miércoles, 28 de diciembre de 2011

Refracción Sísmica integrada con Microtremor (ReMi)

Complemento para la investigación geotécnica


Seguidamente presentamos una metodología que aplicamos, en las investigaciones geotécnicas, combinando dos técnicas (Sísmica de Refracción y MicroTremor ReMi); integración que proporciona excelentes resultados.

Un componente adicional, de las campañas geotécnicas, corresponde el uso de técnicas geofísicas para la caracterización geomecánica del terreno. Estos métodos indirectos estudian la propagación en el suelo de ondas sísmicas producidas artificialmente, estableciendo su relación, es posible conocer algo mejor la configuración geológica-geotécnica del terreno y algunas propiedades geomecánicas.

Ingeosolum / Sísmica de Refracción + ReMi
Geófonos para Refracción (azules) y ReMi (rojos)

La velocidad de propagación de las ondas depende principalmente de las constantes elásticas y de la densidad del medio. Los contactos entre cuerpos geológicos con diferentes velocidades de transmisión de ondas sísmicas, definen superficies de separación en las que las ondas sufren refracción, reflexión o difracción, definidas por la Ley de Snell para la Sísmica de Refracción.

Por otro lado, para el ReMi es necesario la captación y procesamiento de la señal espectral y el modelado interactivo de la curva de dispersión de las ondas Rayleigh, con la transformación del campo de onda lentitud-frecuencia para hacer efectiva la determinación de curvas de dispersión de velocidades de fase de ondas Rayleigh.

Para una mejor interpretación geológico-geotécnica empleamos la técnica geofísica de refracción y ReMi, la cuales se describen brevemente a continuación.


Sísmica de Refracción 


La Sísmica de Refracción es un método muy útil para la investigación de la estructura geológica y las propiedades del terreno. La técnica consiste en la observación de la señal sísmica que ha sido refractada entre capas con velocidades que contrastan. Esto se logra mediante la instalación de un arreglo de geófonos que son excitados (de forma elástica) mediante un martillo/explosivo/disparo en superficie observando el tiempo que tarda la señal sísmica en llegar a los geófonos; mediciones  en la forma de ondas que son registradas a través de geófonos conectados a un sismógrafo multicanal conectado a un ordenador.

Equipos para Estudios de Sísmica de Refracción y ReMi

La Sísmica de Refracción es el método sísmico muy empleado. Consiste en realizar perfiles longitudinales con sensores, geófonos, espaciados entre sí una distancia predeterminada. La energía que se libera al disparo mediante el golpeo con un martillo, es registrada en sensores y almacenada en un sismógrafo.

Perfil de Sísmica de Refracción (Vp)

El método está basado en la observación de los tiempos de llegada de los primeros movimientos del terreno en los geófonos, registrándose la localización de la fuente de energía. El conjunto de datos consiste en registros de tiempo versus distancia, que son interpretados en términos de la  profundidad a interfaces entre capas del terreno y de las velocidades de propagación de la onda  P en cada capa. Estas velocidades están controladas por los parámetros elásticos que describen el material y pueden correlacionarse con numerosas propiedades geomecánicas como por ejemplo:

  • Caracterización estratigráfica del sub-suelo, determinación de la profundidad de substratos con contraste y su morfología,
  • Definición espesor de una capa alterada de roca, 
  • Definición Vs y Vp para determinación de parámetros mecánicos (Coeficiente de Poisson y Módulos E, G, Compresibilidad Volumétrica y Edomométrica,
  • Clasificación geomecánicas de la roca. Definición indice Q y Emass (Modulo de deformación Estático) de Barton,
  • Definición de otros parámetros geotécnicos como índice de fracturación (RQD), densidad (rocas sedimentarias), porosidad (areniscas), etc.,
  • Caracterización de sitios para evaluación de riesgo sísmico (combinación con análisis de ondas de corte y método de Nakamura,
  • Caracterización de emboquilles de túneles,
  • Determinación de la excavabilidad (rippability), capacidad de una roca de ser fracturada/movida por una maquinaria pesada,
  • Evaluación depósitos de gravas, arenas, arcillas y materiales de construcción. 

Interpretación de la Sísmica de Refracción 

En resumen, la prueba de Sísmica de Refracción consiste en colocar varios geófonos a lo largo de una líneam y en un punto se genera vibración. Los geófonos se conectan a un sismógrafo, en donde se registra la llegada de las ondas elásticas. Conocida la distancia entre la fuente de vibración hasta los geófonos y el tiempo, que se obtiene de los sismogramas, es posible determinar la velocidad de propagación de las ondas.

Con la Refracción Sísmica, se determina la velocidad de ondas primarias o de compresión Vp, pero es muy difícil evaluar la velocidad de ondas secundarias o de corte Vs. Además sólo es posible detectar estratos con rigideces progresivamente mayores con la profundidad.


MicroTremor (ReMi)


El Método de Refracción Microtremor (ReMi) es un método, relativamente nuevo, para mediciones in situ de perfiles de velocidad de ondas de corte Vs usando registros de ruido ambiental. Pudiéndose generar un perfil del subsuelo 1-D basándose en la velocidad con la profundidad.

Para la adquisición de datos se usa un sismógrafo convencional y geófonos verticales equidistantes de onda P usados en estudios de refracción.

Esta técnica esta basada en dos planteamientos. El primero es que el equipo de adquisición de refracción sísmica aporta una salida casi idéntica a la sísmica de refracción de la onda P, además puede efectivamente grabar ondas superficiales a frecuencias tan bajas como de 2 Hz. El segundo planteamiento es que se pueden separar las ondas Rayleigh de otras ondas registradas por el equipo, por lo que es posible reconocer la verdadera fase de velocidad de otras velocidades aparentes. Esto hace posible un análisis espectral de ondas de superficies (SASW) y una efectiva técnica de análisis multicanales de ondas de superficies (MASW).

