UNIVERSIDAD NACIONAL DE CORDOBA
ENSAYOS NO
DESTRUCTIVOS EN
GEOTECNIA
Dr. Ing. Civil Víctor Alejandro Rinaldi
Universidad Nacional de Córdoba (Argentina)
GEoS Geotechnical and Environmental Services
PROBLEMA
INGENIERO
GEOTÉCNICO
• Análisis del
Problema
• Modelo Físico
• Identificación de
Variables
• Estudios y
Ensayos
DIAGNÓSTICO
ESTUDIOS Y ENSAYOS
TÉCNICAS
DESTRUCTIVAS
TÉCNICAS NO
DESTRUCTIVAS
• Muestreo: Perforación,
Muestreadores, Pozos,
Calicatas, etc
• Sísmicos: Reflexión
Refracción, Cross-Hole,
Down-Hole, SASW, etc.
• Ensayos In-Situ:
Penetrómetros, Dilatómetro,
Presiómetro, etc.
• Eléctricos: Geoeléctrica,
Georradar, Conductividad,
etc.
OPTIMIZACIÓN: T-E
GEOFÍSICA
“Conjunto De Técnicas Físicas Y Matemáticas Aplicadas A
La Exploración Del Subsuelo Por Medio De Observaciones
Efectuadas En La Superficie De La Tierra” (Orellana,
1972)
GEOLOGÍA
GEOFÍSICA
FÍSICA
NUEVA ESPECIALIDAD ???
GEOLOGÍA
GEOFÍSICA
GEOTÉCNIA
?
TECNICAS NO DESTRUCTIVAS
TECNICAS NO DESTRUCTIVAS
•
•
•
•
LOS RESULTADOS SON FUNDAMENTALMENTE
CUALITATIVOS
LOS RESULTADOS DEPENDEN DEL CONTRASTE
ENTRE LAS PROPIEDADES FÍSICAS A MAPEAR
ES UN COMPLEMENTO DE OTROS ESTUDIOS Y
NO UN REEMPLAZO
DEBEN CONOCERSE LAS RELACIÓNES:
GEOTÉCNICO
Humedad
Porosidad
Módulo Elástico
Const. Dieléctrica
GEOFÍSICO
Resistividad
Resistividad
Veloc. de Onda
Contaminante
OBJETIVOS DE LA PRESENTACIÓN
•
•
DESCRIPCIÓN DE LOS MÉTODOS DE PROSPECCIÓN
GEOFISICOS MÁS COMUNES DE INVESTIGACIÓN
SUPERFICIAL
REVISIÓN DE LOS PRINCIPIOS BÁSICOS DE
FUNCIONAMIENTO DE CADA UNO DE LOS MÉTODOS
•
LIMITACIÓNES Y ALCANCES DE CADA MÉTODO
•
MOSTRAR EJEMPLOS PRACTICOS DE APLICACIÓN
•
DESCRIBIR LA INTERACCIÓN DESEABLE ENTRE EL
PROFESIONAL Y EL COMITENTE
PLANEAMIENTO DE LA PROSPECCIÓN
•
•
•
UN CONSULTOR COMPETENTE QUE ENTIENDA
LOS REQUERIMIENTOS DEL COMITENTE
PLANTEO DE OBJETIVOS CLAROS POR PARTE
DEL COMITENTE
COMITENTE CON MÍNIMA FORMACIÓN EN
GEOFÍSICA
PREGUNTAS UTILES
• CUAL ES EL PROBLEMA?
• QUE QUIERE EL COMITENTE DETECTAR?
• CUALES SON LAS CARACTERÍSTICAS FÍSICAS
DEL ELEMENTO A DETECTAR Y MAPEAR?
• CUALES SON LAS CARACTERÍSTICAS FÍSICAS
DEL ENTORNO AL ELEMENTO A DETECTAR?
• CUAL ES LA RESOLUCIÓN DESEABLE DEL
ESTUDIO?
• CUAL ES LA FORMA DE PRESENTACIÓN DE
LOS RESULTADOS?
SELECCIÓN DE LA METODOLOGÍA
CONDUCTIVIDAD ?
RESISTIVIDAD ?
SISMICIDAD ?
PROPIEDADES
ELECTROMAGNÉTICAS ?
PROPIEDADES MAGNÉTICAS ?
PARÁMETROS GEOFÍSICOS

