Exploración e Investigación del Subsuelo 1

Exploración e Investigación del Subsuelo 1

Apuntes de Clase: Luis Alberto Cáceres – Oscar Rámirez

CAPITULO 1

EXPLORACIÓN E INVESTIGACIONDEL SUBSUELO

1.1. GENERALIDADES

La ejecución de buena parte de las obras de ingeniería utiliza materiales como el suelo y/o las rocas generalmente en dos propósitos; como elementos de construcción o de fundación, por lo que es indispensable tener un adecuado conocimiento de las propiedades geoingenieriles de los suelos o rocas involucradas para determinar con el mayor grado de precisión posible la interacción suelo –o roca- y estructura, razón por la cual resulta necesario conocer entre otros parámetros las características físicas, de resistencia y deformabilidad de las diferentes capas de material que conforman el perfil del subsuelo y que sean afectados por la colocación de la estructura. El conocimiento de las condiciones geotécnicas del sitio es necesario, pues de esta forma se puede determinar con el mayor grado de precisión posible la interacción suelo estructura. Para obtener tal información resulta necesario planear y ejecutar una exploración basada en las condiciones geológicas, el tipo de obra a desarrollar esencialmente, aunque se deben tener en cuenta otros factores que se discutirán a lo largo de este capitulo. En este proceso de reconocimiento de las características de los materiales existentes en el sitio donde se proyecta la obra, resulta vital la ejecución de un programa de exploración y muestreo del subsuelo. Esta actividad debe ser planeada de acuerdo a las condiciones de cada proyecto, cuyo desarrollo está determinado por los siguientes factores: Complejidad de las condiciones locales del subsuelo. Tipo y naturaleza de la estructura y solución proyectada del sistema de

cimentación, en el caso de cimentaciones. Tipo de material involucrado Método de análisis y modelo matemático que se pretende utilizar. Cumplimiento de normatividad para cada tipo de obra.

El desarrollo de un programa de investigación del subsuelo teniendo en cuenta estos factores debe llevar a la adquisición por parte del proyectista de un conocimiento detallado sobre la distribución y composición del perfil del suelo, “perfil esperado”, lo cual se constituye en el punto de partida para la programación de las pruebas de campo y de laboratorio que permitirán conocer las características geoingenieriles de cada tipo de material encontrado. Conocidos


los parámetros de los diferentes estratos se hace la caracterización geomecánica del perfil del subsuelo en el área de influencia de la obra. Por tanto, a partir de los resultados del laboratorio de suelos y o de rocas, el proyectista conoce los parámetros de cada substrato. Esto permite la correcta aplicación del modelo de análisis y proyección del comportamiento esperado del subsuelo, por el desarrollo del proyecto. Todo este proceso para garantizar la estabilidad de la estructura proyectada. En un programa de exploración están estrechamente ligadas dos importantes actividades, la perforación con muestreo y la realización de las pruebas de laboratorio. Por procedimientos simples y económicos, debe procurarse adquirir una información preliminar suficiente respecto del subsuelo, información que permite programar las perforaciones, toma de muestras y ensayos necesarios en la etapa de diseño. Con la ayuda de pruebas de clasificación y pruebas mecánicas se tiene una idea amplia de las características y comportamientos que se puedan presentar al cambiar las condiciones. De esta manera se determina o proveen soluciones acordes a las condiciones reportadas. El conocimiento anticipado de tales comportamientos de los materiales explorados, permite a su vez, programar en forma completa las pruebas necesarias para la obtención del cuadro de parámetros de los materiales presentes en el sitio del proyecto, investigando todas aquellas propiedades físicas del suelo y de las rocas de las que se pueda sospechar lleguen a presentar con la obra una condición crítica. Así pues, en general, se pueden tener dos tipos de sondeos: preliminares y definitivos, cada uno con sus métodos propios de muestreo. En este capítulo se mencionan los métodos y la forma de recolección de los datos geotécnicos, que se consideran importantes para el desarrollo de un proyecto. Esta etapa de recolección y procesamiento se debe repetir en todas las etapas del proyecto, estudio, diseño y construcción. Mejorando la información recolectada y permitiendo así la evaluación y modificación del diseño a medida que se observen o midan comportamientos geotécnicos diferentes, puesto que las diferencias entre la teoría y la realidad son mucho más complejas en el ámbito de la mecánica de suelos y de rocas que en cualquier otra rama de la Ingeniería Civil. Situación que se debe a que en muchas ocasiones ocurre en el subsuelo un alto grado de heterogeneidad debido fundamentalmente al ambiente geológico en el cual se formo y desarrollo el perfil del subsuelo. 1.1.1 Etapas de un Proyecto El tipo de proyecto a desarrollar y la etapa en la que se encuentre su desarrollo son un importante elemento que condiciona el tipo de información necesaria en la fase de exploración. Para la ejecución de un proyecto u obra de ingeniería son necesarias varias etapas y las necesidades de parámetros geotécnicos son mayores a medida que este se acerca a la etapa de diseño, una guía para la ejecución de esta actividad en las diferentes etapas de un proyecto que involucre actividad geotécnica, es la siguiente:



Estudios preliminares: Básicamente es el análisis de la información geológica, geotécnica, y la específica, que se encuentre disponible, con el fin de determinar la iniciación de las otras etapas. Esta etapa culmina con la visita al sitio del proyecto por un grupo de expertos, quienes basados en la información recolectada y analizada, determinan si el proyecto es viable en el sitio proyectado. En esta etapa generalmente se trabaja con la información disponible, sin realizar exploraciones sin que esto sea un requisito. Esta etapa reemplazó la etapa de prefactibilidad que ya no se exige en el país para el desarrollo de un proyecto. Factibilidad: Es necesaria la recolección de datos geológicos, geotécnicos, hidrológicos, bibliográficos y de campo, y de más información levantada con trabajo de campo por expertos y con programas de perforación para realizar el dimensionamiento de las estructuras y obras complementarias, elaborando planos con la información disponible y con la localización de las estructuras del proyecto. En esta etapa es necesario determinar el tipo de obras a ejecutar y tener su dimensionamiento con planos de detalles para determinar el costo aproximado del proyecto. Con el costo de proyecto y el beneficio generado, las entidades estatales establecen la factibilidad del proyecto y la fecha de ejecución de los diseños todo basado en la relación costo beneficio y su factibilidad financiera. Diseño: Además de todos los estudios anteriores a la exploración en esta etapa se exige un programa de exploración con un sistema de perforaciones que corrobore la información recolectada, elaborando plantas y perfiles según el alineamiento de las obras. Es de esperar que a esta altura del proyecto se tenga el mejor conocimiento del sitio del proyecto en cuanto al tipo de materiales existentes al igual que las condiciones geológicas e hidrogeológicas, para el desarrollo del proyecto. Con los planos elaborados y con toda la información se inician los planos de diseño de todas las estructuras del proyecto. Esto permite determinar las cantidades de obra y las especificaciones construcción, basados en planos de diseño de cada una de las estructuras proyectadas en el desarrollo del proyecto. También se determina el presupuesto oficial del proyecto, base para el inicio de la construcción. Construcción: Durante esta, se construyen la estructuras diseñadas siendo necesario estar corroborando si las condiciones asumidas u obtenidas en la caracterización geotécnica y utilizadas en los diseños, corresponden a las que se está encontrando, y si hay diferencias puede resultar necesario realizar un rediseño o cambio en el proyecto, por variación de los parámetros o los perfiles observados. Una de las diferencias fundamentales de una etapa a otra es la escala de trabajo para los planos elaborados en cada una de ellas, pues a medida que se acerca la construcción la escala debe ser menor, o de mayor detalle.