Perfil ReMi (Vs)

Es un método para la medición in situ de perfiles de velocidad de ondas de corte Vs usando el ruido ambiental. Al aplicar el método ReMi obtenemos una distribución de la velocidad de ondas de corte Vs en profundidad. Para ello se emplea el análisis espectral de registros de vibración natural del terreno. Es por tanto, un método especialmente apto para ambientes urbanos, donde la presencia de vibraciones es elevada.

El método ReMi tiene su base en el principio físico de la dispersión de las ondas en el terreno. Ocurriendo que, todos los medios son, en mayor o menor medida, dispersivos, y por lo tanto, las distintas frecuencias que componen un determinado paquete de ondas se propagan a diferentes velocidades. A medida que el paquete de ondas se desplaza en el terreno, las frecuencias individuales se van separando las unas de las otras, ya que las velocidades de propagación respectivas son diferentes. Analizando las velocidades a las que se propagan las distintas frecuencias se puede obtener la curva de variación de la velocidad de propagación de las ondas S con la profundidad.

Las ventajas de ReMi desde un punto de vista de adquisición sísmica son las siguientes:
  • Requiere solamente de equipos estándar de refracción, no requiere de una fuente de energía de onda especifica o fuerte y, 
  • Trabaja muy bien en ambientes con fuertes ruidos superficiales, cuestión que puede hacer imposible la toma de datos mediante sísmica estándar. 

Dependiendo de las propiedades del material del subsuelo, arreglo geométrico y tipos de sensores (distancia y frecuencia geófonos), ReMi puede determinar velocidades de ondas a profundidades mínimas de 10 m y hasta un máximo de 100 m.


Realización de Perfiles ReMi - Fuente de ruido: ayudantes corriendo

Las ondas P pueden ser estimadas matemáticamente en función de un mínimo conocimiento del sitio a investigar o medidas de refracción hecha con el mismo arreglo. Es un método de altísimo potencial en aplicaciones urbanas e industriales. Resulta también particularmente útil en áreas donde no se puede usar explosivo o donde inversiones de velocidades limitan la aplicación de métodos tradicionales como refracción y reflexión (los métodos de microtremores pueden caracterizar inversiones de velocidad).

Es un método de altísimo potencial en aplicaciones urbanas e industriales y en áreas donde no se puede usar explosivos o donde inversiones de velocidades limitan la aplicación de métodos tradicionales como refracción y reflexión (los métodos de micro tremores pueden caracterizar inversiones de velocidad).

El ReMi tiene las siguientes aplicaciones:
  • Definición y mapeo de estratificación sísmica (ondas de corte y, tramite correlación con la refracción, compresionales),
  • Calculo del parámetro rigidez de los materiales del subsuelo y definición parámetros dinámicos (Modulo de corte dinamico max-rigidez, Modulo de deformación dinámico-Young, Modulo de compresibilidad volumetrica-Bulk, Modulo de compresibilidad edometrica), capacidad de carga (qa) y calidad rocas (RMR-Rock Mass Rating, RQD y Q (método de Barton), y UCS-uniaxial Compressive Strenght): en esto caso puede representar un optimo método de evaluación rutas túneles mineros y monitoreo voladuras,
  • Control y seguimiento de compactación 2D y 3D,
  • Definición de la Vs30-VsP y profundidad Vs=500m/s (substrato geotécnico),
  • Selección forma espectral para el estudio sísmico,
  • Clasificación de suelos, análisis de respuesta y caracterización-zonificación sísmica de un área (normas IBC, NEHRP, etc.)
  • Conjuntamente a la medida de periodo fundamental, el análisis de las ondas de corte es la base para una modelización másprecisa de la respuesta de sitio,
  • Clasificación de sitio: Método de Draft 1999, Método según el código europeo EC8,
  • Calculo empírico factor de amplificación: Método de Medvedev, Midorikawa, Borcherdt.
  • Comprobación del potencial licuefacción: Método de Andrus y Stokoe (1997) y modelado dinámico,
  • Identificación elementos antrópicos y geológicos en el subsuelo (rellenos, fracturas, etc.),
  • Caracterización de la cobertura (en combinación parcial con la refracción),
  • Caracterizar áreas con la presencia inversiones de velocidad superficiales (ej. arenas sobre arcillas). Método particularmente útil.
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Para más información del novedoso método se puede consultar:

Faster, Better: Shear-Wave Velocity to 100 Meters Depth From Refraction Microtremor Arrays

Use of Refraction Microtremor (ReMi) Data for Shear Wave Velocity Determination

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El objetivo fundamental de la combinación de estos métodos de investigación, es aportar información sobre las características de los materiales del terreno, espesores de capa y establecer mediante los rangos de velocidades parámetros geotécnicos de la rigidez del terreno. Con el fin de estimar módulos de compresibilidad (K), módulos de corte (G) y módulos de Young (E).


Formulación Teórica para encontrar los módulos de rigidez del terreno empleando métodos sísmicos


Los métodos sísmicos utilizan la propagación de las ondas elásticas a través del terreno. Hay varios tipos de ondas sísmicas: ondas de compresión, que incluyen las de compresión (P), las de corte (S); y las ondas de superficie que incluyen las ondas Reyleigh (R). Los modos de propagación de estos tipos de onda son conocidos y se describen en la mayoría de los textos sobre los métodos sísmicos (por ejemplo, Telford et al. 1990). Las ondas se propagan a velocidades que están en función de la densidad y las propiedades elásticas del suelo.

