Técnicas de sísmica pasiva HVSR aplicadas a la geotecnia

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Alonso Pandavenes, Olegario Martín

2025-A
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Resumen

El movimiento en masa de un terreno (deslizamiento) es uno de los riesgos naturales y socio-económicos que más trascendencia tiene, tanto en la actividad humana como en la posible afectación a vidas humanas. En Ecuador, sobre todo en la época de lluvias (una de las dos estaciones de que se compone el clima en casi todo el territorio), este tipo de eventos supone una de las mayores preocupaciones y situaciones de peligro a lo largo de todo su territorio.
El estudio de los deslizamientos supone una inversión importante cuando se trata de enfrentarlo aplicando perforaciones o sondeos mecánicos (con o sin monitorización incluida). Sin embargo, desde hace ya unas décadas, la implementación de técnicas geofísicas en estas investigaciones, y sobre todo en la determinación de la superficie de ruptura, ha permitido reducir los costes y obtener información más amplia correlacionada con estas técnicas directas. No obstante, el empleo de técnicas geofísicas de forma única en los estudios geológicos y geotécnicos de estos fenómenos, precisa de la combinación de varios métodos, de manera que se pueda obtener un modelo geofísico (y geológico) ajustado y lo más preciso posible.
Las técnicas geofísicas del método sísmico son unas de las más empleadas en los estudios de deslizamientos y, en concreto, las técnicas de sísmica pasiva se han venido aplicando recientemente con éxito. La técnica de cociente espectral (HVSR), que Nakamura definió a finales de los años 80, trata de la medida del ruido ambiental (de forma pasiva) mediante un sistema sencillo de tres geófonos orientados en las tres direcciones del espacio.
Si bien esta técnica está ampliamente admitida en la definición del periodo de vibración del terreno (en estudios de microzonificación sísmica e interacción suelo-estructura), su aplicación en otros campos es aún restringida. Esto es debido, principalmente a su alcance y capacidad de definición de los materiales en profundidad que parte de un modelo básico de dos capas. Sin embargo, aprovechando esta característica en el presente trabajo se ha desarrollado su aplicación al estudio y determinación de la superficie de ruptura de algunos deslizamientos en Ecuador.
Se ha partido de los resultados obtenidos en estudios de la determinación de un basamento en la zona de la Presa de San Marcos (Cayambe, provincia de Pichincha) donde la aplicación de la técnica HVSR ha permitido establecer y delinear el substrato rocoso en una zona profunda (más de 80 m) conformada por rellenos de valle sobre un basamento rocoso compacto. Esto se ha podido realizar mediante la correlación de las frecuencias naturales de vibración del terreno y la información obtenida en perforaciones que alcanzaron dicho substrato. Este estudio también permitió definir estructuras tectónicas en dicho entorno.
Estos resultados fueron transferidos al estudio de dos deslizamientos de características diferentes. Por una parte, en la zona de Pujilí (provincia de Cotopaxi) se investigó un deslizamiento sobre materiales similares en los deslizados y en los estáticos. En este caso, el contraste de impedancias (algo menor que en el caso anterior) permitió diferenciar la superficie de ruptura que se encontraría en relación con esta variación (cambios en la velocidad sísmica y la densidad de los materiales). También se pudo identificar zonas de inestabilidad potencial (áreas de continuación del movimiento) y establecer compartimentaciones y fracturas interiores en la masa en movimiento (a partir de la directividad de la vibración), relacionadas con las tensiones internas de la misma. La aplicación de las técnicas pasivas se respaldó mediante perfiles de sísmica activa (con las técnicas de refracción y MASW) para obtener un estudio en dos dimensiones de la zona del deslizamiento, aplicando la relación entre la frecuencia natural del terreno y la velocidad de la onda de corte para los materiales en movimiento.
El otro caso reflejado en esta Tesis ha sido el deslizamiento estudiado en la zona de Guarumales (provincia de Azuay) donde los materiales deslizantes se encontraban sobre un basamento compacto (rocas metamórficas). Análogamente al caso anterior, las zonas de actividad fueron analizadas y determinadas comprobándose que se relacionaban con las labores de estabilización que fueron acometidas en la zona para la habilitación de una vía de acceso a instalaciones de una central hidroeléctrica. En este caso, la metodología empleada fue similar a la seguida en la zona de Cayambe, pero basándose exclusivamente en otras técnicas geofísicas (ensayos SEV y sísmica activa).
