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MULTICHANNEL ANALYSIS OF SURFACE WAVES  – ENSAYOS MASW – CÁLCULO VS30

En la mayor parte de investigaciones sísmicas donde se utilizan las ondas compresivas, más de dos tercios de la energía sísmica total generada se transmite en forma de ondas de Rayleigh, que es la principal  componente de las ondas superficiales. En la hipótesis de una variación de velocidad de los terrenos en sentido vertical, cada una de las componentes de frecuencia de la onda superficial tiene una velocidad de propagación diferente (llamada velocidad de fase) que al mismo tiempo, corresponde a una largura de onda diferente para cada frecuencia que se propaga. Esta caraterística se llama dispersión.
Si bien las ondas superficiales son consideradas ruido para las investigaciones sísmicas que utilizan las ondas de cuerpo (reflexión y refracción), su propiedad “dispersiva” se puede utilizar para estudiar las propiedades elásticas de los terrenos superficiales.
La construcción de un perfil vertical de velocidad de las  ondas de corte (Vs), obtenido con el análisis de las ondas planas de la modalidad fundamental de las  ondas de Rayleigh es uno de los usos más comunes para utilizar las propiedades dispersivas de las ondas superficiales. Este tipo de análisis ofrece los parámetros fundamentales y normalmente utilizados para determinar la rigidez superficial, una característica crítica en muchos estudios geotécnicos.

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Todo el proceso incluye tres fases sucesivas: La adquisición de las ondas superficiales (ground roll), la construcción de una curva de dispersión (el gráfico de la velocidad de fase con respecto a la frecuencia) y la inversión de la curva de dispersión para obtener el perfil vertical de las  Vs.

Para obtener un perfil Vs es necesario producir un tren de ondas superficiales de banda ancha y grabarlo reduciendo el ruido. A lo largo del tiempo se han utilizado múltiples técnicas para obtener la curva de dispersión, cada una con sus ventajas y desventajas. La inversión de la curva de dispersión se realiza por iteración, utilizando la curva de dispersión medida como referencia para la modelización directa y para el procedimiento de mínimos cuadrados.

Para obtener el perfil vertical Vs de la curva de dispersión son necesarios valores aproximados de la relación de Poisson y de la densidad cuya estimación normalmente se realiza utilizando medidas tomadas in situ o evaluando las tipologías de materiales.

Cuando se generan las ondas planas de la modalidad fundamental de las ondas de Reyleigh,  también se genera una multiplicidad de ondas. Entre ellas las ondas de cuerpo, las ondas superficiales no planas, las ondas de reverberación (back scattered) por la inhomogeneidad superficial, el ruido ambiental y el imputable a la actividad humana.
Las ondas de cuerpo son identificables en un sismograma multicanal. Las refractadas y reflejas son el resultado de la interacción entre las ondas y la impedancia acústica (contraste de velocidad) entre las superficies de discontinuidad, mientras que las ondas de cuerpo directas viajan, como su nombre indica, directamente desde la fuente a los receptores (geófonos).
Las ondas que se propagan a una corta distancia de la fuente son siempre ondas superficiales. Dichas ondas, cerca de la fuente,  siguen un complicado comportamiento  no lineal y no pueden ser tratadas como ondas planas.

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Las ondas superficiales de reverberación (back scattered) pueden prevalecer en un sismograma multicanal si cerca de las medidas hay discontinuidades horizontales como fundaciones y muros de contención. La amplitud de cada tipología de ruido generalmente cambia con la frecuencia y la distancia de la fuente. Asimismo, cada ruido, tiene varias velocidades y propriedades de atenuación que pueden ser identificadas en el registro multicanal gracias al uso de modelos de coherencia y según los tiempos de llegada y de la amplitud de cada uno.
La descomposición de un campo de ondas registradas en un formato de frecuencia variable permite identificar la mayor parte del ruido, analizando la fase y la frecuencia subordinadamente a la distancia de la fuente.

Por lo tanto la descomposición puede ser utilizada junto con el registro multicanal para reducir el ruido durante la adquisición.
La selección de los parámetros de elaboración así como el mejor intervalo de frecuencia para el cálculo de la velocidad de fase, puede ser realizado con  mayor precisión utilizando sismogramas multicanal.
Una vez descompuesto el sismograma, se puede utilizar una oportuna medición de coherencia aplicada en el tiempo y en el dominio de la frecuencia para calcular la velocidad de fase respecto a la frecuencia.
La velocidad de fase y la frecuencia son las dos variables (x; y) cuyo vínculo constituye la curva de dispersión. También es posible determinar la precisión del cálculo de la curva de  dispersión analizando la inclinación lineal de cada componente de frecuencia de las  ondas superficiales en un solo sismograma. En este caso MASW  permite el mejor registro y separación a banda amplia y elevadas relaciones S/N. Una buena relación S/N garantiza precisión en el cálculo de la curva de dispersión, mientras que la amplitud de banda mejora la  resolución  y la posible profundidad de investigación del perfil Vs de inversión.
Las ondas de superficie se generan fácilmente por una fuente sísmica, como por ejemplo, con el impacto de una maza sobre una placa de aluminio. La configuración base de campo y la rutina de adquisición en el método MASW en general son las mismas que se utilizan en una convencional investigación de reflexión (CMP). Pero algunas reglas operativas para MASW  son incompatibles con la optimización de la reflexión. Esta semejanza permite obtener, con el método MASW,  secciones superficiales de velocidad que pueden ser utilizadas para hacer correcciones estáticas precisas de los perfiles de reflexión. MASW también puede ser eficaz solo con doce canales de registro conectados a geófonos individuales de baja frecuencia(<10Hz).

MASW La ilustración muestra las propiedades de dispersión de las ondas de superficie. Las componentes con frecuencias más bajas (mayor largura de onda), se caracterizan con fuerte energía y gran capacidad de penetración, mientras que las componentes con frecuencia más alta (largura de onda corta), tienen menor energía y penetran solo superficialmente. Gracias a estas propiedades, una metodología que utilice las ondas superficiales puede ofrecer información sobre las variaciones de las  propiedades elásticas de los materiales próximos a la superficie al variar la profundidad. La velocidad de las  ondas S  (Vs) es el factor predominante que rige las características de la dispersión.

INSTRUMENTACIÓN

  • un sismógrafo EEG BR24
  • 24 geófonos a 4.5Hz
  • maza da 10 Kg o fusil sísmico

VENTAJAS DEL REGISTRO MULTICANAL

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DESCRIPCIÓN GENERAL DEL MÉTODO MASW

El método MASW se puede sintetizar en tres fases diferentes:

  • 1. adquisición de los datos de campo;
  • 2. extracción de la curva de dispersión;
  • 3. inversión de la curva de dispersión para obtener el perfil vertical de las  Vs (perfil 1-D) que describe la variación de Vs con la profundidad.

Un  mapa bidimensional (mapa 2-D) puede ser realizado aproximando y sobreponiendo varios perfiles 1-D consecutivos y utilizando un software para contouring.Vs2DProfiling-2

La mayor ventaja de un método de registro multicanal es la capacidad para reconocer los varios comportamientos, esto permite identificar y extraer la seňal útil del conjunto de varios y diferentes tipos de ondas sísmicas. Cuando se impacta sobre la superficie del terreno, todas estas ondas se generan simultáneamente con diferentes propriedades de atenuación, velocidad y contenidos espectrales. Estas propiedades son identificables una a una por medio de una grabación multicanal y la fase sucesiva del proceso procura gran versatilidad en la extracción de la información útil.

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