Prospección geofísica de alta resolución mediante geo-radar. Aplicación a obras civiles


Premio Opción A 1995

Memoria presentada para la obtención del grado de Doctor en Ciencias Físicas. Universidad Complutense de Madrid - Facultad de Ciencias Físicas - Departamento de Física de la Tierra, Astronomía y Astrofísica I
Directores: Dr. Vicente Cuéllar Mirasol y Dra. M.Carmen Hernández Lucendo

Enrique Lorenzo Cimadevila

RESUMEN  
      La práctica ausencia de investigaciones con geo-radar en suelos españoles hace necesario cubrir esta falta con la realización de un estudio teórico y práctico de las posibilidades y limitaciones de aplicación del geo-radar en la resolución de problemas principalmente enfocados en el ámbito de la ingeniería civil y característicos de nuestro país.

Tras un estudio teórico sobre la propagación de ondas electromagnéticas, se particulariza para la banda de frecuencias de operación del geo-radar (100 MHz—1 GHz) y los medios susceptibles de prospección (medios poco conductores), estudiando los fenómenos que condicionan la aplicación de este método. Tras esto, se exponen las características y limitaciones impuestas por los equipos empleados, incidiendo en el conocimiento de la señal emitida por el geo-radar.

En el aspecto práctico de este trabajo, se discuten los resultados ofrecidos por el radar en estudios de muy diversa índole, persiguiendo la comprobación de resultados, ya sea mediante excavación directa o bien mediante el uso paralelo de otras técnicas de prospección. Estas aplicaciones se han dividido en tres grupos, en función del objetivo buscado: los estudios de tipo cualitativo incluyen la localización de cavidades, galerías subterráneas, zonas contaminadas del subsuelo o yacimientos arqueológicos, entre otros. Los estudios de tipo semicuantitativo dan un paso adelante en el reconocimiento de ciertos parámetros del medio de propagación, tales como la porosidad del material, que son utilizados para caracterizar éste. Finalmente, en los estudios cuantitativos se plantea un modelo teórico de propagación del impulso del geo-radar en sistemas multicapas que es utilizado para calcular el espesor de las diversas capas que conforman un firme de carreteras, así como para obtener los parámetros electromagnéticos de los medios atravesados.

Finalmente se resumen las principales conclusiones sobre la aplicabilidad del georadar en estudios de prospección geofísica superficial extraídas del conjunto de estudios teórico-prácticos realizados en este trabajo.

ABSTRACT
 
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ÍNDICE
 
RESUMEN

AGRADECIMIENTOS

INDICE I

LISTA DE FIGURAS V

LISTA DE TABLAS XXI

SIMBOLOGÍA XXIII

1. INTRODUCCIÓN 1

2. TEORÍA DE LOS CAMPOS ELECTROMAGNÉTICOS VARIABLES EN EL TIEMPO 9
2.1 Leyes de Maxwell 9
2.2 Propagación de ondas electromagnéticas 11
2.3 Impedancia de un medio 16
2.4 Profundidad de penetración (skin depth) 18
2.5 Reflexión y transmisión de ondas electromagnéticas 20

3. PROPAGACIÓN DE ONDAS ELECTROMAGNÉTICAS EN MEDIOS NO CONDUCTORES EN LA BANDA DE FRECUENCIAS DEL GEO—RADAR 29
3.1 Fenómenos que rigen la propagación de las ondas 29
3.2 Fenómenos ligados a la naturaleza de la emisión 30
3.2.1 Dispersión 30
3 .2.2 Atenuación geométrica (spreading) 30
3.3 Fenómenos ligados a la naturaleza del medio de propagación 31
3.3.1 Difusión (scattering) 31
3.3.2 Atenuación debida a las propiedades electromagnéticas del medio de propagación 32
3.3.2.1 Polarización 34
3.3.2.2 Polarización orientacional de moléculas polares. Modelo de Debye 36
3.3.2.3 Atenuación en medios porosos húmedos 39