Con todas estas investigaciones se ha podido constatar la aplicabilidad de estas técnicas geofísicas como herramientas en estudios preliminares que pueden proporcionar información espacial, con tiempos reducidos de aplicación y procesado y una ventaja económica importante. Estos estudios pueden ser aplicados en fases iniciales o en análisis premonitorios de estos fenómenos de remoción de masas, para ser empleados en la toma de decisiones (acciones de mitigación) y permitir la identificación de la superficie de ruptura, lo que también es un elemento de ajuste en los presupuestos de investigaciones más avanzadas o de detalle.

 


Abstract

The mass movement of land (landslides) is one of the most important natural and socioeconomic risks in terms of human activities and the potential impact on people’s lives. In Ecuador, especially during the rainy season (one of the two seasons that determine the weather in almost the entire country), this type of event is one of the greatest concerns and dangerous situations throughout the national territory.
The study of landslides represents a significant investment when it comes to dealing with them by applying drilling or mechanical surveys (with or without monitoring). However, for several decades, the use of geophysical techniques in these investigations, especially in determining the rupture surface, has allowed reducing costs and obtaining more comprehensive information that correlates with these direct techniques. However, using geophysical techniques as a unique implementation in the geological and geotechnical studies of these phenomena requires the combination of several methods, to obtain an adjusted and most accurate geophysical (and geological) model.
The geophysical techniques of the seismic method are some of the most used in landslide studies; specifically, passive seismic techniques have been applied recently with success. The technique of spectral quotient (HVSR), which Nakamura defined at the end of the 80s, deals with the measurement of environmental noise (passively) employing a simple system of three geophones oriented in the three directions of space.
Although this technique is widely accepted in the definition of the ground vibration period (in studies of seismic microzonation and soil-structure interaction), its application in other fields is still restricted. That is mainly due to its scope and ability to define materials in depth, which starts from a basic two-layer model. However, taking advantage of this characteristic in the present work, its application to the study and determination of the rupture surface of some landslides in Ecuador has been developed.
It has been based on the results obtained in studies of the determination of a basement in the area of the San Marcos Dam (Cayambe, Pichincha province) where the application of the HVSR technique has allowed to establish and delineate the rocky substrate in a deep area (more than 80 m), made up of valley fills on a compact rocky basement. That has been possible through the correlation of the natural vibration frequencies of the ground and the information obtained in perforations that reached said substrate. This study also made it possible to define tectonic structures in this environment.
These results were transferred to the study of two landslides with different characteristics. On the one hand, in the Pujilí area (Cotopaxi province), a landslide was investigated on similar materials in the landslides and the static ones. In this case, the impedance contrast (somewhat less than in the previous case) allowed us to differentiate the rupture surface that would be found in relation to this variation (changes in seismic velocity and material density). It was also possible to identify areas of potential instability (continuation areas of movement) and to establish compartments and internal fractures in the moving mass (based on the directivity of the vibration) related to its internal stresses. The application of passive techniques was supported by active seismic profiles (with refraction and MASW techniques) to obtain a two-dimensional study of the landslide zone, applying the relationship between the natural frequency of the terrain and the speed of the wave. cutting for moving materials.
The other case reflected in this Thesis has been the landslide studied in the Guarumales area (Azuay province), where the landslide materials were on a compact basement (metamorphic rocks). Similarly, to the previous case, the activity areas were analyzed and determined, verifying that they were related to the stabilization work that was undertaken in the area to prepare an access road to the facilities of a hydroelectric power station. In this case, the methodology used was similar to that followed in the Cayambe area but based exclusively on other geophysical techniques (VES tests and active seismic).
With all these investigations, it has been possible to verify the applicability of these geophysical techniques as tools in preliminary studies that can provide spatial information with reduced application and processing times and an important economic advantage. These studies can be applied in initial phases or in premonitory analyzes of these mass removal phenomena, to be used.