En un medio elástico isótropo, la velocidad de una onda de compresión, Vp, está dada por:

Vp =  [(K + 4/3 G)/ ρ] ½

y la velocidad de onda de corte, Vs, es:

Vs = (G / ρ) ½

donde K es el módulo de compresibilidad, G el módulo de corte y ρ la densidad. De acuerdo con la teoría de la elasticidad el módulo de Young (E), que se relaciona con G y K de la siguiente manera:

y


donde ν es el Módulo de Poisson. De modo que G puede obtenerse a partir de mediciones de Vs solamente, pero Vs y Vp son necesarios para determinar E, K y ν.

En la formulación anterior se asume que el terreno es homogeneo, isótropo* y se comporta linealmente (elasticidad).

En este punto, es oportuno hacer una breve reflexión sobre el Módulo de Poisson determinado por métodos sísmicos. 

El Módulo de Poisson se puede formular, a partir de la elasticidad, mediante:

ν = 1/2 ((Vp/Vs)^2-2) / (Vp/Vs)^2−1)
o

Vp/Vs = ((1-ν) / (1/2-ν))^½


El Módulo de Poisson no es una propiedad de relevancia en el análisis geotécnico. Oscila entre 0,05 a 0,20 para materiales muy resistentes, alcanzado un valor de 0,50 en fluidos sin resistencia al corte. Para la mayoría de los suelos varía entre 0,25 y 0,49. Compárese, por ejemplo, con las velocidades sísmicas que varían más de un orden de magnitud o incluso conductividades eléctricas o hidráulicas que envuelven muchos órdenes de magnitud.

El Módulo de Poisson es referido numerosas veces en la literatura de análisis geotécnico. Al emplear geofísica para determinarlo, nótese que se trata de un Módulo de Poisson Dinámico (νd). Siendo esto posible gracias a la facilidad moderna con la que podemos medir Vp y Vs con geofísica. 

Por otro lado, la formulación de la elasticidad, aplicada a la geomecánica, se basa en un ensayo de compresión sin confinar, bajo esfuerzos axiales de forma estática, llamaremos pues a este coeficiente: Módulo de Poisson Estático (νd). Muy empleado para evaluar los esfuerzos, en particular la fuerzas laterales.

En la práctica, la medición del Módulo de Poisson Estático es engorrosa, existiendo pocas referencias en la literatura. Por lo tanto persiste la tentación de utilizar los valores estimados mediante la relación disponible del Módulo de Poisson Dinámico. Para ser justos hay que señalar que en los últimos años los supuestos subyacentes para el uso del Módulo de Poisson en Mecánica de Rocas han sido cuestionados y la importancia de este parámetro ha disminuido (Summary of the Poisson’s Ratio Debate 1990 – 2003).

En fin, si asumimos que el terreno es homogeneo, isótropo y se comparta linealmente (elasticidad), como si fuese un metal, tenemos que:

νs = νd

Como las deformaciones causadas por las pruebas geofísicas son muy pequeñas, el módulo de cortante que se obtiene con la Vs determinada con dichas pruebas viene siendo el valor máximo (Go=Gmax), y sufre una degradación mayor o menor, dependiendo del suelo y de la deformación inducida. Este tipo de comportamiento de materiales se le conoce como elástico no-lineal, está asociado con suelos y rocas blandas, y se ha avanzado mucho en la comprensión de este fenómeno especialmente en los últimos años (Matthews et al. 1996), por lo que los valores de Vs y Go=Gmax tienen aplicaciones tanto para análisis geotécnico estático como dinámico.

Muchos desarrollos se han dado en los últimos tiempos que no solo han mejorado la  calidad de las pruebas realizadas, sino que también han contribuido al descubrimiento de una fuerte no linearidad física del ambiente del suelo en el rango de pequeñas deformaciones (10^-5 a 10^-3). La no linealidad discutida se manifiesta como una disminución del módulo de Young E (y también de los módulos de deformación G por cizallamiento y de compresibilidad K) en el intervalo considerado. Este último punto se resume y detalla recientemente en: Clayton (2011), Stiffness at small strain: research and practice.

Intervalos aproximados, según la técnica de medición de las características de rigidez del suelo (click para obtener referencia)

El siguiente grafico presenta, de una manera integral, los intervalos de aplicación aproximada de diversas técnicas de medición, tanto de laboratorio y de campo, y además, como la deformación varia en diversos tipos de estructuras, así como una característica visual de la rigidez del suelo. Cuando se analiza el grafico, es posible comprobar que existe un rango extenso para determinar el módulo de Young E. En la figura se muestra la curva de disminución del módulo de cortante G en función de la deformación angular, indicándose los valores que se pueden obtener con diferentes pruebas de campo.

Sin embargo, la práctica demuestra que se pueden determinar estos módulos según las necesidades del proyecto. La velocidad de onda de corte (Vs) que se obtiene en las diversas pruebas geofísicas, es la que corresponde a deformaciones angulares pequeñas (10^-4%). Por esta razón el módulo de rigidez al cortante que se puede calcular, partiendo de esta velocidad, es el máximo y se simboliza como Go=Gmax.

Tradicionalmente, en el campo de la geotecnia, se ha considerado que el módulo de cortante máximo se puede utilizar únicamente en problemas dinámicos, como cimentaciones de maquinarias o sismos de muy bajas magnitudes. Sin embargo numerosos autores han demostrado que los valores de Go=Gmax corregidos para niveles de deformación apropiados pueden ser de utilidad para problemas estáticos, como es el diseño de cimentaciones.

Conocida la variación de la velocidad de onda de corte Vs y la densidad del terreno, se puede calcular con facilidad el módulo de rigidez al cortante máximo o inicial Go utilizando la ecuación siguiente,

Go = Gmax = ρ Vs^2

y con este valor se puede calcular el módulo de elasticidad a pequeñas deformaciones o máximo Eo utilizando la siguiente relación,

Eo = Emax = 2 Go (1+ν) = 2,7 ρ Vs^2

Para suelos arenosos, el Módulo de Poisson que se suele asumir, en una primera aproximación oscila entre 0,20 y 0,35.

