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3.‐OtrasTécnicasnodestructivas.Aparte de los sistemas para la medida de las deflexiones, descritos en el capítulo anterior, existen otros sistemas para caracterizar de manera no destructiva los firmes bituminosos en servicio. Ellos se pueden clasificar según las propiedades del firme que se miden con los equipos de prueba: 

‐ Los espesores de las capas y discontinuidades del firme, mediante el uso del georradar. 

‐ La respuesta elástica, mediante sistemas de propagación de ondas superficiales 

3.1.-Uso del Georradar en la obtención de espesores

3.1.1.‐FuncionamientoGeorradar

El georradar  (GPR, por el acrónimo  ingles de Ground Penetrating Radar) es una técnica que permite localizar objetos y discontinuidades dentro de un material, a través de la emisión de pulsos cortos de energía electromagnética de alta  frecuencia, por medio de una  antena montada en un  vehículo en movimiento. Al ser propagada hacia abajo, parte de la energía es absorbida y parte reflejada hacia la superficie, con amplitudes y tiempos de llegada, los cuales dependen de las constantes dieléctricas de los materiales existentes (Figura 13). Al ser desplazado el radar a través de la superficie del firme, las ondas reflejadas se pueden usar para crear una imagen, en tiempo real, de las condiciones existentes en el subsuelo (espesores de capas, vacíos, humedad, etc.). 

 

figura 13 Funcionamiento Georradar (5) 

Los sistemas de georradar empleados para la determinación de espesores de capas usan dos tipos de antenas: de contacto con el terreno y de no‐contacto (fotos 6 y 7). Como indica su nombre, las antenas de contacto se emplean palpando la superficie, lo que genera una limitación obvia para evaluar firmes a alta velocidad, a menos que su regularidad sea casi perfecta. Pero, aún más importante, es el hecho de que para calibrar el sistema es necesario realizar medidas físicas de  los espesores de  la capas del firme; estos valores se deben introducir en el programa de análisis, para que la velocidad de la señal del radar  a  través  de  las  capas  del  firme  sea  la  leída,  con  objeto  de  obtener  los  espesores.  Como  la composición  de  un  firme  cambia  con  relativa  frecuencia  a  lo  largo  de  la  traza,  es  preciso medir 

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físicamente  los  espesores  a  intervalos muy  reducidos  o,  de  lo  contrario,  se  generan  errores  en  las determinaciones realizadas con estas antenas.  

La antena del  tipo de “no contacto” está adosada a  la parte  frontal o posterior del vehículo que  la transporta, suspendida a unos 450 mm por encima de  la superficie del firme,  lo que  impide que sea afectada  por  las  irregularidades  de  la  calzada.  Además,  su  calibración  no  exige  la  ejecución  de perforaciones en el pavimento, ya que ésta se realiza con una placa metálica que se coloca a diferentes alturas bajo la antena (foto 8).  

 

 

 

foto 6 y foto 7 Vista de antena de contacto y de no contacto .( Fuente: elaboración propia) 

 

foto 8 Vista calibración de antena (5) 

Por otra parte, como  trabaja en posición suspendida,  la porción de energía que es  radiada desde  la antena emisora directamente a  la receptora se produce en  la misma antena y no en  la superficie del firme  como  en  el  caso  de  la  antena  de  contacto,  lo  que  evita  interferencias  y  le  permite  detectar espesores muy pequeños de capas bituminosas. Mientras una antena de “no contacto” de 2 GHz puede resolver con facilidad una capa de 25 mm de espesor, una antena acoplada al terreno de 1.5 GHz apenas puede revelar, de manera satisfactoria, espesores de 75 mm o mayores  (19). Cuando  la  información obtenida con el georradar es  interpretada con el fin de determinar  los espesores de  las capas de un firme, lo que se obtiene, en realidad, no es un perfil de éste, sino un perfil del tiempo que tarda el pulso electromagnético desde que  fue emitido por  la antena  transmisora hasta que  fue detectado por  la receptora. Este tiempo puede ser convertido en espesores (Figura 14), si se estima apropiadamente la velocidad de propagación de  la señal a  través de cada uno de  los materiales existentes,  la cual está 

Antena de No contacto  Antena de contacto 

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determinada por la “constante dieléctrica”, que es una relación entre los cuadrados de las velocidades de propagación de la luz en el aire y en el medio que se evalúa. La Tabla 12 presenta algunos valores típicos de esta constante para distintos materiales (20) 

 

 

figura 14 Vista de la lectura del georradar .( Fuente: elaboración propia) 

 

La constante dieléctrica es un buen indicador de la resistencia y de las propiedades de deformación de los materiales granulares de un firme y de la explanada. Cada material tiene una relación única entre su constante  dieléctrica  y  su  contenido  de  agua. Valores  de  la  constante  por  encima  de  9  para  estos materiales indican la existencia o problemas potenciales en la capa. Pero, también, valores demasiado bajos pueden indicar dificultades, en el sentido de que la granulometría sea muy abierta y el material sea susceptible a  la deformación y a  los hundimientos. La  tabla 13 presenta una clasificación de  los suelos y agregados granulares, a partir de su constante dieléctrica (21). 