Índice

Lista de figuras XIV
Lista de tablas XIX
Símbolos, abreviaturas y glosario XXI
Prólogo, a modo de presentación 1
1. Capítulo 1 4
1.1. Introducción 4
1.2. Contexto de la investigación 5
1.3. Objetivos 8
1.4. Metodología de la investigación 9
1.5. Contribución de la Tesis Doctoral 11
1.6. Contenido de la Tesis 13
2. Capítulo 2 15
2.1. Introducción 15
2.2. Técnicas de investigación geofísica aplicadas a los deslizamientos. Geofísica y geotecnia. 16
2.2.1. Método Sísmico 19
2.2.2. Método Eléctrico 21
2.2.3. Método Electromagnético 21
2.2.4. Otros métodos geofísicos 22
2.3. Las ondas elásticas: ondas de cuerpo y superficiales 23
2.3.1. Ondas sísmicas 23
2.3.2. El ¿ruido? sísmico o ambiental 25
2.3.3. Medida del ruido sísmico. Técnicas y equipos 28
2.4. Técnica de sísmica pasiva HVSR y estado del arte. 30
2.4.1. La técnica HVSR 31
2.4.2. Breve estado del arte 33
2.5. La medida y procesado de los registros HVSR 33
2.5.1. Registro y medida de datos 33
2.5.2. Procesado de datos. Obtención de la curva de elipticidad 36
2.5.3. Precisión de los resultados. Curvas de elipticidad y picos 38
2.5.4. Interpretación de los resultados procesados 39
2.5.5. Inversión de la curva de elipticidad 39
2.5.6. Directividad del ruido ambiental 41
2.6. Parámetros geotécnicos obtenidos a partir de ensayos geofísicos 42
2.7. Aplicaciones de los ensayos HVSR en deslizamientos 43
2.8. La técnica HVSR en la Planificación Territorial y la Infraestructura Civil 45
3. Capítulo 3 47
3.1. Introducción 47
3.2. Entorno geográfico y marco geológico 48
3.3. Proyecto de construcción y estudios previos 51
3.4. Investigación geofísica 53
3.5. Interpretación de los datos de campo 56
3.6. Análisis de los resultados 61
4. Capítulo 4 67
4.1. Introducción 67
4.2. Situación y antecedentes 70
4.2.1. Situación geográfica 70
4.2.2. Antecedentes y estudios geofísicos 71
4.3. Geología de la zona 74
4.4. Metodología e investigación geofísica 76
4.4.1. Prospección geofísica 76
4.4.2. Metodología aplicada 78
4.5. Resultados 80
4.5.1. Técnica de refracción sísmica 80
4.5.2. Técnica Sísmica MASW 82
4.5.3. Técnica de sísmica pasiva HVSR 83
4.5.4. Ensayos geoeléctricos SEV 84
4.6. Discusión 87
4.6.1. Integración y cálculo de datos 87
4.6.2. Análisis de correlación y confiabilidad de datos 95
5. Capítulo 5 98
5.1. Introducción 98
5.2. Entorno geográfico y marco geológico 101
5.3. Antecedentes y métodos 104
5.3.1. Métodos geofísicos 104
5.3.2. Metodología de investigación 107
5.3.3. Técnicas sísmicas activas 108
5.3.4. Levantamientos sísmicos pasivos con técnica HVSR 109
5.3.5. Índice de Vulnerabilidad (Kg) 110
5.4. Resultados y análisis de los datos 111
5.4.1. Refracción sísmica. Modelo de velocidad de compresión (Vp) 111
5.4.2. Técnica MASW. Distribución de la velocidad Vs y definición del modelo de restricción 112
5.4.3. Resultados de datos HVSR. Determinación de la frecuencia natural (fo) 114
5.4.4. Inversión de la curva de elipticidad 117
5.4.5. Cálculo de espesores 118
5.4.6. Valores de directividad (análisis del azimut) 118
5.4.7. Análisis de Índice de Vulnerabilidad (Kg) 125
5.5. Discusión 126
6. Capítulo 6 132
6.1. Discusión general 132
6.2. Limitaciones de las técnicas geofísicas de sísmica pasiva HVSR en la investigación de deslizamientos 133
6.3. Limitaciones de los modelos geofísicos a partir de ensayos HVSR y su aplicación en la investigación de deslizamientos 135
7. Capítulo 7 137
7.1. Conclusiones del Capítulo 3 138
7.2. Conclusiones del Capítulo 4 139
7.3. Conclusiones del Capítulo 5 141
7.4. Conclusiones finales 142
7.5. Líneas de investigación a seguir 143
BIBLIOGRAFÍA DE LA TESIS 145
ANEXO 1. Medidas. Datos de campo 165
ANEXO 2. Flujo del procesamiento de datos HVSR 186
APENDICE 1 189
APENDICE 2 190
APENDICE 3 191



Conclusiones

Las conclusiones a las que se ha llegado en esta Tesis se obtienen a partir de los resultados de las investigaciones realizadas y en relación a los objetivos planteados en el Capítulo 1, las cuales están basadas en los planteamientos teóricos y el desarrollo actual de la técnica aplicada (HVSR) que se indican en el Capítulo 2.