Es importante hacer hincapié en que tanto Go=Gmax como Eo=Emax son valores máximos, para deformaciones angulares del orden de 10^-4. Sin embargo, se ha encontrado que la deformación angular promedio en cimentaciones bien diseñadas es de alrededor de 10^-1. Por lo tanto, para estimar asientos en suelos, partiendo de parámetros elásticos máximos (Go=Gmax y Eo=Gmax), hay que reducirlos, tal y como demuestra Mayne (2001).

Como ejemplo, para el análisis del asiento de zapatas y losas de cimentación, en arenas, se puede asumir un módulo de cortante que corresponde a una deformación angular de 0,1%, para la que Mayne (2001) propone un valor de G del 20% del Go=Gmax. De aquí tenemos que el módulo de elasticidad que podría usarse para estimar asientos en arenas (E-0,1%) podría ser:

E 0,1% = 0,54 ρ Vs^2

A partir de los perfiles de velocidad de onda de corte (Vs) contra profundidad, obtenidos con ReMi, es posible determinar las propiedades de deformación. Es conveniente que los resultados así obtenidos se comparen con lo evaluado con pruebas mecánicas de campo, como penetración estándar, cono dinámico (DPSH) o estático (CPT), dilatómetro, presiómetro, laboratorio, etc.


Conclusiones

  • La integración la Sísmica de Refracción con ReMi, nos permite mejorar la caracterización geomecánica del terreno,
  • La velocidad de onda de corte (Vs) es un parámetro de gran utilidad para caracterizar suelos, ya que con este valor se puede determinar directamente el módulo de rigidez al cortante para pequeñas deformaciones (Go=Gmax),
  • El módulo Go=Gmax tiene múltiples aplicaciones en la geotecnia, entre otras, sirve para inferir densidad en campo, determinar el estado de esfuerzos, estimar la cementación natural de depósitos de suelo o evaluar la alteración de muestras a ensayarse en laboratorio (Stokoe et al., 1989),
  • Tradicionalmente se ha considerado que el módulo Go sólo tiene aplicación en el campo de la dinámica de suelos, sin embargo, investigaciones realizadas en los últimos 20 años han probado se utilidad para problemas estáticos (Jardine et al., 1986; Batagglio y Jamiolkowsky, 1987; Burland, 1989; Fahey y Carter, 1993; Matthews et al., 1996; Mayne, 2001),
  • Conocido el valor de Go=Gmax se pueden estimar módulos de rigidez al cortante (G) y elásticos (E) para diferentes rangos de deformaciones, y con ellos analizar diversos problemas geotécnicos, entre ellos el diseño de cimentaciones.
  • El método de refracción de microtremores (ReMi), y en general los métodos de onda de superficie, son una interesante alternativa para determinar Vs de manera rápida y confiable,
  • Una de las principales ventajas de los métodos de onda de superficie es que son pruebas no destructivas, por lo que se puede evaluar la estructura natural de los suelos sin producir deformaciones en los mismos, contrariamente a lo que ocurre con las pruebas de penetración y la mayoría de las pruebas de campo,
  • A diferencia de la prueba tradicional de refracción sísmica, ReMi puede usarse sin problemas en ambientes urbanos, y de hecho mientras más ruido haya, funciona mejor,
  • Además, ReMi puede detectar estratos blandos entre estratos con rigideces mayores, mientras que refracción sísmica sólo puede detectar variación de rigideces progresivamente mayores.
  • Al comparar las Vs obtenidas en métodos de ondas de superficie con otras pruebas geofísicas como crosshole y downhole, debe tomarse en cuenta los primeros métodos estudian un volumen de suelos mucho mayor que con las dos últimas pruebas,
  • Cuando se requiere determinar en detalle la variación de velocidad de onda de corte, más que los métodos de onda de superficie deben utilizarse pruebas geofísicas tipo downhole o crosshole, incluyendo cono sísmico y dilatómetro sísmico,
  • Una de sus aplicaciones en donde más se ha utilizado ReMi es para la clasificación de suelos de acuerdo al NEHRP (1993), 
  • La prueba ReMi, y en general los métodos de onda de superficie, son apropiados para evaluar el comportamiento de depósitos de suelo ante sismos porque involucran un volumen grande de suelos,
  • Es muy importante que para el análisis de los resultados obtenidos con ReMi y otros métodos de onda de superficie se tenga en cuenta el contexto geológico y se realicen además sondeos y ensayos de laboratorio para determinar la estratigrafía.


* En rocas es previsible que produzca anisotropía elástica, ya que las juntas están omnipresentes en casi todas las masas de rocas. Lo que nos lleva a anticipar anisotropía elástica y la división de las ondas de corte de forma generalizada. Este efecto es más pronunciado cuando dichas grietas están abiertas, en cuyo caso también afectan profundamente el flujo de fluidos. En suelos sedimentarios, es posible que este efecto sea de menor importancia.

Vp (m/s)
   Vs (m/s)
   ρ   (kN/m3)
   ν   (adimensional)
   G  (MPa)
   K  (MPa)
   E  (MPa)

   






domingo, 13 de noviembre de 2011

Medición de la temperatura del terreno para la explotación de la energía geotérmica superficial - aplicación a cimentaciones activas en climatización

Éste trabajo presenta los aspectos relativos a la teoría de la energía geotérmica, y los resultados obtenidos en un campo de pruebas. En especial en lo referente a la medición temperatura del suelo en Madrid a diferentes profundidades y su aplicación al proyecto y construcción de cimientos y estructuras geotécnicas capaces de intercambiar calor con el terreno. Este tipo de estructuras se denominan, “Cimentaciones Activas”. 


