de este método dadas las características típicas de los suelos estudiados.

Capítulo 2. Prospección mediante el uso de georradar

La aplicación de metodologías de prueba y evaluación no destructivas (NDT / NDE) en la

Ingeniería Civil ha planteado un creciente interés en los últimos años debido a su impacto

potencial en diversos escenarios. Como consecuencia de ello, las tecnologías GPR han

sido ampliamente adoptadas como un instrumento para la inspección de la estabilidad

estructural de los edificios y para la detección de grietas y huecos. El GPR se define

como “una serie de técnicas electromagnéticas diseñadas principalmente para la

ubicación de objetos o interfaces enterrados bajo la superficie de la tierra o ubicados

dentro de una estructura visualmente opaca” (Salucci, et al., 2014, p. 1)

Los ensayos no destructivos permiten analizar las estructuras de hormigón armado y

mampostería, con el fin de determinar deficiencias, defectos, exfoliaciones y fracturas. En

el campo de la Ingeniería, se utiliza para probar los procesos de construcción y

mantenimiento de edificios y de componentes individuales, con el fin de reducir el tiempo

de análisis y los costes de intervención(Capozzoli, et al., 2014).

Se trata de un dispositivo portátil de obtención de imágenes geofísicas, para la detección

y caracterización de rasgos enterrados, mediante el registro de ondas reflejadas y la

medición del tiempo de viaje en doble dirección, para determinar la profundidad, posición

y tamaño del objeto a medir o de las características del subsuelo. Dado que es un

sistema no destructivo y rentable, se ha utilizado cada vez más para diversas disciplinas

como la Arqueología, la Geología, la Hidrogeología, la Sedimentología, la Arboricultura,

la detección de instalaciones, el estudio de dunas de arena y la detección de minas

terrestres, entre otras.

El Georradar (en adelante GPR), es un método de formación de imágenes del subsuelo

que proporciona información de alta resolución a una profundidad típica de 0 a 10 m,

aunque es posible alcanzar hasta 40m en ciertos entornos geológicos(Jelf, 2007). El


GPR se puso en práctica por primera vez en la década de 1970 para el sondeo de hielo

en la Antártida y desde entonces ha ganado una amplia aceptación internacional. La

técnica es no destructiva y no invasiva y utiliza ondas electromagnéticas no sinusoidales

de baja potencia, con frecuencias que van desde 10 MHz a 4 GHz. El GPR se puede

aplicar en una amplia gama de tareas de inspección; por ejemplo, para detectar servicios

enterrados (como tuberías y cables), para la inspección de capas en las carreteras y

lastres en vías de ferrocarril, así como para el mapeo detallado de refuerzos de acero en

estructuras de hormigón (Jelf, 2007).

En la teoría del GPR, tres términos importantes están interconectados entre sí, como son

la frecuencia, la constante dieléctrica (también conocido como coeficiente de reflexión) y

la resolución. Como reglas generales, cuanto mayor es la frecuencia de la señal, más

corta es la longitud de onda; cuanto mayor es la constante dieléctrica de los objetivos,

menor es el área de la huella cubierta por la antena y viceversa. Con base en lo anterior,

existen dos tipos principales de GPR, que se clasifican según el tipo de señal transmitida,

como se muestra en la Figura 2-1.

Figura 2-1. Diagramas esquemáticos de radar de impulsos y de radar de onda continua

Pulso transmitido

Forma de onda medida

Onda transmitida

Onda recibida

Compresión del pulso

Forma de onda

medida

Radar de pulso Radar de compresión de onda

Fuente: Jelf (2007)

El tipo más utilizado es el radar de pulso y funciona mediante la transmisión de

numerosos pulsos pequeños (típicamente 50 a 100 pulsos por segundo) de corta

duración (normalmente 1 a 10 nanosegundos), de onda de radio no sinusoidal de banda

ancha. Los sistemas GPR de pulso son más fáciles de fabricar y por lo tanto son menos

costosos; sin embargo, están normalmente limitados por la potencia de señal media que

se puede transmitir. Otro tipo de GPR de menor uso es de onda continua (CW-GPR), que

utiliza ondas de radio sinusoidales de una sola frecuencia.

Capítulo 2 7

Una forma más avanzada de CW-GPR es el método de frecuencia por pasos (SF-GPR),

que utiliza múltiples etapas de frecuencias discretas que se incrementan

progresivamente en un amplio espectro de frecuencias de manera programada y paso a

paso. Estos sistemas CW pueden transmitir más potencia media, aunque se requiere un

nivel mucho más alto de procesamiento de señales para convertir los datos en bruto a un

formato interpretable por el operador (Jelf, 2007).

Casi todos los sistemas GPR comerciales utilizan antenas dipolares accionadas por

voltaje. Con el fin de alcanzar mayores profundidades de penetración, se está

investigando la posibilidad de utilizar la antena movida por corriente (Harmuth, 2007), que

tienen el potencial de lograr un kilómetro de profundidad de penetración en roca.

El GPR se puede utilizar tanto en los modos de reflexión como de transmisión. El método

de perfilado por reflexión es el más común y normalmente se lleva a cabo utilizando dos

antenas (llamado el modo de bi-estático), con un transmisor (Tx) y un receptor (Rx)

separados, como se muestra la Figura 2-2.

Figura 2-2. Medición de un perfil con antenas de desplazamiento constante Tx y Rx.

Fuente: Jelf (2007)

Estas antenas se colocan directamente sobre de la superficie del terreno a medir o

relativamente cerca aquella; también se pueden montar en un carro con ruedas para

proteger el equipo y para acelerar la medición.

El tamaño físico de las antenas varía considerablemente de unos 100 mm (1,5 GHz) para

la inspección de hormigón, a 3 m (25 MHz) para aplicaciones geológicas profundas. Para

alcanzar la mayor frecuencia de las antenas, el Tx y el Rx normalmente se combinan

dentro de una caja llamada transductor. Las reflexiones de radio producidas por los


objetos presentes en el suelo son detectadas por la unidad receptora y se amplifican y se

muestran en la unidad de control. Las reflexiones ocurren en los puntos en donde se

presenta un cambio en las propiedades dieléctricas de dos capas adyacentes través de

un límite del suelo o una interfaz de material.

La información de la velocidad sub-superficial y por lo tanto de la profundidad, se puede

derivar separando progresivamente el Tx o el Rx uno del otro, mientras se registra la

demora en la llegada de las señales; esto se conoce como el Método de Reflexión y

Refracción Gran Angular (WARR), que se muestra en la Figura 2-3.

Figura 2-3. Método de Reflexión y Refracción Gran Angular

Fuente: Jelf (2007)

La información sobre la velocidad también se deriva comúnmente del análisis de la forma

de reflexiones hiperbólicas producidas por objetos como tuberías o cables presentes en

el subsuelo. El valor obtenido se utiliza para establecer las profundidades correctas y fijar

las difracciones de objetos del subsuelo a sus formas geométricas correctas. Este

proceso se denomina migración. Cuando el espacio es limitado, las antenas Tx y Rx

también pueden combinarse en una sola unidad, lo que se conoce como modo mono-

estático, aunque esta modalidad no permite la detección de objetos superficiales

ubicados cerca de la antena.

Si bien la información específica sobre las limitaciones propias de la tecnología GPR es

escasa, de acuerdo con Fu et al (2014), una de ellas se refiere al uso en áreas extensas

que tengan vegetación densa. Para superar esa restricción, dentro de los avances más

recientes de esta tecnología y de acuerdo con Fu et al (Fu, et al., 2014), el Laboratorio de

Capítulo 2 9

Investigación e Ingeniería del Ejército de Estados Unidos para las Regiones Frías

desarrolló un sistema de transmisión mediante la suspensión de un sistema GPR

convencional basado en un helicóptero, que se ha empleado en diferentes estudios para

detectar el espesor del hielo y la presencia de grietas en Alaska y la Antártida. El Instituto

Federal de Geociencias y Recursos Naturales de Alemania también ha diseñado un

sistema de radar basado en un helicóptero, en colaboración con otros institutos; el equipo

está suspendido de un helicóptero AS350 y utiliza antenas de reflexión para transmitir y

recibir las señales. Por su parte el Instituto de Geofísica de la Universidad de Austin, en

el estado de Texas, desarrolló un sistema GPR que transmite fijado en el ala de un avión

y que combina una plataforma móvil, altímetro barométrico, antena GPS, radar y

magnetómetro; en este caso el radar empleado es de alta velocidad, de alta potencia,

sistema de banda estrecha, funciona a 60 MHz y tiene una potencia de 7000W; está

diseñado especialmente para investigaciones en glaciares. El sistema GPR

aerotransportado tiene el potencial de permitir aplicaciones más amplias, tales como el

análisis de riesgos geológicos (deslizamientos, flujos de lodo, etc.), así como el

monitoreo y la investigación relacionada con el medio ambiente en zonas desérticas.

Una de las restricciones de esta técnica está dada por los espacios cerrados, teniendo en

cuenta que la reflexión de las ondas en muros o cubiertas puede distorsionar los

resultados obtenidos a partir del análisis que hace el transductor de las ondas que

provienen del subsuelo. Entre tanto, Cheng et al (2014) dan cuenta del desarrollo de un

modelo de tres dimensiones para sistemas de raíces de árboles que usa GPR en Hong

Kong.

Cuando el área de estudio se encuentra en una vía pública o en un parque, se puede

requerir de permisos de cierre con el propósito de evitar la presencia de fuentes

generadoras de perturbaciones en los resultados del análisis que se pretende adelantar.

Las ubicaciones de las líneas de estudio están marcadas en el sitio. Para obtener

mejores resultados es recomendable que la superficie de estudio sea lo más plana

posible, para lo cual puede ser necesario cortar la hierba, el pasto y los matorrales o

arbustos localizados a lo largo de la ruta de análisis. En sitios con terreno irregular, la

superficie puede requerir preparación con una excavadora o una niveladora, a fin de

asegurar un buen contacto entre la base de la antena y la superficie del terreno.(Jelf,

2007)


En cuanto a los aspectos operativos del proceso, el equipo GPR está configurado y

conectado a una fuente de alimentación, normalmente una batería de 12 voltios o una

fuente de corriente alterna; antes de empezar a utilizarlo, se debe esperar el tiempo

indicado por el fabricante en posición estable, así como hacer los ajustes del intervalo de

tiempo con que se van a grabar los resultados, la frecuencia de muestreo, las ganancias

de la señal y los filtros de paso de banda, parámetros que se deben definir de acuerdo

con la profundidad del objetivo y la frecuencia de la antena empleada. Se puede utilizar

una rueda de medición de distancias para controlar el avance del proceso de sondeo.

Igualmente es necesario revisar las condiciones del terreno y registrar la presencia de

objetos metálicos cerca de la línea de análisis, dado que esas condiciones pueden

afectar el proceso de interpretación de los resultados.

El equipo está configurado de modo que durante el proceso, el operador de la unidad de

control pueda ver tanto la pantalla del monitor como las antenas, las cuales se montan

normalmente en un carro con ruedas para facilitar su desplazamiento. Dependiendo del

tipo de estudio, las antenas se mueven tirando manualmente a través de la superficie del

suelo o remolcadas con un vehículo. Para la operación manual de las antenas, las

velocidades de exploración pueden oscilar entre 20 y 100 lecturas por segundo, mientras

que para para estudios como carreteras o ferrocarriles, la velocidad de barrido puede

llegar a 200 lecturas por segundo o más.

