Determinación de los parámetros dinámicos en depósitos sedimentarios de Ocaña Norte de Santander, mediante métodos geofísicos

1. Introducción
Colombia yace sobre dos zonas de subducción importantes, la placa nazca y caribe, situadas paralelamente a las costas colombianas [1-2], que se relaciona con zonas de mayor actividad sísmica como lo son: Santander, Nariño, Norte de Santander, Risaralda, Caldas, Quindío y el norte el Choco [3]. Además, en la norma sismo resistente colombiana, la ciudad de Ocaña se clasifica en un nivel de amenaza sísmica intermedia [4]. Lo anterior denota la importancia de entender el comportamiento del suelo cuando se somete a las cargas generadas durante los sismos, pues bajo estas condiciones el suelo posee una respuesta que, dada la anisotropía de este, no puede ser analizado desde un punto de vista estático [5], pues la respuesta del suelo está asociada a los parámetros dinámicos del suelo, adquiriendo un comportamiento dinámico, que depende de los parámetros dinámicos del suelo [6].

Históricamente Ocaña ha sido receptor de población, llegando hasta una cifra del 0,30% del total nacional [7], el crecimiento de la población conlleva un crecimiento físico, necesario no solo para viviendas sino para albergar nuevas actividades especializadas que abastecen a un mercado más grande [8]. Dependiendo de las características de la ciudad este crecimiento se refleja con un incremento de la densidad de construcción, optando por edificaciones más altas que alberguen un mayor número de habitantes. Los terrenos donde se desarrollan estas edificaciones requieren de estudios que brinden información necesaria acerca del comportamiento de los suelos y el análisis de la interacción suelo-estructura, este análisis parte de los parámetros dinámicos del suelo... onda p y onda s, (tres o cuatro en inglés) los cuales se establecen en la ciudad mediante correlaciones basadas en los resultados del ensayo de SPT a partir de ecuaciones empíricas planteadas por autores como:[9-10-11], en condiciones probablemente diferentes a las de la ciudad de Ocaña; Y aunque puedan dar una idea del valor de la velocidad de onda cortante, de los parámetros dinámicos del suelo, existe una alta probabilidad de imprecisión en ellos, y esto es debido a que en la ciudad no se cuenta hasta el momento con procedimientos ni equipo especializado que permita su obtención directa.

La medición de las ondas se puede realizar mediante métodos geofísicos. El método de refracción sísmica consiste en la medición del tiempo de viaje de la primera onda detectada, (onda de compresión u onda P) en una serie de puntos separados a intervalos regulares a lo largo de una línea de referencia ubicada sobre la superficie de la tierra. Dicha línea se conoce como línea de inspección, y en cada punto de la misma se encuentra un dispositivo receptor de señales llamado geófono. Las ondas detectadas en cada receptor son originadas a partir de una fuente de energía de tipo impulsiva en una ubicación estratégica conocida con el nombre de punto de disparo, pudiendo utilizar una explosión o el impacto de un objeto sobre el terreno [12]. Y en el caso del ensayo de términos generales, la adquisición de datos para el Multichannel Analysis of Surface Waves - MASW no es muy diferente de los procedimientos comunes adoptados en los estudios de refracción, en realidad es más sencillo porque, por ejemplo, solo se requiere un disparo ofensivo. Dos aspectos triviales para considerar relacionan la posible saturación del trazo (recorte) y la atenuación del ruido incoherente por medio de un apilamiento vertical (es decir, la suma de trazas de disparos múltiples) [13].

La formación algodonal corresponde a una formación geológica característica de la geología de Ocaña, y representa casi la totalidad de la superficie del perímetro urbano, y sobre ella están las principales zonas con potencial de expansión en la ciudad, es por ello que con el desarrollo de este artículo se pretende establecer los valores característicos de las propiedades dinámicas de los materiales que componen esta formación, mediante la aplicación de los métodos geofísicos de Refracción Sísmica y MASW.

2. Metodología
Para lograr la estimación de valores característicos de los parámetros dinámicos en los materiales que componen la formación geológica (Algodonal) y conforman la geología del municipio de Ocaña Norte de Santander, se realizaron ensayos de Refracción Sísmica y MASW localizados en la zona Sur, suroriente y Centro occidente de la ciudad.

