El método sísmico pasivo HVSR 

El área de ingeniería y geofísica de www.cotecno.cl, está a la vanguardia en la investigación y la aplicación de productos tecnológicos y técnicas para poder calcular el riesgo sísmico de un proyecto. En Cotecno analizamos factores como: la vulnerabilidad sísmica o daño que pueda sufrir una estructura en un movimiento del suelo y la vulnerabilidad estructural de una edificación ante un sismo.

 

Resumen

Los terraplenes son elementos habituales en las explotaciones mineras, necesarios para el almacenamiento de residuos, la gestión de las aguas superficiales o las infraestructuras generales como las balsas de desagüe. Las metodologías de construcción varían, desde la colocación suelta de material de desecho hasta la construcción de terraplenes con capas compactadas individualmente, La garantía de calidad de la construcción convencional conseguirán diferentes densidades, resistencias y permeabilidades. Sin embargo, no siempre es posible garantizar la calidad de la construcción sin causar interrupciones significativas en el programa de construcción.

La estimación de las velocidades de las ondas de corte de los diques mediante un estudio sísmico pasivo de HVSR como indicador de la rigidez es un método práctico, continuo y no invasivo que puede llevarse a cabo con un número limitado de personas y que puede llevarse a cabo con una interrupción limitada de la construcción en todo tipo de estructuras. Esto también proporciona un conjunto de datos continuos a lo largo de todo el terraplén, a diferencia de las observaciones discretas que se realizan con los métodos geotécnicos convencionales.

Los datos de campo adquiridos a lo largo de varios tipos de terraplenes demuestran la muy buena correlación entre las velocidades estimadas de las ondas de corte y el grado de compactación de los diques. Como resultado, las metodologías de construcción alternativas pueden ser cuantitativamente de la densidad aparente con terraplenes totalmente diseñados y vertederos de residuos sueltos como miembros finales.

La recopilación de mediciones repetidas a lo largo del tiempo también discrimina los terraplenes estables de los que se alteran, y constituye una forma rentable de identificar posibles zonas de debilidad antes de que se produzca un fallo peligroso.

Introducción

Los terraplenes son elementos habituales en las explotaciones mineras, necesarios para el almacenamiento de los residuos, la gestión de las aguas superficiales o las infraestructuras generales como las balsas de desagüe. Las diferentes metodologías de construcción, desde el material de desecho suelto hasta los terraplenes de ingeniería con niveles de compactación individuales, conseguirán diferentes densidades, resistencias y permeabilidades. La garantía de calidad de la construcción convencional. Sin embargo, la garantía de calidad de la construcción convencional no siempre es posible sin causar interrupciones significativas en el programa de construcción.

La técnica HVSR es un método sísmico pasivo introducido por Nakamura (1989) que mide el ruido sísmico ambiental. El ruido sísmico ambiental, o los microtemblores, son producidos principalmente por el viento y las olas del océano que culminan en lo que se propone como ondas de corte cerca de la superficie (Yamanaka et al, 1994). Las fuentes antropogénicas también pueden contribuir a la propagación de las ondas, normalmente a frecuencias más altas que las fuentes naturales. El método HVSR define empíricamente que la interferencia constructiva de las ondas dentro de una capa, amplifican las oscilaciones horizontales con respecto a las verticales y que la relación de los componentes horizontales y verticales producen una frecuencia máxima relacionada con la frecuencia de resonancia de la capa (Ali, 2013, Moro, 2015). En un modelo terrestre ideal de dos capas; este pico de frecuencia fundamental puede utilizarse para estimar la velocidad de la onda de corte (Vs, en m/s) de la capa superior si ambas capas presentan un contraste de impedancia suficientemente alto (Mucciarelli, 2001, Di Stefano et al, 2014).

Los terraplenes, que son losas trapezoidales alargadas hechas por el hombre de material de grava seleccionado compactado y colocado sobre la roca madre, y cuya geometría es registrada con precisión por los topógrafos mediante GPS diferencial, son un caso ideal para la prospección HVSR.

Contrariamente a los exploradores que utilizan el método para estimar la topografía del basamento cristalino a partir de una supuesta sobrecarga lateralmente consistente Vs (por ejemplo Owers et al, 2016), proponemos estimar los terraplenes Vs a partir de mediciones precisas de elevación. La estimación de Vs de los diques a través de la prospección sísmica pasiva HVSR como un sustituto de la rigidez de la construcción es un método práctico, continuo y no invasivo que puede llevarse a cabo en la empresa con una interrupción limitada de la construcción. Además, la asequibilidad y el pequeño tamaño del equipo de campo necesario hacen que la prospección HVSR en escenarios de minería activa sea una alternativa económica y eficiente a las prospecciones geofísicas del terreno más convencionales.