La velocidad de propagación de las ondas electromagnéticas en la tierra varía

típicamente en el intervalo entre 3 y 20 centímetros por nanosegundo (cm/ns). Para

algunos estudios tales como la localización de tuberías enterradas, puede no ser

necesario conocer la velocidad de propagación del subsuelo con mucha precisión, por lo

que un valor aproximado de la misma es suficiente para estimar la profundidad del

objetivo. Eventualmente la velocidad se puede establecer durante el procesamiento

posterior, mediante el análisis de las difracciones hiperbólicas producidas por objetivos

discretos.(Jelf, 2007)

Si se dispone del equipo de construcción en el sitio, la calibración directa de la

profundidad por medio de pozos de prueba excavados para exponer las estructuras

detectadas con GPR permite confirmar las profundidades reales desde la parte superior

de uno o varios de los objetivos a detectar, con lo cual se puede calibrar el equipo. Las

perforaciones para medir la profundidad a la que se encuentra el acero de refuerzo en el

Capítulo 2 11

hormigón o el espesor de las capas de asfalto en carreteras, proporcionan datos de

calibración similares. La velocidad de dispersión de la onda en la capa superficial

también se puede determinar rápidamente en el sitio usando un medidor de dieléctrico

portátil o se determina en el laboratorio usando muestras de núcleo.

En caso de que se presenten condiciones de relámpagos por lluvia durante la medición,

se debe proteger el equipo con una cubierta impermeable para poder continuar el

proceso. Sin embargo, las lluvias fuertes pueden saturar el suelo, afectando

negativamente las señales de GPR y pueden causar fallas en el equipo y en la

confiablidad de los resultados, dado que un contenido de humedad variable a través del

terreno a lo largo de un tramo de carretera puede dar lugar a mediciones de profundidad

inexactas, a menos que las variaciones de humedad locales se incluyan en los cálculos

de velocidad de propagación y en la interpretación de los resultados(Jelf, 2007).

2.1. Características de los medios

Al momento de entender el funcionamiento de un georradar es necesario tener en cuenta

que las propiedades físicas de los suelos inciden en la forma como se comportan ante los

fenómenos eléctricos y magnéticos; esas diferentes propiedades de las rocas, del aire y

del agua que componen los suelos, como elementos sólidos, gaseosos y líquidos, son las

que hacen posible la utilidad del GPR. Específicamente las propiedades que tienen

incidencia en los resultados son la constante dieléctrica, la conductividad y la

permeabilidad magnética.

2.1.1. Constante dieléctrica

La constante dieléctrica una constante ( ) que da una medida de la polarización de un

material en presencia de un campo eléctrico. Proporciona un valor de la respuesta

estática del medio cuando está en presencia de un campo eléctrico externo. La constante

dieléctrica del vacío es 1. Para la mayoría de los materiales que se pueden encontrar en

el subsuelo al realizar una prospección electromagnética, los valores de la constante

dieléctrica se encontrarán entre 1 (la del aire) y 81, siendo esta ultima la constante

dieléctrica del agua a 20° de temperatura (Pérez, 2001)


2.1.2. Conductividad

La conductividad ( ) de un medio proporciona una medida de la respuesta de sus cargas

libres en presencia de un campo eléctrico externo, siendo el factor de proporcionalidad

entre el campo libre aplicado y la densidad de volumen de corriente debido al movimiento

de aquellas cargas libres; es decir, proporciona una medida de la capacidad de un

material de conducir corriente eléctrica. Las unidades de medida de la conductividad son

Siemens/metro. La conductividad de un medio es la inversa de su resistividad.

En general se puede distinguir entre materiales conductores, semiconductores y

aislantes. Los conductores son aquellos cuya conductividad es mayor a 105 S/m,

mientras que los materiales que presentan una conductividad menor a 10-8 S/m se

clasifican como aislantes, siendo los semiconductores aquellos cuya conductividad se

encuentra entre estos dos valores.

La mayor parte de las rocas y subsuelos en los que se realizan estudios, pueden ser

considerados como aislantes. En estos medios, la conducción eléctrica se debe

básicamente a la existencia de fluido en poros y fisuras; es decir, cuando mayor sea el

contenido de agua, el porcentaje de iones disueltos y la porosidad del medio, mayor será

su conductividad (Pérez, 2001).

2.1.3. Permeabilidad magnética

La permeabilidad magnética ( ) es un parámetro que relaciona la inducción magnética

con la intensidad del campo magnético, el cual se puede describir como el producto entre

la permeabilidad magnética del vacío ( ) y la permeabilidad relativa de la materia ( ).

En la mayoría de los materiales sobre los que se realizan estudios mediante GPR, con

excepción de aquellos que contienen componentes Ferromagnéticos, se determina que

la permeabilidad magnética es próxima a 1.

2.1.4. Velocidad de propagación

Para definir la velocidad de propagación de las ondas electromagnéticas en un medio

material se puede partir de las cuatro ecuaciones que conforman las leyes de Maxwell.

Una vez desarrolladas dichas formulaciones se obtiene la siguiente expresión:

Capítulo 2 13

√

√

(√ (

) )

Donde,

Sin embargo, dado que los suelos corresponden en su mayoría a medios no magnéticos,

la permeabilidad magnética es próxima a 1, por lo que la expresión puede ser

simplificada obteniendo el siguiente resultado (Pérez, 2001):

√

Investigaciones orientadas a la evaluación de las propiedades electromagnéticas de los

materiales que conforman el subsuelo han determinado los parámetros

electromagnéticos para diferentes tipos de suelos y rocas; en la Tabla 2-1 se presentan

algunos de los resultados obtenidos, adicionalmente se presenta la Figura 2-4 que

muestra el valor medio de constante dieléctrica y velocidad de propagación de onda en

función del tipo de material.


Tabla 2-1. Parámetros electromagnéticos para diferentes tipos de materiales

(Conyers y Goodman, 1997; Garcia, 1997; Hanninen, 1997; Reynolds, 1997; Lorenzo, 1994; Pilon et al., 1994; Hanninen et al., 1992; Sutinen, 1992; Carmichael, 1990; Davis y Annan, 1989; Marshall et al., 1982)

Figura 2-4. Variación de la constante dieléctrica y la velocidad de propagación de onda en función del material

Capítulo 2 15

Con base en la Figura 2-4 se puede observar la tendencia a aumentar exponencialmente

que presenta el valor de constante dieléctrica a medida que la dureza de los materiales

disminuye, así mismo, se puede apreciar la diferencia entre los materiales rocosos y los

suelos, ya que en los primeros se puede hablar de un valor medio que no supera las 10

unidades, mientras que en los suelos la diferencia de la constante dieléctrica es muy

variable entre los diferentes tipos estudiados. En cuanto a la velocidad de propagación de

onda, aunque es una propiedad que depende directamente de la constante dieléctrica de

cada material, los resultados de las investigaciones mostrados en la Tabla 2-1 presentan

poca variabilidad, sin embargo al igual que la constante dieléctrica es clara la diferencia

del rango de valores de los materiales rocosos y los suelos.

Capítulo 3. Generalidades de los equipos de GPR y descripción del georradar empleado

El Georradar es un equipo que está compuesto por una antena transmisora de ondas

electromagnéticas, una antena receptora, una unidad de control y almacenamiento de

datos y en algunos casos de dispositivos de visualización. La técnica se basa en la

emisión de una serie de pulsos electromagnéticas hacia el suelo, los cuales se reflejan

hacia la antena receptora cuando estos encuentran un material con propiedades

electromagnéticas diferentes a las del material que lo antecede; esto a medida que el

instrumento se desplaza longitudinalmente sobre el sector de estudio.

3.1. Antenas

3.1.1. Características de las antenas

A continuación se describen las características principales de las antenas de un

georradar.

3.1.1.1. Frecuencia de excitación y duración del impulso

La frecuencia central de una emisión es uno de los parámetros más importantes de las

antenas. Ésta determina la penetración de la señal emitida en los materiales del medio a

estudiar.

Otra de las características de las antenas es el ancho de banda de la emisión, centrada

en la frecuencia que caracteriza al equipo. Ya que se requiere que el pulso emitido por la

antena sea de corta duración, el ancho de banda de la frecuencia debe ser amplio. El

ancho de banda de este tipo de antenas provoca una pérdida de energía por dispersión.

La atenuación de la señal para una misma frecuencia central aumenta cuando la banda


de frecuencias es más ancha, haciendo que la sensibilidad del aparato y el alcance

disminuyan.

La frecuencia central de la emisión depende del dipolo de la antena. Este parámetro

limita, tanto el alcance del método como su resolución. Las emisiones a bajas

frecuencias se atenúan en menor medida que las emisiones a frecuencias altas,

pudiendo alcanzar con las primeras profundidades mayores de estudio. Por otro lado,

debido a que tienen una longitud de onda mayor que las emisiones a más alta frecuencia,

la resolución obtenida es menor.

3.1.1.2. Direccionalidad

El campo electromagnético radiado debe ser enfocado hacia una dirección que se hará

coincidir con la penetración del terreno. Esta propiedad se traduce en una cierta

direccionalidad de la antena con respecto a otra antena imaginaria que radiase en todas

direcciones; esto a su vez supone un ahorro a la hora de generar el campo en la

dirección deseada, pues disminuye la potencia necesaria para alcanzar un reflector

situado a igual profundidad. A la magnitud del ahorro se le conoce como ganancia de la

antena.

3.1.1.3. Dipolos

Las antenas formadas por dipolos de onda media son aquellos en que la distancia

máxima entre puntos del dipolo es aproximadamente igual a la mitad de la longitud de

onda de la frecuencia resonante; irradia un campo electromagnético máximo en la

dirección perpendicular al dipolo y nulo a lo largo del eje, por lo que habitualmente

constituyen un buen modelo para antenas de radar.

3.1.1.4. Orientación de las antenas emisora y receptora

Las antenas formadas por dipolos de onda media son aquellos en que la distancia

máxima entre puntos del dipolo es aproximadamente igual a la mitad de la longitud de

onda de la frecuencia resonante; irradia un campo electromagnético máximo en la

dirección perpendicular al dipolo y nulo a lo largo del eje, por lo que habitualmente

constituyen un buen modelo para antenas de radar.

Capítulo 3 19

3.1.2. Tipos de Antenas

Las antenas utilizadas por el georradar, se pueden clasificar en Monoestáticas y

Biestáticas.

3.1.2.1. Antenas Monoestáticas

Este tipo de antenas son a la vez emisoras y receptoras de energía. Pueden

diferenciarse dos tipos: Antenas de conmutación y antenas de dos dipolos. La primeras

tienen una única espira que puede actuar como emisora y como receptora de energía.

Para ello se incluye un conmutador que va modificando su actuación. Al inicio de cada

traza, la antena funciona emitiendo el pulso de energía de corta duración pasando

inmediatamente a funcionar como receptora. Tras un tiempo de recepción (que varía

según la antena), vuelve a conmutar la función y de nuevo emite pulsos. Las antenas de

dos dipolos presentan en el interior de la carcasa, dos dipolos separados; uno de ellos

funciona como emisor, mientras el otro es receptor. La separación de las dos espiras es

constante y se desplazan juntas con una única carcasa que las cubre a ambas.

3.1.2.2. Antenas Biestáticas

Se componen de dos módulos separados. Por un lado se tiene la antena emisora y por

otro la antena receptora. La independencia entre la emisora y la receptora permite variar

la distancia entre ambas. Esta característica permite calcular velocidades aparentes de

propagación de onda utilizando técnicas similares a las que se emplean en prospección

sísmica con estudios de punto medio común.

