La refracción sísmica es un método geofísico no destructivo cuya ejecución en campo es rápida y sencilla, esta técnica es usada para la estimación indirecta de características físicas del subsuelo, a partir de la velocidad de propagación de onda compresional u Onda P y generar a partir de estas un modelo de propagación de velocidades de onda P a distintas profundidades.

El método de refracción sísmica se emplea comúnmente en la geotecnia y tiene como principio medir la llegada de los primeros arribos de las ondas de compresión (Vp) desde una fuente sísmica artificial (martillo, explosivo, etc.) en función de la distancia (Fig. 1). La energía artificial generada desde la fuente atraviesa el subsuelo y finalmente se registra en perfiles longitudinales conformados por una serie de sensores o geófonos.

El registro de los primeros arribos permitirá construir una gráfica de tiempo-distancia (dromócrona) determinando la velocidad de propagación de las ondas en el terreno (Fig. 2), la cual guarda relación con los contactos geológicos, debido a que la velocidad de la onda también depende de la compactación del terreno, porosidad de la roca, saturación de fluidos, etc (Fig. 3). La longitud del tendido en superficie está directamente relacionada con el alcance de la exploración en profundidad. La profundidad (h) de investigación está relacionada con la longitud de la línea sísmica (L ~ 3h a 4h).

Aplicaciones:

• Estudios de compacidad de suelos para obras civiles (edificaciones, caminos, represas, puentes, etc.).
• Determinación y estado de ripabilidad de los materiales según la velocidad de las ondas compresionales (P).
• Estimación empírica de las propiedades elásticas del suelo junto con los ensayos MASW y MAM.
• Determinación de las condiciones (meteorización, fracturación) y competencia de la roca en donde se asentarán las estructuras civiles.
• Detección variaciones tanto en profundidad como en la horizontal de la velocidad de la onda P.
• Definición profundidad del sustrato rocoso y espesor de la capa rocosa alterada.

Desde el 2016, Geoteknik ha estado repotenciando el área de exploración geofísica. En todo el Perú, Geoteknik se ha ganado una excelente reputación al ofrecer resultados de calidad en entornos difíciles aplicando el método geofísico de refracción sísmica.

Fig. 1. Representación del método de refracción sísmica y modelo de adquisición de datos en campo.

Fig. 2 Proceso básico para la construcción de un perfil sísmico de refracción sísmica.

Fig. 3 Interpretación y correlación del perfil sísmico con la geología.

La técnica de análisis multicanal de ondas de superficie (MASW) es un método sísmico que permite determinar la estratigrafía del subsuelo bajo un punto de forma indirecta, basándose en el cambio de las propiedades dinámicas de los materiales apoyándose en el análisis de dispersión de las ondas superficiales (Ondas Rayleigh u Ondas R). Este método utiliza un sistema de registro multicanal para estimar la velocidad de la onda S cerca de la superficie (Fig. 1).

El resultado de un estudio MASW es un perfil de 30 m de profundidad donde se observa la variación de la velocidad de las ondas de corte a través del subsuelo (rigidez), sin la necesidad de una perforación o excavación (Fig. 2).

Es posible desarrollar el método MASW en 1D o en 2D, dependiendo de los objetivos de la investigación (Fig. 3).

Aplicaciones:

• Construcción del Perfil de Velocidad Vs (Vs30) para clasificación sísmica de sitio, sin necesidad de perforación.
• Clasificación de suelos de acuerdo con los diferentes códigos sísmicos (IBC 2018, Norma Peruana E.030 Diseño Sismorresistente, etc).
• Estudio de la rigidez de suelo.
• Investigaciones en diques, depositos de relave, botaderos y Pad’s de lixiviación.
• Evaluación geotécnica de suelos.
• Evaluación de suelos en obras civiles (ferrocarril, carretera, oleoducto, etc.)
• Evaluación de licuación de los suelos.

Fig. 1 Representación del método MASW y la técnica de adquisición de datos en campo.

Fig. 2 Proceso de análisis de datos del método MASW: Traza Sísmica, Diagrama de velocidad de fase, Curva de dispersión y el Perfil de velocidades (Vs) resultante.

Fig. 3 Sección de velocidades en 2D del método MASW, donde es posible observar la variación en profundidad y lateralmente de la velocidad de la onda S.