1.1.2 Tipos de Proyectos Como estudio previo a la exploración es necesario tener la topografía y la cartografía geológica, a las escalas requeridas por el proyecto, mapas geológicos, para obtener el perfil preliminar que en los casos de grandes proyectos deben complementarse mediante un estudio completo. La exploración tiene diferente énfasis, dependiendo el tipo de proyecto que se pretenda adelantar, pues cada proyecto tiene unos requerimientos específicos que deben ser resueltos en la etapa de exploración. A continuación se hace una descripción de los énfasis en la etapa de exploración de las obras civiles que más se construyen en el país y que adelantan una exploración previa. Presas: En este tipo de proyectos resulta importante determinar la permeabilidad del vaso, resistencia y deformabilidad del material de cimentación de las estructuras y de los apoyos laterales de la presa o estribos. Identificación de fallas, estructuras geológicas, rumbos, buzamientos y tipos de materiales existentes en el área del proyecto pues esto determina el tipo de presa a construir.

Figura 1.1. Modelo geométrico y de materiales de la sección de una presa en tierra proyectada

en el sector Tinsita, Municipio de Siachoque, Boyacá

Obras Subterráneas: Es importante conocer el tipo de terrenos a excavar, estableciendo entre otros, parámetros como: la resistencia y necesidad de revestimiento, identificación de zonas de fractura y de terrenos blandos, posibilidades de afloramiento de agua. Estos son datos básicos para el desarrollo del proyecto y son proporcionados por los sondeos, interpolando esta información entre sondeos es posible la construcción de un perfil estratigráfico, que es la base para el diseño de la excavación.

Suelo de fundación

Cuerpo Núcleo

Filtro



Figura 1.2. Túnel de la línea, tomada de el tiempo.com. Proyectos Viales: En las primeras etapas de estos proyectos se estudian varias alternativas de alineamientos de los cuales se selecciona un corredor por donde se desarrollara la vía y sobre este se debe contemplar el desarrollo de la exploración. La exploración del corredor incluye un ancho mayor al contemplado para la vía, pues se debe establecer el tipo de materiales presentes en la rasante y en las zonas de corte o de relleno. A los materiales encontrados se les debe determinar las características de resistencia, deformabilidad y drenaje. Con el conocimiento del perfil estratigráfico y las características de resistencia y deformabilidad de los materiales de la subrasante y la ladera en general, se diseña la estructura de la vía, se proyectan cortes y terraplenes, estableciendo para estos últimos las recomendaciones de inclinación y altura de los taludes con los materiales presentes en el corredor. Las condiciones de drenaje superficial y/o subsuperficial en toda el área aferente a la vía resultan de gran importancia para establecer el comportamiento de los materiales presentes y los agregados en el proceso constructivo, por tal razón el establecer el nivel freático de cada sector determinando la dirección de flujo, resulta ventajoso en la etapa de diseño. La estructura de la vía y los cortes proyectados así como las obras complementarias basan su operabilidad en el conocimiento de los materiales sobre los cuales se construyen, así como los utilizados en la construcción de estructuras. En este tipo de proyectos lineales, resulta de gran importancia evaluar la estabilidad de las laderas naturales, para lo cual resulta necesario conocer los parámetros de resistencia de los materiales que conforman la ladera y que se ven afectados por la construcción de la vía. En el caso de estudios de estabilidad de carácter regional, en sectores por donde debe pasar la vía y que antes del proyecto son inestables, se deben considerar estudios puntuales pues generalmente corresponden a grandes áreas en zonas aferentes a la vía.


Figura 1.3. Corredor Vial Paz de Río – Belén. El talud muestra evidencias de la ocurrencia de procesos de inestabilidad, al lado izquierdo se aprecian estructuras de contención (muros en Gavión) Puentes o Viaductos: A pesar de la diversidad de usos que ha tenido este tipo de estructura, la exploración geotécnica para el diseño de un puente esta orientada a la determinación de la capacidad portante del sistema de cimentación, parámetros de resistencia y deformabilidad del material sea suelo o roca que va a servir de apoyo a los estribos, la estabilidad de las laderas en la zona de los estribos. En estos estudios se incluyen igualmente análisis de socavación y de dinámica fluvial en el caso de puentes sobre cauces con el fin de establecer a que profundidad se deben construir los elementos de cimentación. En el caso de pasos elevados u otros resulta importante la definición de los niveles de sobrecarga según el uso de la estructura.

Figura 1.4. Viaducto Pipiral, Vía Bogota-Villavicencio. Edificaciones: Este tipo de obras incluye viviendas, bodegas, tanques, o cualquier estructura que de acuerdo al sistema adoptado va a distribuir las cargas en el área



