Thesis advisor: John E. Ebel / Degradation within an earth embankment structure is often unobservable from the surface. In order to evaluate the structural integrity of earth embankment dams and levees and identify subsurface zones of weakness that may result in future failures, various geophysical methods have been proposed as effective subsurface imaging tools. This study presents the results of using the horizontal-to-vertical spectral ratio (HVSR), seismic refraction analysis, and multi-channel analysis of surface waves (MASW) methods to estimate subsurface seismic structures for two earth embankment dams located in Chestnut Hill, MA, and Franklin Falls, NH. The estimated seismic velocity structures from the seismic refraction analysis and MASW performed in this study confirm the HVSR method is able to effectively estimate depth to bedrock at sites atop earth embankments using estimated fundamental frequencies. The MASW was found to resolve a low-velocity zone in the subsurface at the Chestnut Hill reservoir embankment that the seismic refraction method was unable to image, and this low-velocity zone is required to best fit a theoretical HVSR to an observed spectrum. Furthermore, the variation and uncertainty in fundamental frequency estimation were investigated by making repeated HVSR measurements at the Chestnut Hill embankment. / Thesis (BS) — Boston College, 2023. / Submitted to: Boston College. College of Arts and Sciences.. / Discipline: Departmental Honors. / Discipline: Earth and Environmental Sciences.

El sábado 27 de Febrero de 2010, a las 3:34 AM hora local (6:34 AM UTC), la zona centro sur de Chile se vio afectada por un terremoto de magnitud Mw=8,8, el cual tuvo su epicentro frente a las costas de la VII región del Maule y generó un maremoto destructor disparando la alerta en todos los países del Pacífico. Éste terremoto provocó daños de diversa consideración principalmente en las regiones Metropolitana, VI, VII y VIII. El objetivo de esta memoria de Título es estudiar los daños producidos en las construcciones del tipo habitacional y de la red vial en las comunas de Buin y Paine de la Provincia del Maipo, Región Metropolitana, las cuales funcionan hoy como ciudades dormitorio de Santiago. Con el propósito de lograr el objetivo de esta Memoria de Título, se reunió información relacionada con los daños producidos en viviendas de uno y dos pisos en 21 localidades, con la cual se estimó la intensidad sísmica según la escala MSK - 64. Adicionalmente, se recopilaron datos de los daños más graves de la red vial existente y se midieron microvibraciones en campo libre en 86 sitios de la zona en estudio. Del análisis de las intensidades obtenidas se pudo identificar los factores que contribuyeron en los daños observados, destacándose entre ellos la geología superficial y la profundidad del nivel freático. En promedio se comprueba que hay una diferencia del orden de 0,5 y 1,0 grado entre los valores de la intensidad sísmica de las dos unidades geológicas predominantes: gravas (Unidad II) y gravas en matriz areno – arcillosa con intercalaciones de arenas, limos y arcillas (Unidad Va). En cuanto al efecto del nivel freático, en la medida que éste sea superficial, menor que 10 m, se observa que en la Unidad Va se tienen incrementos del valor de la intensidad sísmica del orden de 0,5 - 1,0 grados, los cuales son del orden de los indicados por Medvedev. Al comparar las intensidades estimadas en 13 localidades para las cuales se cuenta con información del terremoto del 3 de marzo de 1985, se comprueba que este terremoto tuvo un efecto más destructivo que el terremoto del 27 de febrero en las viviendas de uno y dos pisos de la zona en estudio, resultando la intensidad sísmica para el terremoto del 3/03/1985 en promedio 0,5 y 0,5 - 1,0 grado mayor que la intensidad para el terremoto de febrero de 2010 en las Unidades II y Va respectivamente. Finalmente, con la información obtenida con las microvibraciones registradas, se obtuvo el índice de vulnerabilidad a la licuación de suelos, Kg, y la relación espectral H/V (REHV) propuestos por Nakamura. De las relaciones espectrales encontradas se observa que los registros en la Unidad Geológica II tienen una REHV plana de amplitud regularmente menor que 2,0, mientras que los registros en la unidad Va presentan uno o más peaks de la REHV con una amplitud mayor que 2,0 para frecuencias comprendidas entre los 0,5 y 5,5 Hz. Este resultado se puede interpretar como un claro efecto de sitio en la Unidad Va si se considera el mayor valor de las intensidades sísmicas estimadas en esta Unidad. Además se observó que el umbral de 20 propuesto por Nakamura para el índice Kg no es un buen antecedente como indicador de potencialidad de licuación del suelo.

