Método de crosshole

 

Las investigaciones que se realizan Crosshole se utilizan para proporcionar información de los suelos y rocas así como las propiedades dinámicas de las misma para poder realizar el diseño para el análisis de estructuras, estudios potenciales de licuefacción, desarrollo del sitio, y una base de máquina dinámica de diseño. La investigación puede determinar la cizalla y la profundidad de la onda en los perfiles de velocidad. Otros parámetros como el módulo de Poisson se pueden determinar fácilmente medidos en la velocidades de onda. También la amortiguación del material se puede determinar de las pruebas de CS ( Crosshole seismic) . El método CS es un método de fondo de pozo para la determinación de las propiedades de los materiales del suelo y la roca que utiliza una fuente capaz de generar ondas de corte y compresión que se ven afectadas por las perforaciones, y estas ondas son captadas por un par de receptores de geófono de tres componentes que se colocan a la misma profundidad en dos perforaciones adicionales configuradas en incrementos espaciados uniformemente (típicamente 10 y 20 pies desde el pozo de origen) en una línea; los receptores se colocan en el lateral de la carcasa del pozo para permitir la detección del paso de cizalla y ondas de compresión.

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se muestra la distribución de los receptores a profundidad

La prueba geofísica Crosshole determina la velocidad de la onda de corte de los suelos que proporciona una indicación de su rigidez. Hasta hace poco, este método no se usaba comúnmente para la evaluación de licuación y es relativamente especializado, actualmente se usan las medidas de velocidad de onda de corte de la prueba, la rigidez compuesta del suelo, la rigidez combinada de mejora del suelo y el suelo. Esto es particularmente útil para algunos métodos de mejora del suelo. La prueba geofísica de fondo de pozo es útil de dos maneras principales:

Se puede usar muy pronto después de la mejora del suelo en construcción
Evalúa las propiedades del suelo que no están determinadas a partir de la prueba. Esta información es complementaria para conocer los datos de prueba de penetración y es particularmente útil al evaluar la efectividad del terreno construcción de mejora.
Debido al alto costo de esta prueba, por lo general se usa el ensayo de penetración del cono. Sin embargo, la pruebas geofísicas Crosshole pueden mostrar que el suelo ha sido mejorado adecuadamente en algunos casos donde la penetración de cono no pueden demostrar un nivel equivalente de mejora. Además, se puede usar para verificar variaciones de diseños comúnmente aceptados, que pueden ahorrar tiempo y costos de construcción.

Diferencia entre el metodo de Crosshole y Downhole

Método de Crosshole

Rutas de viaje constante

Efectos de pozo insignificantes
Receptores debidamente alineados para SV-Waves
Alta relación de señal a ruido en todas las profundidades
Perfil detallado
Realizable en espacio limitado
Exactitud Independiente en la profundidad de medición
Dos o más perforaciones
Simple Borehole Source
Predominantemente ondas P y SV, pero ondas SH También es posible fuente reversible
Mide la verticalidad del pozo
Detecta capas de baja velocidad
Posibles problemas de refracción
Utilizable en áreas ruidosas
más caro
Método de Downhole

Sin medidas de verticalidad
Fuente de superficie simple
Problemas mínimos de refracción
Menos costoso
Genera ondas P y SH
La ruta de viaje aumenta con la profundidad
Posibles efectos de pozo
Control de la alineación del receptor es preferible
La relación de señal a ruido disminuye con profundidad
Detecta capas de baja velocidad
Más Perfil Promedio
Utilizable en áreas ruidosas
Realizable en espacio limitado
Precisión dependiente del profundidad de medición
Interpretación de las mediciones sísmicas con CrossHole y la combinación de dos métodos.

El levantamiento transversal es una técnica básica para la estimación de los módulos elásticos del subsuelo. A pesar de que las normas establecen una estrecha separación entre los pozos y para llevar a cabo estos estudios, no hay seguridad de que todas las primeras llegadas sísmicas detectadas por los geófonos en uno de los pozos corresponden a ondas directas, por lo que no todas las velocidades calculadas son reales. Es necesario corregir las desviaciones de el tiempo de onda directa debido a refracciones en las interfaces o contactos geológicos. En este caso, un combinación de dos métodos computacionales se utiliza para la interpretación de mediciones de Crosshole: el primer método calcula un modelo de velocidad horizontal a partir de la primera curva de llegadas sísmicas; el segundo método calcula las primeras llegadas sísmicas teóricas del modelo de subsuelo estratificado con el fin de que compare los tiempos de viaje en cada profundidad y mejore el modelo del subsuelo.

