Geofísica Aplicada a la Ingeniería Civil
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Marzo, 2012
HGSE: San Martin de Porres–Lima, Teléf.: 511- 7259396 / 511- 993762965 La Molina–Lima, Teléf.: 511- 3499075 / 511- 965331926
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1. LA GEOFÍSICA
La Geofísica es la ciencia que
estudia los campos físicos
vinculados a nuestro planeta.
Estudia la Tierra mediante métodos
de la física, de manera indirecta.
• Geofísica Pura
• Geofísica Aplicada
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3
2. GEOFÍSICA PURA
Proporciona información
para el estudio de la
estructura y composición del
interior de la Tierra mediante
métodos de la física, a fin de
conocer su evolución y
características actuales.
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3. GEOFÍSICA APLICADA
Es la aplicación de la geofísica y los métodos geofísicos que permiten efectuar un
diagnóstico de la constitución del subsuelo por interpretación de los registros
geofísicos obtenidos en campo.
Downhole,
Crosshole, Uphole Refracción, MAM,
Reflexión, MASW
Tomografía Eléctrica,
SEV, Calicatas
Eléctricas
SASW
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• GEODE
• GEOTRADE
• SYSCAL PRO
• ES3000
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Equipos
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3. GEOFÍSICA APLICADA
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4. IMPORTANCIA DE LA GEOFÍSICA APLICADA
• Contribuye a la investigación
de lo que está oculto con el fin
de aportar algo de “luz” al
“oscuro” ambiente que es el
subsuelo.
• Su aporte es muy útil para
numerosos especialistas
(contribución multidisciplinar).
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5. GEOFÍSICA APLICADA – ETAPAS Y DE DESARROLLO DE LABORES
Los especialistas que
llevan a cabo las
investigaciones en base
a la prospección
geofísica llevan a cabo
diferentes etapas de
desarrollo de labores
técnicas y científicas.
• Información sobre la zona de
trabajo.
• Selección del método geofísico más
adecuados.
• Campaña de adquisición de datos
del subsuelo.
• Procesado de los datos adquiridos.
• Integración de toda la información
e interpretación de los resultados.
• Redacción del informe final.
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5.1. Información Sobre la Zona de Trabajo
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• Geológico
• Logístico
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5.2. Selección del método geofísico
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Según el Objetivo:
• Bondades y Limitaciones de los métodos geofísicos.
• Determinado por el cliente o por el consultor.
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5.3. Campaña de Adquisición de Datos
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• La calibración de los aparatos
• La implantación de los dispositivos
• Base geológica del especialista
• La medición y la comprobación
Geotrade
SmartSeis StrataVisor
Geode
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5.3. Campaña de Adquisición de Datos
• La medición y la comprobación (calidad de la información).
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5.4. Procesado de los datos
TM 1
TM 2
TM 3
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5.5. Integración de Toda la Información e Interpretación de los Resultados
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5.5. Integración de Toda la Información e Interpretación de los Resultados
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6. CONOCIMIENTOS QUE APORTA LA GEOFÍSICA
Aporta información de gran importancia para diferentes disciplinas, información necesaria para complementar los datos que se obtienen en la superficie. Se trata de información muy variada del subsuelo debido a que procede de prospecciones muy diferentes. Para que la geofísica pueda aportar esta información de gran ayuda para diferentes disciplinas necesita que esta ayuda sea mutua, para poder interpretar los datos con mayor precisión y, consecuentemente, facilitar resultados con mayor aporte.
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6. CONOCIMIENTOS QUE APORTA LA GEOFÍSICA
El aporte de información “a ciegas” por parte de la geofísica suele ser un método habitual, porque no existe información previa o porque no se dispone de ella. Mas aún, resulta perjudicial pensar en que debe ser la geofísica la que aporte la información “sin ayuda externa”.
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LEVANTAMIENTO DE DATOS
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7. MÉTODOS GEOFÍSICOS DE PROSPECCIÓN
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• Realizados a lo largo del terreno, a pié o con auxilio de vehículo.