2.1 Ubicación y características de los sitios

Los sitios de estudio corresponden a terrenos dentro del perímetro urbano de la ciudad donde aflora la formación algodonal, que poseen una extensión suficiente para el armado y montaje de los equipos de adquisición y cuya pendiente no es muy pronunciada, adicionalmente se realizaron varias visitas durante la semana a fin de establecer los días con menor flujo de vehículos y peatones. En la figura 1 se aprecia la ubicación detallada de los sitios de estudio, los cuales se efectuaron sobre la formación algodonal la cual es una formación geológica conformada por rocas sedimentarias poco consolidadas y altamente meteorizadas que afloran en la mayor parte de la superficie del área urbana de la ciudad de Ocaña y sobre esta formación se efectuaron ensayos de refracción sísmica y MASW.

2.2 Adquisición y procesamiento

Los métodos geofísicos empleados para la determinación de onda de compresión (ondas P) y ondas de corte (ondas S) fueron Refracción sísmica y MASW respectivamente, haciendo uso de un Geode ultra-lite, de la empresa GEOMETRICS con 24 canales y geófonos de 14,5 Hz, adicionalmente se hizo uso de un mazo de 6 libras, Cable sísmico, trigger, convertidor, cable de interface, cable de poder y batería de 12 v. La figura 2 muestra un esquema general del montaje del equipo, el diseño de las líneas de adquisición en todas las zonas y para ambos métodos tuvo las mismas características, una longitud de 46 metros, un total de 24 geófonos con una separación de 2 metros. Dispuesto el montaje de las líneas para cada sitio, se configuró el software Geometrics Seismodule Controller con los parámetros definidos de la tabla 1 y la tabla 2.

Tabla 1. Parámetros de adquisición para refracción sísmica.

Tabla 2. Parámetros de adquisición para MASW 2D.

El procesamiento de los datos se realizó con el software SeisImager de la empresa Geometrics, con los módulos de Pickwin (Pick First Breacks or Dispersion Curves) y Plotrefa (refraction Analysis) para Refracción sísmica, y los módulos Pickwin y WaveEq (Surface Wave Analysis) para MASW 2D.

3. Resultados y discusión
A continuación se indica el procedimiento que se llevó a cabo para la determinación de los perfiles de velocidad de onda S y onda P, el cálculo de la densidad y finalmente los parámetros dinámicos.

3.1 Perfiles de velocidad de onda P y Onda S

Una vez realizados el proceso de adquisición y procesamiento se obtuvieron los perfiles de velocidades, tanto de onda P (VP) como de onda S (VS), con los respectivos porcentajes de error, producto del proceso de iteración para todos los sectores de estudio. Las figuras 3 y 4 muestran los perfiles de velocidad de onda P y onda S respectivamente, obtenidos para un sector en la zona sur de la ciudad.

3.2 Parámetros Dinámicos

Los parámetros dinámicos corresponden a un conjunto de valores que describen de forma aproximada el comportamiento elástico del suelo, entendiendo que este último debido a su naturaleza isotrópica, no posee el mismo comportamiento de materiales rígidos, continuos y homogéneos, por lo cual, los valores que corresponden a estos parámetros se establecen a partir de un conjunto de condiciones iniciales, incluyendo el estado de esfuerzos al cual se encuentra sometido, y de cambiar estas condiciones, los valores correspondientes cambian de igual manera [14], por lo cual su investigación y cuantificación a través de los métodos geofísicos resulta un área de aplicación interesante y permite ampliar los alcances de la geofísica de los ambientes urbanos [15].

Las ondas elásticas (ondas P y S para este caso), al propagarse por el medio (suelo) producen cambios locales en esfuerzo y deformación, y la relación matemática entre estas dos variables permite el cálculo de las constantes elásticas o parámetros dinámicos.[16].

3.3 Densidad

El valor de la densidad es necesario para el cálculo de módulo de Rigidez, y de este último depende el módulo de Young, por ende fue necesario su estimación, que se realizó a partir de ecuaciones que corresponden a la relación de Nafe-Drake para una amplia variedad de tipos de rocas sedimentarias y cristalinas [17]. Muchas de las mediciones para estas relaciones corresponden en su mayoría al norte de California [18]. Adicionalmente se calculó una fórmula de correlación a partir de ensayos de densidad realizados en diferentes zonas de la ciudad, los valores obtenidos se muestran en la figura 5. Los puntos en color amarillo corresponden a los datos obtenidos con el uso de la correlación generada a partir de valores de los ensayos realizados en los diferentes sectores donde aflora la formación geológica estudiada.