Esquema de Funcionamiento de Cimentaciones Activas
Esquema de funcionamiento de las "Cimentaciones Activas"


Se presenta, de forma resumida, el marco teórico y los resultados de la medicón de la temperatura del terreno en su medio natural, la temperatura del aire, y los cambios de temperatura de fluidos al circular dentro de elementos de cimentación. Los trabajos de campo fueron realizados en la Colonia Fin de Semana, Madrid, con el objeto de comprobar medidas fundamentales e interpretar su relación con otras áreas de la ingeniería como lo son: la termodinámica, hidráulica, geología, y la geotecnia. Se hace especial énfasis en los parámetros para el proyecto y ejecución de “cimentaciones activas”.

Las cimentaciones activas, desde el punto de vista energético, y otras estructuras geotécnicas termo-activas, incorporan tecnologías innovadoras que contribuyen a la protección del medioambiente, proporcionan ahorros importantes de recursos energéticos y económicos a largo plazo, y permiten la construcción de unidades de aprovechamiento energético con un mínimo de mantenimiento. 



Losa de Intercambio Geotérmico
Losa de Intercambio Geotérmico para climatizar una nave


Nos concentraremos en las estructuras de hormigón que están en contacto directo con el terreno. Elementos prescritos generalmente en los proyectos de ingeniería y arquitectura, por razones de tipo estructural o constructivo, que pueden actuar como eficientes intercambiadores de calor.

Desde el punto de vista de ejecución, sólo es necesario la instalación de conducciones (rellenas de fluidos adecuados para la transmisión térmica) en los elementos estructurales convencionales de cimentación y sostenimiento tales como: pilas, pilotes, muros pantalla, muros de sótano, losas, revestimiento de túneles, etc. Elementos que forman el circuito primario de un sistema energético de aprovechamiento geotérmico.

Las cimentaciones activas, se emplean como fuente de calor el invierno, y de enfriamiento en el verano, obteniendo la temperatura natural del terreno. Sin necesidad de instalar elementos adicionales en el subsuelo. El circuito primario de aprovechamiento geotérmico se conecta al circuito secundario que está dentro de la edificación mediante una bomba de calor. Este sistema eventualmente podría enfriar la edificación sin necesidad de la bomba de calor, proporcionando “refrigeración con bajo coste”.



Energía Geotérmica Superficial



La energía geotérmica superficial, es un recurso natural  disponible, que se explota en países desarrollados, mediante el uso de diversos tipos de captadores térmicos. 

Para poder aprovechar esta energía, de una forma eficiente, es necesario conocer, a parte de las propiedades geológicas e hidrogeológicas, cómo varía la temperatura durante el día, la estación del año, y por supuesto su oscilación en función del perfil del terreno. 


Zona Neutra de Equilibrio Térmico

Siendo indispensable determinar la profundidad a la cual el terreno encuentra su equilibrio térmico. 

Por otro lado, es ampliamente conocido que el subsuelo tiene una temperatura que es más constante que la del aire exterior. En líneas generales a mayor profundidad, a la que se mida la temperatura, menos fluctuaciones se observaran.  

El hecho de que exista una diferencia de temperatura importante entre el ambiente y el terreno (en invierno el suelo está más caliente que el ambiente y en verano a la inversa, más frío que el ambiente), nos permite instalar un circuito cerrado, en las estructuras de hormigón armado en contacto con el terreno, y con la ayuda de una bomba de calor climatizar una edificación con una mayor eficiencia que con los sistemas tradicionales.

En líneas generales, en España, los primeros 50 metros de terreno son adecuados para el suministro y almacenamiento de energía térmica. Los cambios climáticos producidos por las estaciones hacen que la temperatura del terreno permanezca relativamente estable, a partir de una profundidad de alrededor de 10-15 metros. Esta temperatura tiene un promedio anual de entre 10º y 15° C. En las capas del subsuelo por encima de este nivel, la temperatura depende de las condiciones climáticas. En las capas inferiores del subsuelo, la influencia geotérmica prevalece, produciendo el aumento de la temperatura del terreno de 3° por cada 100 metros. 

Imagen del sensor AVHRR
Satélite NOAA (01/2002)

Por otro lado, el estudio de la radiación solar es un proceso clave para el aprovechamiento de la energía geotérmica superficial. Los resultados de las imágenes del satélite NOAA-AVHRR, configurado con alta resolución espacial, muestran que la Península Ibérica recibe un mínimo de 4.2 MJ m^-2 d^-1 y un máximo de 26 MJ m^-2 d^-1, con una radiación solar media de 15.1 MJ m^-2 d^-1. La variabilidad interanual de la radiación solar queda expresada con valores que van desde 14.9 MJ m-2 d-1 para el año 2002 hasta 17.3 MJ m^-2 d^-1 para el año 2000. 


Imagen del sensor AVHRR
Satélite NOAA (06/2002)

La idea básica de la tecnología que exponemos, persigue extraer calor del terreno, utilizando la energía geotérmica mediante sistemas integrados a las construcciones. En tanto que las necesidades de las construcciones así lo requieran, es posible utilizar las cimentaciones activas para refrigerar la edificación. En este caso particular, el exceso de calor se disipa en el terreno. Igualmente, en áreas donde las condiciones lo permitan, es posible almacenar energía para la refrigeración o la calefacción de una estación a otra. 

Al considerar la posibilidad que algunas de las estructuras subterráneas que se construyen en España, son aptas para extraer en energía geotérmica superficial, para ser empleada en la climatización de espacios de toda índole, tendremos a disposición un tipo de energía limpia, renovable y continua, para ser empleada en diferentes y diversas utilidades, beneficiando al hombre y al medio ambiente.



Descripción del Ensayo


El objetivo principal de esta experiencia es determinar la temperatura del suelo a diferentes profundidades y sus variaciones frente a cambios estaciónales.