4. DESCRIPCIÓN Y CARACTERÍSTICAS DE LOS EQUIPOS UTILIZADOS 47
4.1 Componentes del geo-radar 47
4.2 Antenas 53
4.2.1 Características 53
4.2.2 Modelo de radiación 55
4.2.3 Impulso emitido por las antenas de geo-radar 58
4.2.3.1 Determinación experimental del impulso emitido 58
4.2.3.2 Determinación experimental de la atenuación geométrica 62
4.2.4 Capacidad de penetración. Ecuación del radar 66
4.2.5 Capacidad de resolución 71
4.2.5.1 Resolución vertical 72
4.2.5.2 Resolución horizontal 75

5. ESTUDIOS DE CARÁCTER CUALITATIVO 79
5.1 Factores que intervienen en la detección y caracterización de anomalías en el subsuelo 80
5.1.1 Factores metodológicos 80
5.1.2 Factores relacionados con el tamaño y naturaleza de los reflectores 81
5.2 Localización de cavidades naturales 85
5.2.1 Dolinas cársticas 86
5.2.2 Cavidades bajo superficies rígidas 91
5.3 Localización de cavidades artificiales 96
5.3.1 Galerías subterráneas 96
5.3.2 Estudio comparativo de diferentes antenas en la Torre de Comares (La Alhambra) 99
5.4 Detección de tuberías y otros reflectores metálicos 108
5.4.1 Tuberías 108
5.4.2 Armaduras, cables y placas metálicas 113
5.5 Zonificación de suelos 121
5.5.1 Localización de residuos enterrados 122
5.5.2 Contraste entre suelos con distinta granulometría 124
5.6 Estudio de yacimientos arqueológicos 127
5.6.1 Numancia (Soria) 127
5.6.2 El Paular (Madrid) 137

6. ESTUDIOS DE CARÁCTER SEMI—CUANTITATIVO 141
6.1 Análisis de un forjado de hormigón 142
6.1.1 Influencia de la porosidad en la constante dieléctrica del hormigón 142
6.1.2 Identificación de zonas degradadas 146
6.2 Determinación de la velocidad de propagación de las ondas electromagnéticas teniendo en cuenta la geometría del reflector 153
6.2.1 Modelos de respuesta 153
6.2.2 Aplicación a las galerías de la Torre de Comares 156

7. ESTUDIOS DE CARÁCTER CUANTITATIVO 163
7.1 Modelo de propagación en sistemas multicapas 163
7.1.1 Propagación de una onda plana monofrecuencia corregida por atenuación geométrica 165
7.1.2 Propagación del impulso generado por el geo-radar 171
7.2 Determinación de espesores en la pista de ensayos de firmes de carreteras del CEDEX 175
7.2.1 Sistemas bicapas 179
7.2.1.1 Firme bicapa "asfalto - zahorra artificial" 179
7.2.1.2 Firme bicapa "asfalto - suelo cemento" 182
7.2.2 Sistemas tricapas 184
7.2.2.1 Firme tricapa "asfalto-zahorra artificial-zahorra natural" 184
7.2.2.2 Firme tricapa "asfalto-grava cemento-suelo cemento" 188
7.2.3 Parámetros electromagnéticos obtenidos y errores cometidos en la estimación de espesores en la pista de ensayos del CEDEX 189

8. CONCLUSIONES 193

REFERENCIAS 199

CONCLUSIONES
 
      En este trabajo se ha pretendido delimitar las posibilidades de aplicación del geo-radar en la investigación del subsuelo superficial, estudiando sus ventajas y limitaciones frente a otros métodos de prospección y mostrando una amplia variedad de aplicaciones especialmente enfocadas a la resolución de problemas relacionados con la ingeniería civil, pero sin olvidar otras como la arqueología o el medio ambiente.

En el aspecto teórico, se han desarrollado las ecuaciones que rigen los fenómenos de propagación, reflexión y transmisión de una onda electromagnética plana viajando a través de un medio cualquiera, en función de los parámetros electromagnéticos del medio de propagación (constante dieléctrica, conductividad y permeabilidad magnética) y de la frecuencia de emisión.