Resistividad/Conductividad r, s

Constante dieléctrica k

Velocidad de Onda Vs o Vp

Densidad g

Permeabilidad Magnética: m
PARÁMETROS GEOFÍSICOS
RELACIÓN UNIVERSAL
P: es cualquier parámetro geofísico
n: Exponente variable entre -1 y 1
n: Porosidad
w, m, s: agua, la matriz del suelo y el suelo
METODOS NO
DESTRUCTIVOS
ONDAS ELÁSTICAS
PROPAGACIÓN DE ONDAS SÍSMICAS
V
M

V 
S
M
;V 
E
r
G
r
V  0 ,9V
R
S
E
r
ENERGÍA Y ATENUACIÓN
REFLEXIÓN Y REFRACCIÓN
P
b
a
P Sv
a
a
b
b
1
2
Sv
Sv
P
2
f
Sv P
Sh
b
1
e
Sh
b
1
e
fS
v
2
P
Seno ( a ) Seno ( b ) Seno ( e ) Seno ( f )



V D1
VS1
VD 2
VS 2
fS
h
INCIDENCIA NORMAL
Ai
Ar
z1
Coeficiente de Reflexión:
Coeficiente de Transmisión:
Impedancia Del Material:
z2
R 
AR
AI

Z 2  Z1
Z 2  Z1
T 1 R
Z  r Vc A  A
rE
VELOCIDADES ONDA DE
COMPRESIÓN - GEOMATERIALES
Greenhouse et al. (1998)
VELOCIDADES DE ONDA DE
CORTE - GEOMATERIALES
Greenhouse et al. (1998)
VELOCIDADES DE ONDA DE
COMPRESIÓN - HORMIGÓN
Finno et al. (1996)
ENSAYO DE INTEGRIDAD DE PILOTES
Análisis de la Respuesta en Tiempo
Análisis de la respuesta en Frecuencia
METODO DE LA RESPUESTA EN TIEMPO
Reflexión:
AR
AI