Ingeniero Civil / En este estudio, se utilizaron registros de aceleraciones de estaciones sísmicas chilenas proporcionados por el CSN y RENADIC, los cuales se procesaron estudiando cada caso individualmente para elegir las frecuencias de corte de los filtros para cada componente por separado. Se realizó una clasificación de suelos a partir de las formas de las razones espectrales H/V de espectros de respuesta de aceleraciones con 5% de amortiguamiento (HVRSR). Las formas planas de HVRSR indican un sitio de roca o referencia (Categoría I). Los HVRSR con un peak claro indican un suelo con amplificación dinámica (Categoría II). También existen categorías para cuando la forma del HVRSR exhibe más de un peak (Categoría III) y para cuando hay una banda ancha de amplificaciones (Categoría IV). Y una categoría para las demás estaciones que no pudieron ser clasificadas en las categorías anteriores (Categoría V). Para la categoría II, se construyó una función parametrizada 𝜇������𝐻������𝑉������, que a partir solo de los valores del período y amplitud del peak, define la forma completa del HVRSR. Se proponen factores para ajustar la forma 𝜇������𝐻������𝑉������ a la función de amplificación observada y para corregir las aproximaciones a las que se incurre al usar como sitio de referencia un suelo duro, y no un afloramiento rocoso o un basamento rocoso, y así crear la función de amplificación estimada 𝜇������𝐹������𝐴������. Se estudian parámetros medidos en terreno que puedan ayudar a estimar la función de amplificación, la velocidad de onda de corte en los 30 primeros metros superficiales (Vs30) y la razón espectral H/V de espectros de Fourier (HVSR) a partir de la medición de ruido ambiental utilizando la técnica de Nakamura. Se estima el efecto de sitio con tres modelos distintos, utilizando la función de amplificación 𝜇������𝐹������𝐴������ con distintos factores de ajuste, con los siguientes parámetros de entrada para los modelos 1,2 y 3 respectivamente: el período y amplitud del peak de HVRSR, el período y amplitud del peak de HVSR, y el período del peak del HVSR junto la amplitud del peak obtenida a partir de una función que intenta predecir la amplitud del peak de HVRSR a partir de parámetros medidos en terreno HVSR y Vs30. Los últimos dos modelos surgen de la necesidad de conocer el espectro de respuesta en suelos donde no se tiene una estación sísmica, pero si se cuenta con una estación sísmica cercana en un sitio de referencia, por lo que se estima la función de amplificación a partir los datos medidos en terreno. En el caso donde tampoco se disponga de una estación sísmica en un sitio de referencia, se pueden usar espectros de referencia obtenidos a partir de una curva de atenuación. Los dos modelos con mediciones en terreno obtienen espectros de aceleraciones predichos similares a los observados en suelo. El modelo que mejor estima la función de amplificación es el modelo 2, pues posee el menor error y la menor desviación estándar en los períodos de 0 a 10 segundos. Esto considerando que el número de pares de estaciones con mediciones utilizando la técnica de Nakamura es bajo, un mayor número estaciones con estas mediciones en terreno es conveniente para reafirmar los resultados.