La técnica de análisis de microtrepidaciones en arreglos multicanales (MAM) o también conocida como refracción de microtremores (ReMi) es un método geofísico pasivo que utiliza como fuente el ruido ambiental (generada por el ruido cultural, el viento o el movimiento de las olas) utilizando arreglos predeterminados y mediante el análisis de dispersión de las ondas Rayleigh permite determinar el perfil de velocidades de las ondas S. (Fig. 1).

Para calcular la velocidad de fase de las microtrepidaciones, se utiliza el método de autocorrelación espacial propuesto por Aki (1957). Por lo tanto, se toma un tiempo de registro de microtrepidaciones suficientemente largo para determinar la dirección de propagación promedio; para luego calcular la función de autocorrelación espacial y obtener la velocidad de fase. (Fig. 2).

Este método permite determinar la estratigrafía del subsuelo bajo un punto en forma indirecta, basándose en el cambio de las propiedades dinámicas de los materiales que la conforman, obteniéndose el perfil de velocidad de onda de corte (Vs) para el punto central de dicha línea. (Fig. 3).

Aplicaciones:

• Construcción del perfil de velocidad (Vs30) para clasificación sísmica de sitio.
• Clasificación de sitio de acuerdo con las normas IBC 2018 y Norma Peruana E.030 Diseño Sismorresistente.
• Estudio de la rigidez de suelo.
• Evaluación geotécnica de suelos.
• Estimación de módulos elásticos de deformación.
• Evaluación de licuación de los suelos.

Fig. 1 Representación de las fuentes de ruido ambiental para el método MAM y su técnica de adquisición de datos en campo.

Fig. 2 Proceso de análisis de datos del método MAM: Registro Sísmico, Diagrama de velocidad de fase, Curva de dispersión y el Perfil de velocidades (Vs) resultante.

Fig. 3 Perfil de Velocidades en 1D donde es posible observar la variación en profundidad de la velocidad de la onda S.

El Método de Refracción de Microtremores (REMI) es un método geofísico que consiste en medir registros de vibraciones ambientales en la superficie del subsuelo y que son refractadas en las interfaces entre medios (refractores) con propiedades físicas diferentes (impedancia acústica). Los datos de campo se pueden recolectar usando el mimo equipo de refracción sísmica; los datos obtenidos a partir del método ReMi se pueden recopilar utilizando la misma configuración de tendido de geófonos (Fig. 1).

El método ReMi es capaz de detectar capas delgadas e inversiones de velocidad y, como tal, es altamente confiable y se usa comúnmente para medir Vs30 para determinaciones de diseño sísmico (Fig. 2).

Este método se puede utilizar en cualquier sitio para medir la variación vertical de la velocidad de la onda de corte en materiales cercanos a la superficie. Debido a que su adquisición es muy útil en entornos ruidosos, el método ReMi es ideal para el modelado de ondas de corte en entornos urbanos donde la refracción sísmica es difícil de aplicar debido a grandes cantidades de ruido ambiental.

Aplicaciones del método REMI:

• Construcción del Perfil de Velocidad Vs (Vs30) para clasificación sísmica de sitio.
• Clasificación de sitio de acuerdo con las normas IBC 2015 y Norma Peruana E.030 Diseño Sismorresistente, 2019.
• Estudio de la rigidez de suelo.
• Estimación de módulos elásticos.

Fig. 1 Representación de las fuentes de ruido ambiental para el método REMI y su técnica de adquisición de datos en campo.

Fig. 2 Proceso de análisis de datos del método REMI: Traza Sísmica, Diagrama de velocidad de fase y Perfil de velocidades (Vs) resultante.

La técnica Down Hole consiste en generar ondas sísmicas desde la superficie del terreno, mediante golpes verticales y horizontales ubicados a una distancia de 1 a 3 metros del pozo, registrándose los tiempos de llegada de las ondas de compresión (ondas P) y de corte (ondas S). La energía inducida en el suelo se registra a profundidad a través de un geófono triaxial introducido en la perforación o pozo. El geófono triaxial registra el movimiento horizontal y vertical y la señal se registra en un sismógrafo donde la señal sísmica es almacenada, dicho proceso se repite haciendo variar la profundidad de ubicación del geófono triaxial a través del pozo, generalmente cada 1 m desde la superficie hasta la profundidad deseada (Fig. 1).