   

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 MATERIAL 

CONSTANTE DIELÉCTRICA 

VELOCIDAD DE PROPAGACIÓN (m/ns) 

Aire  1  0.30 

Hielo (suelo congelado)  4  0.15 

Granito  9  0.10 

Caliza  6  0.12 

Arenisca  4  0.15 

Arena seca  4 a 6  0.12 a 0.15 

Arena húmeda  30  0.055 

Arcilla seca  8  0.11 

Arcilla húmeda  33  0.052 

Capas asfálticas  3 a 6  0.12 a 0.17 

Hormigón  9 a 12  0.087 a 0.10 

Agua  81  0.033 

 Tabla 12 Constantes dieléctricas y velocidades de propagación en materiales típicos (5) 

 

 

CONSTANTE DIELÉCTRICA 

INTERPRETACIÓN PARA SUELOS 

CONSTANTE DIELÉCTRICA 

INTERPRETACIÓN PARA AGREGADOS 

    

4‐9 

 Suelos secos, en su mayoría con buena capacidad portante (excepto algunas arenas) 

    

< 5 

Base seca y de granulometría abierta, con baja absorción de aguay alta relación de huecos. Baja resistencia a los esfuerzos y sensibilidad a las deformaciones permanentes 

 

 9‐16 

Suelos húmedos, su capacidad portante puede ser baja pero, en general, es adecuada 

 

 5‐9 

 Base seca, con baja absorción de agua,  buenas  propiedades  de resistencia 

 16‐28 

Suelo altamente susceptible al agua y de baja capacidad portante 

 9‐16 

Base húmeda, pero con buena resistencia al corte debido a succión 

 > 28 

 Suelo muy húmedo, plástico e inestable 

 > 16 

Base muy húmeda o casi saturada, con baja resistencia al corte 

Tabla 13 Clasificación de suelos y materiales granulares sobre el nivel freático en función de su constante dieléctrica (22) 

   

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3.1.2.‐ConsideracionesalusoynormativadelGeorradar

La transformación de la señales eléctricas en espesores, no es algo sencillo, existen problemas en el uso de estos equipos cuando el terreno presenta una elevada humedad o bien existen sales, esto provoca que  la conductividad eléctrica aumente haciendo que no sea visible  la  interfaz entre dos materiales distintos, en cualquier caso se debe complementar el uso del georradar con la toma de testigos en la carretera con objeto de verificar espesores y poder calibrar adecuadamente los perfiles obtenidos. La norma ASTM D4748 describe un procedimiento para determinar, mediante el GPR, los espesores de las capas ligadas con asfalto o con conglomerantes hidráulicos. 

3.2.- Sistemas de propagación de ondas superficiales para la

determinación de la respuesta elástica de un firme bituminoso. La propagación de ondas es una  técnica de monitoreo de  las  características dispersivas  (cambio de velocidad con la frecuencia o con la longitud de onda) de ondas sísmicas superficiales en un firme, que sirve para predecir la condición estructural de éste. La técnica se basa en el concepto de que ondas con distintas  frecuencias  (o diferentes  longitudes)  viajan  a  través  de  las  capas  del  firme  con  diferentes velocidades. 

La Figura 15 ilustra el proceso típico del sistema, el cual involucra tres pasos: (i) ensayo en el terreno; (ii) obtención  de  una  curva  experimental  de  dispersión  de  las  ondas  superficiales  en  el  sitio  y  (iii) comparación de la curva con un modelo teórico, ajuste a través de un proceso inverso (calculo inverso) y establecimiento del perfil de espesores y de rigideces (23). 

 

figura 15 Sistema de propagación de ondas. (5) 

Los métodos que aplican esta técnica se pueden clasificar en dos tipos: (i) los de modo simple (ondas Rayleigh de régimen permanente; análisis espectral de ondas superficiales ‐SASW‐) y (ii)  los de modo múltiple (análisis multicanal de ondas superficiales –MASW‐; simulación multicanal usando un receptor –MSOR‐; etc.). 

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Los  equipos que operan  con  el  sistema  SASW han  sido  los más utilizados.  El  analizador  sísmico de pavimentos (ASP) es un ejemplo de equipo que trabaja con este sistema (Foto 9). 

El uso del método de  reflexión  sísmica para  investigaciones  superficiales de poca profundidad  está descrito en la norma ASTM D7128. 