With large populations living in tropical regions of the world with volcanic substrates, understanding basalt weathering processes is vital. The Hawaiian Islands are an excellent natural analogue to study chemical weathering rates due to a uniform bedrock (basalt), large variations in rainfall, and varying ages across the islands. Laterite weathering profiles (LWP) develop over time through chemical weathering, where LWP thickness is influenced by many factors, including precipitation and time. Using the rapid, non-invasive horizontal-to-vertical spectral ratio (HVSR) method, LWP thicknesses can be estimated to constrain chemical weathering rates. Studying the laterite weathering profiles developed from basaltic bedrock of varying ages on Oahu (~2 Ma), Molokai (~1 Ma) and Kohala, Hawaii (~0.3 Ma) reveals three profiles in varying developmental stages. Over 200 HVSR soundings were collected on Oahu, Molokai, and Kohala. Shear wave velocity values of LWPs were determined by MASW (multichannel analysis of surface waves), and LWP thicknesses verified from geologic logs and outcrop. Oahu has thick LWPs compared to the other islands and shows a trend of increasing thickness with increasing precipitation across the island. The Molokai LWP follows a trend similar to Oahu, with a noticeable difference of thicknesses (20-40 m) at similar precipitation thresholds. Molokai presented a unique case, where the shear-wave velocity (Vs) boundaries between laterite and basalt were gradational for ~43% of HVSR datapoints, resulting in featureless frequency spectra that could not reliably model laterite-basalt boundary depths. The gradational nature of the LWP of Molokai is attributed to the young age of the island, and primary permeability properties of the thick, post-shield alkalic lavas. Molokai has an aerially average weathering rate of 0.02 to 0.04 m/ka. Kohala HVSR data show a newly developed LWP with varying LWP thickness within the same precipitation isohyet. LWPs on Kohala show a unique trend where LWP is thickest along the coast and is wedge shaped thinning out towards higher elevations. Each island differs in age and has its own unique LWP trends, with older islands tending to have deeper, more developed LWPs at similar precipitation ranges.

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Tesis por compendio / [ES] Los deslizamientos son uno de los riesgos naturales que más trascendencia tiene en la actividad humana. En Ecuador, en época de lluvias (una de las dos estaciones del año), este tipo de eventos supone una de las mayores preocupaciones y situaciones de peligro en todo su territorio. El estudio de los deslizamientos supone una inversión importante cuando se trata de enfrentarlo aplicando sondeos mecánicos. Desde hace ya unas décadas, el uso de técnicas geofísicas en las investigaciones, incluso en la definición de la superficie de ruptura, ha permitido reducir costes y obtener información más amplia correlacionable con técnicas directas. No obstante, el empleo de geofísica de forma única en los estudios geológicos y geotécnicos precisa de la combinación de varios métodos, de manera que se pueda obtener un modelo ajustado y preciso. Las técnicas del método sísmico son las más empleadas en los estudios de deslizamientos y la sísmica pasiva se han venido aplicando recientemente con éxito. La técnica de cociente espectral (HVSR), que Nakamura definió en los 80, trata de la medida del ruido ambiental (de forma pasiva) mediante un sistema de tres geófonos orientados en las direcciones del espacio. Esta técnica es admitida en la definición del periodo de vibración del terreno (microzonificación sísmica, interacción suelo-estructura), pero su aplicación en otros campos es aún restringida. Esto es debido a su escasa capacidad de definición de los materiales en profundidad a partir de un modelo de dos capas. Sin embargo, aprovechando esta característica se ha desarrollado su aplicación al estudio y determinación de la superficie de ruptura de deslizamientos en Ecuador. Partiendo de los resultados de estudios de la determinación del basamento bajo la Presa de San Marcos (Cayambe, provincia de Pichincha) donde la aplicación de la técnica HVSR ha permitido delinear el substrato rocoso en una zona profunda (más de 80 m) compuesta por rellenos de valle. Esto se ha realizado mediante la correlación de las frecuencias naturales de vibración del terreno y la información en perforaciones que alcanzaron el substrato. Este estudio también permitió definir nuevas estructuras tectónicas. Los resultados fueron transferidos al estudio de dos deslizamientos