3.2. Equipos Complementarios

Con el fin de facilitar la adquisición de los datos, el georradar cuenta con una serie de

accesorios o equipos complementarios, los cuales se describen a continuación.

- Pantalla: Se vincula a la unidad central con el fin de obtener una visión en tiempo

real de los registros adquiridos.

- Odómetro: Al igual que la pantalla es conectado a la unidad central y es utilizado

para determinar con mayor precisión la longitud de los registros.


3.3. Características del equipo empleado

A continuación se exponen las partes que conforman el equipo de GPR empleado en la

exploración indirecta; es un equipo producido por la firma sueca Mala, reconocida por su

trabajo en geofísica desde hace más de medio siglo.

- Unidad Central de proceso (Mala ProEx)

Este componente contiene la unidad de proceso del georradar. Se encarga de recibir los

datos emitidos y reflejados por las entenas (emisora y receptora, respectivamente),

procesarlos y enviarlos a la pantalla de control, en donde se almacenan en formato x86

con el sufijo .rad.

El procesamiento consiste en la ejecución de los procesos matemáticos resultantes de

medir los tiempos de salida y de llegada de las ondas ante los cambios en las

propiedades electromagnéticas de los materiales subyacentes.

La unidad central ProEx posee una serie de interfaces para la conexión de terminales

electrónicas que conectan las antenas para la emisión y recepción de datos (estas

terminales son únicas para cada tipo de antena). Igualmente, la unidad central se

conecta directamente con el odómetro encargado de medir la distancia recorrida por las

antenas sobre la zona de prospección.

Capítulo 3 21

Figura 3-1. Unidad central de proceso Mala ProEx

La unidad central cuenta con una fuente de alimentación de corriente continua

consistente en una batería de 12 voltios.

- Antena de 50 MHz

Si bien existen varios tipos de antenas para GPR (como se puede apreciar en la Figura

3-2), se abordará específicamente la antena empleada en el presente trabajo: La antena

de baja frecuencia de 50 MHz; este tipo de antena se emplea para exploraciones

relacionadas con geología y geotecnia debido a su capacidad de penetración en el suelo

de acuerdo con las investigaciones realizadas por las compañías dedicadas al estudio y

producción de este tipo de equipos, las ondas electromagnéticas de baja frecuencia (16 a

100 MHz) emitidas por un GPR, permiten penetrar los suelos hasta profundidades

cercanas a los 60 m. A título ilustrativo las antenas de frecuencias medias (200 a 600

MHz) penetran los suelos típicamente hasta una profundidad de 8 m, mientras que las

antenas de denominadas como de alta frecuencia (900 a 1200 MHz) penetran un máximo

de 0.5 m.

La antena de 50 MHz es similar a una manguera de 9 m de longitud que posee dos

emisores (a los 3 m y a los 6 m) y un receptor a todo lo largo de la antena, de tal manera

que los dos emisores sincronizados arrojan los pulsos electromagnéticos a medida que el

operario arrastra el equipo sobre el sector de estudio.

Tanto los emisores como el receptor están emitiendo permanentemente, lo que implica

que al percibir variaciones en la velocidad de retorno de las ondas (provocadas por los


cambios en las propiedades electromagnéticas de cada material) la antena registra

electrónicamente el evento para que la unidad central lo procese y lo convierta en

información legible por el software ubicado en la pantalla de control, de manera tal que el

operador pueda observarlo o por lo menos para que quede registrado para su posterior

análisis mediante herramientas informáticas específicas.

Figura 3-2. Antenas producidas por la firma Mala: a) Antena de alta frecuencia de 1000 MHz b) Antena de media frecuencia de 400 MHz c) Antena de baja frecuencia de 50 MHz (como la empleada en el presente trabajo)

- Monitor de control Ramac XV 11

Esta parte del equipo es un microcomputador con sistema operativo que carga de

manera nativa un software que permite configurar el GPR en lo relacionado con:

Profundidad a alcanzar, método de emisión de ondas (por desplazamiento horizontal con

odómetro o por tiempo), inicio y final de la medición, almacenamiento de archivos con

cada una de las mediciones, imagen en directo del subsuelo explorado y características

de la onda captada y de la onda emitida.

Capítulo 3 23

Figura 3-3. Monitor de control Mala Ramac XV 11

3.3.1. Toma de datos en campo

El procedimiento a seguir para la toma de información en campo consiste en el

desplazamiento sobre el área a explorar arrastrando la antena por la superficie, tal y

como se puede apreciar en la figura 4.4

Figura 3-4. Descripción del ensayo

Al desplazar la antena todoterreno por encima del área de estudio, el equipo emite (a

medida que el operario se desplaza) una serie de pulsos electromagnéticos que varían

su velocidad de desplazamiento dependiendo de las características electromagnéticas

del material por el cual se desplazan; al detectar un cambio en esa velocidad, el GPR

traza una anomalía en la gráfica indicando cambio de material o presencia de un objeto o

Unidad central de

proceso

Onda

emitida

Onda

reflejada

Antena de 50 MHz

Monitor

de control


estructura subyacente. El radargrama se genera al graficar cada uno de esos pulsos

emitidos y reflejados por los materiales presentes en el subsuelo.

3.4. Procesamiento de datos e interpretación

La base de la diferenciación de estratos realizada por el georradar es una combinación

de la aplicación de filtros sobre las ondas electromagnéticas reflejadas y el análisis de la

resistividad de cada capa del suelo, la cual consiste en la cantidad de energía que el

suelo quita a la onda electromagnética y el valor de la velocidad de la misma onda en un

período determinado. Las herramientas para el procesamiento son de dos tipos: Las de

ganancia y los filtros.

3.5. Herramientas informáticas para interpretación

Luego de la toma de datos en campo, se debe hacer uso de una o varias herramientas

informáticas dependiendo del alcance que se quiera dar a los radargramas; en una

prospección simple de detección de estructuras, oquedades u objetos en general se

pueden emplear aplicaciones informáticas sencillas que evidencian la presencia de estos

elementos en el subsuelo; para obtener con precisión el contacto entre materiales con

fines de análisis geotécnico se debe emplear software especializado que permita limpiar

interferencias, eliminar ruido electromagnético, agregar contrastes y una serie de

procesos matemáticos para establecer la existencia y continuidad de cada estrato.

Para el procesamiento de los datos y de las imágenes obtenidas por el GPR, existen

varios programas de análisis, siendo los más destacados, Radan, Ground Vision y

RadExplorer; cada herramienta cuenta con sofisticados sistemas de análisis, los cuales

incluyen tanto funciones de adquisición de datos como herramientas para realizar el post

procesamiento utilizando filtros que pueden limpiar la señal adquirida. Para el presente

trabajo se empleó el programa RadExplorer, con el cual se realizaron todos los análisis.

Esta aplicación cuenta con todos los filtros desarrollados para el procesamiento de datos

obtenidas por reflexión de ondas electromagnéticas y permite obtener imágenes

(denominadas radargramas) con la claridad suficiente para determinar interfaces entre

materiales y/o la presencia de estructuras subyacentes.

Un radargrama está compuesto por una sucesión de trazos verticales denominados

traces. Cada uno de los traces corresponde a un pulso que se desplaza y retorna desde

Capítulo 3 25

la superficie hasta el límite de profundidad predeterminado y regresa a su origen. Durante

la toma de datos en campo es indispensable registrar las características del sector de

estudio en la superficie (para fines topográficos) y preferiblemente contar con un registro

de perforación realizado en la zona (para fines de calibración).

3.5.1. Software de procesamiento RadExplorer

El procesamiento de las imágenes obtenidas en campo se realiza mediante el software

RadExplorer desarrollado por la firma rusa RadExpro. Esta aplicación permite, mediante

una serie de filtros basados en complejos procesos matemáticos, limpiar la imagen

obtenida por el GPR para establecer con precisión las interfaces entre los materiales

subyacentes, las posibles estructuras presentes en el subsuelo y la profundidad a la que

estas se encuentran.

Los filtros y herramientas que posee esta aplicación son:

- Band Pass

- Background Removal (BR) - Subtract Mean Trace (SMT)

- Running Average

- DC Removal

3.5.2. Herramientas de ganancia

Las herramientas de ganancia permiten realzar la amplitud de una señal cuando esta es

muy tenue.

AGC (Automatic Gain Control): Sirve para igualar la amplitud de una traza, sobre cada

una individualmente. El AGC calcula la amplitud media (sobre el cuadrado de la misma)

de una ventana temporal y luego multiplica a todos los valores por este valor.

Time-varying Gain (ganancia temporal): Sirve para compensar pérdidas por atenuación

eléctrica y por el carácter expansivo de la onda transmitida. El Time-varying Gain

aumenta la amplitud de una traza multiplicando el dato por dos funciones crecientes en el

tiempo. Una de estas es una función lineal y la otra es una exponencial. Los datos que

corresponden a un tiempo mayor obtienen una ganancia mayor.


3.5.3. Filtros

Band Pass: Este es un filtro que selecciona las frecuencias dentro de la señal recibida.

Una señal puede ser descompuesta en una combinación lineal de frecuencias. Este filtro

elimina la contribución de las frecuencias bajas (Lowercut- off frequency) y las de las

frecuencias altas (Highercut-off frequency). Por lo general se eliminan frecuencias

menores a la mitad y superiores al doble de la frecuencia de la antena transmisora. La

antena receptora detecta señales electromagnéticas, el pasa-bandas filtra aquellas

señales que no.

Background Removal (BR) - Subtract Mean Trace (SMT): Estos dos filtros pertenecen

al grupo llamado filtros horizontales. El primero (BR), ayuda a reducir el ruido de fondo.

Se entiende como ruido a las señales que aparecen en algunas trazas y desaparecen en

otras, por lo que el BR reduce los rasgos horizontales. El SMT hace algo muy similar al

BR en su modo running average (promedio punto a punto), reduciendo los rasgos

horizontales. En el modo total average (promedio sobre todas las trazas), busca eliminar

los rasgos de horizontalidad marcada para que se destaquen aquellos que tienen un

cierta pendiente (reflectores inclinados o hipérbolas).

Running Average: Este filtro es una combinación de filtros verticales y horizontales. Su

principal aplicación es eliminar rasgos muy marcados entre datos cercanos (esto es,

temporalmente o en trazas vecinas).

DC Removal: En los casos donde la antena receptora está acoplada a una señal

continua muy fuerte, este filtro cumple la función de restar la componente no nula de la

amplitud sobre la cual se encuentra la señal reforzada.

3.6. Ejemplo del procesamiento de un radargrama

A continuación se describe el proceso realizado para la obtención final de un radargrama

tomando como ejemplo una lectura realizada en la línea numero 8 del presente trabajo.

En esteb radiograma pueden identificar dos materiales diferentes. En la figura a

continuación se muestra la imagen de un radargrama sin ningún tipo de procesamiento.

Capítulo 3 27

Figura 3-5. Gadargrama sin procesar

3.6.1. Aplicación de filtros

Para el procesamiento de datos de los radargramas se utilizan filtros, los cuales permiten

eliminar el “ruido” generado por distintos factores en campo; estos factores pueden ser,

presencia de motores de vehículos, señales de alta frecuencia provenientes de torres de

transmisión de telefonía celular o de radio, campos electromagnéticos provocados por

cableado eléctrico de alta tensión, estructuras metálicas cercanas, etc.