Luego de realizar el procesamiento de los datos de campo y su posterior análisis, se construye una curva dromocrónica que relaciona la profundidad de alcance con el tiempo de arribo de las ondas de compresión y las ondas de corte. La pendiente establecida por cada tramo homogéneo refleja la velocidad con que se propagan las ondas sísmicas en las capas identificadas (Fig. 2).

Este método permite determinar la estratigrafía del subsuelo bajo un punto en forma directa, basándose en el cambio de las propiedades dinámicas de los materiales que la conforman, obteniéndose el perfil de velocidad de las ondas compresionales (Vp) y de corte (Vs) para el pozo. (Fig. 3).

Aplicaciones:

• Estudio de la rigidez de suelo.
• Evaluación geotécnica de suelos.
• Estimación de módulos dinámicos de elasticidad (E), de rigidez al esfuerzo cortante (G) y relación de Poisson (V).
• Evaluación de licuación de los suelos.
• Perfiles Vs y Vp de fondo de pozo.

Fig. 1 Representación gráfica de la metodología de adquisición de datos del Método Down Hole.

Fig. 2 Registros de datos del método DOWN HOLE: Trazas Sísmica de registro de las Ondas P y Ondas S.

Fig. 3 Perfil de Velocidades en 1D donde es posible observar la variación en profundidad de la velocidad de las ondas P y S.

El Método HVSR (Nakamura o Razón Espectral H/V), es una técnica no intrusiva, basado en la recolección y análisis de vibraciones ambientales en la superficie del terreno; en las direcciones ortogonales Norte-Sur, Este-Oeste y Vertical. (Fig. 1).

Nakamura propuso en el año 1989 que el cociente entre la componente horizontal y la componente vertical en el dominio frecuencial era un buen estimador del efecto de sitio. Esta técnica se aplicó por primera vez a microtemblores de zonas urbanas de Japón y que ha sido ampliamente difundido en los últimos años por la fiabilidad de sus resultados, acompañada de rapidez y economía en su ejecución.

Este método se puede utilizar en cualquier sitio y se ha comprobado empíricamente que la principal utilidad de las razones espectrales HVSR está en la determinación de la frecuencia fundamental de un depósito de suelos blandos. considerado como la frecuencia fundamental aquella en que la razón espectral es máxima. (Fig. 2).

Aplicaciones:

• Microzonificación Sísmica para estimación del efecto de sitio.
• Estimación del periodo fundamental de vibración del suelo.
• Estimación de la frecuencia fundamental de un depósito de suelos blandos.

Fig. 1 Medición de las fuentes de ruido ambiental para el método HVSR y su técnica de adquisición de datos en campo.

Fig. 2 Proceso de análisis de datos del método HVSR para el cálculo del periodo fundamental del suelo: Razones espectrales resultantes.

El método de Sondaje Eléctrico Vertical es una técnica que se utiliza frecuentemente para conocer la distribución de las propiedades resistivas del suelo en profundidad de forma puntual. Según las propiedades eléctricas de los materiales, presentan un determinado comportamiento ante el paso de corriente eléctrica.

El método SEV consisten en inyectar corriente al terreno mediante dos electrodos que son clavados en el terreno, conocidos como A y B; luego se mide las diferencias de potencial ΔV entre otros dos electrodos, conocidos como M y N. La relación entre la corriente inyectada I entre la diferencia de potencial ΔV multiplicado por la constante geométrica según el arreglo empleado K, determina el valor de la resistividad aparente, en unidades ohm-m (Ω.m) y que físicamente representa la dificultad que encuentra la corriente eléctrica para fluir a través de un material heterogeneo (Fig. 1).

Mediante el análisis de los datos de resistividad, y un proceso de inversión e interpretación (Fig. 2), el método permite determinar espesores de las estructuras geológicas y su respectiva resistividad aparente. (Fig. 3).

Aplicaciones:

• Caracterización geoeléctrica del subsuelo.
• Estudio y modelamiento geológico de estructuras sedimentarias con potencial hídrico.
• Estudios hidrogeológicos: profundidad de la napa freática, espesor del horizonte productivo, identificación del sustrato rocoso.