El contexto de la aplicación de la investigación doctoral presentada está focalizada a los fenómenos de remoción en masa o deslizamientos como eventos de desastre que afectan de forma catastrófica, a veces, a una parte importante del territorio ecuatoriano, en particular, pero que se puede extender a amplias áreas de cualquier otro territorio. En la caracterización y estudio de estos fenómenos naturales o socio-naturales es importante el establecimiento de una metodología sencilla y de rápida aplicación que permita una investigación previa (o avanzada, siendo complementaria) la cual permita disponer de información válida en la toma de decisiones, bien para su mitigación, reducción o eliminación de las posibles afectaciones.
La técnica pasiva del método sísmico HVSR está ampliamente reconocida en los estudios de microzonificación sísmica y en la definición del periodo fundamental del terreno, el cual es primordial en los análisis estructurales de la interacción suelo-estructura. Sin embargo, se presenta en esta Tesis un análisis de aplicación que, sin pretender ser completamente precisa en su definición de las características del terreno, permita la delineación de superficies de separación (interfaces) entre materiales compactos (basamento o material estático, de forma general) y materiales sueltos (suelos y/o materiales movilizados).
Esta aplicación se basa en los estudios precedentes de diferentes autores aplicados en zonas de cuencas sedimentarias amplias y en algunos deslizamientos, así como en la misma definición de la técnica, llegando a establecerse las superficies de ruptura en el caso de dos tipologías de deslizamiento, muy comunes dentro del territorio de Ecuador.
Complementariamente, otras características que se pueden obtener de los registros y medidas HVSR han sido aprovechadas en el establecimiento de zonas de potencial actividad y movilización de los materiales (a partir del índice de vulnerabilidad Kg) y en el estudio de la compartimentación interna y estructura de la masa deslizante (empleando los análisis de directividad de la señal de las ondas superficiales).
Por último, se ha comprobado que el empleo de otras técnicas geofísicas puede ser usado como un complemento y ajuste de los modelos geofísicos obtenidos, así como una referencia en la aplicación de la técnica HVSR.
Este capítulo se articula en la presentación de las conclusiones obtenidas en cada uno de los artículos que componen la Tesis (Capítulos 3 a 5), las cuales han permitido alcanzar los objetivos propuestos, incorporando unas conclusiones finales que aúnan las parciales de cada artículo individual.
7.1. Conclusiones del Capítulo 3
En el entorno de la Presa de San Marcos (Valle del Azuela, Cayambe, Ecuador) han sido ejecutados un total de 20 ensayos puntuales utilizando la técnica HVSR de manera que se pudo establecer la relación entre la frecuencia de vibración natural del suelo (fo) y el espesor de los sedimentos (considerados estos como una sola capa de materiales no consolidados depositados sobre el basamento rocoso). Para ello, han sido empleados cuatro puntos de control o referencia que fueron correlacionados con los resultados obtenidos en perforaciones ejecutadas en el proceso de estudio previo a la construcción de la presa y que llegaron a cortar el basamento rocoso presente en la zona. Se ha seguido el modelo de ecuación propuesto por Budny (1984) y desarrollada por otros autores (Nakamura, 1989), de manera que se pudo establecer una relación o ley de potencia con dos parámetros cuyos valores fueron 58.746 para el término a (o de factor multiplicador de escala) y -0.247 para el término b (de potencia). El coeficiente de determinación logrado en el ajuste (R2) ha sido de 0,98.
En la aplicación de esta relación a los datos obtenidos para el total de los puntos ensayados mediante la técnica HVSR, la formulación propuesta demostró ser capaz de definir la interfaz superior del basamento rocoso a lo largo de un perfil longitudinal trazado al pie del dique de la presa San Marcos. Los resultados fueron consistentes con la interpretación geológica original de la cuenca (GADPP, 2009), donde se establecía una supuesta profundidad esperada entre 95,5 a 110,0 metros, en su parte central, más profunda.