Z 2  Z1
Z 2  Z1
Z  r Vc A  A
Distancia A La Reflexión LI:
Li 
Vc ti
2
rE
r: Densidad del Material,
Vc: Velocidad de propagación .
E: Módulo elástico del material.
A: la sección transversal.
METODO DE LA RESPUESTA EN FRECUENCIA
Movilidad Dinámica
M 
V
P  F F T ( pulso )
P
V  F F T (  aceleració n )
t
Longitud del Pilote
Li 
Vc
2 fi
CASOS HISTÓRICO 1: Pilote en Condiciones
0. 05
0
L = 18 m
0. 05
5
2
1
4
7
10
13
16
19
22
25
Longitud (m)
0. 005
Amplitud
0. 004
f = 115 Hz
0. 003
f
f
f
f
0. 002
L = 4100 / (2 . 115)
= 17,80 m
0. 001
0
50
125
200
275
350
425
500
Frecuencia (Hz)
575
650
725
800
CASOS HISTÓRICO 2: Defectuoso en la Cabeza
0. 05
L = 15 m
0
0. 05
5
2. 5
0
2. 5
5
7. 5
10
12. 5
15
17. 5
20
Longitud (m)
0. 3
Amplitud
Amplitud
Lp = 14,60 m
f = 1650 Hz
Lc = 1,20 m
0. 5
0. 2
f = 140 Hz
0. 1
0
100
290
480
670
860
105 0
124 0
Frecuencia (Hz)
143 0
162 0
181 0 200 0
0
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900 100 0
CASOS HISTÓRICO 3: Pilote Seccionado
0. 05
0. 05
0
0
0. 05
0. 05
5
2. 5
0
2. 5
5
7. 5
10
12. 5
15
17. 5
20
2
1
0
1
2
Longitud (m)
3
4
5
Longitud (m)
Ampl itud
f = 140 Hz
Lp = 14,60 m Hz
0. 001
f
f
f = 570 Hz
Ld = 3,60 m
f
0
50
135
220
305
390
475
560
Fre cue ncia (Hz)
645
730
815
900
6
7
8
9
10
CASOS HISTÓRICO 4: Pila de Puente
T a b le ro d e l
P ue nte
H o rm ig ó n
d e a p o yo
E xca va ció n
P ila d e l P ue nte
2 ,0 0 m
C ilind ro s d e
fund a ció n d e la
p ila
0. 01
0. 05
Amplitud
Lp = 11,00 m
f = 140 Hz
0
f = 300 Hz
0. 005
0. 05
5
3
1
1
3
5
7
Longitud (m)
9
11
13
15
0
100
290
480
670
860
105 0
124 0
Frecuencia (Hz)
143 0
162 0
181 0 200 0
CASOS HISTÓRICO 5: Pilote Colapsado
Caño de
Agua
Vista
Frente
Derrame
Vista
Planta
H%
0%
10%
20%
P e rfil d e S u e lo
N (c / 3 0 c m )
30%
40%
0
10
20
30
0
R e lle n o L im o c o n a lg u n o s
2
v e s tig io s d e a n tig u a s
e d ific a c io n e s
P ro fu n d id a d [m ]
4
L im o lo é s s ic o c o lo ra c io n
P a rd o A m a rille n to
M u y s a tu ra d o
6
8
L im o a rc illo s o P la s tic o
10
12
A re n a fin a lim o s a p a rd a
m uy hum eda
14
A re n a g ru e s a in ic ia lm e n te
16
a lg o lim o s a lim p ia n d o s é e n
p ro fu n d id a d - D e n s a
CASOS HISTÓRICO 5: Pilote Colapsado
Masa
instrumentada Equipo
con Trigger
De Señales
N (c/ 10cm )
0
Acelerómetro
10
20
Perfil de Suelo
Tiem po [m s]
30
0
5
10
15
0
2
Relleno Lim o con algunos
vestigios de antiguas
Pilote
Cono
Dinámico
Trayectoria de
las Señales
Emitidas
P ro fu n d id a d [m ]
4
edificaciones
Lim o loéssico coloracion
6
Pardo Am arillento
M uy saturado
8
10
12
Lim o arcilloso Plastico
Arena fina lim osa parda
m uy hum eda
14
Arena gruesa inicialm ente
algo lim osa lim piandosé en
16
18
profundidad - Densa
ENSAYO DE IMPACT-ECHO
H  Vp
T
2