3.4 Coeficiente de Posisson, Módulos de Rigidez y Modulo de Young

Para cada una de las zonas que hicieron parte de la investigación se seleccionan 4 puntos representativos en 15, 25 y 28 y 30 metros y se realizó el cálculo de las propiedades dinámicas para las diferentes profundidades y sitios, en la tabla 3 se indican los resultados obtenidos.

Tabla 3. Parámetros de adquisición para refracción sísmica.

3.5 Variaciones Porcentuales

Hasta ahora se ha analizado el comportamiento individual de los datos, ya sea por zonas de estudio o abarcando todos estos datos en un mismo grupo de datos al que llamamos formación algodonal, ahora, es importante ver la variación de cada zonas con respecto al grupo total de datos, siendo esto un indicador de la consistencia de los datos en la formación algodonal. En las tablas 4 y 5.

3.6 Correlaciones

A partir de los datos obtenidos en los diferentes ensayos se plantearon las correlaciones que se muestran en las tablas 6 a 10, estas correlaciones están dadas en función de la velocidad de onda S, que en general es un parámetro que se puede conocer con algunos ensayos sencillos como el SPT.

Tabla 4. Variaciones Porcentuales de los parámetros dinámicos para el material conglomerático.

Tabla 5. Variaciones Porcentuales de los parámetros dinámicos para el material Arcillolita.

Tabla 6. Ecuaciones de corrección de los parámetros dinámicos para la zona sur - Conglomerado.

Tabla 7. Ecuaciones de corrección de los parámetros dinámicos para la zona sur - Arcillolita.

Tabla 8. Ecuaciones de corrección de los parámetros dinámicos para la zona sur oriente - Conglomerado.

Tabla 9. Ecuaciones de corrección de los parámetros dinámicos para la zona sur oriente - Arcillolita.

Tabla 10. Ecuaciones de corrección de los parámetros dinámicos para la zona centro occidente - Conglomerado.

Tabla 11. Ecuaciones de corrección de los parámetros dinámicos para la zona centro occidente – Arcillolita.

Tabla 12. Ecuaciones de corrección de los parámetros dinámicos para la formación algodonal - Conglomerado.

Tabla 13. Ecuaciones de corrección de los parámetros dinámicos para la formación algodonal - Arcillolita.

4. Conclusiones
En las diferentes zonas de estudio que comprendieron el alcance del proyecto, se identificó que la formación algodonal se compone por dos tipos de materiales, el primero corresponde a una capa denominada Conglomerado, integrada por arenas, gravas y arcilla, y que presenta valores de onda P entre 239,39 m/s y 944,58 m/s y de ondas S entre 156,36 m/s y los 379,5 m/s, Respecto a la segunda capa, se denomina “Pan de jabón”, y se compone de arcillas y limos, consolidados los cuales presentan velocidades de onda P entre 947,23 m/s y 1972,44 m/s y de onda S entre 165,72 y 487,39 m/s.

Con base en el análisis estadístico, es posible afirmar que, el intervalo de velocidad en los cuales oscila las velocidades de onda P y onda S, son consistentes con el total de valores, adicionalmente los valores de los parámetros dinámicos, también se pueden expresar a través de un rango de valores típicos, puesto que los porcentajes de variaciones porcentuales para el promedio de valores no superan el 18,55 % para el conglomerado y el 13,19% para el “Pan de jabón”, lo que quiere decir, que efectivamente se puede hablar de un comportamiento común en la formación algodonal y con base en esto se plantearon las fórmulas de correlación para los diferentes parámetros, y se observa que principalmente en el módulo de corte y módulo de Young se obtuvieron los porcentajes de error más bajos.

Adicionalmente es posible apreciar que los coeficientes de las correlaciones mejoran en cuanto se incrementa la profundidad, es decir, cuando los valores de las velocidades son más altas, esto se puede deber al hecho de que el primer material, al estar expuesto, tiene un mayor grado de meteorización, y así mismo de anisotropía, que se refleja en la variabilidad de los datos, y en datos del coeficiente de Poisson negativos.

Finalmente, es importante destacar que los resultados obtenidos son un indicador promedio de los posibles resultados que pueden obtenerse sobre la formación algodonal, y no sustituyen los ensayos que deben desarrollarse como parte de los estudios previos para el desarrollo de un proyecto u obra de ingeniería.