Para llevar a cabo este objetivo las pruebas se han realizado en dos etapas: la primera consiste en la medición de la temperatura del terreno a 5, 10, y 15 m de profundidad durante un año, mediante sensores instalados en un pilote, y compararlas con la temperatura ambiente (la información fue almacenada, en un sistema automático de registro de datos), y una segunda etapa la cual se encuentra en ejecución, que consiste en la instalación de 4 sondas geotérmicas:


SISTEMA
PROFUNDIDAD
DIÁMETRO
Doble U
30m
32 mm
Simple U
30m
32 mm
Simple U
20m
32 mm
Simple U
10m
32 mm


                 Configuración de Sondas Geotérmicas



Estas sondas se acoplan a un colector el cual posee: caudalímetros capacidad de 0 a 70 l/m, 1 Termómetro con un rango de medida de -20 ºC a 40 ºC y 1 manómetro con capacidad de lectura de 0 a 6 bar. Seguidamente se instaló un circuito de tuberías de polietileno de alta densidad para simular una pérdida de temperatura del fluido circundante (agua), para finalmente conducirla a una válvula de expansión y transportarla a una bomba, la cual envía el fluido a un distribuidor de caudal el cual se conecta de forma independiente a cada sonda geotérmica y de esta manera recircular el fluido y establecer un sistema “cerrado”. 


Esquema del Circuito Geotérmico del Ensayo


Esta configuración del sistema nos brinda la oportunidad de medir la temperatura de entrada del fluido al subsuelo y la temperatura del fluido a la salida del subsuelo, con cada tipo de sonda geotérmica, variando el caudal, variando la presión o variando la velocidad del fluido que experimenta el intercambio de calor.



Construcción de Micropilotes Geotérmicamente Activos


Instalación de colectores geotérmicos


Sistema de colectores con caudalímetros,
termómetro y manómetro


Sistema de distribuidores con bomba de recirculación y termómetro


Sistema de adquisición de datos de temperatura automático


Bomba de Calor Geotérmica instalada en salón de conferencias



Ambito Geológico-Geotécnico


El lugar donde se realizan los ensayos, corresponde a una zona de arcillas verdosas y marrones, con presencia de estratos de arenas micáceas, niveles de carbonatos y arenas. También en proximidades del área de estudio se encuentran cantos y gravas poligénicos, arenas, limos y arcillas pertenecientes a depósitos aluviales y de terraza del cuaternario, los cuales generan acuíferos aluviales, procedentes de antiguos meandros del Río Jarama.


El campo de pruebas donde se efectúan los ensayos, corresponde a formas de relieve onduladas, conformadas por un conjunto de terrenos formados por una mezcla de materiales cohesivos (arcillas) y granulares (arenas y gravas) dispuestos horizontalmente, poco cementados en superficie, y fácilmente erosionables.

Adicionalmente muestra una morfología eminentemente llana con ligeras alomaciones y abundantes huellas de erosión lineal. Su permeabilidad es muy variable alternándose zonas permeables con otras impermeables, si bien predominan las primeras; en toda ella es normal la aparición de niveles de acuíferos a profundidades variables, casi siempre por debajo de los 10m.  Su capacidad de carga es de tipo intermedio, pudiendo aparecer asientos de magnitud media. Las condiciones constructivas son favorables.


Perfil del Terreno


A continuación se describen los estratos geotécnicos encontrados: A nivel superficial de 0-2 m de profundidad se descubrió una arcilla de color verde, con arena fina, gravas con diámetros comprendidos entre 3 y 5 cm de diámetro y presencia de raíces, subyaciendo este nivel de 2-8 m de profundidad se detectó una arcilla de color verde muy resistente, con arena fina y algo de material granular con diámetros comprendidos entre los 3 y 10 mm, cabe mencionar que de 6 a 8 m de profundidad la humedad de la arcilla aumentó notablemente, seguidamente de 8 a 10 m de profundidad se encuentra una arcilla de color verde muy resistente con arena fina, pero con un mayor porcentaje de material granular de 3 a 10mm de diámetro, subyaciendo este nivel de 10 a 30  m de profundidad se encontró una arcilla de color verde con arena fina y algo de material granular, confirmándose la existencia de un nivel freático a los 23 m de profundidad.



PROPIEDADES
VALOR
Humedad %
20
Densidad Natural (g/cm3)
2.1
Densidad Seca (g/cm3)
1.8
T. 200 (%)
69.9
Límite Líquido
44.8
Límite Plástico
21
Módulo Presiométrico (kp/ cm2)
1346
Ángulo de Rozamiento º
27.8
Cohesión Efectiva (kPa)
42.4

                Parámetros Geotécnicos Promedio



Consideraciones Hidráulicas del Terreno


La influencia del flujo de agua subterránea en la selección y el tipo de captadores térmicos, es un tópico muy discutido.  En la actualidad existen dos maneras de enfrentar este tema por algunos investigadores: la primera se refiere a que la corriente de agua subterránea puede generar un movimiento del flujo por convección dentro del intercambiador y la otra tendencia, presenta que el flujo del agua subterránea, posee una influencia regional, basada en el supuesto de que el agua subterránea se desplaza homogéneamente, esta condición de estado del fluido, depende de la geología, la conductividad hidráulica y la porosidad de los materiales encontrados. Para efectos de cálculo, en un flujo continuo, el agua subterránea es proporcional a la conductividad térmica (K) y del gradiente hidráulico (I) del material; a continuación se presenta algunas propiedades hidráulicas de algunos suelos y rocas:




Medio
Conductividad Hidráulica
(K)
[ms-1]
Porosidad
(n)
[-]
Grava
3·10-4 – 3·10-2
0.24 – 0.38
Arena Fina
9·10-7 – 6·10-3
0.31 – 0.46
Limo
10-9 – 2·10-5
0.34 – 0.61
Arcilla
10-11 – 4.7·10-9
0.34 – 0.60
Limolita
10-9 – 6·10-6
0 – 0.2
Arenisca
3·10-10 – 6·10-6
0.05 – 0.3

                        Valores Típicos de Propiedades Hidráulicas y 
                        Térmicas de Suelos y Rocas (Chiasson, 2000)


Consideraciones Térmicas del Suelo



Con el fin de identificar el punto de encuentro entre las propiedades físicas y térmicas de los suelos, se mencionan algunos términos propios de esta disciplina:

Temperatura: Es la medida de la energía cinética media de las moléculas individuales de un objeto.