- Time-zero adjustment

Este primer filtro se aplica para definir el cero de referencia de la imagen, para el caso de

la definición de estratos, será la superficie actual del terreno; una vez seleccionado el

filtro aparecerá una línea roja punteada que muestra el cero actual tomado por el

programa (parte superior del redargrama); para mostrar la profundidad en metros se hace

necesario remitirse a la barra de herramientas de dibujo y seleccionar el ícono de la

regla. Una vez se haya seleccionado el filtro se debe ir a la pestaña de los parámetros de

módulo y ajustar la barra del First Brake, la cual permitirá bajar el cero de referencia al

lugar donde necesite el usuario; para el caso de la definición de estratos será la

superficie del terreno.


- DC removal

Este filtro permite eliminar de la imagen el ruido provocado por variaciones eléctricas del

subsuelo; el ruido de este origen se revela como puntos y líneas de color gris claro u

oscuro a lo largo del radargrama, como se aprecia en la figura a continuación.

Figura 3-6. Ruido electromagnético presente en los radargramas

Después de seleccionar el filtro, se pueden digitar las correlaciones correspondientes en

función del tiempo, para que se atenué la basura registrada por los” TRACES”, a menor

tiempo relacionado, la corrección será más somera, y la imagen se verá menos afectada;

para cada lectura realizada es necesario realizar la menor alteración posible para cada

filtro aplicado, con el fin de mantener las propiedades iniciales de la imagen.

- Trace edit

Este filtro se utiliza para remover los traces erróneos generados en la toma del ensayo en

campo; generalmente aparecen como líneas verticales negras debido a la falta de

información contenida en el trace.

Se selecciona el filtro trace edit y en el model parameter, se selecciona la opción select

traces y se seleccionan en la imagen los traces que están erróneos; inmediatamente

después de escogidos una “X” aparece en la parte superior.

Una vez se escoge la opción de correr el filtro, se limpiarán las líneas erróneas y la

imagen quedará lista para continuar el proceso.

Ruido

electromagnético

presente en la

imagen

Capítulo 3 29

- Background removal

Comúnmente en un ensayo de GPR se obtienen reflejos no solo del objetivo deseado

sino también de muchos elementos diferentes, a estos se les llama clutters.

Adicionalmente, la señal se ve distorsionada por la onda directa, el efecto de

acoplamiento de las antenas y el sonido de fondo. Con el fin de extraer con éxito la

imagen real, estos efectos extra de ruido tienen que ser eliminados; aunque los clutters

no pueden ser removidos en su totalidad, las técnicas utilizadas por el filtro background

removal suprime su influencia en gran medida.

- Amplitude correction

La aplicación de este filtro aclara la imagen y define los detalles del radargrama; en

module parameter se selecciona ejecutar el comando, este filtro define la parte profunda

del radargrama, definiendo con precisión los estratos detectados.

Figura 3-7. Gadargrama con los filtros aplicados

Superficie del terreno

Anomalías correspondientes a

cambio de material


3.6.2. Selección de estratos

Una vez aplicados los filtros se procede a seleccionar los diferentes estratos

encontrados.

El modelado es el proceso mediante el cual se ajustan las profundidades de los estratos

hallados y se colorea cada uno de ellos para aumentar el contraste entre los materiales.

Cuando en las opciones se encuentra seleccionada la pestaña edit model, todo dentro de

la imagen es modificable; se pueden seleccionar velocidades de los materiales, grosor,

inclusión de polígonos etc.; cuando se selecciona la pestaña convert to depth, se muestra

el resultado final del radargrama con profundidad real.

El model transparency difumina la imagen de fondo para que durante el proceso de

identificación de materiales y en el resultado final se puedan apreciar mejor los estratos

definidos.

La definición de los materiales en el RadExplorer se hace por medio de la selección de

polígonos; estos están compuestos por líneas consecutivas de picks (Puntos escogidos

por el usuario que definen la separación de materiales).

Los piks se pueden escoger mediante la herramienta en la barra de dibujo. Una vez

seleccionado el comando, simplemente se señalan los puntos donde se aprecia la

continuidad del estrato, tal y como se muestra la figura a continuación.

Figura 3-8. Definición de materiales por picks

Interface identificada

entre materiales

Capítulo 3 31

Una vez hecha la separación de materiales es necesario crear un polígono con la opción

“nuevo” desde picks (New from picks) y el programa solicita que sea seleccionada el área

entre las líneas que se encuentra el polígono a modelar; inmediatamente después se

selecciona el color y nombre del estrato contenido dentro de este polígono.

Figura 3-9. Radargrama con materiales identificados

3.6.3. Determinación de la profundidad de los contactos

Una vez terminado el proceso de selección de polígonos es necesario realizar la

calibración de la profundidad, para lo cual es necesario establecer la velocidad de

propagación de las ondas o la constante dieléctrica del medio; para esta tarea se puede

utilizar uno de los métodos descritos a continuación.

- Método 1: Calibración mediante sondeo

Sin embargo dada la variabilidad de los datos de constante dieléctrica para cada

material, es posible establecer la velocidad de propagación de las ondas mediante el

conocimiento de la estratigrafía del sector de estudio. La metodología consiste en realizar

una línea GPR en un punto donde se haya efectuado un sondeo directo y de esta

manera, en la interpretación de los resultados, se correlaciona la posición de los

contactos identificados en la exploración directa con los eventos registrados como

interfaces en el radargrama. Una vez realizada la calibración, el proceso de interpretación

Material 1

Material 2


se da por terminado obteniendo el resultado que se muestra en la Figura 3-10. Es

importante mencionar que en varias de las líneas GPR realizadas se realizó mas de un

sondeo, por lo que se efectúo la calibración con cada uno se las perforaciones realizadas

y para efectos de interpretación y análisis de resultados fue seleccionada la que

presentara mayor fidelidad con los contactos detectados mediante exploración directa.

Figura 3-10. Radargrama terminado

Dentro del proceso de selección de los materiales es importante tener en cuenta que no

todas las líneas encontradas corresponden a un cambio en las propiedades de los suelos

encontrados, por consiguiente no se consideran cambios de estratos; para definir un

estrato se buscan líneas que tengan continuidad a lo largo del radargrama o que cierren

con un vértice.

Los diferentes tipos de líneas presentadas en una imagen pueden representar diferentes

objetos; por ejemplo una parábola invertida puede señalar la existencia de algún objeto

sólido, rocas o tuberías a lo largo del trazado; en el ejemplo se pueden observar varias

formaciones de parábolas hacia el final de la lectura, las cuales corresponden a

materiales fracturados.

- Método 2: Resultados de laboratorio

Ejecución de ensayos de laboratorio, donde se puede obtener la constante dieléctrica de

materiales provenientes de la zona de estudio. A través de las relaciones de fase donde

Material 1

Material 2

Escala de

profundidad

Capítulo 3 33

por medio de investigaciones realizadas es posible relacionar propiedades físicas de los

suelos como saturación, porosidad y humedad con las propiedades electromagnéticas,

en este caso especifico la constante dieléctrica. Con base en lo anterior fueron

ejecutados ensayos para determinar la gravedad especifica (Gs) a algunas de las

muestra obtenidas y cuyos resultados se presentan en el anexo correspondiente a la

exploración del subsuelo.

Para la determinación de la constante dieléctrica a partir de las propiedades físicas del

suelo han sido utilizadas las propuestas de Hara y Sakayama (1984) y Moreno y Montes

(2003), para medios de tres fases (aire, agua y solidos), en donde se relaciona la

constante dieléctrica del material con la saturación y la porosidad, como se muestra en

las ecuaciones a continuación.

Hara y Sakayama (1984)

√ (( )√ √ ) ( )√

Moreno y Montes (2003)

( ) ( ) ( ) ( )

Donde,

Teniendo en cuenda lo anterior los valores de constante dieléctrica del agua, aire y de la

parte solida han sido adoptados como constantes a partir de valores medidos en

investigaciones anteriores, específicamente Moreno y Montes (2003), lo cual es


consistente con (Pérez, 2001), donde establece los siguiente: , y

.

Capítulo 4. Metodología

El presente trabajo es una combinación de investigación, labor de campo y comparación

de datos obtenidos para determinar la coincidencia o la imprecisión de la detección

mediante GPR (exploración indirecta) con los registros de perforación (exploración

directa). Se estableció un particular interés por obtener los espesores de los estratos

identificados y la posición del nivel freático que arroja el GPR para compararlos con los

datos obtenidos de la exploración directa y determinar la fiabilidad del uso de esta

tecnología.

A continuación se describen las actividades desarrolladas para alcanzar los objetivos

propuestos:

4.1. Investigación

Se revisó y analizó la información disponible acerca de la prospección geotécnica

mediante la utilización de GPR, así como las normas técnicas vigentes para el uso de

esta tecnología y su aplicación práctica. También se revisaron los trabajos relacionados

con el uso de esta tecnología, los proyectos de investigación y tesis elaborados para

optar títulos de maestría y doctorado en diferentes universidades nacionales e

internacionales, así como los últimos trabajos presentados en congresos, los cuales

sirvieron de guía para llevar a cabo el presente estudio.

Se hizo una revisión de los estudios de suelos ejecutados por diferentes compañías en el

área de estudio con el fin de identificar y recopilar información de sondeos efectuados

con toma de muestras inalteradas en las que se hubieran determinado las propiedades

físicas de los materiales que conforman el perfil estratigráfico en el sector. Para el

presente documento se reunió la información de tres campañas de exploración directa

(desarrolladas por diferentes compañías) de las cuales se presentan los resultados

obtenidos por los sondeos.


Cabe anotar que el equipo empleado cumple con la normatividad ASTM D 6432 – 99

(reaprobada en 2005).

Se realizó la evaluación geológica con el fin de definir la constitución, origen y

comportamiento de los materiales que conforman el perfil estratigráfico en el sector

estudiado con base en los documentos existentes sobre geología regional y local.

4.1.1. Geología regional

La zona seleccionada para la ejecución del presente trabajo corresponde a un área de

aproximada de 108,000 m2, localizada en el área urbana del municipio de

Dosquebradas.

El área de estudio seleccionada se localiza al norte del municipio de Dosquebradas,

Risaralda. En la figura a continuación se presenta la localización del estudio.

Figura 4-1. Localización geográfica, general y específica del sector de estudio

La evaluación de las características geológicas generales del área de estudio se

identifican según la información registrada en los estudios de Geología correspondientes

Capítulo 4 37

a la Geología de la Plancha 224 Pereira, del Servicio Geológico Colombiano (Antiguo

Ingeominas), año 1984 versión digital 2009, a escala 1:100.000.

A nivel regional, se identifica una geología compleja, donde se pueden encontrar rocas

metamórficas paleozoicas que conforman el Complejo Cajamarca (Pa y Pe), rocas

ígneas Cretáceas y terciarias de origen intrusivo y extrusivo, donde se identifican en

primera instancia las unidades Stock Gábrico de Pereira (Kgp), Grupo Diabásico (Kvo) y

Pórfidos Andesíticos de Pereira (Tpp), además de rocas cretáceas sedimentarias de la

unidad superior del Grupo Dagua (Kso), se identifican depósitos cuaternarios donde

inicialmente encontramos flujos de lodos y cenizas de la unidad Qto, formados a partir de

actividad volcánica reciente, Depósitos de Pendiente (Qtl), conformados por materiales

residuales de las formaciones geológicas circundantes afectadas por procesos de

denudación (principalmente por la afectación de las aguas de infiltración en épocas de

altas lluvias); por último, se encuentran depósitos recientes de origen aluvial, los cuales

se localizan próximos a los principales ríos y quebradas y su composición es variable

donde se puede evidenciar algunos bloques redondos a sub-redondos embebidos en una

matriz generalmente arenosa y en menor proporción areno arcillosa a areno limosa. Las

últimas dos unidades geológicas mencionadas interactúan directamente con el sector de

estudio.