diferentes. En Pujilí (Cotopaxi) se investigó un deslizamiento de materiales similares (deslizados y estáticos) donde el contraste de impedancias (cambios de velocidad sísmica y densidad del terreno) permitió diferenciar la superficie de ruptura. También se pudo identificar zonas de inestabilidad potencial (continuación del movimiento) y estudiar fracturas interiores en la masa movilizada (usando la directividad), relacionadas con sus tensiones internas. La aplicación del HVSR se respaldó mediante perfiles de sísmica de refracción y MASW para obtener un estudio en dos dimensiones de la zona deslizada, 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 es un deslizamiento en Guarumales (Azuay) donde los materiales deslizantes están sobre un basamento metamórfico. Las zonas de actividad fueron analizadas y determinadas comprobándose que se relacionaban con la estabilización acometida en la zona para la habilitación de la vía de acceso a instalaciones de una hidroeléctrica. La metodología empleada fue similar a la empleada en Cayambe, pero basándose exclusivamente en otras técnicas geofísicas (SEV y sísmica activa). Estas investigaciones han podido constatar la aplicabilidad de las técnicas geofísicas como herramientas en estudios preliminares que proporcionan información espacial, con tiempos reducidos de aplicación y procesado y económicamente rentables. Estos estudios pueden ser aplicados en fases iniciales o en análisis premonitorios y ser empleados en la toma de decisiones, permitiendo la identificación de la superficie de ruptura. / [CA] Els lliscaments són un dels riscos naturals que més transcendència té en l'activitat humana. A l'Equador, en època de pluges (una de les dues estacions de l'any), este tipus d'esdeveniments suposa una de les majors preocupacions i situacions de perill en tot el seu territori. L'estudi dels lliscaments suposa una inversió important quan es tracta d'enfrontar-lo aplicant sondejos mecànics. Des de fa ja unes dècades, l'ús de tècniques geofísiques en les investigacions, fins i tot en la definició de la superfície de ruptura, ha permés reduir costos i obtindre informació més àmplia correlacionable amb tècniques directes. No obstant això, l'ús de geofísica de manera única en els estudis geològics i geotècnics precisa de la combinació de diversos mètodes, de manera que es puga obtindre un model ajustat i precís. Les tècniques del mètode sísmic són les més emprades en els estudis de lliscaments i la sísmica passiva s'han vingut aplicant recentment amb èxit. La tècnica de quocient espectral (HVSR), que Nakamura va definir en els 80, tracta de la mesura del soroll ambiental (de manera passiva) mitjançant un sistema de tres geófonos orientats en les direccions de l'espai. Esta tècnica és admesa en la definició del període de vibració del terreny (microzonificació sísmica, interacció sòl-estructura), però la seua aplicació en altres camps és encara restringida. Això és degut a la seua escassa capacitat de definició dels materials en profunditat a partir d'un model de dues capes. No obstant això, aprofitant esta característica s'ha desenvolupat la seua aplicació a l'estudi i determinació de la superfície de ruptura de lliscaments a l'Equador. Partint dels resultats d'estudis de la determinació del basament sota la Presa de Sant Marcos (Cayambe, província de Pichincha) on l'aplicació de la tècnica HVSR ha permés delinear el substrat rocós en una zona profunda (més de 80 m) composta per farciments de vall. Això s'ha realitzat mitjançant la correlació de les freqüències naturals de vibració del terreny i la informació en perforacions que van aconseguir el substrat. Este estudi també va permetre definir noves estructures tectòniques. Els resultats van ser transferits a l'estudi de dos lliscaments diferents. En Pujilí (Cotopaxi) es va investigar un lliscament de materials similars (lliscats i estàtics) on el contrast d'impedàncies (canvis de velocitat sísmica i densitat del terreny) va permetre diferenciar la superfície de ruptura. També es va poder identificar zones d'inestabilitat potencial (continuació del moviment) i estudiar fractures interiors en la massa mobilitzada (usant la directivitat), relacionades amb les seues tensions internes. L'aplicació del HVSR es va recolzar mitjançant perfils de sísmica de refracció i MASW per a obtindre un estudi en dues dimensions de la zona lliscada, aplicant la relació entre la freqüència natural del terreny i la velocitat de l'ona de tall per als materials en moviment. L'altre cas és un lliscament en Guarumales (Azuay) on els materials lliscants estan sobre un basament