Fig. 1 Medición de datos de Resistividad mediante la aplicación de corriente al terreno.

Fig. 2 Curva de datos de resistividad con los datos de campo y ajustados mediante inversión.

Fig. 3 Perfil de interpretación del sondaje eléctrico vertical.

Es una técnica geofísica aplicada a la ingeniería y en exploración de recursos naturales ya que permite determinar las variaciones de resistividad y conductividad eléctrica de las rocas y suelos. En general, los materiales que conforman el subsuelo muestran ciertos rangos de valores de resistividad (r) que dependen de su composición y su contenido de agua o de sales disueltas y presentes en las fracturas de las rocas o en la porosidad del suelo, ellas responderían de manera anómala al paso de la corriente eléctrica. (Fig. 2).

 El método de Tomografía Eléctrica es una técnica multielectródica, y su base teórica de su funcionamiento es análoga al de los métodos convencionales de resistividad como el método de Sondeo Eléctrico Vertical (SEV). Actualmente, existen diferentes instrumentos para realizar la adquisición de datos en campo como los resistivimetros que son pieza fundamental para realizar una buena medición de las propiedades geoeléctricas del terreno. (Fig. 1).

Mediante el análisis de los datos de resistividad, y un proceso de inversión e interpretación el método permite determinar espesores de las estructuras geológicas y su respectiva resistividad aparente; así como poder modelar los resultados en tres dimensiones con la finalidad de otorgar al cliente el mayor detalle posible de la exploración geofísica. (Fig. 3).

Aplicaciones:

• Caracterización geoeléctrica del subsuelo.
• Estudio de cuencas sedimentarias y modelamiento geológico de estructuras sedimentarias.
• Monitoreo del nivel freático e intrusiones marinas.
• Exploración de recursos naturales y actualmente numerosas aplicaciones ambientales, hidrogeológicas, arqueológicas y geotécnicas.
• Detección y caracterización de contactos entre unidades litológicas.
• Identificación del lecho rocoso, fracturas y fallas, cavidades subterráneas (naturales o antropogénicas).
• Ubicación de túneles, pozos abandonados, tumbas y restos arqueológicos.
• Evaluación de sitios por la presencia de rellenos sanitarios y plumas contaminantes.
• Deslizamientos del terreno.

Fig. 1 Equipo de medición de tomografía eléctrica- Polares – PASI.

Fig. 2 Perfil 2d de resistividad del terreno, utilizado para identificación de zonas con presencia de humedad.

Fig. 3 Modelo tridimensional de resistividad.

La medida de la resistividad permite conocer la capacidad del terreno para conducir la corriente eléctrica. Por lo tanto, cuanto más débil sea la resistividad, más débil será la resistencia de la toma de tierra construida en este lugar. (Fig. 1).

La medida de resistividad permitirá:

• Elegir la ubicación y la forma de las tomas de tierra y de las redes de tierra antes de construirlas. (Fig. 2).
• Prever las características eléctricas de las tomas de tierra.
• Reducir los costes de construcción de las tomas de tierra y de las redes de tierra (ahorro de tiempo para conseguir la resistencia de tierra deseada). (Fig. 3).

Mediante el análisis de los datos de resistividad, y un proceso de inversión e interpretación, el método permite determinar espesores de las estructuras geológicas y su respectiva resistividad aparente.

La medición del valor óhmico de un electrodo enterrado se realiza por dos razones:

• Revisar su valor, posteriormente a la instalación y previo a la conexión de equipos, con las especificaciones de diseño.
• Como parte del mantenimiento del sistema de puesta a tierra, para confirmar que su valor no ha aumentado respecto del valor medido originalmente o de su valor de diseño.

El método más común para medir el valor de resistencia a tierra se conoce como el método de "caída de potencial". (Fig. 4)

Fig. 1 Medición de datos de Resistividad mediante la metodología Wenner.

Fig. 2 Medición de datos de campo de resistividad.

Fig. 3 Medición de resistividad del terreno para puesta a tierra.

Fig. 4 Método de caída de potencial para medición de puesta a tierra.