• Equipos operados por uno o más operadores (equipo de campo).
7.1 Levantamiento Terrestre
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• Geofísica marina.
• Mar, ríos, lagos, presas.
• Embarcaciones de diferentes dimensiones.
• Sensores colocados en la embarcación o sobre remolque.
7.2 Levantamiento Marino
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7.3 Levantamiento Aéreo
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• Aerogeofísica o geofísica aérea.
• Aviones, helicópteros - equipos colocados
a bordo o sobre remolque (pájaro) .
• No existen métodos sísmicos, eléctricos y
geotérmicos.
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8. PRINCIPALES USOS DE LA GEOFÍSICA
a) - Geología e Hidrogeología
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b) - Exploración de recursos minerales
c) – Ingeniería Civil / Minería
d) – Medio Ambiente
e) – Militar / Forense
f) - Arqueolgía y Paleontológia
G) - Agricultura de Precisión
Multidisciplinario
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Los principales métodos geofísicos usados para prospección e investigación son:
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9. MÉTODOS GEOFÍSICOS DE PROSPECCIÓN
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Métodos Geofísicos Propiedades Físicas
Gravimétrica Gravedad, Densidad
Magnetometría Susceptibilidad Magnética
Eléctricos y Eletromagnéticos
Condutividad Eléctrica (resistividad)
Radiometría o Gamaespectometría
Radiactividad
Sísmica (refración/refleción)
Elasticidad
Geotermia Conductividad térmica
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9.1 Métodos Geoeléctricos de Prospección
Métodos Eléctricos:
Sondeo Eléctrico Vertical (SEV)
Calicata Eléctrica (CE)
Polarización Inducida (PI)
Tomografía Eléctrica (TE)
Potencial Espontaneo (PE)
Métodos Electromagnéticos:
Sondeos Electromagnéticos
Georradar (GPR)
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9.1 Métodos Geoeléctricos de Prospección
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9.1.1 Sondeo Eléctrico Vertical (SEV)
Principal finalidad:
Averiguar la distribución
vertical en profundidad de
las resistividades aparentes
bajo el punto sondeado a
partir de medidas de la
diferencia de potencial en la
superficie.
Se apoya de dispositivos
electroditos tales como los
de Wenner , Schlumberger y
otros.
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Dispositivos electroditos de mayor uso:
Dipolo-Dipolo
Polo-Dipolo
Wenner
Schlumberger
Wenner-Schlumberger
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9.1.1 Sondeo Eléctrico Vertical (SEV)
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Dispositivos Electródicos
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Aplicaciones más comunes:
Estudios para la localización de aguas subterráneas.
Investigaciones tectónicas para la búsqueda de petróleo.
Estudios para investigaciones geológicas.
Estudios para agricultura de precisión.
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Estudios para la localización y cubicación aproximada de materiales de canteras.
Estudios de cimentación para ingeniería civil.
Localización de diversos materiales minerales.
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9.1.1 Sondeo Eléctrico Vertical (SEV)
![Page 28: Geofísica Aplicada a la Ingeniería Civil](https://reader034.fdocuments.es/reader034/viewer/2022042603/55cf8fe4550346703ba0f6a7/html5/thumbnails/28.jpg)
Valores de resistividad y conductividad de las rocas más comunes.
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3200
6.50
9.1.1 Sondeo Eléctrico Vertical (SEV)
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• El grado de saturación del terreno.
• La temperatura.
• La Porosidad y la forma de los poros.
• La salinidad del fluido.
• El tipo de roca.
• Los procesos geológicos que afectan a los materiales.
• La presencia de materiales arcillosos.
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SEV - Factores que Afectan la Resistividad
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SEV - Limitaciones
Limitaciones:
• La interpretación puede ser ambigua.
• La interpretación es limitada a configuraciones estructurales simples (idea general de la estructura).
• La profundidad de penetración del método está limitada por la potencia eléctrica que puede ser introducida en el suelo.