El área de estudio está afectada por una tectónica regional, que afecta el sector

denominado Depresión Intramontañosa del Cauca, localizada entre las cordilleras

Occidental y Central; esta se encuentra regida a partir de cuerpos plutónicos que

intruyeron las rocas suprayacentes y han generado un metamorfismo de grado medio en

estas, además de distintos lineamientos de falla y un intenso fracturamiento en las rocas,

donde se presentan zonas de infiltración, las cuales en épocas invernales actúan como

factor detonante (junto con el agua infiltrada) ante la alteración de las rocas y

movimientos de las diferentes cuñas y fallas planares en los afloramientos rocosos. En el

área de estudio se logran identificar algunas fallas inferidas con dirección rumbo NE

relacionadas con la actividad regional del Sistema de fallas de Romeral; este sistema rige

en gran proporción la actividad tectónica correspondiente a la cordillera Central. Estas

fallas también siguen una secuencia en la dirección de rumbo de las fallas principales

próximas al sector de estudio, como lo son las de Quebrada Nueva y Toro localizadas al

occidente del área de estudio, cerca al municipio de Cartago.


A partir de la actividad tectónica regional, en el área de estudio se presenta un nivel de

amenaza Sísmica alta a intermedia donde se registran valores de Aceleración Sísmica

(Aa) de 0,25.

En la Figura 4-2 se presentan las características geológicas generales del área de

estudio.

Figura 4-2. Características Geológicas Generales del Área de estudio. Tomado de La Geología de la Plancha 224 Pereira del Servicio Geológico Colombiano (Antiguo Ingeominas), año 1984 versión digital 2009, a escala 1:100.000.

4.1.2. Geología Local

En el área de estudio se pueden identificar unidades geológicas recientes no

consolidadas, donde se observan Depósitos de Pendiente (Qtl) y Aluviales (Qal), además

de la presencia de suelos residuales orgánicos de poco espesor y Rellenos Antrópicos

(Qra).

No se presenta una afectación directa por fallas geológicas; sin embargo se debe tener

en cuenta el nivel de amenaza sísmica generado a partir de la actividad de fallas

geológicas regionales ya que estas generalmente presentan un rango de afectación

amplio.

Capítulo 4 39

4.1.2.1. Litología

Se describen a continuación las unidades geológicas presentes en el sector estudiado en

orden cronológico desde la más antigua a la más reciente.

Depósitos Aluviales

Esta unidad comprende los suelos no consolidados formados a partir de la actividad de

los drenajes principales, se componen principalmente de bloques y fragmentos de rocas

redondos a sub-redondos embebidos en una matriz que varía de areno-limosa a areno-

arcillosa, también se presentan en proporciones menores algunos niveles finos

compuestos por suelos limosos y arcillosos.

Esta unidad geológica comprende la mayor parte del área de estudio, donde los

materiales más finos se ubican hacia el sector occidental entre las quebradas La

Almoladora y El Mandarino, aquí encontramos niveles de materiales limo arcillosos de

hasta 9m de espesor, suprayacidos por niveles de gravas y arenas que conforman el

estrato principal de estos depósitos. Hacia el sector oriental encontramos un predominio

de suelos arenosos y areno-limosos con presencia de gravas, los cuales aparecen a una

profundidad media de 3.5m, suprayacidos por una capa de suelos residuales blandos

que conforman la unidad aluvial afectada por procesos de denudación superficial.

Morfológicamente en esta área se observa suave a plana con algunos sectores

ondulados.

Depósitos de Pendiente

Esta unidad corresponde a suelos residuales formados a partir de la meteorización de las

rocas de las unidades geológicas adyacentes al área de estudio los cuales, a partir de

procesos hidrogravitacionales han sido transportados ladera abajo. Su composición es

generalmente fina (arcilla y limo) con menores niveles de arena y grava, con coloraciones

que van desde pardas a cafés. A partir de la exploración del subsuelo se estima que la

unidad alcanza entre los 7m y 9m de espesor.

Esta corresponde a la segunda unidad predominante en el área de estudio y se ubica en

el sector noroccidental, donde se presentan pendientes suaves y onduladas.


Depósitos de Rellenos Antrópicos

La unidad agrupa los niveles de suelos heterogéneos resultantes de obras de expansión

urbana relacionadas con viviendas, vías y rellenos utilizados en explanaciones.

4.1.2.2. Geología estructural

El área de estudio no se encuentra afectada directamente por fallas geológicas, sin

embargo se presenta una afectación a partir de fallas regionales cuya magnitud hace que

su rango de afectación sea muy extenso, donde se generan fallas satélites, las cuales

son cercanas al área de estudio, tanto así que en el sector se presenta un nivel de

amenaza sísmica alto a intermedio, regido a partir de la actividad de las fallas principales

próximas al sector.

4.1.2.3. Fallas

A continuación se describen las fallas geológicas principales que interactúan con la

actividad tectónica en el área de estudio.

Sistema de fallas de Romeral

Es uno de los sistemas de falla más importantes del país en cuanto a su afectación

tectónica, ya que está relacionado con diferentes acontecimientos geológicos registrados

sobre la cordillera Central. Este sistema de fallas genera una afectación a partir de sus

lineamientos más occidentales localizados a pocos kilómetros al oriente del área de

estudio; estos presentan una dirección de rumbo predominantemente NE.

Este sistema de fallas es muy activo y su zona de afectación es muy extensa, donde se

registran grandes desplazamientos y buzamientos fuertes, lo cual hace que la zona sea

potencialmente crítica ante la generación de fenómenos tectónicos.

Falla de Toro

Es una falla inversa de ángulo alto a vertical que buza al occidente (W), es una falla de

actividad media, la cual hace parte del Sistema de Fallas del Cauca, donde se registran

desplazamientos significantes. Esta estructura se localiza al occidente del área de

estudio a una distancia aproximada de 35 Km al noroccidente del Municipio de Cartago.

Capítulo 4 41

Falla de Quebrada Nueva

Falla de Cabalgamiento de buzamiento variable que pone en contacto las Formaciones

Paila con el miembro Cinta de Piedra de la Formación Cauca Superior. Presenta una

actividad media y se localiza al occidente del área de estudio a una distancia aproximada

de 22 Km.

4.2. Exploración directa

Las labores consistieron en la interpretación de 13 sondeos efectuados con equipo

manual. Estas perforaciones alcanzaron profundidades entre 3,0 m y 14,8 m, como se

aprecia en la siguiente tabla:

Tabla 4-1. Exploración directa del subsuelo

Sondeo No. Nombre Profundidad

(m) Localización

Norte Este

S1 AQ-S1 11,8 535851.84 425713.51

S2 AQ-S2 7,0 535840.22 425527.98

S3 AQ-S3 8,2 535923.44 425666.50

S4 AQ-S5 3,0 535922.50 425865.85

S5 AQ-S6 5,5 535957.50 425845.64

S6 AQ-S8 9,5 535746.04 425581.21

S7 AQ-S9 9,3 535651.18 425642.32

S8 HYD-S4 14,8 535662.16 425588.11

S9 HYD-S8 14,0 535769.02 425571.42

S10 HYD-S10 6,2 535827.15 425520.98

S11 MILL-S2 12,0 535791.18 425694.63

S12 MILL-S3 10,0 535774.19 425678.53

S13 MILL-S5 12,8 535860.61 425714.88

En la Figura 4-3 se presenta la localización de cada uno de los sondeos ejecutados.


Figura 4-3. Localización sondeos directos ejecutados

Durante la ejecución de los sondeos fueron identificados visualmente los diferentes

estratos.

En los suelos en donde, debido a la elevada consistencia de los materiales finos o a la

presencia de materiales granulares no fue posible la recuperación de muestras

inalteradas, fue adelantado el ensayo de penetración estándar (SPT), con la respectiva

recuperación de la muestra alterada mediante el tubo de cuchara partida (split spoon).

Adicionalmente algunas de las muestras obtenidas fueron ejecutados ensayos tendientes

a conocer sus propiedades físicas, tales como granulometría, límites de Atterberg,

humedad natural, gravedad específica y peso unitario. En la figura a continuación se

presenta el resumen gráfico de propiedades índice de uno de los sondeos ejecutados.

S-5

S-4

S-13

S-1

S-11 S-12

S-2 S-10

S-9

S-5

S-8 S-7

S-3

Capítulo 4 43

Figura 4-4. Resumen gráfico de propiedades sondeo S1

Con el fin de caracterizar los materiales que conforman el perfil estratigráfico en la zona

de estudio fueron realizados los siguientes ensayos de laboratorio.

Tabla 4-2. Ensayos de laboratorio realizados

ENSAYO NORMA CANTIDAD

Granulometría E-123 52

Limite Liquido del Suelo E-125 20

Limite Plástico e Índice de Plasticidad E-126 20

Humedad Natural E-122 52

Corte directo E-154 2

Gravedad especifica E-128 3

Los resultados de los ensayos realizados se presentan en el anexo C del presente

documento.

Proyecto:

Fecha: 20/04/2015

Arenas limosas de color café.

RESUMEN DE PROPIEDADES FÍSICAS Y MECÁNICAS

Aquaterra -Sondeo 1

limo de color café claro y gris, con vetas amarillas y ferrosas.

0 30

0.00

1.00

2.00

3.00

4.00

5.00

6.00

7.00

8.00

9.00

10.00

11.00

12.00

0 50 100

0.00

1.00

2.00

3.00

4.00

5.00

6.00

7.00

8.00

9.00

10.00

11.00

12.00

050100

0.00

1.00

2.00

3.00

4.00

5.00

6.00

7.00

8.00

9.00

10.00

11.00

12.00

075150

0.00

1.00

2.00

3.00

4.00

5.00

6.00

7.00

8.00

9.00

10.00

11.00

12.00

MH

qu (ton/m2)LLLPIP

FinosSPT

% W

MH

CL

MH

A

Propiedades físicas y mecánicas

N.F.


- Perfil estratigráfico promedio

Con base en la exploracion del suelo ha sido posible establecer el perfil estratigrafico

típico del área en estudio el cual se describe a continuacion.

Desde la superficie actual del terreno y hasta una profundidad variable entre 3 y 10 m se

reporta la presencia de arcillas y limos de color amarillo y café de consistencia blanda a

media, humedad alta, plasticidad alta a muy alta, que clasifican en el sistema unificado

de calsificación de suelos (USCS) como CH y MH y presenta valores de humedad natural

variables entre 33,6 y 199%, limite liquido entre 26,9 y 146,8%, en índice de plasticidad

entre 19,4 y 96,6%. Presentan valores de resistencia al ensayo de penetración estándar

(SPT) entre 4 y 16 golpes/pie, estos materiales corresponden a la capa superficial de

depósitos aluviales (Qal1) que por procesos de meteorización de composición limosa y

arcillosa.

Seguido al estrato anterior y hasta la maxima profundiad de exploracion se reportan

arenas y gravas de compacidad densa a muy densa, que presentan valores de rechazo

al ensayo de penetracion estandar (SPT). Estos materiales corresponden a depósitos

aluviales de composicion arenos y limosa en proporciones variables (Qal2).