construida. De acuerdo a esta situación resulta importante conocer el tipo de materiales que van a ser el apoyo en el que descanse la estructura. En la etapa de exploración se determinan los parámetros geotécnicos para con estos determinar su capacidad para soportar cargas y la deformabilidad que estos pueden presentar por la construcción que se va a adelantar sobre ellos. Independiente de la importancia del proyecto en cualquier tipo de edificación es indispensable la ejecución de una exploración adecuada y suficiente para el conocimiento de los parámetros del suelo o la roca que permitan el dimensionamiento racional de los elementos de cimentación. 1.2 ETAPAS EN LA EXPLORACIÓN La investigación del subsuelo en el sitio seleccionado para el desarrollo de una obra de ingeniería, debe realizarse en las siguientes fases: Reconocimiento: Se examinan condiciones geológicas y geotécnicas del sitio donde se proyecta la obra, para la programación del tipo de exploración. El conocimiento de los accesos al sitio y sus características en la mayoría de los casos se vuelve una limitante en la selección de los equipos. En esta etapa resulta básico contar con toda la información disponible del sitio. Investigación Preliminar: Se realiza una primera exploración con toma de muestras para ser analizadas en el laboratorio, o se realizan ensayos directos de campo de acuerdo al tipo de material y a los parámetros necesarios para el diseño considerando no solo la estructura a diseñar sino también las estructuras existentes y los problemas constructivos. Aunque en esta etapa se resuelven incertidumbres respecto a espesores y tipo de material es importante confirmar su variabilidad. Investigación Detallada: De acuerdo a la naturaleza de la obra y a los resultados obtenidos en la etapa anterior se programan nuevos muestreos o ensayos de acuerdo a las condiciones observadas y a las dudas existentes. Puede suceder que además de las muestras y ensayos realizados sea necesario tomar otras para la realización de nuevas pruebas, obteniendo así más información durante la etapa de diseño para la preparación de los planos y documentos contractuales. Después de esta etapa se tiene un perfil estratigráfico representativo y si es posible un bloque diagrama donde se muestre el comportamiento geométrico de todos los materiales presentes en el sitio. Investigación durante la construcción: Se deben realizar muestreos selectivos y ensayar para corroborar si los parámetros evaluados o extrapolados en las etapas anteriores corresponden con los resultados de ensayos de los horizontes y materiales observados en esta etapa. El análisis permanente de los materiales observados ratifica o por el contrario puede determinar la necesidad de realizar cambios en el diseño o en los procesos constructivos, acordes a los nuevos parámetros encontrados. En esta etapa es muy importante la observación de los


materiales expuestos durante el proceso constructivo y su correlación directa y oportuna con los encontrados o considerados en las etapas anteriores. Observación después de la construcción (Instrumentación): La observación de una estructura a lo largo de su vida útil u operación se constituye en el expediente que garantiza la seguridad, da a conocer su comportamiento y permite ajustar los métodos de análisis desarrollados o formular nuevos modelos. El desarrollo de esta fase implica básicamente la ejecución de programas de instrumentación y monitoreo. La función de la actividad de exploración del subsuelo en el desarrollo de una obra de ingeniería se resume en la figura 1.6. Normalmente algunas obras terminan con la construcción, pero en otras se presentan comportamientos no previstos y es necesario repetir estos ciclos con alguna frecuencia o durante todo el tiempo de funcionamiento o uso de la obra para determinar si la obra es segura y que correctivos se deben implementar para seguir operando.

Figura 1.6. Actividades relacionadas con la exploración en el desarrollo de una obra de Ingeniería 1.3. OBJETO DE LA EXPLORACIÓN Básicamente el objeto general de un programa de exploración es: la evaluación cualitativa y cuantitativa de la condición geológica y geotécnica en función del proyecto civil a construir. Los objetivos específicos deben estar ligados a la naturaleza de la obra que se esté proyectando, aportando la información requerida para la etapa de diseño. Algunos de estos objetivos son: Establecer la estratigrafía representativa y detallada del subsuelo, dando a conocer su distribución vertical y horizontal, incluyendo la descripción de las condiciones del agua del subsuelo y las propiedades índice de los diferentes estratos, se presenta como columnas, perfiles o bloquediagramas. Nivel de agua: Establecer la posición niveles freáticos, colgados o a presión que pueden generar inconvenientes en el desarrollo del proyecto.

Formulación del problema

Observación (Instrumentación)

Construcción

Solución + Juicio

Reconocimiento

Exploración y caracterización

Hipótesis

Análisis



Determinar la existencia de discontinuidades o fallas y la geometría de esas discontinuidades y su posible estabilidad bajo la condición de esfuerzos que existen en el terreno e historia de esfuerzos del sitio. Esta actividad es necesaria y muchas veces suficiente cuando se proyectan obras sobre materiales rocosos de buena capacidad de soporte. Para cumplir con este objetivo, antes de cualquier actividad de construcción se debe tener un levantamiento detallado de las características de las diversas discontinuidades presentes en el macizo. Conocer Condiciones de Esfuerzos En el desarrollo de proyectos a profundidades moderadas o altas, la condición de esfuerzos geostaticos y tectonicos en los sitios a intervenir resulta importante para establecer la nueva condición de esfuerzos resultante por el desarrollo del proyecto y su influencia con la deformación en el tiempo. La condición de deformabilidad y resistencia de cada uno de los estratos del subsuelo reportados y otras características de deformabilidad son parámetros necesarios en la etapa de diseño. La condición de los esfuerzos remanentes gana importancia con la profundidad. La Ingeniería de suelos experimental tiene por objeto obtener esta información básica de diseño mediante ensayos realizados tanto en el campo como en el laboratorio, dando a conocer parámetros geomecánicos relacionados con: Resistencia, Compresibilidad, Clasificación, Permeabilidad y otras propiedades. 1.4. FACTORES A TENER EN CUENTA 1.4.1 SUELO Si el perfil del subsuelo encontrado es complejo, es muy probable que el programa de exploración elaborado para el reconocimiento del subsuelo sea insuficiente y por consiguiente se debe ejecutar un mayor numero de perforaciones. Por esta razón, los métodos para la exploración del suelo deben elegirse, de acuerdo con el tipo de perfil esperado en el lugar de la construcción. La expresión perfil del subsuelo, indica una sección vertical a través del terreno, que muestra los espesores y el orden de sucesión de los niveles o estratos de suelo y roca. Si los límites entre estratos son más o menos paralelos, se dice que el perfil del suelo es simple o regular. Si, por el contrario, los límites son irregulares, se dice que el perfil del suelo es errático. La experiencia ha indicado que las propiedades físicas de casi todos los estratos naturales de suelo varían considerablemente en la dirección vertical y en menor proporción en la dirección horizontal, este hecho es demostrado en forma clara por la variación del contenido natural de humedad de arcillas que, con base en una inspección visual, aparecen como homogéneas. Si un estrato es del tipo errático, la única manera de obtener información adecuada con respecto a la variación de las propiedades del suelo, consiste en la extracción continua de muestras a todo lo largo del espesor del estrato y efectuar