Vp
2 f
APLICACIONES
• Determinación de espesores de losas y
muros
• Estudios de delaminación de
pavimentos
• Detección de cavidades e inclusiones
en muros, losas, presas, etc.
• Control de calidad de hormigonado
ENSAYO DE REFLEXIÓN SÍSMICA
ENSAYO DE REFLEXIÓN SÍSMICA
DETECCIÓN DE UN CONDUCTO DE GRAN DIÁMETRO
ENSAYO DE REFLEXIÓN SÍSMICA
DETECCIÓN DE UN CONDUCTO DE GRAN DIÁMETRO
ENSAYO DE CROSS-HOLE
Amplificador
Impulso
Osciloscopio
PC-586
Trigger
APLICACIONES:
Geofono
1
Geofono
2
Pozo 1
Pozo 2
Verificación Sísmica
Control de densidad
Tomografía
ENSAYO DE CROSS-HOLE
DISPOSITIVOS DE ENSAYO
ENSAYO DE CROSS-HOLE
RESULTADOS TÍPICOS
ENSAYO DE CROSS-HOLE
RESULTADOS TÍPICOS
Arena arcillosa (relleno)
C R O S S -H O LE ; S O N D E O
OS
S33
1.00
V E LO
VE
CLO
ID AD
C IDDAD
E ODNEDO
AS
N DDAS
E CDOER TE
Relleno calcareo marrón
Vp = 400 m/s Vs = 250 m/s
0
0
-2
-2
4.00
Vp = 260 m/s Vs = 150 m/s
Vp = 290 m/s Vs = 200 m/s
-4
-4
P
Prrofundida
ofundida d (m
(m ))
Arena marrón con lentes
de Arcilla
C O MP R E S IO N
-6
-6
-8
-8
V s 01
V p01
V s 02
V p02
V s 12
V p12
Vcr
-10
-10
-12
-12
-14
-14
14.70
20.00
-16
-16
Limo calcareo marrón
cementado
Vp = 1800 m/s Vs = 1000 m/s
-18
-18
-20
-20
100
100
1000
1000
elocidad(m
(m/s)
VV
elocidad
/s)
10000
10000
ENSAYO DE REFRACCIÓN
Geófono 1
Geófono 2
Geófono 3
Geófono 4
Trigger
Estrato 1
Estrato 2
APLICACIONES:
Perfil geotécnico
Detección de Roca
ENSAYO DE REFRACCIÓN
PROCESAMIENTO Y RESULTADOS
P
S
R
0,00 m
40
T IE M P O (m s )
35
Vp = 412 m /s
V p = 6250 m /s
1,20 m
30
25
V p = 1756 m /s
20
V p = 412 m /s
Vp = 1756 m /s
15
10
5
0
0
10
20
30
D IS T AN C IA (m )
Vp = 6250 m /s
40
14,00 50
m
ENSAYO DE REFRACCIÓN
DISPOSITIVOS DE ENSAYOS
ANALISIS ESPECTRAL: SASW
U n id ad d e
P rocesam ien to
D igital
LC
S1
x
S2
x/2
x/2
V R1
VR
0.75  R
M E D IO U N IF O R M E
V R2
M E D IO E S T R A T IF IC A D O
ANÁLISIS ESPECTRAL; SASW
PROCEDIMIENTO
Im p acto
S en sor
x
x
x x
x
x
x
x
x = 0,50 m ;
APLICACIONES:
x = 1,00 m ;
x = 2,00 m ; .… ....etc.
Cambios de Estratigrafía
Detección de Cavidades e Inclusiones
Estudio de Paquetes Pavimentos
Control de Compactación
Estudios Geosísmicos
ANÁLISIS ESPECTRAL; SASW
PROCESAMIENTO
Cross-Correlación:
S
Autocorrelaciones:
A  S .S*
1, 2
 S .S *
1 2
1,1
1
A
2,2
1
2
Coherencia:
S
g 2
1, 2
A
A
1,1 2 , 2
Fase:
  tan  1
Im S
1,2
Re S
Tiempo de Viaje de la Onda:

t
360 f
Velocidad de la Onda:
V 
x
t
Longitud de Onda:

V
f
1,2
 S .S *
2 2
TOMOGRAFÍA
Tiempo de Viaje de Sa hasta Sb
ta 
Pixels
d a1
v1

da2
v2
En General:
t a  d a1 S1  d a 2 S 2
t b  d b1 S 3  d b 4 S 4
t c  d c1 S 1  d c 3 S 3
td  d d1 S 2  d d 4 S 4
TOMOGRAFÍA
PROCESAMIENTO
t    d   S 
Incognita
Determinada
Geométricamente
Mediciones
Soluciones Para Matrices Sobredimensionadas
A. Inversión Matricial
 S    d    d     d    d 
1
T
T
B. Métodos Iterativos
( ei ) k  t i 
d
S
ij
jk  1
Los algoritmos más comunes por este método son:
1. ART (Algebraic Reconstruction Technique) (Gordon, 1974)
2. IRT (Sequential Image Reconstruction Technique) (Herman, 1980)
( S j ) k 1  ( S j ) k 
(ei ) k
 (d
ij
)
2
d ij
El error ei se distribuye entre los pixels iluminados por el rayo i en forma proporcional a las
longitudes dij:
ART : actualiza el vector [S] luego de cada rayo procesado
SIRT Se corrige posterior al procesamiento de todos los rayos
TOMOGRAFÍA
RESULTADOS
Flint et al. (1996)
TOMOGRAFÍA DE SUPERFICIE
(Kilty, 1990).
DISPOSICIÓN
DE LOS
SENSORES
PRINCIPIO DE
TRABAJO
ANALISIS MODAL DE ESTRUCTURAS
CONCEPTO
Modos Teóricos de
Vibración (flexión)
(Richard et al, 1970)
Se Compara Con Los
Medidos In Situ
ANÁLISIS MODAL DE ESTRUCTURAS
DISPOSITIVOS DE MEDICIÓN
APLICACIONES:
• Verificación del estado de servicio de un elemento estructural.
• Verificación de las rigideces de los nudos y vínculos del elemento.
• Verificación del estado de servicio de un edificios, puentes, estribos,
muros de sostenimiento, etc.
• Verificación de la respuesta de las estructuras ante solicitaciones
sísmicas de diseño y otras fuentes dinámicas (transito, máquinas, etc.
CASO HISTÓRICO 1: Edificio 20 Pisos
CASO HISTÓRICO 2: losa de entrepiso
Atenuación de las
amplitudes con la distancia
para la frecuencia de 12,5
Hz
CASO HISTÓRICO 2: losa de entrepiso
Luz libre
CASO HISTÓRICO 3: Atucha II
CASO HISTÓRICO 4: Compuerta de
Central Hidroeléctrica Yaciretá
CASO HISTÓRICO 5: Puente Carretero
CASO HISTÓRICO 6: Puente Zarate
CONTROL DE VIBRACIONES
F u en te d e
R u id o
A m p lifica d o r
O scilo sco p io
A celeró m etro
APLICACIONES
 Control y evaluación de máquinas.
 Control de niveles máximos permisibles para personas y edificaciones .
 Monitoreo de procesos constructivos e industriales.
 Mejoramiento del funcionamiento de máquinas.
Diseño de fundaciones para máquinas.
CONTROL DE VIBRACIONES
RESULTADOS TÍPICOS
Espectro de Frecuencia de la Vibración (mm/s)
Espectro de Frecuencia de la Vibración (mm)
CASO HISTÓRICO 1: Compactación
Vibratoria
CASO HISTÓRICO 1: Compactación
Vibratoria
METODOS NO
DESTRUCTIVOS
ONDAS
ELECTROMAGNÉTICAS
PROPAGACIÓN DE ONDAS
ELECTROMAGNÉTICAS
ECUACIÓN DE LA
PROPAGACIÓN
E x  Eoe
CONSTANTE DE
PROPAGACIÓN
g    j
g 
j
c
j t g z
 "
so
 k ' j  k 
 o





CONSTANTE DE
ATENUACIÓN
VELOCIDAD DE
PROPAGACIÓN
CONSTANTE
DIELÉCTRICA
  Re( g ) 

k´
c

1
1

2

co
V 
1
2
2

s
  '  ' 2 
2
2



o

k * k ' j k e "




k 


 k´ 


"
e
2


 1


MECANISMOS DE POLARIZACIÓN
POLARIZACIÓN EN SUELOS
POLARIZACIÓN POR ORIENTACIÓN
POLARIZACIÓN MAXWELL-WAGNER
PARÁMETROS GEOFÍSICOS
RELACIÓN UNIVERSAL
P: es cualquier parámetro geofísico
n: Exponente variable entre -1 y 1
n: Porosidad
w, m, s: agua, la matriz del suelo y el suelo
CONSTANTES DE ALGUNOS MATERIALES
Annan (1991)
GEORRADAR (GPR)
COEFICIENTE DE
REFLEXIÓN