Los resultados obtenidos, aplicando la nueva relación, han sido comparados con las formulaciones disponibles en la literatura y obtenidas por otros autores con presencia de materiales diferentes y secuencias estratigráficas de cuenca sedimentaria. Como era de esperar, los valores pronosticados por las ecuaciones de la mayoría de estos autores en la zona investigada, arrojaron resultados fuera de rango en todos los casos, obteniéndose espesores de sedimentos de más de 1000 y 2000 m y menores de 1 m para las zonas poco profundas. En el caso de los estudios realizados por Khan y Khan (2016) los resultados fueron más cercanos a los obtenidos con la nueva relación propuesta, pero solo para una estrecha franja de valores de frecuencia fo (entre 0.9 y 3.4 Hz), lo que indica una alta relación entre la formulación obtenida en una zona y su entorno geológico.
El trazado de una sección transversal completa y más precisa del basamento rocoso del valle del Azuela, aplicada a la zona investigada del pie de la presa, ha permitido también definir e identificar sus características estructurales, tanto la posición de fallas como los saltos de las mismas. Esta definición ha sido contrastada con los resultados de la zona investigada mediante sondeos (mejorando la definición existente) y extendida hacia la zona de mayor profundidad, donde la sección geológica original carecía de datos. Se ha podido concluir también que la inclinación de los taludes del basamento, a ambos lados de la falla principal relacionada con el fondo del valle, mantenía el ángulo observado en la zona superior emergida (márgenes y laderas sobre la coronación de la presa), presentando valores de 15,4º para el margen occidental y siendo la pendiente era más pronunciada en el lado Este que en el occidental, de acuerdo con la geomorfología general del entorno. Esto corrobora la posición de la falla que genera la mayor profundidad en el centro del valle del río Azuela.
La realización de investigaciones geológicas y geotécnicas para la determinación de la posición del substrato rocoso, manteniendo esta metodología y aplicando tan solo mediciones de microtemblores (junto con el respaldo de las perforaciones), puede ser empleada en el conocimiento de más zonas del entorno investigado o, incluso, ser traspuesta a otras zonas cercanas donde las condiciones geológicas se repitan. En la zona investigada, y empleando la formulación obtenida, se pueden calcular los espesores del recubrimiento (sedimentos) con una precisión del orden de un 4,5% de error (valor establecido en el ajuste de la curva con relación a los sondeos y los puntos HVSR).
La metodología aplicada puede ser aplicada a espacios mayores con el consiguiente ahorro económico y puede ser utilizada en investigaciones posteriores y más profundas o incluso correlacionarse con parámetros geotécnicos y el análisis de respuesta de sitio (amplificación de los perfiles de terreno con fines de análisis de sismo resistencia), los cuales quedan fuera de los límites de alcance de este trabajo (Ferraro et al. 2015; Kanli et al. 2006; Kanli et al. 2008).
7.2. Conclusiones del Capítulo 4
En este caso ha sido analizado un deslizamiento de materiales de tipo coluvial que se encuentran depositados sobre un basamento compacto de tipo metamórfico. La zona presenta una superficie aproximada de 65000 m2 ubicada en la zona de Guarumales (provincia de Azuay, Ecuador). Para su implementación han sido realizados conjuntamente ensayos geofísicos de tipo unidimensional (SEV y MASW) y bidimensional del método sísmico (refracción). Los ensayos empleados como puntos de control fueron los cinco SEV y donde se realizaron, en la misma posición, otras cinco medidas de estación única HVSR. Complementariamente, se realizaron tres perfiles sísmicos (refracción y MASW) a diferentes elevaciones (cotas) en el área del deslizamiento. Estas técnicas complementarias se utilizaron para realizar y ajustar el modelo de análisis final (identificando un modelo geofísico de partida) a aplicar en el procesamiento de un total de 22 medidas de puntos HVSR.
En los puntos de control, empleados como referencia paramétrica, se definieron los espesores de los materiales en movimiento, considerados como aquellos que presentan valores bajos de resistividad y velocidad sísmica (los cuales presentan un contraste de valores importante con el basamento) frente a los del sustrato compacto (considerado como fijo). La relación empírica obtenida entre el espesor de estos sedimentos y su correlación con los valores de las frecuencias naturales del terreno fo (obtenido a partir de los ensayos HVSR ejecutados en los puntos de control) ha presentado un factor multiplicador, a, de 31.039 y un factor de potencia b de -0.351 (Ibs von Seth y Wohlenberg, 1999). Y se ha obtenido un error de ajuste R2 de 0.932, el cual se considera un buen valor de correlación.