ensayos sobre cada parte del material de la muestra obtenida, o bien ejecutar ensayos adecuados en el terreno. 1.4.2 TAMAÑO DE LA OBRA Si la construcción que se propone ejecutar es de magnitud mínima, implica una inversión menor y el proyectista debe incluir en la investigación un número limitado de perforaciones de reconocimiento y ensayos de identificación, clasificación y resistencia sobre muestras representativas. No debe pensarse en desarrollar una buena exploración si la obra es grande y una pobre exploración si la obra es pequeña, ya que toda investigación del subsuelo que se ejecute debe realizarse en detalle y de manera tal que se cumpla con los objetivos de conocimiento de las propiedades ingenieriles del perfil del subsuelo ya que de por si toda obra es importante. Tampoco se debe incurrir en el error de incrementar el factor de seguridad cuando se tiene información deficiente, pues esto genera altos costos en la construcción que en nada se justifican con la mínima inversión que se realiza al ampliar el programa de exploración y muestreo del subsuelo. El costo de una campaña de sondeos puede estimarse, según los casos, entre 1/100 y 1/1000 del costo de construcción del proyecto. La intervención de un geotecnista para las interpretaciones necesarias cuesta de 1/20 a 1/100 del precio de los sondeos. Estas cifras relativamente moderadas demuestran que es una grave falta, prescindir de estas garantías antes de emprender el proyecto de una obra. 1.5. MÉTODO DE INVESTIGACIÓN DEL SUBSUELO Para determinar las características del subsuelo es necesario adelantar un programa de investigación con el objeto de establecer los parámetros que controlan el comportamiento de los materiales involucrados. Existen diferentes métodos para explorar las condiciones de los materiales presentes en una zona o en un sitio elegido para el desarrollo de una obra, y cada método ha tenido buenos resultados en ciertas condiciones geológicas del sitio, por tal razón la selección del método de exploración es una de las variables importantes a elegir. Esta elección se hace teniendo en cuenta el tipo de proyecto, las condiciones geológicas y geotécnicas del material esperado, la fase de estudio y el presupuesto disponible. 1.6.1 Información Básica Es importante mencionar que dependiendo del tamaño del proyecto se requiere recopilar toda la información disponible, aunque en ningún proyecto debemos



despreciar este tipo de información, pues su costo se limita a la reproducción, de su análisis debe resultar el diseño inicial de la exploración. Mapas Topográficos: Los mapas topográficos proveen información acerca de la accesibilidad al sitio de trabajo y del terreno, estos mapas pueden ser usados de manera similar a las fotografías aéreas., pueden presentar limitaciones en cuanto al detalle del terreno y a su facilidad de lectura, pero esta información se constituye en la base para la programación y el levantamiento u obtención de otro tipo de datos. Fotografías Aéreas: Una de las fuentes de información más usadas en el programa de exploración de suelos se basa en el estudio de fotografías aéreas del sitio donde se localiza el proyecto y sus alrededores, esto es particularmente cierto cuando el área del proyecto es de extensión considerable, o cuando se tienen proyectos lineales, como en el caso de la construcción de vías terrestres, oleoductos, líneas de conducción de agua, líneas de transmisión de energía voz y datos. La ventaja que presenta el estudio de fotografías, radica en que se puede planear mejor la exploración teniendo en cuenta condiciones topográficas, geológicas, de vegetación e hídricas, identificando en forma inmediata aspectos propios del terreno, como el caso de accidentes geográficos, erosión, densidad y tipo de vegetación, drenaje del lugar; pues estas condiciones proporcionan un conocimiento detallado, acerca de la geología y geomorfología del terreno en estudio, así como también de patrones de drenaje y procesos morfodinámicos. Mapas Geológicos: Los mapas geológicos a escala regional o local de la zona, recopilados para el estudio, proporcionan información acerca de la distribución en planta de los materiales en el sitio del proyecto su origen y distribución; lo cual facilita la clasificación petrográfica de las rocas, descripción de fracturas, grietas y fallas, origen, espesor, compacidad, tipo de suelo resultante. De igual forma de los informes geológicos se obtiene información sobre las estructuras geológicas que controlan el tectonismo de la región, su actividad y su incidencia en el posible proyecto. La situación de Servicios Bajo Tierra: El conocimiento de proyectos ejecutados en el sitio es de vital importancia para evitar accidentes y sobrecostos en las obras, pues se pueden encontrar cables de corriente eléctrica, cables telefónicos, tuberías de agua y alcantarillado, en el caso de un proyecto en zonas urbanas, y en un corredor es posible encontrar otras líneas que presenten cruces o intersecciones con el alineamiento del proyecto. Cualquier característica especial e historial y utilización del lugar: Tal como la probabilidad de ocurrencia de terremotos, o factores climáticos, como son las inundaciones, la expansión y contracción del terreno según la estación del año, el hielo permanente, o la erosión superficial o interna del suelo. Incluyendo información sobre defectos o fallas de estructuras existentes o que han existido,


atribuibles a las condiciones del material de la cimentación o las condiciones del sitio. 1.6 EXPLORACIÓN DIRECTA Estos pueden subdividirse en dos grandes grupos teniendo en cuenta si toman o no, muestras de cada sitio o sondeo para ser ensayados, modificando de alguna forma las condiciones del sitio y de la muestra. En la actualidad se pueden utilizar métodos de exploración del subsuelo sin alterar sus condiciones (Ensayos no destructivos) sin la recuperación de muestras y sin alterar las condiciones del sitio o métodos con muestro de materiales que alteran en diversos grados las características del material al extraerlo del sitio, el grado de alteración depende de muchos factores, entre los que se incluye el tipo de muestreador, algunos de ellos son los que se indican en la figura 1.7. Dentro del grupo de métodos de exploración con muestreo los más utilizados son los siguientes:

Figura 1.7 Muestreador comúnmente utilizado con el barreno manual APIQUES. Son excavaciones cuadradas rectangulares o circulares que se realizan en el subsuelo con el fin de muestrear y evaluar de manera directa las condiciones de los materiales que conforman el perfil, con frecuencia se desarrollan a profundidades menores de los 5m, por lo que la investigación efectuada en los mismos se refiere a los niveles o capas del suelo mas superficial, se efectúan con herramientas manuales como picas, palas y barras o equipos mecánicos, suelen realizarse con dimensiones de 1,0 m o 1,5m en planta, profundidades mayores de 3m requieren de entibados, la presencia superficial del nivel freático es con frecuencia un obstáculo para su profundización, a medida que se avanza en profundidad se van analizando los materiales del perfil en las paredes y fondo del apique.

a. De cuchara b. Helicoidal.