 

foto 9 Analizador sísmico de firmes (ASP) (5) 

3.2.1.‐Propagacióndeondassuperficialesenfirmes.

En un evento sísmico se generan dos tipos de ondas: de cuerpo o internas y superficiales. Las ondas de cuerpo (que se desplazan por la masa del material, tienen menores amplitudes y menores longitudes de onda y viajan a mayor velocidad que las superficiales) incluyen las longitudinales de compresión (ondas P) y las transversales de corte (ondas S). Estas se propagan radialmente desde la fuente a lo largo del frente de onda hemisférico y son, esencialmente, no dispersivas. 

Las ondas superficiales, a saber, las de Rayleigh (ondas R) y las de Love (ondas L), tienen gran amplitud y se propagan a lo largo de un frente de onda cilíndrico, debido a que se desplazan únicamente cerca de la  superficie.  Las ondas de  Love  son polarizadas horizontalmente y no  son  registradas por  sensores verticales. 

La teoría de las ondas elásticas predice que la velocidad a la cual se mueven las ondas sísmicas a través de un material está ligada directamente con las propiedades elásticas de éste. El significado de ello es que si se conoce la velocidad de propagación de una onda sísmica, es posible estimar las propiedades elásticas del material dentro del cual se propaga. 

Asumiendo que existen variaciones verticales de velocidad, cada componente de frecuencia de una onda superficial tiene una velocidad de propagación diferente (llamada velocidad de fase). Esta característica da como resultado una longitud de onda diferente por cada frecuencia propagada. Esta propiedad se denomina dispersión. 

En un semiespacio elástico y homogéneo,  la velocidad de propagación de  las ondas R (VR) es única e independiente  de  la  frecuencia;  sin  embargo,  en  medios  estratificados,  las  ondas  R  son fundamentalmente dispersivas y su velocidad de fase es específica para cada frecuencia. Este tipo de ondas hace que las partículas se desplacen según una trayectoria elíptica retrógrada (debido a que la componente  vertical  del  desplazamiento  de  la  onda  es mayor  que  la  horizontal  en  el  límite  de  la superficie libre) en un plano vertical, dentro de una profundidad más o menos igual a una longitud de onda. Este movimiento es el que registran los métodos de propagación de ondas superficiales. 

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A medida que los diferentes componentes de la longitud de onda barren diferentes profundidades, las velocidades de fase correspondientes varían en las distintas capas de un medio estratificado. Para los materiales  de  los  firmes,  la  velocidad  de  propagación  de  las  ondas  R  (VR)  está  relacionada 

experimentalmente con la velocidad de las ondas S (VS), a través del coeficiente de Poisson ( ) (Tabla 14). Así, el espectro de las velocidades de fase se puede usar para desarrollar la función de dispersión para el sitio del ensayo, la cual relaciona VS con la componente de longitud de onda correspondiente.   La curva experimental de dispersión es usada a continuación para determinar el perfil modular de  la sección de ensayo, a través de un proceso de retrocálculo. De esta manera, las ondas R que se propagan en un medio de varias capas, suministran información sobre el perfil de rigideces, si las correspondientes velocidades de fase, que constituyen el objetivo del ensayo, son medidas. 

 

2 ∗ ∗ ∗ 1  (A) 

AUTOR  RELACIÓN ENTRE VR Y VS  OBSERVACIONES

Nazarian y otros (1981) (24)  VS = VR (1.13‐0.16 ) Usada para firmesRoesset y otros (1990) (25)  VS = VR (1.135‐0.182 ) para   ≥0.10

Sánchez Salinero y otros (1986) (26)  

VS = VR (1.144‐0.194  )  Si ν =0.35, VR / VS =0.92

 

Dennis y otro (2006) (27)  ∗1

0.87 1.12 ∗ 

 

Tabla 14 Relaciones entre VR y VS para materiales de firmes (5) 

 

Métodos de modo simple 

Inicialmente, consistían en un vibrador de estado fijo como fuente emisora de ondas R de frecuencia conocida (f). Un receptor de eje vertical era alejado de la fuente a intervalos pequeños, para detectar los puntos de movimiento  superficial  en  fase  con  el  vibrador.  La distancia  entre  2 puntos  en  fase, determinaba  la  longitud de onda  (λ)  a partir de  la  cual  se  calculaba  la  velocidad de  fase  (V =  λ*f). Escogiendo una relación típica entre VR y VS (Tabla 14), junto con la ecuación (A) indicada anteriormente, se puede obtener el módulo de la capa (E), conociendo la densidad del material (ρ). 