Dentro de la banda de frecuencias en las que opera el geo—radar (habitualmente 10 MHz - 2 GHz), la propagación de la señal está condicionada principalmente por el valor de la conductividad del medio, viéndose muy limitada su penetración en el terreno para valores del orden de 0.1 mhos/m o superiores. Para valores de o inferiores a 0.001 mhos/m, el factor determinante es el valor de la constante dieléctrica, dependiendo la amplitud de la reflexión que se produzca en la frontera de dos medios del contraste que exista entre los valores que adopte esta variable en cada uno de ellos. Así mismo, se han identificado los procesos de polarización de la materia que inciden en la atenuación del impulso, siendo de especial importancia los de polarización orientacional relacionados con la relajación de la molécula de agua, ya que alcanzan un máximo en la cercanía de las frecuencias de operación del radar. A este respecto, se ha comprobado la gran influencia que tiene el contenido de humedad del medio de propagación en el valor de su constante dieléctrica, mostrándose ésta bastante independiente del tipo de suelo, ya sea arcilla, arena o grava.

Con respecto al tipo de emisión, se muestra como es posible aproximar el modelo de radiación de las antenas empleadas en este trabajo por un cono que forme un ángulo de 45Q respecto a la vertical. También se ha estudiado la forma y el contenido frecuencial del impulso emitido por las antenas de 120, 500 y 900 MHz utilizadas en este trabajo, determinando experimentalmente la atenuación geométrica que experimenta la señal de la antena de 900 MHz viajando por el aire. Posteriormente, se ha utiliza la ecuación del radar, que liga las características físicas del equipo con los parámetros electromagnéticos del medio de propagación, para determinar en función de la constante de atenuación a la capacidad de penetración de la señal en el medio. En los últimos apartados de este estudio teórico, se destaca la capacidad de resolución, tanto vertical como horizontal, de los equipos de georadar con el fin de resaltar la gran aportación que supone este método en este aspecto dentro de los métodos clásicos de prospección geofísica.

Con respecto a las aplicaciones prácticas se puede afirmar, en términos generales, que a pesar de la penetración limitada y de una cierta dependen de las condiciones superficiales, que pueden enmascarar parcialmente los registros, se considera que el geo-radar por sus características demanejabilidad, rapidez, carácter no destructivo y alta resolución puede considerarse como una herramienta útil, y en algunos casos idónea, para la resolución de problemas relacionados con el subsuelo más superficial.

En la búsqueda de cavidades o zonas colapsables en los terrenos estudiados, la penetración en el terreno se vio muy limitada por el alto contenido de humedad y la presencia del nivel freático dentro de los dos primeros metros del subsuelo. Por este motivo no fue posible la localización directa de cavidades dentro del substrato rocoso, al encontrarse éste, en general, por debajo de esta cota. A pesar de esto, en algunos casos es posible reconocer la existencia de una cavidad en el substrato indirectamente, es decir, mediante el efecto que producen sobre el suelo situado sobre ellas. La anomalía relacionada con este tipo de situaciones es muy característica y fácilmente diferenciable. El geo—radar puede ser utilizado como detector de anomalías de este tipo, indicativas de futuros colapsos.

Con respecto a la localización de cavidades o despegue bajo losas rígidas de hormigón, el geo-radar resulta un método útil para su localización directa. La elección de la antena debe hacerse casi exclusivamente en función de la magnitud del despegue esperado, ya que la penetración de la señal a través de estas losas está prácticamente garantizada. Si a esto añadimos el carácter no destructivo del geo—radar y la velocidad a la que es posible desplazar la antena utilizando medios mecánicos, esta técnica se convierte en un método ideal para el estudio de grandes superficies rígidas, tales como firmes de hormigón en carreteras o pistas de aeropuertos.