1.6.1 POZOS A CIELO ABIERTO, Se les considera como apiques de profundidades mayores a los 5m, es de los más completos para conocer las condiciones del material infrayacente, puesto que se excava un pozo de dimensiones variables de acuerdo a la profundidad, para profundidades entre 1 y 3 m, se utiliza una sección cuadrada de uno por uno, circular o rectangular modificando una de las longitudes y examinando las paredes y tomando las muestras necesarias para su caracterización en el laboratorio, analizando las condiciones precisas referentes a la estratigrafía del suelo así como el agua contenida en el mismo. Este tipo de excavación no puede llevarse a grandes profundidades a causa de la dificultad de controlar el flujo de agua bajo el nivel freático (N.F.), o por la estabilidad de la excavación; naturalmente que el tipo de suelo de los diferentes estratos atravesados también influye grandemente en los alcances del método en sí. La excavación se encarece mucho cuando son necesarios ademes y se hace necesario el traspaleo a causa de la profundidad. Deben cuidarse especialmente los criterios para diferenciar la naturaleza del suelo “In-situ” y la modificada por la excavación realizada. Se recomienda que siempre que se haga un pozo a cielo abierto, se lleve un registro completo de las condiciones del subsuelo durante la excavación. Si se requiere ademe o sostenimiento en las paredes del pozo puede usarse madera o acero; por lo regular, el ademe se hace con tablones horizontales reforzados en forma vertical con maderos bien hincados. 1.6.2 TRINCHERAS Debido a las características topográficas del sitio o al tipo de material en algunos casos no es factible realizar una excavación o el material ya se encuentra expuesto, resultando más eficiente realizar una trinchera, que es una excavación a cielo abierto pero donde una de las dimensiones el largo es mucho mayor que las otras dos. En este caso las dimensiones en planta son de un metro de ancho o menos y decenas de metros de larga, con profundidades que al igual que los apiques dependen del tipo de material, del método de excavación a utilizar y de las necesidades del proyecto. En el caso de canteras, sitios de ponteadero o laderas este método de exploración resulta muy útil. En los pozos, apiques y trincheras se pueden tomar muestras alteradas o inalteradas de los diferentes estratos encontrados, ya sea con muestreadores adaptados para tal fin (figura 1.8), la muestra tomada, especialmente la inalterada debe protegerse contra pérdida de humedad, igualmente pueden efectuarse ensayos insitu en las paredes y fondo de la excavación.


1.6.3 PERFORACIONES CON POSTEADORA Y BARRENOS HELICOIDALES Consiste en un sondeo de poca profundidad, de donde se obtienen muestras alteradas e “inalteradas” para los ensayos de clasificación y mecánicos. Los barrenos helicoidales pueden ser de muy diferentes tipos dependiendo del suelo a explorar. La profundidad de exploración está determinada por la capacidad del equipo, el cual puede ser manual y generalmente no se superan los diez metros en suelos blandos, o puede ser mecánico, energía proporcionada por un motor Ver figura 1.9. En arenas colocadas bajo el N.F. los barrenos helicoidales no suelen poder extraer muestras y en estos casos es preferible recurrir al uso de cucharas especiales de las que también hay variedad de tipos (Ver figura 1.10.). Es claro que en estos casos las muestras son tan solo apropiadas para pruebas de clasificación. También en este caso, a veces es necesario revestir el pozo de sondeo, lo cual se hace con tubería de hierro o acero hincada a golpes, o de PVC algunas veces, con el diámetro suficiente para permitir el paso de las herramientas muestreadoras. Es posible utilizar tubería de revestimiento con diámetro decreciente de acuerdo a la profundidad explorada. Para el manejo de la tubería de perforación se puede utilizar un trípode. Un inconveniente serio de la perforación con barrenos se tiene cuando la secuencia estratigráfica del suelo es tal que a un estrato firme sigue uno blando. En estos casos es muy frecuente que se pierda la frontera entre ambos, esto tiende a atenuarse accionando el barreno helicoidal tan adelantado respecto del revestimiento, como lo permita el suelo explorado. 1.6.4 MÉTODO DE ROTACIÓN Y LAVADO Constituye un procedimiento económico y rápido para conocer la estratigrafía del suelo a profundidades de cientos de metros. Aunque el método no es exacto pues ha demostrado que se pueden cometer errores hasta de un metro en la delimitación de las fronteras o puntos de cambio del material por la forma de recuperación de la muestra; este método se utiliza en ocasiones como método

Cabezal

Cuerpo del muestreador

Unión para la tubería de perforación cabezal

Cuerpo del muestreador

Zapata de Ataque

Zapata

Figura 1.8. Muestreadores de pared delgada, para ser usados con tubería de perforación



auxiliar para el avance rápido en otro tipo de exploración intercambiando las brocas por los muestreadores cuando sea necesario. Las muestras obtenidas por este método de exploración son alteradas y en algunos casos se utilizan para establecer en forma aproximada el tipo de material y la granulometría del mismo, aunque en general no debe ser considerada como suficientemente representativa para realizar ninguna prueba de laboratorio. El equipo necesario para realizar la perforación incluye un trípode con polea y martinete suspendido, de 80 a 150 Kg. de peso y un vehículo, con una bomba de lodos, que inyecte el agua por el interior de la tubería, manteniendo el pozo estable con lodo biodegradable o bentonita. Para iniciar una perforación (ver figura 1.9), se instala el trípode y luego se hinca en el terreno un trozo de tubería de 1.5 m. hasta una profundidad mínima de 1.2 m. Se conecta a la parte superior del mismo una T en la forma en que lo indica la figura 1.9, de modo que el brazo horizontal de esta desemboque en el recipiente. Se levanta la tubería de perforación a la posición vertical por medio de una soga, a través de una polea colocada en la parte superior del trípode y luego se baja hasta la parte superior de la tubería de revestimiento. Se pone en marcha la bomba y se hace circular el agua hasta hacerla ascender hacia el recipiente. Esta arrastra desde el fondo del pozo trozos de suelo que se depositan en las zanjas de circulación o piscinas de sedimentación, de donde pueden ser extraídas y examinadas.

Figura 1.9. Esquema de equipo sencillo de perforación por rotación.

Polea

Cable de Manila

Motor Maneral

Trípode

Manguera

Bomba

Deposito para agua

Deposito para recolección de muestras

Sección para agua de retorno

Ademe

Tubo de Perforación

Herramienta de ataque


Debe tenerse especial cuidado en la identificación de muestras, ya que pueden contaminarse con material sedimentado en el fondo de la zanja, o por material que se derrumba y se mezcla con el que se esta cortando en el fondo del pozo. La presión sobre la herramienta de corte, la velocidad de rotación y presión de la bomba, son variables fundamentales que el perforador debe estar controlando frecuentemente y que inciden de manera importante en el éxito o fracaso de la labor de perforación. Cuando las características del suelo aparecen como uniformes, se obtienen muestras cada metro o cada metro y medio.

El equipo simple descrito anteriormente, tiene la ventaja de que un perforador experimentado puede usualmente detectar cambios en las características de los materiales a través de la sensación que le da la tubería de la perforación a medida que es golpeado y girado, de la observación del color del retorno del agua inyectada y de la tasa de avance. En la figura 1.10 se muestran algunas de las brocas más usadas, o modelos de muestreadores que se colocan en el extremo inferior de la tubería de inyección a fin de obtener muestras representativas.

