Ground vibration measurements: study case of simultaneous HVSR and SASW for site characterization

Abstract

In civil engineering, the properties of the soils are important for design and construction of a project. Therefore, it is necessary to know the different properties of the soil layers, the hydraulic and mechanical, so that the engineering process is effective. Some geophysical methods can be used to obtain the properties needed to do a proper engineering design. The Spectral Analysis of Surface Wave (SASW) is a geophysical method that can be used to obtain the soil characterization. SASW method analyzes the dispersive characteristic of Rayleigh-waves in a homogeneous and non-homogeneous medium. The main objective is to estimate the profile of shear wave velocity versus depth to obtain a soil-site characterization without the need of a borehole. Another method is the Nakamura method, which used the spectral ratio of horizontal and vertical components (HVSR); which estimates the effect of the surface geology on seismic motion using microtremors. This procedure is suitable for areas with low seismic activity. In this investigation a study and validation of the SASW and HVSR methods were done at the University of Puerto Rico at Mayagüez. From this, an estimation of the shear wave velocity (Vs) versus depth profile, and the fundamental frequency of the soil were obtained. To be able to validate the methods, Standard Penetration Test (SPT) test results were compared with the soil site characterization obtained with the SASW method; and the result of the HVSR-Nakamura method was also compared with the obtained results of Vázquez (2014). According to the results obtained the soil classification for the different layers present in the studied area corresponds to soft soils type E of AASHTO. The estimated dominant fundamental vibration frequency of the studied area is 1.358 Hz. The obtained results allowed us to validate how effective are the non-invasive geophysical methods (SASW and HVSR), as a reliable alternative to obtain soil site characterization and the fundamental frequency of the soils.

En ingeniería civil, las propiedades de los suelos son importantes, tanto en el diseño como en la construcción de un proyecto. Por lo tanto, es necesario conocer las diferentes propiedades de las capas del suelo, la hidráulica y la mecánica, para que el proceso de ingeniería sea efectivo. Se pueden utilizar algunos métodos geofísicos para obtener las propiedades necesarias para realizar un diseño de ingeniería adecuado. El Análisis Espectral de Ondas de Superficie (SASW, por sus siglas en inglés) es un método geofísico que se utiliza para obtener la caracterización de suelo. El método SASW analiza la característica dispersiva de las ondas Rayleigh en un medio homogéneo y no homogéneo. El objetivo principal es estimar la velocidad de la onda de corte versus al perfil de profundidad para obtener la caracterización de sitio de un área, sin la necesidad de un barrenado. Otro método es el método de relación espectral de componentes horizontales y verticales (HVSR, por sus siglas en inglés); que estima el efecto de la geología de la superficie sobre el movimiento sísmico utilizando microtremores. Este procedimiento es adecuado para áreas con baja actividad sísmica. En esta investigación se realizó un estudio y validación de los métodos de SASW y HVSR en la Universidad de Puerto Rico en Mayagüez. Se obtuvo la frecuencia fundamental del suelo y la estimación de la velocidad de la onda de corte (Vs) del área estudiada para clasificar el tipo de suelo. Para poder validar los métodos, los resultados fueron comparados con las Pruebas de Penetración Estándar (SPT, por sus siglas en ingles). Mientras que el resultado del método HVSR-Nakamura también fue comparados con los resultados de Vázquez (2014). De acuerdo con los resultados obtenidos, la clasificación del suelo para las diferentes capas presentes en el área estudiada corresponde a suelos blandos, tipo E según AASHTO. Mientras que la frecuencia fundamental de vibración dominante estimada del área es 1.358 Hz. Los resultados obtenidos nos permitieron validar cuán efectivos son los métodos geofísicos no invasivos (SASW y HVSR), como una alternativa confiable para obtener la caracterización del sitio y la frecuencia fundamental de los suelos.