Método y Resultados

El estudio de HVSR se llevó a cabo sobre terraplenes construidos con diversas metodologías de construcción, desde material de desecho suelto de residuos vertidos de forma suelta a terraplenes de ingeniería con elevaciones compactadas individualmente, cada una de las cuales lograba un grado diferente de rigidez.

El nivel más alto de robustez se consigue utilizando la flota de movimiento de tierras civil y siguiendo los principios de ingeniería, donde el relleno seleccionado con un contenido de humedad específico se coloca en capas que suelen ser de 200 metros.

El relleno seleccionado, con un contenido de humedad específico, se coloca en capas de entre 200 y 300 mm de grosor y se compacta individualmente con rodillos hasta alcanzar el porcentaje de compactación requerido.

hasta alcanzar el porcentaje de compactación requerido. Los controles de calidad, que implican la supervisión del contenido de humedad y de la densidad de elevación, se llevan a cabo tras de cada capa. Como alternativa rentable, los terraplenes pueden construirse vertiendo material de desecho en capas de entre 1,5 y 2 metros, de entre 1,5 m y 2 m de altura y luego aplanados y compactados por la flota minera. La menor densidad y la mayor permeabilidad resultantes suelen compensarse con el diseño de estructuras más anchas y con una pendiente de bateo más suave. No obstante, estos dos métodos consiguen una mayor densidad de resistencia y menor permeabilidad que el vertido final de material de desecho a alturas superiores a 10 m.

El temblor sísmico ambiental se registró en la parte superior de los terraplenes utilizando un sismómetro portátil de tres componentes. En cada estación, los datos se registraron durante ocho o diez minutos, una vez que se consiguió un buen acoplamiento y nivelación del terreno en una zona libre de escombros o cascotes. Se colocó una cubierta sobre la unidad para protegerla del viento, y se mantuvo una zona de exclusión de 50 m durante el registro para evitar la interferencia de los movimientos del operador.

La garantía y el control de la calidad de los datos, el procesamiento estándar de HVSR y la selección de la frecuencia de resonancia máxima (f0, en Hz) se llevaron a cabo en un software propio siguiendo un flujo de trabajo similar al descrito en Owers et al (2016). A continuación, se estima la Vs del terraplén estimado siguiendo la ecuación empírica de Nakamura (2000); Vs = 4 * h * f0, donde h es el espesor conocido del terraplén en la ubicación de la estación. Un resumen de los resultados promedio de Vs recogidos en 69 estaciones sísmicas pasivas en cinco sitios. Cabe destacar que la calidad de los datos fue excelente a pesar de encontrarse en una zona minera activa.

Un análisis de los resultados de HVSR sugirió que el tipo de material y el grado de compactación pueden ser los principales parámetros de control en los relaves depositados en el emplazamiento nº 5, que están compuestos por limo seco y arcilla, y que recibieron la menor cantidad de compactación (depositados por tubería y únicamente dejados sedimentar con el tiempo), devolvieron un Vs significativamente menor que otras estructuras compactadas hechas de material de desecho que contenía principalmente cuarzo, pizarras y rocas ferruginosas. El emplazamiento nº 1, que es el que experimentó la mayor cantidad de compactación durante la construcción, devolvió el valor más alto de Vs. Del mismo modo, aunque los emplazamientos 3 y 4 están hechos del mismo material utilizando metodologías de construcción consistentes, el terraplén más nuevo tiene un Vs significativamente menor que el más antiguo que se utilizó posteriormente como camino de acarreo, que a su vez tiene un Vs ligeramente más alto en el centro que a lo largo de su borde, donde el tráfico de vehículos es menos frecuente.

Además, una repetición de la adquisición en 2017 de los datos de HVSR recogidos en 2015 sobre un terraplén más antiguo construido con flota minera (Sitio # 3) ha devuelto valores promedio de Vs notablemente similares dentro del 1,3% (516 m/s en 2015 y 523 m/s en 2017). Este demuestra la repetibilidad del método HVSR, y la posibilidad de monitorear la integridad de los terraplenes en el tiempo.

Discusión

Los valores Vs adquiridos a partir de la prospección HVSR se han comparado con la información geotécnica existente para evaluar si la correlación cualitativa con el grado de compactación podía conciliarse con los resultados de los ensayos de laboratorio e in situ, y si Vs. a granel estimada podría ser una aproximación cuantitativa razonable de la rigidez del terraplén.

Se tomaron muestras del material de desecho típico que se utilizó en la construcción de la obra nº 1 y la obra nº 2 para realizar pruebas de laboratorio. Las muestras midieron las densidades a varios contenidos de humedad siguiendo una prueba de compactación Proctor estándar (PCT) con material que pasaba un tamaño de tamiz de 19mm. También se midió el Vs de cada cilindro del suelo compactado resultante. Las densidades de suelo medidas variaron entre 1,46 t/m3 y 2,44 t/m3 con una media de 2,08 t/m3 y los valores de Vs variaron entre 169 m/s y 366 m/s con una media de 248 m/s. Se observó una relación lineal entre ln (Vs) y la densidad se pudo determinar con un ajuste aceptable (R2 = 0,85) para este material.