Figura 1.10. Tipos de brocas para perforación.

1.6.5 MÉTODO DE PENETRACIÓN ESTÁNDAR SPT El SPT nació es Estados Unidos en la década de 1920, con la presunta finalidad de estimar el grado de densificación de los suelos y la resistencia a la penetración con la obtención de una muestra alterada. Hoy en día es un ensayo empírico utilizado para obtener mediante correlación de sus resultados algunos parámetros del suelo.

a)b)

c)

d)Barras de Perforación

Corte a

AberturaDirección de Giro

Punto



Terzaghi y Peck, 1948, fueron los primeros en proponer una correlación entre el número de golpes y la presión neta admisible en arenas. Observaciones posteriores a su proposición en cuanto al asentamiento de edificaciones en arenas indican que el método es demasiado conservador. Este método es uno de los ensayos In-situ más usados hoy en día, dado que es un medio económico para obtener información del subsuelo cuando el material es granular, pues además de dar una medida de la resistencia y la deformabilidad del suelo tiene la característica de recuperar muestras alteradas que pueden ser usadas para propósitos de clasificación de suelos y evaluación del peso unitario haciendo las correcciones de volumen.

Figura 1.11 Etapas del Ensayo SPT

El procedimiento esquematizado en la figura 1.11, consiste en contabilizar el número de golpes requerido por un martillo de 63 Kg (≅ 140 lb) para hincar un muestreador conocido como cuchara partida (Ver figura 1.12) una distancia de 30.5 cm (12”) y así obtener el número N. La distancia de caída del martillo es de 76 cm (30”), para esto se debe utilizar varillas tipo A, con pesos de 5.0 - 6.0 Kg/m. La distancia de penetración total del muestreador (46.0 cm ≅ 18”) se debe repartir en tres secciones, contando el número de golpes para cada sección así:

/6N /6,N ,6/ 321N (1.1)

Ensayo de Penetración Estándar (SPT) según norma ASTM D 1586

Necesidad de corregir a una eficiencia de energía A con referencia del 60% ASTM D 4633)

Primer incremento

Segundo incremento

Tercer incremento

Nota: el cuarto incremento es ocasional y es usado para proporcionar el material adicional a mayor Profun.

Resistencia SPT (N-Valor) o “Número de Golpes” son números totales de golpes para hincar un muestreador 304.8 mm (o golpes por pie)

Taladro tipo “N o A”

yunque

Mue

stre

ador

sin

sue

lo

man

ejad

o en

3 in

crem

ento

s

63.5 kg martillo que se deja caer repetidamente a 0.764 m de altura


Considerando que el N a reportar de campo es: 32 NNNcampo += (1.2)

Ya que el tramo correspondiente al 1N se considera como la zona alterada por reacomodación del material y de detritos en la perforación, siendo por tanto un valor que no se debe utilizar. Así mismo este ensayo no se puede realizar en forma continua, sino que debe ejecutarse como mínimo a intervalos de 1.5 m. en la perforación debido a la alteración que produce el hincado de la herramienta. Cuando la penetración de los 46 cm. del muestreador no puede ser llevada a cabo, por cambio en el estrato y solo se tiene N1 o N1 y N2 se debe entonces aplicar el concepto de resistencia a la penetración extrapolada N(ext) definida por Decourt (1989) así:

2 (ext)1)( 4.2 N o 4 NNNext == (1.3)

Sugiriéndose que el menor de estos valores sea considerado en la práctica. Teóricamente la energía aplicada en este ensayo debe ser de 475 Joules, valor al cual pocas veces se llega debido a una serie de factores que afectan la ejecución del ensayo, por tanto, se ha normalizado que los valores N del ensayo deben ajustarse a una energía correspondiente al 60% de la teórica. Para la obtención de este valor debe corregirse el valor de N obtenido en campo por el efecto de la sobrecarga, forma de liberación del martillo, tipo de cabezote y longitud de tubería, entonces el valor ajustado de N con un equipo que utilice todas las medidas y pesos recomendados es:

campoN NeeeCN 321= (1.4)

6.0321

60campoN NeeeC

N∗∗∗∗

= (1.5)

Siendo: CN: Factor de corrección por confinamiento efectivo ( Ver figura 1.13 )

1e : Factor de corrección por la forma de liberación del martillo ( Ver figura 1.14)

2e : Factor de corrección por peso del cabezote ( Ver figura 1.15)

3e : Factor de corrección por longitud crítica ( Ver tabla 1.1.)

Figura 1.12. Penetrómetro Estándar 20 mm

175 mm

800 mm

75 mm Aplanamiento para la llave

35 mm 50,8 mm

Aplanamiento para la llave

Agujeros de 16 mm Parte central partida longitudinalmente Zapata de acero

550 mm



El factor 3e por longitud crítica (Lc) se debe realizar siempre y cuando el peso de la longitud del varillaje Mr sea menor que el peso del martillo Mh, de ahí en adelante este factor será 1/ == MhMrm . Una vez realizadas estas correcciones ya es posible utilizar este valor N60 con las diferentes correlaciones y curvas para la estimación de parámetros del suelo con base en el número N60. El factor de corrección por confinamiento ha sido estudiado desde 1957 por Holtz y Gibbs y se hace por medio del factor Cn de forma tal que:

Ncorr = N1 = Cn × N (1.6)

Estandarizandose su valor a un esfuerzo vertical de referencia σvr’ = 1 kg/cm2 ≈ 1 atmósfera = pa , como función del parámetro Rs, definido como:

Rs = σv’/pa (1.7) Gonzalez A. J. (1999) describe como relaciones mas destacadas en la evaluación del factor Cn, las indicadas a continuación, cuya comparación de resultados se indica en la figura 1. 13.

Figura 1.13. Valores de Cn según diversos autores


Peck Cn = log(20/Rs)/log(20) (1.8a) Seed Cn = 1- 1.25log(Rs) (1.8b) Meyerhof-Ishihara Cn = 1.7/(0.7+Rs) (1.8c) Liao-Whitman Cn = (1/Rs)0.5 (1.8d) Skempton Cn = 2/(1+Rs) (1.8e) Seed-Idriss Cn = 1- K*log Rs (1.8f) (Marcuson) (K=1.41 para Rs<1; K=0.92 para Rs ≥1) González (Logaritmo) Cn = log (10/Rs) (1.8g) Schmertmann Cn = 32.5/(10.2+20.3Rs) (1.8h) En general las formulaciones que menos se apartan del promedio son: a) Seed-Idriss (Marcuson), b) Meyerhof – Ishihara, c) Schmertmann y d) Skempton. En cuanto a la energía, González recomienda tomar correcciones para nuestro país, del 45% de la energía teórica.