A partir de esta ecuación potencial definida se ha procedido al cálculo de los espesores de sedimentos, siendo representados en un mapa de isopacas a partir de los valores obtenidos bajo los diferentes puntos de las estaciones HVSR. Sobre el mapa conseguido se han trazado varias secciones del terreno (longitudinales, oblicuas y transversales, consideradas según la dirección del deslizamiento del material) para su análisis, evidenciando la superficie de contacto y ruptura del deslizamiento investigado. Los resultados han puesto de manifiesto también la existencia de una zona más profunda en forma de V de flancos escarpados, la cual podría estar relacionada con una posible estructura de falla que afecte al basamento metamórfico.
La superficie de ruptura del deslizamiento presenta una tipología asociada a un modelo traslacional o roto-traslacional, la cual ha sido evidenciada en relación con la separación entre materiales blandos (sedimentos superficiales) estratificados sobre el basamento (considerado como material fijo), típica de esta zona (Urgilez Vinueza, 2020).
Complementariamente, el análisis del valor del índice de vulnerabilidad, Kg, relacionado con la deformación por cizalla del suelo, muestra la existencia de dos áreas propensas o con susceptibilidad a continuar su movimiento. Estas áreas coinciden con el lugar donde se han tenido que realizar obras de emergencia para mantener la integridad de la vía afectada por el deslizamiento.
Se ha verificado el empleo de una metodología novedosa de combinación de ensayos tipo SEV y HVSR para la investigación de sedimentos superficiales que muestran un elevado contraste de impedancia (en este caso, superior a 2,2) para definir un material sedimentario en movimiento que recubre el basamento estático. Esta metodología es sencilla, fácil y rápida de aplicar e interpretar y presenta bajos costos económicos, pudiendo aplicarse en casi cualquier tipo de deslizamiento de características similares a las de esta zona de estudio. También sería trasladable a otras áreas cercanas donde el acceso de la maquinaria de perforación sea complicado y como herramienta previa y económica para estudios más elaborados o costosos, así como en toma de decisiones en el monitoreo e instrumentación debido a la rapidez de ejecución e interpretación de los ensayos involucrados.
7.3. Conclusiones del Capítulo 5
En un deslizamiento de tierra activo de 19000 m2 de superficie situado en el entorno de la población de Cachi Alto (Pujilí, provincia de Cotopaxi, Ecuador) se realizó la investigación de un deslizamiento activo mediante la aplicación y medida de 70 puntos de estación única HVSR con el fin de definir su superficie de ruptura.
Como referencia complementaria se realizaron perfiles sísmicos activos (técnicas de refracción y MASW), los cuales definieron los modelos de distribución de velocidad de las ondas P y S, así como la forma geométrica de las capas identificadas. Ambos modelos, empleados conjuntamente, permitieron establecer un modelo inicial de cinco capas el cual será aplicado al procesamiento de inversión limitado de la curva de elipticidad.
El valor de Vs sed para los materiales en movimiento fue de 290 m/s, obtenido a partir del ensayo MASW. Este valor es del mismo orden, y con una diferencia de tan solo 27 m/s, al conseguido a partir de los modelos de inversión de las curvas de elipticidad (317 m/s). El contraste de impedancias sísmicas promedio de los materiales fijos y en movilidad fue de 2,87, lo que confiere mayor precisión a la separación de sedimentos blandos y alterados del material compacto. Por lo tanto, ambos procedimientos de cálculo de la Vs pueden considerarse en el mismo rango de precisión.
Las tres superficies de ruptura definidas en la investigación difieren en la posición de definición de 1.0 a 7.0 m (para sus valores extremos), siendo su promedio de 2.46 m. Eso significa que los tres procedimientos aplicados presentan una definición de precisión bastante similar y que los tres son parecidos en su cálculo. De forma general, podría considerarse que la superficie de ruptura obtenida mediante la relación de Nakamura (1989) sería la más útil debido a las dificultades y análisis complementarios que entraña el realizar la inversión de las curvas de elipticidad (ya que podrían presentar un error más significativo) y la rapidez de interpretación y procesado de los datos.