Calor: Es la transferencia de energía, como energía térmica, de un objeto a otro debido a su diferencia de temperatura.

Capacidad calorífica: Es la energía necesaria para aumentar 1˚C la temperatura de un cuerpo, indicando la mayor o menor dificultad que presenta dicho cuerpo para experimentar cambio de temperatura bajo el suministro de calor. La capacidad calorífica viene dada por:


donde:

c: Capacidad calorífica, julios/K  o cal/˚C
Q: Calor absorbido por el sistema
ΔT: Variación de la temperatura

Calor específico: Es la cantidad de calor que se le debe entregar a 1 gramo de una sustancia para aumentar su temperatura en 1 grado Celsius.  Matemáticamente se expresa como:


Conductividad térmica: Es una propiedad intrínseca de los materiales, que valora la capacidad de conducir calor a través de ellos.  El coeficiente de conductividad térmica (λ), representa la cantidad de calor necesario por m2, para atravesar durante la unidad de tiempo,  1 m2 de material “Homogéneo”, obtenga una diferencia de 1˚C de temperatura.   


Convección térmica: Se produce a través del desplazamiento de partículas con diferentes temperaturas, es importante recordar que la convección se produce únicamente en materiales fluidos, los cuales al calentarse disminuyen su densidad y ascienden al ser deslazados por las porciones superiores que se encuentran a menor temperatura, es decir se genera transporte de calor en un volumen.

La transferencia de calor por conducción se puede modelar con la ley de enfriamiento de Newton:


donde,

h: Coeficiente de convección
As: Área del cuerpo en contacto con el fluido
Ts: Temperatura en la superficie del cuerpo
Tinf: Temperatura del fluido lejos del cuerpo

Radiación térmica:  Propagación de energía emitida por un cuerpo como consecuencia de su temperatura y depende además por una propiedad superficial llamada emitancia, la cual es la cantidad de energía radiante, de todas las longitudes de onda, que son emitidas por el cuerpo, por unidad de área y de tiempo .

La radiación térmica puede modelarse por la ley de Stefan-Boltzmann.


donde:

Q: Cantidad de calor radiada
α: Coeficiente que depende de la naturaleza del cuerpo
A: Área de la superficie que radia
KB: Constante de Stefan-Boltzmann

Difusión Térmica: Es la media de cómo fluye el calor por un material, esta mediad se estima a partir de la conductividad térmica (k), capacidad calorífica (cm) y la densidad (ρ), tal como se muestra a continuación:


Las propiedades térmicas de los suelos también dependen de la geología, de las propiedades hidráulicas de los materiales encontrados.  Seguidamente se presenta una tabla con algunas de las propiedades térmicas de los suelos:

Suelo
Conductividad
W/(m*K)
Capacidad Calorífica
MJ/(m3*K)
Difusión
m2/s*10-6
Arena
0.4
1.3 – 1.6
0.28
Arena Sat.
0.4
2.2 – 2.9
0.94
Grava
0.4
14 – 1.6
0.27
Grava
Sat.
1.8
2,4 aprox
0.75
Arcilla o limo
0.5
15 – 1.6
0.32
Arcilla o limo Sat.
1.7
1.6 – 3.4
0.68
Turba
0.4
0.5 – 3.8
0.19

                Valores Típicos de las Propiedades Térmicas


Propiedades del Campo de Pruebas


Para la explotación eficiente de la energía geotérmica superficial, es necesaria la interacción de varias disciplinas como lo son la termodinámica, la hidráulica y la ingeniería del terreno reunidas en una sola, la “geotermia”.   

En la tabla que se muestra, se presentan los parámetros asociados a las propiedades del suelo en el campo de pruebas de las mediciones de la temperatura del subsuelo, y con las cuales se determinarán las características geotérmicas del circuito propuesto.

Ubicación:
C. Fin de Semana
Volumen de almacenamiento:
0.3            m3
Cobertura del suelo:             
1 m
Tipo de suelo:
-Conductividad térmica:                           
-Capacidad térmica:
-Difusividad térmica:
-Conductividad hidráulica
-Porosidad
-Peso unitario seco
-Humedad natural

0.5 W/m*K
1.5 MJ/m3*K
0.32 m2/s*10-6
0.93 103 kg/m3
10-11 – 4.7·10-9  ms-1
0.34 – 0.60
1.8   g/cm3
20 %
Número de sondeos:
4 und
Profundidad de sondeos:
-Sondeo 1 - Doble U:           
-Sondeo 2 - Simple U:          
-Sondeo 3 - Simple U:
-Sondeo 4 - Simple U:

30 m
30 m
20 m
10 m
Diámetro de sondeos:
130 mm
Espaciamiento entre sondeos:
5 m
Tipo de circulación:
CERRADA
Temperatura de carga promedio:
3 º C
Temperatura de extracción promedio:
15 º C
Temperatura del suelo
-Lectura a -5 m
-Lectura a -10 m
-Lectura a -15 m

17.2 º C
16.8 º C
16.2 º C

    Tabla de Parámetros Técnicos


Transferencia de Calor - Micropilote Activo


Para estudiar la transferencia de calor entre un micropilote activo, el terreno y el fluido intercambiador dentro del micropilote, se debe suponer que las paredes de la tubería de polietileno de alta densidad, tiene la misma o similar temperatura que la lechada o del suelo circundante. Este supuesto depende inicialmente del comportamiento del flujo y de su régimen hidráulico, si es laminar o turbulento. A continuación se muestra una ilustración con las variables térmicas que intervienen en un micropilote activo:

Micropilote Activo

                                       


Repuesta Térmica del Terreno



Inicio y final del Test – Otoño


La batería de ensayos se inician a primera hora en la mañana donde la temperatura del fluido de circulación (agua) y las sondas es el más bajo. 