Figura 1.14. Factor de corrección e1, por la forma de liberación del martillo

Figura 1.15 Factor de Corrección por peso del cabezote, e2

Tambor pequeño

(φ=125mm)

Tambor Grande (φ=200mm)

e 1 =

Ev/

E1



Tabla 1.1. e3 En función de m. ( MhMrm /= ) m 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 e3 0.33 0.55 0.7 0.8 0.85 0.9 0.93 0.96 0.99 1.0

Mediana COMPACTA Muy compacta

1) Relación para arenas de grano anguloso o redondeado de mediano a grueso

(2) relación para arenas finas y para arenas limosas.

Figura 1.16 Relación del número de golpes con el ángulo de fricción interna φ

Tabla 1.2. Correlación N Vs Qu. Fuente Terzagui-Peck.

CONSISTENCIA No DE GOLPES, N RESISTENCIA A LA COMPRESIÓN SIMPLE Qu Kg./Cm²

Muy blanda < 2 < 0.25

Blanda 2 – 4 0.25 - 0.50

Media 4 – 8 0.50 - 1.0

Firme 8 – 15 1.0 - 2.0

Muy firme 15 – 30 2.0 - 4.0

Dura > 30 > 4.0

28º 30º 32º 34º 36º 38º 40º 42º 44º

0

10

20

30

40

50

60

70

80

Angulo de fricción interna φ

N N

umer

o de

gol

pes

para

30

cm d

e pe

rfora

ción

Suelto Muy Suelto

(2)

(1)

COMPACIDAD RELATIVA


Figura 1.17 Relación entre penetración estándar, presión vertical y compacidad relativa para

arenas. En la tabla 1.2 se presentan los rangos posibles de la resistencia a la compresión inconfinada, respecto al número de golpes N del ensayo de SPT, pero es indispensable que estas correlaciones solo sean aplicables a suelos limo arcillosos, areno arcillosos, en aquellos materiales donde la composición granular no cohesiva prima sobre la cohesiva; pues existen trabajos de investigación donde muestran que la correlación obtenida para el ensayos de compresión inconfinada con el número de golpes en suelos estrictamente arcillosos, obtenidos de sondeos paralelos y separados a muy poca distancia no presenta la misma tendencia mostrada en la tabla, más bien muestra una dispersión muy grande que ratifica lo afirmado por muchos autores, que este ensayo de campo SPT, solo es aplicable a suelos de cohesión baja a nula. Los Valores N, han sido empíricamente utilizados en la estimación de la susceptibilidad a la licuación bajo carga sísmica en depósitos de arena, son también útiles para el diseño de pilotes, para estimar la capacidad de soporte (Meyerhof 1956; Parry 1977), evaluar de manera indirecta la resistencia a la compresión de suelos(Mitchell, Guzikowski, and Villet 1978) y los asentamientos de una cimentación fundada en suelos(Terzaghi, Peck, and Mesri 1996). En la figura 1.18 se ve la importancia de realizar la corrección a los resultados de campo. En la grafica de la izquierda se presentan dos resultados con dispersión apreciable, pero con la corrección –grafica de la derecha- los valores de N se vuelven comparables.

0 10 20 30 40 50 60 70 80 3.0

2.5

2.0

1.5

1.0

0.5 P

resi

ón V

ertic

al e

n kg

/cm

2

N, número de golpes para 30 cm de penetración

Porcentaje en compacidad relativa 40 50

60 70

8090

100



Figura 1.18 Valores de N no corregidos y corregidos al 60% de la energía del ensayo de

penetración estándar (FHWA-NHI, 2001) PRUEBA DE PENETRACIÓN CON CONO Este ensayo es conocido como el ensayo con cono Holandes, es utilizado particularmente para arcillas suaves y depósitos de arena fina a media, la prueba no se adapta bien a depósitos de grava o depósitos de suelos fuertemente cohesivos. El ensayo consiste en introducir el cono en el suelo, en una proporción de 10-20 mm/s de acuerdo a la resistencia lateral del cono (qs) , la resistencia puntual (qc) y la profundidad. La presión de poros, el alineamiento vertical y la temperatura pueden ser tenidas en cuenta para la configuración del equipo. Usualmente la sección del cono es de 10 cm2, el diámetro no es un factor significativo para áreas entre 5 y 15 cm2. Si el suelo es estratificado la prueba se realiza en paralelo con una máquina perforadora. En este caso estamos hablando de una perforación en material suave; esta prueba es común para sitios en los cuales existen depósitos de suelo transportado, depósitos aluviales, deltas de ríos, líneas costeras. Hay cinco tipos de conos en uso, sin embargo la norma ASTM D 3441 en su estandarización solo tiene en cuenta tres, que son los de mayor uso. Mecánico: Fue el primer tipo de cono utilizado para el sondeo de suelos en Holanda, también llamado cono dutch, fue desarrollado y usado en suelos de baja resistencia. Tiene una configuración típica con un recubrimiento que disminuye la fricción. Fricción Eléctrica: Es la primera modificación que se le hizo al cono, usando un mecanismo para disminuir la resistencia y mejorar su fidelidad en la información registrada. Piezoeléctrico: Es una modificación realizada al cono de fricción eléctrica para que además de fricción registrada por la penetración, controle o registre la presión


de poros en cada profundidad durante la prueba. La medición de este parámetro ayuda bastante en sitios donde se tienen presiones artesianas no detectables con la misma exactitud con los otros métodos de exploración. Piezofricción eléctrico: Es una modificación que registra la fricción lateral, la resistencia puntual y además registra la presión de poros. Los resultados obtenidos permiten conocer los parámetros de resistencia y esfuerzos en el sitio del sondeo. Cono sísmico: Es una modificación al cono que incluye un sensor de vibraciones para obtener datos computarizados de la velocidad de onda del medio debida al impacto del martillo en la superficie. Este aparato toma los registros del cono sísmico y permite evaluar parámetros dinámicos obtenidos a partir de la velocidad y la densidad del material. Existen estrictas configuraciones del piezocono y es crítico que la fricción lateral tolere un incremento en el diámetro no mayor a 0.25 mm; la fricción lateral es muy baja, el sensor de presión de poros puede ser de metal, cerámica o roca, el material escogido y la localización del mismo es de gran importancia. Algunos de los conos eléctricos están provistos de un nivel electrónico para medir la desviación del alineamiento vertical, otros tienen un sensor de temperatura. En la figura 1.19 y 1.20 se muestra la disposición y dimensiones de los equipos utilizados en la realización del ensayo de CPT y la velocidad de penetración 20 mm/s.