El método del georradar o Ground Penetring Radar (GPR) consiste en el barrido sistemático por la superficie del terreno con una antena de frecuencia variable en función de la profundidad de investigación (entre 25 Mhz y 2 GHz). Geoteknik cuenta con Georradar CrossOver CO4080 de la marca Impulse Radar con tecnología de transmisión de doble frecuencia (400 MHz y 800 MHz); así mismo, este equipo cuenta con un sistema GPS incorporado. El sistema de control es a través de SO Android a través de un enlace inalámbrico. Se basa en una tecnología de adquisición en tiempo real que brinda una penetración de profundidad y un ancho de banda excelentes. El CossOver CO4080 posee un bajo consumo de energía que proporciona hasta 7 horas de funcionamiento con una sola batería (Fig. 1).

La antena transmisora CO4080 emite impulsos cortos de energía electromagnética. Cuando la onda radiada halla heterogeneidades en las propiedades electromagnéticas de los materiales del subsuelo, tales como contacto entre materiales, fracturas, huecos o elementos metálicos, tuberias, etc.; parte de la energía se refleja de nuevo a la superficie y otra parte se transmite hacia profundidades mayores (Fig. 2).

El método de georadar se ha convertido en una tecnología confiable para detectar y mapear servicios públicos subterráneos y ofrece varias ventajas sobre otras técnicas de localización. El más significativo es la capacidad de detectar servicios tanto metálicos como no metálicos, además de una serie de otras características u objetos subterráneos. En consecuencia, el uso de GPR se ha convertido como el método principal para la detección de servicios públicos y caracterizar las características geológicas en diferentes ambientes. (Fig. 3).

Aplicaciones:

• Estimación de espesores de pavimento rígido y relleno en zonas urbanas.
• Búsqueda y localización de tuberías de plástico o PVC y Metal. (Fig. 4).
• Búsqueda y localización de redes de combustible y telecomunicaciones (Fig. 5).
• Detección de huecos, fracturas bajo el pavimento, túneles y cavidades.
• Búsqueda y localización de fugas y humedades.
• Búsqueda y localización de objetos enterrados.
• Localización de líneas de tensión enterradas.
• Arqueología y mapeo de estructuras.
• Inspección, análisis y evaluación del concreto, varillas.
• Detección de grietas en puentes y pavimentos.

Fig. 1 Georradar CrossOver CO4080 de la marca Impulse Radar con tecnología de transmisión de doble frecuencia (400 MHz y 800 MHz).

Fig. 2 Modelo de adquisición de datos GPR para la localización de Interferencias y servicios enterrados.

Fig. 3 Perfil de interpretación de un radargrama con fines de caracterización geológica.

Fig. 4 Aplicación de Georradar para la localización de servicios públicos.

Fig. 5 Aplicación de Georradar para la localización de tuberías de combustible y redes de telecomunicaciones

El método de resistividad térmica (°K.m/W) - (°C.cm/W) permite determinar las propiedades termoeléctricas del terreno; así como la capacidad de conducción o disipación de calor a través del gradiente térmico intrínseco del suelo a diferentes niveles de profundidad. (Fig. 1).

En la industria de la construcción, los cables y tuberías enterrados representan posibles amenazas. Cuando las empresas constructoras están diseñando sistemas subterráneos, deben prestar mucha atención a los niveles de humedad y las propiedades conductoras térmicas del suelo circundante. Si se observa una baja conductividad térmica del suelo, los cables y las tuberías pueden experimentar sobrecalentamiento y potencialmente quemarse.  (Fig. 2).

La Curva de secado (Dry-Out) es el ensayo más completo en el que la muestra se ensaya con diferentes contenidos de humedad (desde saturada a seca). Los resultados se representan en un gráfico de relación entre resistividad térmica y contenido de humedad. (Fig. 3).

Aplicaciones:

• Medición de resistividad y conductividad térmica de muestras de suelo y roca
• Medición de resistividad y conductividad térmica en materiales como concreto, adobe, lana, entre otros polímeros.
• Estudio de materiales de relleno de zanjas.
• Estudios de conductividad térmica del suelo para soterramiento de cables y tuberías.

Fig. 1 Medición de datos de Resistividad y conductividad térmica para a distintos niveles de profundidad.

Fig. 2 Medición de resistividad y conductividad térmica en zanjas.

Fig. 3 Curva dry-out para al análisis e la resistividad térmica respecto a la variación de la humedad.

Fig. 4 Medición de resistividad y conductividad termina en una muestra de adobe.