El análisis espectral de ondas superficiales SASW constituyó un avance en estos sistemas. Su mayor éxito fue el uso de técnicas de análisis espectral para el procesamiento de señales, lo que permitió analizar un rango de frecuencias bajo una fuente de ondas constituida por el impacto de un martillo. El equipo hace uso de 2 receptores estacionarios,  lo que eliminó  la necesidad de desplazar el receptor único y redujo  el  tiempo  de  ejecución  del  ensayo  (Figura  16  y  foto  10).  Los  dos  receptores  pueden  ser configurados tantas veces como sea necesario, para muestrear el rango de frecuencias deseado. Los receptores son sensores verticales de la velocidad de una partícula, así que los perfiles de velocidad de corte  son  analizados  sobre  la  base  de  las  velocidades  de  fase  de  las  ondas  R  y  transformados posteriormente en representaciones de módulo versus profundidad. 

Los métodos de modo simple presentan algunas limitaciones, entre ellas el hecho de utilizar sólo una velocidad de  fase para  cada  frecuencia. Así mismo, es posible que  la  señal detectada  se encuentre afectada por diversos tipos de ondas directas y reflejadas que no hayan sido consideradas en el análisis. Además, si el ruido externo en el  lugar del ensayo sobrepasa  la potencia de  la fuente artificial, como puede  suceder en áreas urbanas e  industriales o donde  las  fases de  las ondas de  cuerpo  sean más enérgicas que las superficiales, los resultados de los ensayos no son válidos. 

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figura 16. Esquema típico del montaje del sistema SASW (5) 

 

foto 10 Sistema SASW en operación (27) 

Métodos multimodales 

La técnica MASW, es similar en su ejecución a la SASW, fue desarrollada como solución a los defectos que ésta presentaba ante la existencia de ruido. Se emplea un elevado número de receptores (12 o más) colocados a distintas distancias partiendo de  la  fuente  impulsiva, para detectar  los modos más altos presentes en las ondas superficiales (Figura 14 y Foto 11). 

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foto 11. Instalación del sistema MASW (5) 

La Figura 18 muestra un ejemplo del procesamiento de una serie de ondas R de una prueba MASW, mediante el programa informático SURFSEIS (28). 

Otro método multimodal, mucho más sencillo y menos costoso, el MSOR, se basa en la técnica MASW y emplea sólo un receptor fijo y una fuente móvil (o viceversa) para disponer de una colección de golpes y  hacer  uso  de  ella  para  construir  un  registro multicanal  simulado,  combinando  todas  las medidas individuales (Figura 18). La rapidez del ensayo y del procedimiento de análisis, hace que este método sea mucho más eficiente que  los métodos vistos previamente de propagación de ondas superficiales para estudios de firmes (29). 

 

figura 17. Procesamiento de la información de una prueba MASW (5) 

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figura 18. Esquema típico de simulación multicanal con un receptor (5) 

3.2.2.Comparacióndelascaracterísticasdelosdistintosmétodos

En la Tabla 15 se muestran algunas de las características de los diferentes métodos de propagación de ondas superficiales para la evaluación de firmes.  

 CARACTERÍSTICA

MÉTODOS DE MODO SIMPLE MÉTODOS DE MODOMÚLTIPLERÉGIMEN 

PERMANENTE 

 

SASW  

MASW  

MSOR 

Desarrollo  1950s  Principios 1980s Finales 1990s  Inicios 2000sEstado actual  Obsoleto  En uso En evolución  En evolución

 Aplicabilidad 

 ‐ 

 

Evaluación de la capa superior 

Evaluación de la explanada y del manto rocoso 

 

Evaluación completa 

Rango de frecuencia 

 

1 Hz – 1 kHz  

10 Hz – 50 kHz  

1 Hz – 2500 Hz  

10 Hz – 20 kHz 

 Fuente 

 

Electromecánica;monofrecuencia 

Tipo martillo; Electromecánica;multifrecuencia

Tipo martillo; Electromecánica; multifrecuencia 

 

Tipo martillo; multifrecuencia 

 

 

Receptores 

 

 

1 geófono 

 

2 acelerómetros de alta frecuencia 

 Más de 2 geófonos 

Un acelerómetro de alta frecuencia

 

 

Adquisición de datos 

 

 

Analizador espectral 

Analizador espectral /tarjeta de adquisición de datos con PC

Dispositivo multicanal de adquisición de datos con o sin PC

 

Dispositivo multicanal de adquisición de datos con PC 

Generación de lacurva de dispersión experimental 

 

 

Cálculo directo 

 

Análisis espectral (manual) 

 

Reconocimiento automático de patrones 

 

Reconocimiento automático de patrones 

Herramientas de análisis 

 

‐ ASP, WinSASW, etc.

 

SURFSEIS, etc.  

SURFSEIS, etc. 

Tabla 15. Características de los métodos de medida por ondas superficiales (5)