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La base teórica de su funcionamiento es análoga al de los métodos de resistividad convencionales (dispositivos electroditos). El método se basa en la implantación de numerosos electrodos a lo largo de perfiles, con una separación determinada que viene condicionada por el grado de resolución, profundidad y los objetivos que se pretendan cubrir, de tal modo que, a menor separación mayor resolución y a mayor separación mayor profundidad.
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9.1.2 Tomografía Eléctrica (TE)
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Mediciones del nivel 1 con arreglo tipo Wenner.
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Tomografía Eléctrica (TE) - Dispositivo Wenner
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TE - Dispositivo Wenner-Schlumberger
Niveles de la tomografía tipo Schlumberger.
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Cambios en la estructura del subsuelo.
Identificación de rocas alteradas.
Inspeccionar Fugas y Filtraciones.
Evaluar la Contaminación de Acuíferos.
Localización de túneles, galerías o huecos, zonas kársticas .
Determinación de restos arqueológicos.
TE - Aplicaciones
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TE - Procesamiento
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Sección de Resistividad. Variación de la Resistividad Real en profundidad a lo largo de la línea de estudio.
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Secciones de Interpretación. Mapeo de la posible estratigrafía del suelo y las zonas anómalas.
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TE - Interpretación
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SEV - Ejemplo 1
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SEV - Ejemplo 1
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![Page 39: Geofísica Aplicada a la Ingeniería Civil](https://reader034.fdocuments.es/reader034/viewer/2022042603/55cf8fe4550346703ba0f6a7/html5/thumbnails/39.jpg)
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SEV - Ejemplo 2
HGS Engineering: 511- 3499075/ 511- 993762965/ 511- 965331926
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SEV - Ejemplo 2
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TE – Ejemplo 1
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www.hgsee.com TE – Ejemplo 1
42 HGS Engineering: 511- 3499075/ 511- 993762965/ 511- 965331926
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43
TE – Ejemplo 1
HGS Engineering: 511- 3499075/ 511- 993762965/ 511- 965331926
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Grieta 1 Grieta 2 Grieta 3
Longitud (m) 105 100 110
Profundidad (m) 15-45 15-45 15-45
Abertura (cm) 10-15 5-7 5-7
Inclinación (°) 28-32 28-32 28-32
La profundidad se incremente de
Oeste a Este.
TE – Ejemplo 1
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44 HGS Engineering: 511- 3499075/ 511- 993762965/ 511- 965331926
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TE – Ejemplo 2
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45 HGS Engineering: 511- 3499075/ 511- 993762965/ 511- 965331926
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TE – Ejemplo 2 www.hgsee.com
46 HGS Engineering: 511- 3499075/ 511- 993762965/ 511- 965331926
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Grieta 4
Longitud (m) 80
Profundidad (m) 18
Abertura (cm) 10-15
Inclinación (°) 2
TE – Ejemplo 2
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47 HGS Engineering: 511- 3499075/ 511- 993762965/ 511- 965331926
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9.2 Métodos Sísmicos de Prospección
Métodos Sísmicos:
Refracción Sísmica
Reflexión Sísmica
Down Hole
Up Hole
Cross Hole
MASW
MAM
SASW
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48
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9.2 Métodos Sísmicos de Prospección
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49
Arribo de ondas sísmicas
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Este método consiste en la
medición de los tiempos de viaje
de las ondas de compresión
(Ondas P) generadas por una
fuente de energía impulsiva a
unos puntos localizados a
distancias predeterminadas a lo
largo de un eje sobre la superficie
del terreno. Método de Refracción Sísmica.
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9.2.1 Refracción Sísmica (RS)
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En este método, la profundidad de investigación (h) es
directamente proporcional a la longitud de la línea extendida (L)
en el terreno, con una relación de aproximadamente 1/4 a 1/3.
Las ondas grabadas son producto de refracciones de
discontinuidades del medio.
Una condición importante para la aplicación y validez del
método, es que la velocidad de propagación de las ondas
aumente con la profundidad (V1<V2<V3...).