Se ha podido constatar la utilidad del análisis de directividad de las medidas HVSR para este deslizamiento donde solo existe un material involucrado en el movimiento y de tipo endurecido, como la cangahua (sedimentos volcánicos rígidos a cementados), que conforman todo el terreno superficial. El valor de la dirección obtenida (ortogonal al ángulo azimutal del ensayo HVSR) ha permitido también identificar las discontinuidades de la estructura interna que se presentan dentro del material deslizante. Estas fracturas estarían relacionadas con las que pueden ser observadas en la superficie de la masa movilizada y pueden definir bloques de materiales individualizados dentro de la masa total del deslizamiento.
El análisis del índice de vulnerabilidad Kg ha permitido delimitar áreas con potencial susceptibilidad o capacidad de movimiento en la zona investigada (valores del parámetro por encima del límite considerado de 10). Estas áreas están relacionadas con la parte superior, central y noroeste, donde el movimiento continúa con tasas lentas (entorno de los puntos PUJ-27, PUJ-8 y PUJ-54). Además, el área circundante de PUJ-43 también muestra un valor de Kg elevado, lo que indica una nueva área con propensión a deslizar (estaría fuera de la zona actualmente en movimiento) de la parte sureste donde se observaron algunas grietas incipientes atravesando la zona.
Ambas metodologías analizadas muestran una forma fácil, rápida y económica de estudiar un área de deslizamiento y definir una ruptura superficial preliminar en una fase inicial de estudio en comparación con la investigación configurada por sondeos y monitoreo. Se ha demostrado la utilidad como herramienta de exploración previa en la definición de una campaña de investigaciones (definición de la profundidad de ejecución de sondeos y la instalación de inclinómetros).
7.4. Conclusiones finales
La aplicación de la técnica pasiva de investigación sísmica HVSR respaldada por perforaciones o investigaciones y ensayos directos, como se comprobó en el Capítulo 3, es una herramienta importante en el caso de la definición de un substrato competente o el basamento rocoso.
El contraste de impedancia sísmica es un factor importante y cuando ésta supera el valor de 2 los resultados son excelentes, obteniéndose precisiones importantes. En este sentido, el ajuste de la relación entre el espesor de los materiales poco compactos (sedimentos y suelos superficiales) y la frecuencia fundamental de vibración del terreno (fo) tiene una importancia fundamental. Incluso empleando un número de puntos limitado, pero que cubran una variedad amplia de espesores, el resultado obtenido es bueno.
Esta forma y metodología de aplicación permite no solo disponer de valores en un entorno cercano a la posición de los puntos de control empleados en la definición de la fórmula de ajuste, sino ser aplicado en un área de condiciones similares o potencialmente constantes u homogéneas. Por lo tanto, como metodología de investigación en el ámbito geológico puede ser extendida a la investigación geotécnica como apoyo de análisis del terreno.
El uso combinado de la técnica HVSR junto con otros ensayos y técnicas del método sísmico y eléctrico, como los SEV, permite diferenciar los materiales en movimiento (deslizantes) frente a los estáticos (inmóviles) en zonas de deslizamiento, como se ha constatado en el Capítulo 4.
En la metodología seguida en este capítulo se empleó como referencia, en el establecimiento de la correlación espesor – frecuencia, una técnica geofísica con una amplia trayectoria en la investigación geológico-geotécnica. Esta correlación permitió, en la misma forma que en el caso anterior, definir la superficie de rotura o deslizamiento y separar de forma eficiente el espesor de materiales implicados en el evento de amenaza.
La inversión de la curva de elipticidad, obtenida del procesado de los registros de ensayos HVSR aplicando un modelo de restricción inicial, ofrece resultados de distribución de la estratigrafía del terreno en función de la velocidad de la onda de corte (Vs) que puede complementar los datos geológicos y geotécnicos de una zona. Las conclusiones obtenidas en el Capítulo 5 confirman que estos modelos pueden incluso, substituir el procesado mediante la formula general de relación entre el espesor del terreno y la frecuencia fundamental definida por Nakamura donde se debe incluir el valor de la Vs para la zona de ensayo HVSR.