Las pruebas de densidad in situ y de laboratorio se llevaron a cabo durante la construcción del emplazamiento nº 1 en 2013, siguiendo el programa Australian Norma, para pruebas de suelos AS1289. La densidad aparente media medida en el terraplén fue de 2,91 t/m3. Aunque esta densidad es relativamente alta en comparación con los entornos geológicos naturales comunes, es significativamente inferior a la densidad calculada de 3,58 t/m3 utilizando la correlación obtenida en el lugar y Vs determinada a partir de la prospección HVSR. Las principales limitaciones de las pruebas in situ y de laboratorio son la profundidad limitada de la investigación dentro del terraplén (a saber, 150 mm) y el hecho de que el PCT sólo puede realizarse en material tamizado.

Por lo tanto, ninguno de los dos métodos tiene en cuenta las partículas más grandes presentes en el relleno. Utilizando los resultados de un estudio de la distribución del tamaño de las partículas (PSD), para este material, es posible estimar la cantidad de material que no se ha tenido en cuenta durante las pruebas geotécnicas, y aplicar una corrección establecida por la Sociedad Americana de Pruebas y Materiales (ASTM D4718) para tener en cuenta la contribución de partículas más grandes. Dicha densidad máxima seca corregida sería de 3,48 t/m3, lo que se aproxima considerablemente a la densidad aparente calculada del emplazamiento nº 1 de 3,58 t/m3. La necesidad de tener en cuenta las posibles partículas de mayor tamaño al analizar los resultados de las pruebas de laboratorio también queda demostrada por el hecho de que el Vs máximo alcanzado para el material tamizado de los emplazamientos nº 1 y nº 2 fue de 366 m/s, mucho más bajo que el Vs a granel estimado a partir de la prospección HVSR sobre el sitio # 1.

En 2011, antes de la prospección HVSR, se recogieron datos de la prueba de penetración de cono (CPT) como parte de la evaluación del desmantelamiento de una instalación de almacenamiento de relaves, a partir de la cual se estimó el Vs. Este método consiste en utilizar un equipo portátil que empuja un cono metálico en la superficie de la tierra, se mueve a una velocidad constante, mientras que el sensor del cono registra los grados de resistencia. Los valores de Vs in situ estimados resultantes a lo largo del espesor de los relaves oscilaron entre 160 m/s y 190 m/s, lo que coincide con las recientes estimaciones de Vs de HVSR de aproximadamente 189 m/s. Como parte de la prueba, también se han realizado pruebas de laboratorio de densidad en muestras de material de relaves secos que arrojaron densidades entre 1,52 t/m3 y 1,74 t/m3 con una media de 1,64 t/m3 que también coincide con la densidad seca calculada para el emplazamiento nº 5 (1,5 t/m3). Aunque este tipo de investigación no puede realizarse en un medio más compacto, los datos existentes de CPT apoyan el enfoque HVSR para los relaves depositados más blandos.

Aunque todavía no se ha demostrado que la relación lineal pueda extrapolarse fácilmente a través del rango de valores de Vs medidos con la prospección HVSR, la conciliación con las limitadas pruebas geotécnicas in situ y de laboratorio muestra una alentadora y corrobora la validez de la estimación de Vs a granel, e incluso posiblemente de la densidad, utilizando la prospección HVSR como indicador de la rigidez del terraplén.

Conclusiones

El método sísmico pasivo HVSR ha demostrado ser una forma rápida, no invasiva y rentable de caracterizar las velocidades de las ondas de corte de las ondas de cizallamiento en los diques mineros. Los datos adquiridos a lo largo de varios tipos de terraplenes demuestran la muy buena correlación entre las velocidades estimadas de las ondas de corte y el grado de compactación de los diques.

Tanto la velocidad de onda de corte calculada como los valores de las ondas de corte y de la densidad aparente son coherentes con las mediciones in situ y de laboratorio, una vez que se han tenido en cuenta las limitaciones del tamaño del material. Como resultado, las metodologías de construcción alternativas pueden compararse cuantitativamente con un espectro de densidad aparente con terraplenes totalmente diseñados y vertederos de residuos sueltos como miembros finales.

La recopilación de mediciones repetidas a lo largo del tiempo también podría discriminar los terraplenes estables de los que se alteran, y constituye una nueva herramienta para identificar posibles zonas de debilidad antes de que se produzca un fallo peligroso. No obstante, para determinar el contenido de humedad y la densidad de los materiales, será necesario llevar a cabo más estudios sobre el terreno, que incluyan pruebas geotécnicas in situ y de laboratorio.

No obstante, será necesario realizar más estudios in situ y de laboratorio sobre la densidad, el Vs, la PSD y el contenido de humedad para comprobar las correlaciones observadas en este estudio piloto.