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RS – Profundidad de Investigación
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• Ingeniería civil (fundación de diques, puentes, presas, …..), trabajos medioambientales y otros.
• Ingeniería geotécnica, para determinar la profundidad de la roca dura, el grado de meteorización y competencia de la roca dura.
• Prospección en actividades mineras, ya sea en rocas ígneas, metamórficas o sedimentarias.
• En arqueología (ruinas enterradas).
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RS - Aplicaciones
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• En distintos tipos de suelos o rocas pueden tener velocidad de propagación semejantes (interpretación ambigua). Para resolver la incertidumbre es necesario contar con información geológica o geotécnica adicional.
• No es posible detectar estratos cubiertos con otros de mayor velocidad de propagación de ondas.
• La distancia entre los sensores controla la precisión con que se puede evaluar el espesor de los estratos.
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RS - Limitaciones
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Tendido de Cables y Registros de Ondas Sísmicas.
RS - Campo
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Impacto (shot) con martillo.
Impacto (shot) con caída de pesa.
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RS – Campo
55 HGS Engineering: 511- 3499075/ 511- 993762965/ 511- 965331926
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Registro de ondas sísmicas.
Domocrónica.
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RS - Procesamiento
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Perfil Sísmico
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RS – Procesamiento e Interpretación
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![Page 58: Geofísica Aplicada a la Ingeniería Civil](https://reader034.fdocuments.es/reader034/viewer/2022042603/55cf8fe4550346703ba0f6a7/html5/thumbnails/58.jpg)
Este método consiste en la interpretación de las ondas superficiales (Ondas Rayleigh) de un registro en arreglo multicanal, generadas por una fuente de energía impulsiva en puntos localizados a distancias predeterminadas a lo largo de un eje sobre la superficie del terreno, obteniéndose mediante procesos de inversión numérica, el perfil de velocidades de ondas de corte (Vs) para el punto central de dicha línea.
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9.2.2 Multichannel Analysis Of Surface Waves (MASW)
58
Vr = (90% a 95%)VS
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9.2.2 Multichannel Analysis Of Surface Waves (MASW)
Fuente de energía, registro sísmico con ondas superficiales , curva de dispersión sobre un diagrama de frecuencia velocidad.
Modelo de velocidad de ondas S obtenido a partir de la inversión de esta curva de dispersión.
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MASW 2D - Curva de Dispersión
Evaluación de viviendas construidas sobre materiales de rellenos.
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MASW 2D - Modelo Bidimensional de Ondas de Corte
Evaluación de viviendas construidas sobre materiales de rellenos.
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Mediante el perfil de las ondas de corte Vs se pueden realizar:
• Evaluación del riesgo sísmico de un área
• Análisis de licuación
• Control de compactación de suelos
• Mapeo del subsuelo
• Estimación de los parámetros dinámicos de los materiales (Poisson, mod. Corte, mod. elástico)
• Espesor de pavimentos, entre otros.
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MASW - Aplicaciones
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![Page 63: Geofísica Aplicada a la Ingeniería Civil](https://reader034.fdocuments.es/reader034/viewer/2022042603/55cf8fe4550346703ba0f6a7/html5/thumbnails/63.jpg)
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63
9.2.3 Método Sísmico Down Hole
![Page 64: Geofísica Aplicada a la Ingeniería Civil](https://reader034.fdocuments.es/reader034/viewer/2022042603/55cf8fe4550346703ba0f6a7/html5/thumbnails/64.jpg)
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Vp
Vs
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65
9.2.3 Método Sísmico Down Hole
![Page 66: Geofísica Aplicada a la Ingeniería Civil](https://reader034.fdocuments.es/reader034/viewer/2022042603/55cf8fe4550346703ba0f6a7/html5/thumbnails/66.jpg)
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66
Aplicaciones típicas de downhole mediante el registro de velocidades de ondas P y S.
• Investigaciones de seguridad de presas.
• Estudios de respuesta sísmica de estribos de puentes, presas, edificios, etc.