Por otra parte,en estudios geotécnicos, la estimación de módulos elásticos dinámicos del subsuelo a través del estudio sísmico, las velocidades son muy importantes para el diseño de cimientos y estructuras en proyectos de ingeniería civil. Estas constantes son indicativas de su deformabilidad y resistencia mecánica. El módulo de corte es fundamental para el estudio de la respuesta del suelo a vibraciones sísmicas o creadas por el hombre. El módulo de corte también permite comprender el comportamiento del suelo porque es indicativo de su estructura. Programas como SHAKE estima la respuesta sísmica del suelo para un modelo en capas planas (espesor y velocidad de cizallamiento de cada capa).

Entre los métodos geofísicos utilizados para obtener las velocidades sísmicas in situ:se encuentra la refracción, up-hole y Cross-hole, el último da la forma más detallada. El método de cross-hole investiga la zona entre dos pozos cercanos (generalmente de 5 a 10 m), midiendo el tiempo de viaje del ondas compresionales (P) y cizalla (S) desde una fuente ubicada en un pozo hasta un geófono ubicado en otro pozo. Para obtener un modelo de velocidad que esté más cerca de las velocidades reales del subsuelo, es necesario para corregir las velocidades aparentes observadas debido a las refracciones en las interfaces de la capa cercana.

Originalmente, los dos programas desarrollados para la interpretación de mediciones de agujeros cruzados comenzaron desde un modelo de profundidad en el que el usuario seleccionó hasta 5 profundidades o interfaces de la curva de velocidad aparente que se calcula mediante un primer programa. Sin embargo, debido a la dificultad de seleccionar las profundidades de la realidad interfaces (sin considerar las que pueden conocerse a partir de columnas de litología), se decidió el arreglo el espesor de la capa a 1 m en el modelo ya que los módulos dinámicos en las estudios de cross-hole son normalmente dado cada metro.

El primer programa (VELCAP) calcula las velocidades de capa para un modelo dado de hasta 14 capas en un medio espaciado. Las profundidades de las mediciones y los tiempos de llegada de las ondas P o S son los datos para el programa poder calcular las velocidades aparentes P o S. El usuario debe dar la profundidad de la primera capa y el grosor de las capas inferiores si es constante, o la profundidad de cada capa si el grosor es variable.El programa lleva a cabo un promedio ponderado de velocidades aparentes que pertenecen a la misma capa y se calcula un modelo de velocidad inicial. Luego, a partir de este modelo, los tiempos de viaje, se calculan de las ondas directas y las ondas refractadas en la capa superior e inferior (en el caso de que se generen) y el mínimo es elegido. La posibilidad de una segunda refracción no es tenida en cuenta por el programa, sin embargo, las distancias cercanas usadas en el método del cross-hole hacen que esta posibilidad sea poco común. El tiempo de viaje mínimo del modelo de velocidad se compara con el tiempo de viaje observado y se produce un error de corrección evaluado de acuerdo a la siguiente expresión:

Err(%) = 100 * (Σi( (Tmi – Toi)/Toi)/Np

Donde,

Tmi: i-ésimo tiempo mínimo.

Toi: i-ésimo tiempo observado.

Np: número de puntos en la i-ésima capa.

El programa muestra las velocidades de capa iniciales calculadas a partir de las velocidades aparentes y el porcentaje de error entre el modelo y los tiempos observados para cada capa. El usuario puede cambiar el valor de velocidad de una o más capas y volver a calcular el porcentaje de error hasta que se consideren los errores aceptable o no se puede reducir significativamente, por lo que se obtiene un modelo final.

El segundo programa (TRECH) imprime el modelo de velocidad final y las curvas superpuestas de tiempos mínimos de viaje calculados y observados, para compararlos y asegurarse de que el modelo puede reproducir las observaciones con una precisión aceptable.

Aplicación del Cross-hole.

Los datos de cross-hole de un estudio realizado en Villa de Reyes, San Luis Potosí, México (Aranda, 1994) para un sitio de una planta de energía, se usaron con los dos programas descritos anteriormente. En este sitio hay un capa poco profunda que se compone de arena cementada piroclástica, de 1 a 2 m de espesor, que cubre capas de toba con menos fuerza mecánica. En las capas de toba, el contenido de arcilla aumenta mientras que la arena disminuye y en 7 m de profundidad donde predomina la arcilla. Los tiempos de viaje de las ondas P y S se midieron cada 50 cm usando dos pozos de 15 m de largo separados por 4 m. Se ejecutó un registro de rayos gamma-gamma en uno de los pozos para estimar la densidad aparente de los materiales del subsuelo. Los registros de calibre y desviación también fueron ejecutar en ambos pozos para las correcciones de distancia entre el diámetro del agujero y la fuente y el geófono, respectivamente.

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Tiempo de viaje mínimo observado para ondas P y S.

La imagen anterior, muestra los tiempos mínimos de viaje de las ondas P y S en el estudio de Cross-hole.La letra “I”que se imprime en algunas profundidades indica las inversiones de velocidad con la profundidad, que indica bajo capas de velocidad entre la capa de velocidad más alta.