La prueba finaliza en el momento que la temperatura de que se le aporta al sistema y la temperatura que sale del suelo se estabilizan.

Respuesta Térmica en Sondeos

Duración del ensayo


Tiene una duración de 80 minutos, realizando lecturas cada minuto, con el objeto de verificar cualquier variación en el caudal, velocidad y presión a la que se encuentra el fluido de circulación dentro de las sondas geotérmicas. Se considera que la temperatura sin perturbación externa se logra a los 20 minutos desde el inicio de la prueba.

Problemas operativos y consideraciones


Es muy importante incorporar dispositivos, para el control de la presión del sistema, ya que junto con una válvula de expansión se logra la presurización de las sondas y eliminar excesos de aire.  También debe considerarse  que el empleo de compresores o de bombas de recirculación puede suministrar energía adicional al sistema que puede aumentar  la temperatura del fluido a la salida del suelo.

Pérdidas y ganancias de temperatura


Pueden generarse variaciones  en este parámetro debido a la presencia de niveles freáticos o acuíferos que generen flujos de agua que modifiquen las condiciones térmicas del subsuelo.

Temperatura del suelo Termocuplas


En el campo de pruebas de instaló previamente un micropilote de 15m de longitud, con termocuplas para obtener la temperatura del suelo a 5 – 10 – 15 metros de profundidad.   En la gráfica que se muestra, puede apreciarse que la distribución de la temperatura de un suelo respecto a su profundidad, al norte de Europa, obedece a una oscilación armónica según la evolución estacional

A diferencia de los países del norte de Europa, la temperatura del subsuelo de Madrid, está influencia entre otras, por la alta radiación solar; los resultados promedio de dichas temperaturas se presentan a continuación:

Temperatura vs. Profundidad (promedio)

Temperatura Ambiental 


Como complemento, también se ha instalado un medidor de la temperatura del aire, el cual nos ayuda a encontrar los diferentes tipos de gradientes de la temperatura exterior en el campo de pruebas a lo largo del año.

Temperatura del Aire

Comentarios


  1. La distribución de la temperatura en el subsuelo en los países del norte de Europa, encuentra el equilibrio térmico a 10ºC y una profundidad de 15m.  El suelo de Madrid alcanza su equilibrio térmico a 16º C y una profundidad de 5m, durante todo el año.  Esto sugiere una ventaja muy importante, frente al aprovechamiento térmico superficial. 
  2. El gradiente de temperatura ambiente máximo al cual está sujeto Madrid, se encuentra desde -4.65 a 38.13ºC, lo cual indica que mediante el uso de sistemas de calefacción, empleando geotermia superficial es, totalmente viable.
  3. La temperatura del subsuelo de Madrid, es un parámetro constante durante todo el año, gracias a la radiación solar, sin embargo condiciones geológicas de niveles freáticos o la formación de acuíferos relativamente superficiales, pueden disminuir levemente la temperatura del suelo, pero aumentan la conductividad térmica del suelo.


Aplicaciones del Experimento


En España se experimenta un creciente auge por el desarrollo y aplicación de tecnologías sostenibles de alta eficiencia energética, como lo es la energía geotérmica superficial, la cual es una alternativa excepcional a los sistemas convencionales de calefacción y refrigeración.

Dentro de las áreas de aplicación, se encuentra el empleo de geocompuestos de revestimientos en túneles, los ya están siendo incluidos en el (NATM).

La construcción de muros pantalla o cortinas de pilotes, para la ejecución de sótanos, pasos de nivel, o cualquier obra de sostenimiento lateral de tierras, ofrece condiciones óptimas para la explotación de la energía geotérmica superficial.

En las obras de cimentación de estructuras, es donde se observan mayores adelantos, en el empleo y uso de pilotes, micropilotes o losas, como captadores de energía geotérmica superficial.

En síntesis el camino en el desarrollo de las cimentaciones activas, está abierto y además el empleo de este tipo de tecnologías está catalogado como energía renovable en el libro blanco de las energías renovables de la Unión Europea y por lo tanto se acoge a ayudas gubernamentales para subvencionar las instalaciones. 


Referencias


Brandl, H., (1998), Energy piles for heating and cooling buildings, 7th International Conference on Piling and Deep Foundations, Vienna, Austria.

Brandl, H. & Markiewicz, R. (2001), Geothermische Energienutzung mittels Pfahlen, Schlitzwanden und Stutzbauwerken. Pfahl-Symposium 1999, Braunschweig, 329-356.

Jumikis, A (1966). Thermal Soil Mechanics, Rutgers University Press, New Jersey, 267 pp. 

Sanchez-Guzman, J & Garcia de la Noceda, C (2005), Geothermal Energy Development in Spain – Country Update Report, Proceedings World Geothermal Congress 2005, Antalaya, Turquía, 446-456.

Zuloaga, I. (2006), Aprovechamiento de la Energía Geotérmica en Cimentaciones y otras Estructura Geotécnicas Activas, documentación interna sin publicar.

Zuloaga, I. (2006), Procedimiento de Cálculo y Análisis Geotécnico de Pilotes Activos, Ingeosolum, s.l., documentación interna sin publicar.