• Estudio de cimentaciones.
• Medición de las propiedades del suelo / roca (módulo de corte, módulo de volumen, compresibilidad y el coeficiente de Poisson).
• Velocidad de control para los estudios de reflexión sísmica.
Downhole Aplicaciones
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GEOFÍSICA APLICADA A PROBLEMAS GEOTÉCNICOS
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67
10. GEOFÍSICA APLICADA A PROBLEMAS GEOTÉCNICOS
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A. Espesor de la Capa Superficial del Terreno
68
Importancia:
• Determinar la posición del contacto entre la capa superficial y terreno resistente.
• Dato imprescindible para abordar estudios de estabilidad y riesgos geológicos.
• En estudios de cimentaciones, la posición de contacto es de gran importancia para definir el tipo de cimentación a emplear (superficial o profunda).
• La excavación del terreno superficial puede realizarse empleando medios mecánicos o explosivos. Con la determinación de su espesor y calidad se podrá elegir el modo de excavación (excavabilidad - Ripabilidad).
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69
A. Espesor de la Capa Superficial del Terreno
• Posición del contacto. Refracción sísmica o tomografía eléctrica.
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70
A. Espesor de la Capa Superficial del Terreno
Excavabilidad del terreno superficial. Con la determinación de su espesor y calidad se podrá elegir el modo de excavación (corte con equipo mecánico o voladuras).
Ripador
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A. Espesor de la Capa Superficial del Terreno
71
600 m/s
400 m/s
800 m/s
1200 m/s
Corte transversal para estudiar la excalabilidad del terreno
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72
B. Parametros Geotécnicos del terreno
Parámetros Dinámicos
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73
Clasificaciones geomecánicas del terreno (calidad geotécnica). Se emplea con gran frecuencia el Índice Q de Barton.
Para granitos y neises de buena calidad:
B. Parametros Geotécnicos del terreno
![Page 74: Geofísica Aplicada a la Ingeniería Civil](https://reader034.fdocuments.es/reader034/viewer/2022042603/55cf8fe4550346703ba0f6a7/html5/thumbnails/74.jpg)
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74
Relación entre la velocidad de las Ondas P y la densidad de los terrenos que atraviesa. Según Gardner (1974), para rocas sedimentarias se verifica la siguiente relación empírica:
B. Parametros Geotécnicos del terreno
![Page 75: Geofísica Aplicada a la Ingeniería Civil](https://reader034.fdocuments.es/reader034/viewer/2022042603/55cf8fe4550346703ba0f6a7/html5/thumbnails/75.jpg)
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75
Wyllie (1958), porosidad de una arenisca.
B. Parametros Geotécnicos del terreno
![Page 76: Geofísica Aplicada a la Ingeniería Civil](https://reader034.fdocuments.es/reader034/viewer/2022042603/55cf8fe4550346703ba0f6a7/html5/thumbnails/76.jpg)
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76
Grado de fracturación de la roca Ignea. Helfrich (1971), existe una relación entre la velocidad de las ondas P y el índice de fracturación RQD (Rock Quality Designation), válida para rocas ígneas:
B. Parametros Geotécnicos del terreno
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77
Merkler (1970), para el RQD existe una expresión más general:
B. Parametros Geotécnicos del terreno
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Aplicaciones
78
Estabilidad de Taludes
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Aplicaciones
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Evaluación de Grietas
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Aplicaciones
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Presas de Relaves
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Equipo e Instrumentos HGSE Engineering S.A.C.
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• GEOTRADE
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INGENIRÍA GEOTÉCNICA SÍSMICA
• GEOLOGÍA Y GEOTECNIA
• GEOFÍSICA SÍSMICA Y ELÉCTRICA
• HIDROLOGÍA E HIDRÁULICA
• TOPOGRAFÍA Y GEODESIA
SERVICIOS:
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GEOFÍSICA APLICADA ALA
INGENIERÍA CIVIL
Marzo, 2012
Roberth Aguilar Ch., MSc. Eng.
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