Los análisis de la directividad de los materiales superficiales permiten obtener condiciones y relaciones de la estructura interna de los materiales en movimiento, sobre todo cuando estos disponen de características cercanas a la rigidez (en este caso, aplicado sobre cangahua).
La inestabilidad del terreno puede ser evaluada mediante la valoración de la susceptibilidad que proporciona el Índice de Vulnerabilidad (Kg) el cual evidencia zonas con potencial a deslizar, como se ha comprobado en los capítulos 4 y 5.
La medida de datos y aplicación de la técnica HVSR, y de las complementarías empeladas en esta Tesis, es un proceso sencillo que no precisa más interacción con el terreno que la de la instalación del equipo. En este sentido, la operatividad de los equipos es elevada y solo precisa de un operador y el acceso a la zona de investigación.
El procesado de los datos y la obtención de los resultados es una tarea rápida, en comparación con otras técnicas, lo que hace de dicha exploración una herramienta económica y de solución breve.
7.5. Líneas de investigación a seguir
La técnica de sísmica pasiva HVSR tiene por delante un desarrollo limitado en su empleo como técnica de estación simple o única ya que está condicionada por la adquisición de un solo conjunto de sensores y su cercanía entre sí (en un elemento compacto). Sin embargo, se puede considerar que se trata de una técnica que aporta muchas facilidades y capacidades de análisis y que puede llegar a tener diferentes posibilidades de aplicación.
A partir de los resultados y conclusiones obtenidos aquí se debería analizar la capacidad de la técnica, en combinación con otras como las empleadas en esta investigación o en solitario, de análisis estacionales y temporales (4D) y verificar la posible relación con los cambios en la susceptibilidad y velocidad del deslizamiento. Uno de los parámetros que puede variar en este tipo de investigación es tanto el valor de la amplificación (Ao) como su relación en el Índice de Vulnerabilidad (Kg). En este sentido, se inició un análisis de tipo temporal en un talud cercano a la ciudad de Quito (Ecuador), pero por circunstancias particulares (inicio y desarrollo de la pandemia del CoVid-19) tuvo que ser suspendido y el talud en ese tiempo deslizó antes de poder ampliar el número de medidas ya realizadas.
Otra de las posibles líneas de investigación a futuro sería, bien con carácter temporal o puntual, el análisis de las tensiones suscitadas dentro del terreno con la valoración de la interpretación de los modelos de inversión de las curvas de elipticidad y comparación con instrumentación (celdas de asentamiento o medidas de inclinómetra). Estos análisis se pueden implementar en presas de tierra (como la de la laguna de San Marcos o las que se están construyendo en el país para los relaves de minería).
Una tercera línea de investigación, con relación a los deslizamientos también, estaría en la valoración, sobre todo en terreno compactos (como deslizamientos traslacionales o de rotura traslacional), de los análisis de directividad y su relación con las estructuras internas del evento. Esta línea está ya comenzada con el artículo del Capítulo 5, pero necesita ser ampliada y profundizarse en esa dirección.
En otros apartados de investigación geotécnica, una línea también comenzada y aplazada (por las mismas consideraciones antes expresadas) es la variación de los periodos fundamentales del terreno en entornos urbanos o urbanizados, que pueden estar en relación con la modificación de los perfiles tipo del terreno empleados en la normativa, en este caso la ecuatoriana NEC-SE-DS (2015). Se han medido más de 150 estaciones HVSR en el entorno del parque de La Carolina, una zona del centro de Quito por donde el metro circulará en un próximo (o lejano) futuro. La idea de la investigación aplazada estaría en relación con las vibraciones que esta infraestructura puede generar en el entorno cercano, donde se encuentran las edificaciones más altas.
Por último, también se han comenzado actualmente, estudios y análisis y delimitación de cuencas sedimentarias (caldera volcánica de Rayocucho, al norte de Quito, Ecuador), donde se ha realizado una Tesis de grado (dirigida por el autor de esta Tesis en sus labores de profesor de la Universidad Central del Ecuador) y estudios de microzonificación y licuación del terreno (artículo pendiente de publicación y presentado previamente en el congreso de Geofísica y Geodesia de Toledo (2022), así como el análisis comparativo entre equipos diferentes.
En el transcurso de la ejecución de esta Tesis por compendio y la presentación de los artículos a las revistas científicas se han publicado algunos estudios de índole similar con aplicación de técnicas pasivas como la SPAC, similar a la HVSR, también a deslizamientos.