1  
*

R 

1  

*
z1 

* 
z2 
*
z1 

* 
z2 
IMPEDANCIA
z 
*
c
 "
so
k ' j  k 
 o





mo
GEORRADAR (GPR)
SISTEMA DE MEDICIÓN
CASO HISTÓRICO 1: Túneles
Annan (1991)
CASO HISTÓRICO 2: Deslizamiento de
un Talud
SUPERFICIE
Limos
y
arenas
DEL
TERRENO
removidas
SUPERFICIE
Arcilla
DE
FALLA
verde
Rinaldi y Francisca (1997)
CASO HISTÓRICO 3: Contaminación
SONDEO GEOELECTRICO VERTICAL
ra  k
V
I
APLICACIONES:
Estudios estratigráficos
Mapeo de humedades
Estudios Geoambientales.
Evaluación de trazas para rutas
Detección de Napas.
RESISTIVIDADES TÍPICAS DE
GEOMATERIALES
SONDEO GEOELECTRICO VERTICAL
PROCESAMIENTO DE LOS DATOS
SONDEO GEOELECTRICO VERTICAL
PERFIL GEOELÉCTRICO
SONDEO GEOELECTRICO VERTICAL
PROCEDIMIENTO DE MEDICIÓN
CALICATA GEOELÉCTRICA
CONTROL DE COMPACTACIÓN
TOMOGRAFÍA GEOELECTRICA
Loke (1999)
CASO HISTORICO 1:
Cavernas (mallín) detectadas con un sistema
dipolo-dipolo de 28 electrodos. (Loke, 1999)
CASO HISTORICO 2:
perfil en un ambiente marino en Miami (Florida)
(Loke, 1999)
RIO DE LA PLATA: CONDUCTO EMISOR
Plano de Ubicación
RIO DE LA PLATA: CONDUCTO EMISOR
Traza del Conducto
RIO DE LA PLATA: CONDUCTO EMISOR
Geoeléctrica de Agua
RIO DE LA PLATA: CONDUCTO EMISOR
PREPARATIVOS Y
TRASLADO DE
EQUIPOS
RIO DE LA PLATA: CONDUCTO EMISOR
FLOTACIÓN DE LA
LINEA DE
ELECTRODOS
RIO DE LA PLATA: CONDUCTO EMISOR
POSICIONAMIENTO
Y MEDICIÓN
RIO DE LA PLATA: CONDUCTO EMISOR
Ajuste de los Sondeos
Resistivos y Geotécnicos
RIO DE LA PLATA: CONDUCTO EMISOR
Procesamiento de un SEV
RIO DE LA PLATA: CONDUCTO EMISOR
Perfil Resistivo Tipo
RIO DE LA PLATA: CONDUCTO EMISOR
Curvas de Nivel del Estrato Resistivo
21
6173000
54
55
2285
6172500
6172000
86
56
5716
61
53
82
89
6171500
48 49
66
79
65
19
64
67
6171000
93
6
42
45
46
43
94
76
7
6170500
71
72
39
38
70
69
14
73
41
137
68
13
77
6170000
63
80
91
12 92 78
62
18
81
90
50
84
83
17 88
58
52
11
51
23
87
74
758
40
2
110
47
9
111
6169500
3
112
4
113
6169000
6377500
114
6378000
6378500
6379000
6379500
6380000
6380500
60
59
24
PUERTO DE MONTEVIDEO
PLANO DE UBICACIÓN
PUERTO DE MONTEVIDEO
LINEA DE
ELECTRODOS
CONCLUSIONES
•
•
•
•
•
•
•
LOS RESULTADOS SON FUNDAMENTALMENTE
CUALITATIVOS
LOS RESULTADOS DEPENDEN DEL CONTRASTE
ENTRE LAS PROPIEDADES FÍSICAS A MAPEAR
ES UN COMPLEMENTO DE OTROS ESTUDIOS Y
NO UN REEMPLAZO
REQUIERE DE CONOCIMIENTOS BÁSICOS DEL
COMITENTE DE GEOLOGÍA Y GEOFÍSICA
NO EXISTE SIEMPRE UN ÚNICO MÉTODO PARA
EL MISMO TRABAJO EN DISTINTOS AMBIENTES
LOS RESULTADOS NO TIENEN SIEMPRE LA
MISMA DEFINICIÓN
CADA PROBLEMA REQUIERE UN ANÁLISIS
PARTICULAR PARA LA SELECCIÓN DEL
MÉTODO OPTIMO
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