Radar de subsuelo.Evaluación para aplicaciones en arqueología y en patrimonio histórico-artístico

Abstract

.<br/>El georradar es una herramienta cada vez más utilizada en diferentes ámbitos geológicos, medioambientales y de Ingeniería Civil, así como en estudios de caracterización de yacimientos arqueológicos y de diagnóstico de daños en edificios del patrimonio histórico y cultural.<br/>En esta tesis se abordan aspectos metodológicos de calibración de la instrumentación y de caracterización de las propiedades electromagnéticas que rigen la propagación y atenuación de ondas electromagnéticas en los suelos. Por otra parte, se estudian aplicaciones en monumentos históricos, yacimientos arqueológicos y diagnóstico de daños.<br/>Concretamente, en esta tesis se calibran cuatro antenas, caracterizadas por su frecuencia central de emisión: 200, 500, 900 y 1000 MHz. En cada caso se obtiene la señal sólo con el ruido interno de la antena (sin reflexiones). De dicho ruido, el de mayor amplitud es la señal inicial; su longitud determina la distancia mínima entre la antena y la primera superficie reflectora del medio para que no se produzca acoplamiento entre la reflexión y la señal inicial. Se analiza también el origen de tiempos de la señal para cada antena (cero de la antena) y se estudia la atenuación producida en la señal durante su propagación por el aire (medio no absorbente), que, por lo tanto, se produce por expansión geométrica, siendo la amplitud inversamente proporcional a la distancia. Se ensaya un procedimiento para caracterizar medios electromagnéticamente, relacionando sus propiedades físicas: granulometría, peso específico, porosidad y saturación, con la conductividad, la permitividad y la frecuencia. Se analizan tres medios formados por un mismo material, modificándose tres propiedades: peso específico aparente, compactación y saturación. En cada caso se obtiene la velocidad de propagación, la permitividad dieléctrica, el espectro de frecuencias y la atenuación. Al aumentar la saturación la velocidad es menor, se produce un desplazamiento hacia las bajas frecuencias, se estrecha el ancho de banda y la atenuación por absorción aumenta. Asimismo se analizan y discuten diferentes métodos para obtener la velocidad: tiempos y espesores conocidos, análisis de hipérbolas, comparación de amplitudes, dromocrónicas de un CMP, modelos geotécnicos, contraste de capacitancias y perfiles de estratigrafía conocida. Los mejores resultados obtenidos son los que proporcionan los ensayos de laboratorio con muestras de espesor conocido y el análisis de reflexiones hiperbólicas. De la comparación de los resultados obtenidos con los que proporciona la literatura se deduce la conveniencia de realizar una caracterización en laboratorio en casos que requieran una resolución fina de las anomalías superficiales o de profundidad intermedia.<br/>Relacionados con estas investigaciones (caracterización de medios y calibración de antenas), se han ejecutado y estudiado aplicaciones a casos reales que han permitido resolver problemas prácticos y, al mismo tiempo, han permitido también observar las ventajas de la aplicación de los avances de la investigación, así como avanzar en las técnicas de identificación y cancelación de ruidos introducidos por reflexiones externas o múltiples. Los principales casos resueltos hacen referencia a: control de intervenciones de restauración y rehabilitación en monumentos o en construcciones históricas (casos del teatro romano de Sagunto y de los puentes góticos sobre el río Turia), estudio de daños en edificios del patrimonio cultural (casos de la Catedral de Valencia e Iglesia de San Jorge de Paiporta), caracterización de yacimientos arqueológicos (casos del subsuelo de la Catedral de Valencia, de la Iglesia de San Jorge y de la fortaleza romana y convento en Alcántara).<br/>Algunos resultados y casos relevantes se sintetizan en fichas monográficas que presentan en forma esquemática las claves referentes al problema estudiado, lugar y herramienta empleada. Estas fichas serán de gran utilidad en el estudio de casos similares y se espera que constituyan el inicio de un catálogo de casos y soluciones.

The Ground-Penetrating Radar (GPR) is a tool more and more used in different geological, Environmental Engineering and Civil Engineering research, as well as in studies of characterisation of archaeological locations and in the diagnosis of the damages in buildings of the historical and cultural heritage. <br/>In this thesis, methodological aspects of calibration of the instrumentation are performed. Also, methodological aspects of the soils characterisation by using its electromagnetic properties are analysed. These properties govern the propagation and attenuation of electromagnetic waves in the soils. On the other hand, several applications to the study of historical monuments, archaeological locations and diagnosis of damages are investigated.<br/>Particularly, in this thesis four antennae are gauged. These antennae are characterised by their central frequency of emission: 200, 500, 900 and 1000 MHz. For each case, the internal noise of the antenna (radar record without reflections) is obtained;the highest noise is the initial signal (usually the direct wave); its longitude determines the minimum distance between the antenna and the first reflective surface to obtain a radar data where the two events (direct wave and reflected wave) are clearly separated. It is also analysed the time origin of the traces for each antenna (zero of the antenna). The attenuation of the traces during the wave propagation in the air (non-absorbent medium) is also studied. Therefore, in that case, the attenuation is caused by the geometric spreading, and the wave amplitude is inversely proportional to the distance. A procedure is tested to characterise media using its electromagnetic properties: the conductivity, the permitivity and the frequency, relating them with its physical properties: grain size, specific weight, porosity and saturation. Three different media are analysed, formed by the same solid material and modifying three physical properties: the apparent specific weight, the compactation (and, therefore, the porosity) and the saturation. In each case, the wave propagation velocity, the dielectric permitivity, the spectrum of frequencies and the attenuation are obtained. When the saturation increases, the velocity decreases, a displacement takes place toward the low frequencies, the band width is narrowed and the attenuation caused by absorption increases. In addition, different methods to obtain the wave velocity are analysed and discussed: times and well-known thickness, analysis of hyperbolas, comparison of amplitude, radar records obtained in a CMP, geotechnical models, contrast of capacitancy and profiles of well-known stratigraphy. The best results are obtained from the laboratory measurements using samples of well-known thickness and from the analysis of hyperbolic reflections. Comparison of these results and the values provide by the literature is performed. This comparison shows the convenience of carrying out a characterisation of the medium in laboratory in the cases when a fine resolution of the superficial anomalies or of intermediate depth is required. <br/> <br/>Related with these investigations (characterisation of means and calibration of antennas), several applications to real cases have been performed and studied. These applications have allowed to solve practical problems and, at the same time, to observe the advantages of applying the advances of the investigation, as well as to make progress in the identification techniques and suppression of noise introduced by external or multiple reflections. The main cases resolved make reference to: control of restoration, interventions and rehabilitation in monuments or in historical buildings (cases of the Roman theatre of Sagunto and the Gothic bridges on the river Turia), study of damages in buildings of the cultural heritage (cases of the Cathedral of Valencia and the Church of San Jorge, in Paiporta), characterisation of archaeological locations (cases of the underground of the Cathedral of Valencia, Church of San Jorge and the Roman fortress and the convent in Alcántara). <br/>Some results and the best cases cases are synthesised in monographic cards. These cards present, in schematic form, all the information about the studied problem, the emplacement and the used tool. These cards will be very useful in the study of similar cases, and it is expected that they constitute the beginning of a catalogue of cases and solutions.