Con el fin de analizar la variacion del perfil estratigrafico en toda el area de estudio, se

procedió a la realizacion de cinco secciones transversales donde se integran los

resultados de la exploracion del subsuelo. En la figuras a continuacion se muestra la

localizacion de las secciones evaluadas.

Capítulo 4 45

Figura 4-5. Secciones estudiadas

Figura 4-6. Perfil estratigráfico Sección A-A’

A

A’

B

C

D

E

B’

C’

D’

E’


Figura 4-7. Perfil estratigráfico Sección B-B’

Figura 4-8. Perfil estratigráfico Sección C-C’

Figura 4-9. Perfil estratigráfico Sección D-D’

Capítulo 4 47

Figura 4-10. Perfil estratigráfico Sección E-E’

Figura 4-11. Perfil estratigráfico Sección F-F’

4.3. Exploración indirecta

Se elaboró una cuadrícula sobre la cual se desplazó el equipo de GPR de manera tal que

los resultados obtenidos (radargramas) se compararan con los resultados de los registros

de perforación.

4.3.1. Labor de campo y resultados de la exploración indirecta

Se llevaron a cabo 10 líneas de georradar distribuidas en dos “mallas” o “cuadrículas”. El

propósito de hacer esta subdivisión del terreno tuvo dos motivaciones: En primer lugar,

una línea de georradar muy larga presenta dificultades para su análisis y visualización;

por otra parte, se estableció esta disposición con el fin de generar un modelo que

cubriera el área más amplia posible y correlacionar así el perfil estratigráfico en toda la

zona de estudio.


Tabla 4-3. Exploración indirecta del subsuelo

Numero Línea

Longitud (m)

Localización

Inicio Fin

Norte Este Norte Este

L1 150 535932.98 425900.08 536070.76 425862.45

L2 111 535847.48 425733.21 535943.75 425677.27

L3 193 535977.77 425873.59 535889.36 425708.88

L4 98 535939.77 425889.46 535820.55 425762.92

L5 152 535755.50 425713.13 535895.32 425653.51

L6 205 535685.63 425606.17 535881.03 425544.11

L7 174 535676.56 425549.32 535830.19 425481.26

L8 207 535880.01 425678.63 535813.08 425485.43

L9 231 535778.83 425714.26 535732.45 425497.47

L10 200 535737.87 425714.09 535661.84 425540.83

Figura 4-12. Toma de GPR en la zona de estudio

En la figura a continuación se presenta la localización de las líneas GPR realizadas.

Capítulo 4 49

Figura 4-13. Localización líneas GPR

Tal y como se describió en el numeral 3.5., los registros obtenidos en campo por medio

de GPR han sido procesados con el fin de determinar la secuencia estratigráfica,

obteniendo radargramas que representan claramente la existencia de dos estratos

característicos con propiedades electromagnéticas sustancialmente diferentes, los cuales

se ven reflejados en las discontinuidades presentadas en los registros. En la Figura 4-14,

se presenta el radargrama correspondiente a la linea 8 donde se puede observar el

contacto entre materiales (los radargramas correspondientes a las demas lineas

ejecutadas se presentan en el Anexo C).

L1

L2

L4

L5 L6

L7

L8

L9

L10

L1

L2

L3

L4

L5 L6

L7

L8

L9

L10


Figura 4-14. Radargrama Línea 8

Es importante mencionar que aunque se pueden apreciar contactos definidos entre los

materiales, el eje “Y” del radargrama corresponde a tiempo en nano segundos, por lo que

para determinar la profundidad de estos cambios de material se ha optado por usar la

metodologia mencionada en el numeral 3.6.3. “Valores de referencia”, otorgando datos

de constante dieléctrica al estrato superfical obtenido mediante investigaciones previas y

cuyos resultados se presentan en la Tabla 2-1. Una vez asignado este valor es posible

establecer la velocidad de propagacion de onda en el material seleccionado y de esta

manera calcular la profundidad del estrato dado que se cuenta con el tiempo de llegada

de la onda y la velocidad, para lo cual fue utilizado el software RadExplorer.

Con base en la geología local del sector ha sido posible determinar los materiales que

conforman el perfil estratigráfico;en la parte superior corresponden principalmente a limos

con presencia de arena de consistencia blanda, por lo que según la Tabla 2-1 es posible

asignar un valor de constante dielectrica entre 3 y 40.

Teniendo en cuenta lo anterior y la variabilidad de la constante dieléctrica se evaluó la

posible profundidad del estrato mediante el uso de 5 valores (3, 7.5, 12, 26 y 40), para

cada una de las lineas efectuadas. Los valores de profundidad presentados

corresponden a la posicion donde se realizo alguna de las perforaciones con el fin de

posteriormente realizar una comparacion entre los valores obtenidos y los reales. En la

tabla Tabla 4-4 se muestran los resultados.

Anomalías que representa el

contacto entre materiales

Superficie del terreno

Material 1

Material 2

Capítulo 4 51

Tabla 4-4. Cálculo de la profundidad de contacto de los estratos

GPR POSICIÓN (m)CONSTANTE

DIELÉCTRICAPROFUNDIDAD (m)

3 6

7.5 4.3

12 3.6

26 2.8

40 2.6

3 14.2

7.5 9.7

12 8

26 6

40 5.3

3 8.7

7.5 6.1

12 5

26 4

40 3.6

3 4.2

7.5 3.2

12 2.8

26 2.5

40 2.2

3 16

7.5 10.8

12 9

26 6.7

40 5.6

3 11.8

7.5 8

12 6.8

26 5

40 4.5

3 9.2

7.5 6.5

12 5.6

26 4.5

40 3.7

3 13

7.5 9

12 7.5

26 5.7

40 4.9

3 14

7.5 9.8

12 8

26 6

40 5.1

3 11

7.5 7.8

12 6.2

26 4.8

40 4.1

L10

L1

L2

L3

L4

L5

L9

100

35

156

29

114

L8

112

L7

29

L6

32

90

98


Figura 4-15. Variación de la profundidad en función de la constante dieléctrica

De la grafica anterior se pueden identificar 2 grupos de datos que presentan

comportamientos similares en cuanto a la posición del contacto de los estratos; el

primero con los resultados correspondientes a las líneas L1, L3 y L4 con posibles

espesores del estrato superior entre 2.2 y 7.3 m, mientras que las demás líneas

presentan valores superiores a los registrados en los ensayos anteriormente

mencionados. Con base en lo anterior es posible establecer que el área evaluada puede

ser dividida en dos sectores con respecto al espesor del estrato superficial ya que los

GPR que arrojan valores similares de profundidad presentan cercanía en cuanto a su

localización geográfica, como es el caso del primer grupo de líneas GPR que se

encuentran en la zona nororiental del área evaluada (Sector 1), mientras que el sector 2

corresponde a la superficie restante, así como se presenta en la figura a continuación.

Capítulo 4 53

Figura 4-16. Zonificación mediante lecturas GPR según profundidad de contacto.

Además en la Figura 4-15 se puede apreciar que para los radargramas de la Zona 1, la

variación de la profundidad de contacto disminuye cuando se asignan valores mayores a

12 de constante dieléctrica, lo que indica que la velocidad de desplazamiento de las

ondas electromagnéticas emitidas tiende a estabilizarse a medida que la constante

dieléctrica supera dicho valor, comportamiento que no se aprecia en los GPR de la Zona

2, que aunque se observa un descenso en la pendiente de la línea sigue siendo

importante la variación de la profundidad de contacto con el aumento de la constante

dieléctrica. Es importante resaltar que si bien se observan comportamientos

característicos en los resultados, esto no da una certeza de cual sea la velocidad de

propagación y por ende la profundidad de contacto exacta en el sector.

Por otra parte, y con animo de analizar que tan susceptible es la constante dieléctrica en

función de la profundidad de contacto para cada una de las líneas GPR efectuadas, se

L1

L2

L3

L4

L5 L6

L7

L8

L9

L10

ZONA 1

ZONA 2


estableció un espesor fijo del estrato superior de 4.5 m (profundidad seleccionada

aleatoriamente), para así determinar el valor de constante dieléctrica en cada una de las

líneas, obteniendo los siguientes resultados.

Tabla 4-5. Constante dieléctrica para una profundidad de contacto de 4.5 m

Figura 4-17. Constante dieléctrica para una profundidad de contacto de 4.5 m

De la tabla y figura anterior, se puede observar una gran variabilidad de la constante

dieléctrica para una misma profundidad de contacto (4.5 m), hasta el punto de obtener

valores superiores a los planteados por la bibliografía para este tipo de material como es

el caso de las líneas L2, L5, L8, L9 y L10; lo que indica claramente que el espesor de los

GPR PROFUNDIDAD (m) CONSTANTE DIELECTRICA

L1 7

L2 56

L3 19

L4 1.7

L5 56

L6 40

L7 26

L8 47

L9 49

L10 46

4.5

Capítulo 4 55

materiales superficiales (limos de consistencia blanda) es variable en el área estudiada,

ya que al tratarse de un mismo tipo de suelo, la constante dieléctrica debería presentar

valores similares. Sin embargo, al igual que en las evaluaciones previas, se aprecia un

comportamiento semejante en las líneas L1, L3 y L4, lo que propone valores cercanos en

cuanto a la profundidad del contacto entre los materiales identificados en la zona donde

se ejecutaron dichas líneas GPR, específicamente en el sector nororiental.

Finalmente se evaluó la variabilidad de la posible profundidad de contacto para cada una

de las líneas GPR realizadas manteniendo una constante dieléctrica de 7.5,que muestra

al igual que los análisis realizados previamente, una similitud en los resultados de las

líneas L1, L3 y L4, como se muestra en la figura a continuación.

Figura 4-18. Profundidad de contacto para una constante dieléctrica de 7.5

Una vez realizado el procesamiento de los registros del georradar, se puede decir que

con solo con la utilización de la técnica de prospección mediante el uso del GPR, no es

posible establecer la localización exacta de los contactos entre materiales, debido a que

sin la ejecución de sondeos directos solo se cuenta con valores de referencia para la

constante dieléctrica, que permite (como se mostró en el desarrollo del presente numeral)

establecer rangos posibles de la posición de la interface que para este caso especifico de

la zona compuesta donde se localizaron los GPR nombrados L1, L3 y L4 fue calculada


entre 2.2 y 7.3 m, mientras que para las demás sectores fue se determinaron

profundidades entre 4.1 y 16 m.

Finalmente, otro aspecto de gran importancia en la interpretación de los radargramas

consiste en la es la identificación de la posición del nivel freático la cual típicamente es

posible localizar debido a la presencia de anomalías a lo largo del registro, sin embargo

en el presente trabajo no fue posible identificar este tipo de anomalías en ninguno de los

radargramas, debido posiblemente a la baja frecuencia de las ondas emitidas (50 MHz) lo

que se refleja en registros de baja resolución.

Capítulo 5. Análisis de resultados

En este apartado se presenta la comparación de los resultados obtenidos por medio de la

exploración directa (mediante la ejecución de sondeos) y los radargramas realizados

para la determinación de la posición de los contactos entre materiales presentes en el

área de estudio.

Terminadas las actividades de exploración del subsuelo, se ejecutó el procesamiento de

los datos obtenidos con el GPR, mediante el uso del software especializado RadExplorer,

con el que mediante uso de sus filtros y herramientas se identificaron los estratos

existentes en la zona evaluada. Para determinar la profundidad de contacto de dichos

estratos se optó por el uso de las dos metodologías descritas en el numeral 3.6.3, el

método 1 (Calibración mediante sondeo) consistente en determinar la constante

dieléctrica por medio de la calibración de la sección GPR con la medición real del

contacto en uno de los sondeos directos realizados en la sección en evaluación.