metamòrfic. Les zones d'activitat van ser analitzades i determinades comprovant-se que es relacionaven amb l'estabilització escomesa en la zona per a l'habilitació de la via d'accés a instal·lacions d'una hidroelèctrica. La metodologia emprada va ser similar a l'empleada en Cayambe, però basant-se exclusivament en altres tècniques geofísiques (SEV i sísmica activa). Estes investigacions han pogut constatar l'aplicabilitat de les tècniques geofísiques com a eines en estudis preliminars que proporcionen informació espacial, amb temps reduïts d'aplicació i processament i econòmicament rendibles. Estos estudis poden ser aplicats en fases inicials o en anàlisis premonitòries i ser emprats en la presa de decisions, permetent la identificació de la superfície de ruptura. / [EN] Landslides are one of the most significant natural risks in human activity. In Ecuador, during the rainy season (one of the two seasons of the year), this type of event is one of the most significant concerns and dangerous situations throughout its territory. The study of landslides represents a significant investment in dealing with it by applying mechanical surveys. For decades now, the use of geophysical techniques in investigations, including in the definition of the rupture surface, has made it possible to reduce costs and obtain broader information correlatable with direct techniques. However, using geophysics in a unique way in geological and geotechnical studies requires the combination of several methods so an adjusted and accurate model can be obtained. The seismic method techniques are the most used in landslide studies, and passive seismic has been successfully applied recently. The spectral ratio technique (HVSR), which Nakamura defined in the 1980s, deals with measuring environmental noise (passively) using a system of three geophones oriented in spatial directions. This technique is accepted in the definition of the ground vibration period (seismic microzonation, soil-structure interaction), but its application in other fields is still restricted. That is due to its poor ability to define materials in depth from a two-layer model. However, taking advantage of this characteristic, its application to the study and determination of the landslide rupture surface in Ecuador has been developed. Based on the results of studies of the determination of the basement under the San Marcos Dam (Cayambe, province of Pichincha), where the application of the HVSR technique has allowed the delineation of the rock substrate in a deep area (more than 80 m) composed of fills of valley. That has been done by correlating the natural vibration frequencies of the ground and the information in drillings that reached the substrate. This study also allowed new tectonic structures to be defined. The results were transferred to the study of two different landslides. In Pujilí (Cotopaxi), a landslide of similar materials (slid and static) was investigated where the contrast of impedances (changes in seismic velocity and ground density) allowed the rupture surface to be differentiated. Identifying areas of potential instability (continuation of movement) and studying internal fractures in the mobilized mass (using directivity) related to its internal tensions was also possible. The application of HVSR was supported by refraction seismic profiles and MASW to obtain a two-dimensional study of the slipped zone, applying the relationship between the natural frequency of the terrain and the shear wave velocity for moving materials. The other case is a landslide in Guarumales (Azuay), where the sliding materials are on a metamorphic basement. The areas of activity were analyzed and determined, proving that they were related to the stabilization carried out in the area to enable the access road to hydroelectric facilities. The methodology was similar to that used in Cayambe but was based exclusively on other geophysical techniques (VES and active seismic). These investigations have confirmed the applicability of geophysical techniques as tools in preliminary studies that provide spatial information with reduced application and processing times and are economically profitable. These studies can be applied in initial phases or premonitory analyses and used in decision-making, allowing the identification of the rupture surface. / Alonso Pandavenes, OM. (2024). Técnicas de sísmica pasiva HVSR aplicadas a la geotecnia. Aplicación al estudio de Movimientos en Masa en la Planificación Territorial e Infraestructura Civil en Ecuador [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/202657 / Compendio