Del estudio paralelo realizado con las antenas de 120 y 500 MHz sobre los sótanos de la Torre de Comares se puede concluir que el radar es apropiado para la localización de galerías o habitáculos realizados por el hombre y situadas en los primeros metros del subsuelo. Las galerías al poseer una geometría regular producen un tipo de reflexión muy característico que permite reconocerlas entre otros reflectores. La definición con que se puede detectar una galería depende del tamaño y profundidad de las construcciones, siendo posible en algunos casos dar incluso una estimación de sus dimensiones. La elección de una u otra antena depende de la profundidad a la que se encuentre la galería y de sus dimensiones, siendo recomendable el uso simultáneo de al menos dos de ellas. La antena de 500 MHz ofrece una resolución óptima para este tipo de investigación, pero su mayor dependencia de efectos superficiales y sus limitaciones de penetración en el suelo a partir de 2-3 metros pueden entorpecer o enmascarar los resultados. La antena de 120 MHz ofrece una mayor penetración pero sacrifica la nitidez de los registros, dificultando la interpretación.

El conocimiento detallado de la geometría de los reflectores puede ser utilizada en determinados casos para desarrollar modelos de reflexión de la señal del radar que tienen como fin mejorar la estimación de la velocidad de propagación de las ondas en el medio basada en modelos más sencillos. En este trabajo se propone un modelo de hipérbola de reflexión que incorpora las dimensiones de una galería, mejorando de un 16% a un 8% el error cometido en la estimación de la profundidad de la galería a partir de un modelo simplificado en el que se la considera como un reflector puntual. Para aplicaciones de tipo meramente cualitativas parece suficiente el uso del modelo aproximado puesto que el interés radica más en localizar el reflector que en situarlo en profundidad con una exactitud inferior al 10%. Estos porcentajes de desviación entre uno y otro modelo disminuyen con el tamaño de la galería o, más exactamente, al disminuir la relación profundidad—dimensiones del reflector.

Las reflexiones provenientes de tuberías son también muy características por su forma hiperbólica, pudiendo en algunos casos favorables identificarse su tamaño, el tipo de material de que están compuestas e incluso si están llenas o vacías.

Los elementos de carácter metálico (cables, armaduras, etc) resultan fáciles de localizar aunque sean de dimensiones reducidas, ya que actúan como un espejo para la señal del georadar, produciendo reflexiones de gran amplitud. Su presencia puede dificultar el reconocimiento de otros reflectores bajo ellos. Las antenas de altas frecuencias (1 GHz) pueden usarse para localizar las armaduras en el hormigón, siendo de gran utilidad para el control de calidad de este tipo de estructuras.

En relación con temas medioambientales, ha sido posible detectar con las antenas de 120 y 500 MHz la presencia de zanjas rellenas con residuos tóxicos debido al gran contraste que presentan estos desechos con el suelo de su entorno. Así mismo, se ha comprobado la posibilidad de diferenciar con el geo—radar suelos similares con distinta granulometría.

El geo—radar ofrece grandes posibilidades de aplicación para la investigación de yacimientos arqueológicos, dada la gran resolución que aporta, la poca profundidad de los objetivos buscados y el habitual contraste entre los materiales que componen las estructuras arqueológicas (piedras y cantos de diversos tamaños) y el material que las rodea (depósitos sedimentarios). Algunas de las anomalías detectadas en este tipo de estudios resultan bastante características, como por ejemplo las relacionadas con soleras, y permiten su identificación entre otros reflectores, coincidiendo su morfología con registros presentados por otros autores bajo circunstancias similares. En relación con los perfiles comunes realizados en Numancia con radar y métodos eléctricos, se puede afirmar que las anomalías detectadas con el georadar se confirmaron con calicatas eléctricas, si bien éstas muestran un tipo de anomalía generalmente más ancho y disperso que el detectado con radar, lo que realza la capacidad de resolución de este último método.

Dentro del análisis de estructuras de edificación, ha sido posible reconocer zonas degradadas de un forjado analizando la respuesta del impulso electromagnético de la antena de 900 MHz ante variaciones bruscas de la porosidad del hormigón sin necesidad de elaborar un modelo sofisticado. La comparación de las reflexiones del forjado con los testigos extraídos en zonas sanas y deterioradas ha confirmado este comportamiento y ha permitido extrapolar los resultados del radar a la totalidad de la superficie de forjado investigada. Este hecho se ha visto favorecido por el avanzado estado de degradación del hormigón del forjado (en algunos puntos hasta un 30% de porosidad según los testigos extraídos), así como por un mayor deterioro de su mitad superior. La manejabilidad de la antena de 900 MHz y, en general, del conjunto de equipos del geo—radar, así como su independencia de vibraciones y ruidos, resultó decisiva en este caso particular, pues permitió realizar la auscultación de una superficie de forjado de unos 850 m2 a través de los pasillos separadores de las máquinas sin necesidad de parar éstas y sin interrumpir los trabajos del personal de la fábrica. Los resultados obtenidos han permitido comprobar la utilidad del método en la auscultación de este tipo de forjados normalmente utilizados en la construcción.