Por otra parte, por medio del método 2 (experimentación en el laboratorio) se determino

la constante dieléctrica mediante las relaciones con las propiedades físicas de los

materiales, las cuales fueron medidas en el laboratorio, es importante aclarar que aunque

se evaluó este procedimiento mediante dos propuestas Hara y Sakayama (1984) y

Moreno y Montes (2003).

Posteriormente los resultados de las dos técnicas son comparados con la posición real

de los estratos determinados mediante exploración directa de manera tal que se puedan

determinar los alcances y limitaciones del uso de esta técnica para la determinación de

los espesores de los estratos y la identificación del nivel freático.

Para este fin, ha sido determinada la posición de la interface entre los dos tipos de suelos

identificados en cada uno de los sondeos, que corresponde a la profundidad real de los

contactos en esos puntos, para de esta manera establecer el valor de la constante

dieléctrica para este estrato.


La determinación de la constante dieléctrica para estos puntos fue realizada a manera de

retro análisis, variando éste valor en el procesamiento de los radargramas hasta

conseguir la profundidad real del contacto y de esta manera obtener la constante

dieléctrica del material superficial en cada uno de los puntos de sondeo, en la Tabla 5-1

se muestran los resultados obtenidos.

Tabla 5-1. Profundidad real de contacto de los estratos

SONDEO PROFUNDIDAD

DE CONTACTO REAL (m) CONSTANTE

DIELÉCTRICA REAL

1 10 8.2

2 6 14.1

3 7 7.4

4 3 9.0

5 5.5 10.0

6 9 7.4

7 9 5.3

8 9.5 10.0

9 9.5 4.9

10 6 9,0

11 10.5 8.2

12 9 8.2

13 12 4.6

En virtud de lo anterior y teniendo como premisa que solo es posible asignar un valor de

constante dieléctrica para la determinación de la profundidad de los estratos en el

proceso de interpretación de los radargramas, A continuación se presenta el uso de las

dos metodologías utilizadas para la estimación del valor de constante dieléctrica y que

están descritas en el numeral 3.6.3.

5.1. Determinación de los espesores método 1

Para cada una de las líneas GPR realizadas ha sido calibrado el valor de constante

dieléctrica con uno de los sondeos ejecutados sobre la sección de análisis, esta

calibración consiste en asignar valores de constante dieléctrica al estrato superficial

hasta conseguir la que represente la profundidad real del contacto en el punto de sondeo.

En la figura 5-1. se presenta el resultado del radargrama obtenido en la línea número 2,

para el cual fue asignado un valor de constante dieléctrica igual a 4.6 que corresponde a

la determinada para la perforación 13; teniendo en cuenta que en este perfil también se

Capítulo 5 59

encuentran los sondeos 3 y 1, se calculará el porcentaje de error en la determinación de

la posición del contacto entre los materiales identificados en cada punto de sondeo.

Figura 5-1. Radargrama Línea 2

Este procedimiento fue realizado para todas las líneas GPR, con excepción de L3, L4, L5

y L7, las cuales solo presentan un sondeo sobre la sección de análisis. A continuación se

presenta los resultados obtenidos.


Tabla 5-2. Profundidad de contacto de los estratos método 1

SONDEO LÍNEA GPR CONSTANTE DIELÉCTRICA

PROFUNDIDAD DE CONTACTO (m)

1 L2 4.6 13.1

2 L6 14.1 6.0

3 L2 4.6 8.2

4 L1 9.0 3.0

5 L1 9.0 2.9

6 L6 14.1 7.2

7 L10 5.3 9.0

8 L10 5.3 10.5

9 L9 8.2 7.1

10 L8 14.1 5.9

11 L9 8.2 8.6

12 L9 8.2 9.0

13 L2 4.6 12.0

5.2. Determinación de los espesores con información proveniente de los resultados de laboratorio (método 2)

Tal y como se describió en el numeral 3.6.3, se procedió a la determinación de la

constante dieléctrica mediante la propuesta de Hara y Sakayama (1984), en donde se

relaciona esta propiedad con la saturación y la porosidad. Para lo cual fueron realizados

ensayos de gravedad especifica (Norma INVIAS 128), ensayos de humedad natural

(Norma INVIAS 122) y de peso especifico , mediante los cuales fue posible determinar la

saturación y la porosidad del material que conforma el estrato superficial para cada uno

de los sondeos, teniendo en cuenta las siguientes formulaciones para suelos

parcialmente saturados.

( )

Donde,

Capítulo 5 61

Donde,

A continuación se presenta a manera de ejemplo los cálculos realizados para la

determinación de la constante dieléctrica en la muestra 1 del sondeo 1.

Tabla 5-3. Resultados de laboratorio sondeo 1

Con base en los resultados de laboratorio presentados en la tabla anterior fue calculada

la porosidad y la saturación para cada una de las muestras evaluadas.

El valor presentado de Gravedad específica (Gs) corresponde a los resultados de los

ensayos de laboratorio, que en el caso del sondeo 1 solo fue ejecutado para la muestra

extraída a 1,50 m de profundidad. Teniendo en cuenta que se trata de un mismo estrato y

que los resultados de los ensayos de laboratorio ejecutados para todo el proyecto fueron

similares, se estableció un valor único de Gs de 2.58 para el estrato conformado por

limos de consistencia blanda.

Calculo de la saturación:

PROF W (%) LL LP IP % FINOS Gs g seco

1.50 97.1 146.8 56.1 90.7 79.4 2.58 0.731

4.50 50.4 52.5 30 22.5 63.1 1.095

7.50 38 40.9 21.5 19.4 79.9 1.3


Calculo de la porosidad:

Calculo de la constante dieléctrica método Hara y Sakayama:

√ (( )√ √ ) ( )√

√ (( )√ √ ) ( )√

Calculo de la constante dieléctrica método Moreno y Montes:

( ) ( ) ( ) ( )

( ) ( ) ( ) ( )

En la figura siguiente se muestra el resumen grafico con los resultados obtenidos de

constante dieléctrica, así como los principales resultados de los ensayos de laboratorio

ejecutados, sin embargo dada la diferencia entre las dos propuestas utilizadas para el

calculo de la constate dieléctrica, se opto por la utilización de una de ellas para los

cálculos correspondientes al presente trabajo, la metodología seleccionada es la

propuesta por Hara y Sakayama (1984).

Capítulo 5 63

Figura 5-2. Resumen grafico cálculo de la constante dieléctrica. Sondeo 1

Con base en la figura anterior se puede observar la relación entre el contenido de

humedad y la constante dieléctrica, lo cual es establecido por algunos autores, por lo que

a mayor contenido de humedad la constante dieléctrica aumenta, lo que genera que la

velocidad de propagación de la onda electromagnética disminuya ya que el agua es el

material por el que las ondas emitidas por el GPR se desplazan a menor velocidad.

Proyecto:

Fecha: Junio de 2015

Arenas limosas de color café.

RESUMEN DE PROPIEDADES FÍSICAS Y MECÁNICAS

Sondeo 1

limo de color café claro y gris, con vetas amarillas y ferrosas.

EVALUACIÓN DE LA TÉCNICA DE PROSPECCIÓN MEDIANTE EL USO DE GEORRADAR

0 20 40 60

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

0 50 100

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

01

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

075150

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

MH

Constante dielectrica

LLLPIP

SaturaciónSPT% W

MH

CL

MH

Porosidad

A

Propiedades físicas y mecánicas

N.F.


Teniendo en cuenta la metodología para la determinación de la constante dieléctrica

descrita previamente, se ha calculado este parámetro para el estrato superior (limos de

consistencia blanda) en cada uno de los sondeos. Es importante mencionar que dado

que solo es posible asignar un valor de constante dieléctrica por estrato, han sido

tomados los valores de las muestras más cercanas a la superficie de contacto entre los

estratos. Así mismo dada la similitud de los resultados de los ensayos de gravedad

especifica realizados, los cálculos para todos los sondeos fueron realizados

considerando 2.58 como dato constate. Así las cosas a continuación se presentan el

valor de constante dieléctrica deducido por el método 2 en cada sondeo.

Tabla 5-4. Constante dieléctrica, método 2

SONDEO POROSIDAD SATURACIÓN CONSTANTE DIELÉCTRICA

PROFUNDIDAD DE CONTACTO (m)

1 0.49 0.99 29.8 5.2

2 0.7 0.7 14.5 7.0

3 0.7 1.0 45.5 3.9

4 0.5 1.0 31.8 2.9

5 0.6 0.9 30.2 2.9

6 0.7 0.8 34.1 5.0

7 0.6 1.0 36.3 4.8

8 0.6 1.0 27.3 4.9

9 0.6 1.0 41.9 4.8

10 0.6 1.0 33.9 5.4

11 0.5 1.0 28.1 5.8

12 0.6 1.0 23.8 6.7

13 0.6 1.0 31.0 5.9

Una vez calculadas las constantes dieléctricas mediante los dos métodos establecidos en

el presente documento y tomando como referencia la constante dieléctrica determinada

en la Tabla 5-1 que corresponde al valor calculado por medio de la profundidad real del

contacto, es posible establecer que el método que se aproxima mas a los valores reales

es el método 1, ya que como se aprecia en la figura a continuación, los resultados

obtenidos mediante el método 2, se alejan considerablemente de los de referencia, hasta

el punto de obtener valores superiores a los establecidos por la bibliografía como

máximos para materiales limosos.

Capítulo 5 65

Figura 5-3. Comparación valores de constate dieléctrica. Sondeo 1

Con base en lo anterior se ha establecido mediante las constantes dieléctricas calculadas

la profundidad de contacto mediante el uso del GPR para el sondeo 1, en la figura a

continuación se presenta los resultados obtenidos.


Figura 5-4. Comparación profundidades de contacto. Sondeo 1

Con base en lo anterior se ha establecido mediante las constantes dieléctricas calculadas

la profundidad de contacto mediante el uso del GPR para el sondeo 1, en la Figura 5-4 se

presenta los resultados, este procedimiento fue realizado para todos los sondeos

ejecutados y se presenta en el plano anexo a este documento.

5.3. Calculo de error absoluto y error relativo

Para el cálculo del error relativo con respecto a la profundidad real, también se calculó el

error absoluto. El error absoluto es la diferencia real entre los dos valores (la profundidad

de la interfaz obtenida por el sondeo menos la profundidad obtenida por el GPR). Por

ejemplo, si la profundidad de contacto real es de 2 m y la medida del GPR está errada

por 0.6 m, el error relativo será grande. Pero, si la profundidad del contacto es de 12 m y

Profundidad real

Profundidad

Método 2

Profundidad

Método 1

Capítulo 5 67

el GPR está errado por 0.6 m, el error relativo será mucho menor, a pesar de que el valor

del error absoluto, 0.6 m, no ha cambiado.

Para calcular el error absoluto se restó el valor obtenido por el GPR de la medida real

obtenida por el sondeo. El valor absoluto de este número evidentemente no puede ser un

valor negativo. Por ejemplo: El GPR arroja un contacto a 18 m de profundidad, este será

el valor experimental. Por otra parte, el sondeo revela que el contacto real se encuentra a

20 m de profundidad; este será el valor “real”. El error absoluto en este ejemplo es de 20

- 18 = 2 m.

Para obtener el error relativo en el ejemplo, se divide el error absoluto entre el valor de la

medición real: 2/20 = 0.1. Al multiplicar este valor por 100 se obtiene el porcentaje de

error (10% en este caso).