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Imagen de datos de salida del programa Velcap para tiempos de viaje de ondas P.

La imagen muestra el resultado del programa VELCAP para un modelo inicial de profundidad de onda P de 14 capas y un medio espaciado. El grosor de todas las capas es de 1 m, a excepción de la capa 1, que tiene 1,2 m de espesor. El programa calcula una velocidad inicial para cada capa usando un promedio ponderado. Las velocidades de capa están listadas

de izquierda a derecha en líneas con cinco elementos. Un error, también se calcula para cada capa, por comparación entre los tiempos de viaje estimados (tiempos mínimos de viaje) y el viaje observado; También se indica un error total para todo el modelo. Después de algunos ensayos para reducir el ajuste y el error en las capas el usuario detiene el programa y el último modelo de velocidad se considera como el modelo. final.

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Imagen de datos de salida del programa Velcap para tiempos de viaje de ondas S.

Se muestra en la imagen la salida del programa para el mismo modelo de profundidad., Pero teniendo en cuenta los datos de ondas S. Durante la prueba de ejecución del programa, se observó que lo más aconsejable era cambie la velocidad de una sola capa a la vez, para poder percibir fácilmente si el error se reduce o no, ya que la reducción del error en una capa puede inducir un aumento considerable del error en uno o ambos adyacentes capas.

Los modelos finales de capas P y S, cada uno a la vez, fueron la entrada para el programa TRECH, que compara gráficamente los tiempos mínimos de viaje para el modelo de velocidad final y el tiempo observado tiempos de viaje. Se puede observar que los tiempos de viaje teóricos de las ondas P y S se acercan a los tiempos de viaje observados en la mayoría de la curva. Sin embargo, en algunas partes de la curva, la similitud en la forma es pobre, el error de capa que correspondiente es grande, y es imposible reducir significativamente el error con cualquier cambio de velocidad. Este es el caso de las capas 5 y modelo de velocidad de ondas P y para las capas 5, 6 y 8 en el modelo de velocidad de onda S. El análisis de los tiempos de viaje observados revelan que esta situación se produce cuando los tiempos de viaje consecutivos son muy similares o iguales, pero están separados artificialmente por una interfaz de capa; lógicamente estos valores deberían ser incluido en la misma capa.

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Imagen de datos de salida del programa Trech: a) Para tiempo de viaje de ondas P y modelo b) Para tiempo de viaje de ondas P y modelo.

Para considerar la posibilidad mencionada anteriormente, ambos programas fueron modificados para aceptar interfaces en cualquier profundidad y capas con un solo tiempo de viaje, para que los tiempos de viaje teóricos puedan arreglar mejor los tiempos de viaje observados. De esta forma, los modelos de velocidades en capas P y S podrían mejorarse cambiando algunas profundidades de interfaz y permitiendo capas con datos de un solo punto. Después de esto cambia, y el modelo de onda P se modifica primero, para obtener el modelo final cuyos tiempos de viaje correspondientes muestran una mejor similitud con los tiempos observados que el modelo anterior. En consecuencia, se consideraron las mismas profundidades de interfaz para los datos de onda S, pero no fue posible alcanzar una buena solución como con los datos de la onda P.

Finalmente, los módulos Young y de corte o cizalla, se calcularon con las velocidades de ondas P y S, y el modelo final compuesto por 15 capas, y superpuesto con los módulos calculados con la sísmica y velocidades aparente cada 0.5 m (valores puntuales). Aunque los módulos para el modelo en capas no son muy diferentes a partir de los valores de puntos, se pueden apreciar algunas diferencias importantes entre ambos cálculos. lEl módulo de Young para el modelo en capas alcanza valores más altos y más bajos que el módulo calculado con las velocidades aparentes; en el caso del módulo de corte, la situación es análoga pero la capa y los valores de los puntos están más cerca unos de otros. Por otro lado, el modelo muestra claramente la presencia de algunos capas de baja velocidad en el subsuelo que se enfatiza por la capa piroclástica dura cerca de la superficie.

En conclusión, los métodos descritos anteriormente y traducidos en dos programas de cómputo para mejorar la interpretación de las mediciones sísmicas de fondo de pozo se basa en el cálculo de los tiempos mínimos de viaje y estimación de un modelo estratificado por ensayo y error.

El procedimiento de interpretación semiautomático propuesto necesita los criterios del usuario para modificar un modelo con capas de grosor igual a un modelo con capas de espesor variable, que en el programa están limitadas a 15. Esto puede dar buenos resultados para los tiempos de P, pero no para los tiempos S o viceversa, y esto puede aumentar el tiempo necesario para la interpretación. Sería muy recomendable encontrar un procedimiento para probar automáticamente varios modelos para acelerar la interpretación, sin embargo, la naturaleza no lineal del problema hace que sea difícil introducir un procedimiento iterativo en la programación.

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