Finalmente, en el capítulo dedicado a las aplicaciones de tipo cuantitativo se ha mostrado la posibilidad de modelar el comportamiento del impulso electromagnético del georadar propagándose en sistemas multicapas. El modelo se ha aplicado en la determinación de los espesores y de los parámetros electromagnéticos de los materiales que constituyen los firmes bicapa y tricapa presentes en la pista de ensayos del CEDEX, de uso actual en las carreteras españolas. A continuación se resumen las principales conclusiones derivadas de dicho estudio:

— El espesor de las capas de mezcla bituminosa se ha determinado con un error inferior al 10% para espesores variables entre 12 y 20 cm, siendo posible caracterizar su valor de εγ' y manifestándose, a efectos prácticos, como un dieléctrico en la banda de frecuencias de la antena de 900 MHz (σ = 10-3 mhos/m o inferior).

— La zahorra artificial también se comporta como un dieléctrico y es posible deducir con el mismo margen de confianza el valor de su εγ' y, por lo tanto, el del espesor de las capas constituidas por este material.

— Estas mismas conclusiones son aplicables a la capa de zahorra natural. Sin embargo el tamaño del árido empleado en la mezcla obliga a considerar un factor de pérdidas relacionadas con el scattering experimentado por la señal en ese material. Este tipo de corrección podría hacerse necesario también en las capas de zahorra artificial en el caso de que en su composición se incluyan áridos de mayor tamaño o se empleen antenas de frecuencias superiores a 1 GHz.

— Las capas constituidas por suelo cemento y grava cemento resultan mucho más difíciles de caracterizar, ya que sus parámetros no se corresponden con los de un dieléctrico como los tres materiales anteriores. El valor deducido para sus conductividades no garantizan las condiciones de penetración suficientes para la aplicación de las antenas de alta frecuencia del geo-radar.

— La colocación de las placas de aluminio en las diversas capas ha resultado muy eficaz para determinar con fiabilidad los parámetros electromagnéticos de los diversos materiales, especialmente para evaluar los valores de σ de los materiales más conductores. También revelaron la necesidad de incluir correcciones por scattering para la señal de la antena de 900 MHz para la subbase de zahorra natural. Las condiciones de la pista (aislada de la lluvia, con un especial control de los materiales empleados y un cuidadoso acabado de obra) han favorecido la obtención de valores coherentes de los parámetros electromagnéticos de materiales idénticos situados en distintas secciones. En una carretera convencional, sometida a la acción de los agentes climáticos y a otros factores ambientales (crecidas del nivel freático, etc), cabe esperar mayores variaciones en los parámetros electromagnéticos de los materiales que las detectadas en este trabajo.

— La alta resistividad detectada en las capas de mezcla bituminosa y zahorra favorece la utilización del geo—radar en la determinación de espesores en firmes construidos con estos materiales. Sin embargo su aplicación en firmes con capas de suelo cemento o grava cemento puede verse limitada por el carácter parcialmente conductor de éstos.

Por último, como futuras líneas de investigación para continuar avanzando en el desarrollo de esta técnica se proponen las siguientes:

— Caracterizar los parámetros electromagnéticos de los materiales investigados mediante el uso de técnicas de laboratorio.

— Extender las conclusiones obtenidas a antenas de frecuencias inferiores a 100 MHz y superiores a 1 GHz, algunas de ellas de reciente aparición.

— Ampliar el campo de aplicaciones prácticas dando prioridad a la comprobación de resultados.

— Avanzar en la elaboración de modelos que representen fielmente la naturaleza física de los problemas tratados cualitativamente en este trabajo.