A continuacion se presenta la Tabla 5-5 y Tabla 5-6, donde se presenta el calculo error

relativo y el error absoluto en la determinacion de la profunidad del contacto entre los

materiales presentes en la zona en elvaluación para los dos metodos utilizados en la

determinacion de la constante dielectrica.

Tabla 5-5. Porcentaje de error método 1

SONDEO PROFUNDIDAD DE CONTACTO

REAL (m)

PROFUNDIDAD ESTIMADA -

GPR (m)

ERROR ABSOLUTO

(m)

ERROR RELATIVO (%)

1 10 13.1 3.1 31.0

2 6 6 0 0.0

3 7 8.2 1.2 17.1

4 3 3 0 0.0

5 5.5 2.9 2.6 47.3

6 9 7.2 1.8 20.0

7 9 9 0 0.0

8 9.5 10.5 1 10.5

9 9.5 7.1 2.4 25.3

10 6 5.9 0.1 1.7

11 10.5 8.6 1.9 18.1

12 9 9 0 0.0

13 12 12 0 0.0

Aun cuando los valores correspondientes al error relativo oscilan entre 0% y 47.3%, se

observa igualmente que los valores en metros del error absoluto no superan los 2.6 m

con excepción del valor del sondeo 1 (3.1 m).


Figura 5-5. Gráfica de error absoluto por sondeo método 1

En el gráfico anterior se agruparon los sondeos en donde se pudo determinar el

porcentaje de error absoluto del uso de la técnica de GPR en rangos de 1 metro, con lo

cual ha sido posible establecer que 7 de los 13 puntos de sondeo evaluados (53%)

presenta un valor de error absoluto menor a 1 m, mientras que el 31% de los puntos

muestra valores entre 1 y 2 m, esto indica un tolerable grado de precisión en el ámbito de

la exploración con fines geotécnicos.

Tabla 5-6. Porcentaje de error método 2, resultado de laboratorio

SONDEO PROFUNDIDAD DE CONTACTO

REAL (m)

PROFUNDIDAD ESTIMADA -

GPR (m)

ERROR ABSOLUTO

(m)

ERROR RELATIVO (%)

1 10 5.2 4.8 48.0

2 6 7 1 16.7

3 7 3.9 3.1 44.3

4 3 2.9 0.1 3.3

5 5.5 2.9 2.6 47.3

6 9 5 4 44.4

7 9 4.8 4.2 46.7

8 9.5 4.9 4.6 48.4

9 9.5 4.8 4.7 49.5

10 6 5.4 0.6 10.0

11 10.5 5.8 4.7 44.8

12 9 6.7 2.3 25.6

13 12 5.9 6.1 50.8

Capítulo 5 69

Aun cuando los valores correspondientes al error relativo oscilan entre 0% y 50.8%, se

observa igualmente que los valores en metros del error absoluto en su mayoría se

encuentran entre los 2.5 y los 5.0 m.

Figura 5-6. Gráfica de error absoluto por sondeo método 2

En el gráfico anterior se agruparon los sondeos en donde se pudo determinar el

porcentaje de error absoluto del uso de la técnica de GPR en rangos de 1 metro, con lo

cual ha sido posible establecer que 3 de los 13 puntos de sondeo evaluados (23%)

presenta un valor de error absoluto menor a 1 m, mientras que el 61% de los puntos

muestra valores superiores a 3 m, esto indica muy baja precisión en el ámbito de la

exploración con fines geotécnicos.

La combinación de los resultados obtenidos entre la exploración directa y la indirecta

permite generar una representación tridimensional de la disposición de los materiales

presentes en el subsuelo mediante el uso del método 1 para la determinación de la

superficie de contacto, lo que es posible gracias a la gran cantidad de traces o lecturas

que toma el georradar a lo largo de cada una de las líneas pudiendo generar un perfil

longitudinal continuo mostrando sin interrupciones la geometría de la superficie de

contacto entre los materiales identificados, así como se muestra en las figuras a

continuación.


Figura 5-7. Vista Sureste – Noroeste.

Figura 5-8. Vista Sur – Norte.

Por otra parte, con base en los resultados obtenidos en cuanto al espesor del estrato

superficial se creó un diagrama de isoprofundidades que presenta, desde una vista en

planta, la variablilidad de dichos espesores. Esto permite establecer con claridad la

incidencia del material superficial en un diseño geotécnico y en el desarrollo de un

proceso constructivo subsecuente.

ZONA 1

ZONA 2

ZONA 1

ZONA 2

Capítulo 5 71

Figura 5-9. Diagrama isoprofundidades

Pro

fun

did

ad d

el con

tacto

(m

)

L1

L2

L3

L4

L5 L6

L7

L8

L9

L10

Capítulo 6. Conclusiones

Una vez correlacionados los resultados de la exploración directa y la indirecta y teniendo

en cuenta los resultados mostrados en la figura anterior, es posible corroborar que la

técnica de prospección mediante GPR por si sola permite determinar de manera general

la posición de los contactos entre materiales, ya que al igual que como se menciono en el

numeral 4.3.1. y como se presento en la Figura 4-16 el sector nororiental (Zona 1) del

área estudiada corresponde a la zona en la que el estrato superficial cuenta con menor

espesor, lo cual fue ratificado con los sondeos directos.

Con base en las actividades realizadas en el presente trabajo fue posible establecer las

siguientes conclusiones y recomendaciones.

Con el fin de establecer las propiedades físicas y mecánicas de los materiales

que conforman el perfil estratigráfico en la zona de estudio, se procedió a la

realización de un completo programa de exploración directa del subsuelo que

consistió en 13 sondeos o barrenos manuales con profundidades variables entre

3.0 y 14.8 m. con sus respectivos ensayos de laboratorio (granulometría, límites

de Atterberg, humedad natural, gravedad especifica y peso unitario), los cuales

fueron distribuidos de tal manera que fuera posible caracterizar adecuadamente el

subsuelo de los 108.000 m2 correspondientes al sector seleccionado para la

ejecución del trabajo.

Como parte del programa de exploración indirecta mediante el uso del GPR, Se

llevaron a cabo 10 líneas de georradar distribuidas en dos “mallas” o “cuadriculas”

distribuidas en el área seleccionada para la investigación, posteriormente los

resultados fueron interpretados con base en el procedimiento descrito en el

numeral 3.4.

Capítulo 5 73

Se utilizaron dos técnicas para la determinación de la constante dieléctrica, la

primera mediante la calibración del GPR con un sondeo de referencia y la

segunda mediante la relación de las propiedades físicas de los suelos obtenidas

mediante los resultados de los ensayos de laboratorio. Para cada una de las

técnicas fue calculado el porcentaje de error en cada uno de los sondeos

ejecutados.

Dadas las variaciones en los resultados de los ensayos de laboratorio, (contenido

de humedad y pesos específicos) los valores de error absoluto determinados en

el uso de la técnica mediante correlaciones de la constante dieléctrica con las

propiedades físicas de los suelos (método 2), son muy elevados, alcanzando

valores de error absoluto de hasta 6.1 m, lo cual se considera inaceptable en la

determinación de los espesores de suelo.

El equipo GPR con una antena de 50 MHz correlacionado con sondeos directos

(método 1) es eficaz para detectar con un grado aceptable de precisión la

profundidad de los contactos entre diferentes materiales presentes en el

subsuelo. Esto en virtud a que los resultados numéricos obtenidos muestran que

para el material subyacente (limo con presencia de arenas) el valor de constante

dieléctrica correspondiente al rango entre 4.6 y 14.1 permite establecer una

profundidad muy cercana al valor real obtenido con las perforaciones en todos los

casos encontrando porcentajes de error entre 1.7 y 47.3%. Sin embargo es

importante mencionar que la diferencia de profundidades no supero los 3.1 m, en

el caso del método 1 utilizado en el presente documento.

La técnica de prospección mediante el uso de georradar corresponde a un

método efectivo para la visualización de la existencia de estratos de diferentes

rigideces, ya que aunque las profundidades determinadas no fueron exactas,

todos los GPR realizados mostraron la presencia de dos tipos de materiales

(limos de consistencia blanda y arenas y gravas de compacidad densa), lo cual es

consistente con la exploración directa del subsuelo.

El GPR y la antena de 50 MHz, dadas sus características de manejabilidad,

rapidez, carácter no destructivo y resolución es un equipo adecuado para la

prospección geotécnica y la identificación de contactos entre materiales del

subsuelo, cuyo alcance alcanza los 15 m de profundidad, lo cual fue ratificado en


la línea 2 donde fue posible establecer la presencia de un cambio de material a

esta profundidad, por otra parte de requerirse investigación del subsuelo cuyo

alcance sea inferior a los 15 m de profundidad, se considera adecuado emplear

antenas que emitan ondas cuya frecuencia sea mayor a los 100 MHz, esto con el

fin de obtener registros con mejor resolución que permitan obtener mayor

información como es el caso de la posición del nivel freático y la presencia de

interfaces de materiales.

La técnica de GPR permite visualizar con claridad la geometría de las interfaces

entre materiales a lo largo del sector explorado en tanto que mediante exploración

directa sería necesario practicar dos o más sondeos para interpolarlos y así

obtener una disposición de la superficie de contacto menos precisa entre los

mismos materiales.

El uso de la técnica GPR aunque por si sola no representa un método adecuado

para la caracterización física y mecánica del subsuelo, si es una alternativa

adecuada para la identificación preliminar de la estratificación de las capas del

subsuelo presentes la zona en evaluación, así como para la caracterización inicial

de los tipos de material.

En el proceso de interpretación de todos los radargramas realizados en el

presente trabajo de grado no fue posible establecer la presencia del nivel freático,

lo que implica una desventaja de la técnica con respecto a la exploración directa,

esto debido a que la antena de 50 MHz aunque penetra profundidades que

superan los 15 m, la nitidez de los registros no es optima para la identificación de

la capa freática, por lo tanto se considera que para este propósito debe emplearse

una antena de mayor frecuencia que permita obtener radargramas de mejor

calidad que puedan complementar la información de los obtenidos con la antena

de 50MHz.

Desde el punto de vista académico se considera de gran importancia poder

establecer si la superposición de registros obtenidos mediante ondas de distintas

frecuencias podría generar un radargrama definitivo de mayor claridad que

permita establece de manera mas precisa entre otras cosas la posición real de

los contactos entre materiales y el nivel freático.

Capítulo 5 75

La velocidad de propagación de onda electromagnética en el subsuelo no permite

establecer ningún tipo de propiedad física y mecánica de los materiales, lo que

corrobora lo manifestado por la normatividad vigente (NSR-10 y CCP-14): La

exploración indirecta es un complemento de la directa, ya que por sí sola no

puede conformar la totalidad de la exploración del subsuelo en un proyecto de

Ingeniería.

La combinación del método directo con el indirecto en este caso mostró:

o Reducción de prolongados y costosos sondeos.

o Posibilidad de establecer un gráfico de isoprofundidades uniendo cada

perforación mediante los perfiles obtenidos por los radargramas.

o Obtención de una vista clara del subsuelo para todo propósito ingenieril.

o Reducción de tiempos en el desarrollo de un proyecto ya que el método

indirecto tiene un tiempo de procesamiento inferior con respecto a las

perforaciones y ensayos conexos.

A. Anexo: Radargramas

B. Anexo: Registros gráficos de propiedades

C. Anexo: Exploración directa del subsuelo

D. Anexo: Plano modelo geotécnico

Capítulo 7. Bibliografía

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