Figura 1.19 Esquema del ensayo de CPT

Ensayo de Penetración Estandar

Ensayo de Penetración con Cono

Dilatometro de Marchetti

Presuromet Ensayo de Corte con

Cable para

Fs= Fricción de la

U2= Presión de los poros de

Ensayo de Penetración con Cono (CPT)Por procedimientos de las ASTM D 5778

Inclinometro

Vara del cono (36 mm

Qt = Tensión de la punta de medida o resistencia del

As= La proporción del área neta (calibración del

Lecturas tomadas cada 10 a 50 mm



El ensayo CPT es usado para clasificar el suelo, determinar la capacidad portante o diseñar pilotes o plataformas para oleoductos, pero generalmente requiere complementar la información con otros métodos de exploración como el SPT. La resistencia puntual y la fricción lateral son usadas para calcular el porcentaje de fricción fr, parámetro que se utiliza para correlacionar los resultados de este ensayo con los SPT. La ecuación 1.10 muestra la correlación para hallar fr.

( ) 100/ ∗= csr ggf (1.9) En la figura 1.21 se presentan las curvas típicas de los resultados obtenidos por los diferentes sensores del CPT con los que cuenta el equipo y que son los que permiten determinar los parámetros necesarios. Una de las ventajas de estos resultados es la continuidad en los mismos siendo posible identificar secciones muy delgadas de baja o alta resistencia. Figura 1.20. Penetrómetros (a) tipo danés, (b) Tipo Holandés, (c) De pistón , (d) Dispositivo de hincado por presión en el diferencial

Figura 1.21 Registros del piezocono: resistencia por la punta, fricción superficial, presiones de poros y relación de fricción (FHWA - NHI, 2001)

Resistencia en la punta qr (MPa)

Friccion de la manga

Presion del agua en los poros

La proporcion de friccion

Ademe

Barra de 15 mm

Tubo de Perforación

Ademe

200

(a) (b)

(c) (d)


Otros de los ensayos comunes que permiten estimar insitu la resistencia al corte de los suelos, son el dilatometro de Marchetti, el presurometro y la veleta, los cuales detallaremos a continuación Figura 1.22

Figura 1.22 Ensayos de Campo y Equipos Utilizados

DILATÓMETRO Constituye una adaptación del presurómetro para su aplicación en rocas y suelos, en consecuencia, funciona bajo su mismo principio, realizándose en el interior de sondeos. Este ensayo DMT se empezó a realizar en 1979, y aunque el uso de este ensayo ya es rutinario en exploración aun no tiene la difusión de otros ensayos de campo. El equipo requerido consta de una platina de 14 mm de espesor, 95 mm de ancho y 220 mm de longitud y la membrana flexible tiene 60 mm de diámetro y esta localizada en el centro de la platina, donde una combinación de presión de gas y línea eléctrica generan la expansión, lectura y registro de datos se muestra en la figura 1.23, de este ensayo se obtienen unas curvas carga desplazamiento, a partir de las cuales se determina el módulo de deformación dilatométrico. Sin embargo, a diferencia de los suelos, los macizos rocosos son continuos y anisótropos, lo que condiciona en gran medida su deformabilidad, por lo que el ensayo dilatométrico suele medir la deformación en seis direcciones a lo largo de tres diámetros.



Figura 1.23 Equipo de Dilatómetro

El ensayo (figura 1.24) consiste en aplicar presiones crecientes a través de una camisa elástica alojada en el interior de un sondeo. Una vez que se obtiene un tramo lineal en la curva carga – desplazamiento, se realiza una descarga de la presión aplicada. Este ciclo suele repetirse entre una y tres veces por ensayo, alcanzando, en cada uno de los ciclos sucesivos, presiones más elevadas en función de las características resistentes y deformaciones del terreno. Como resultado del ensayo se obtienen unas curvas presión desplazamiento en las que se puede distinguir las siguientes etapas de deformación: adaptación de la camisa al sondeo, deformación elástica, uno o varios ciclos de carga y descarga, deformación plástica o rotura. El módulo de deformación dilatométrico ED del terreno, tanto en carga como en descarga, viene dado por la siguiente expresión:

ED = (1+ ν ) M r (1.10)

Donde ν es el coeficiente o relación de Poisson, M es la rigidez del terreno, correspondiente a la pendiente del tramo elástico de la curva dilatométrica del ensayo, y r es el radio de la perforación. Este ensayo es muy útil en suelos y en macizos rocosos muy fracturados, rocas blandas o deformables y, en general, donde la obtención de muestras es difícil o imposible y se precise obtener las propiedades elásticas de la roca in – situ.

60mm (2.36 in) diámetro Membrana

95 mm (3.74 in)


Figura 1.24 Secuencia en la prueba del dilatómetro (FHWA-NHI, 2001) PRESURÓMETRO El ensayo del presurómetro PMT originalmente fue desarrollado por Louis Menard en 1955, para determinar los esfuerzos in situ en un suelo, deformabilidad y resistencia. La prueba del presurómetro consiste en llevar a cabo la expansión radial dentro de una perforación vertical de un instrumento cilíndrico alargado (figura 1.25). Se registra el volumen de fluido y la presión usada al inflar el cilindro, y los datos se pueden usar para dibujar una curva completa esfuerzo-deformación. En suelos, el fluido empleado es agua o gas, mientras que en rocas fracturadas o meteorizadas se emplea aceite hidráulico. Los cilindros estándar tienen diámetros entre 35 mm y 73 mm con relaciones longitud - diámetro entre 4 y 6. Existen varios tipos de presurómetros: Preexcavados, o presurómetro de Menard (MPMT), el cual es introducido en una perforación previamente realizada. La respuesta inicial refleja una región de recomprensión mientras se produce el inflado hasta entrar en contacto completamente con el suelo en las paredes de la perforación.

El empuje para avanzar hidráulico incrementa 20 mm, se detiene para probar cada 200 mm (o 300 mm)

entubando

Cono o vara del taladro

Tablero de lectura y suministro del gas

Neumaticamente se infla la membrana de fibra acero flexible (d = 60 mm)

1. iniciar

2. empujar 3. lectura A 4. lectura B

5. Desinflar rápidamente

La membrana extendió el exterior 1.1 mm

Membran derrumba debido a empujes del terreno.

P3= alzamiento-fuera de la presión (corrigió la lectura A) P1= la presión de la expansión (corrigió la lectura B)

ENSAYO DE PENETRACION CON EL DILATOMETRO (DMT)



Los autoperforadores (SBP) se ubican en el fondo de una perforación y se introducen en del suelo mediante cortadores o por inyección de agua, mecanismos incluidos en el equipo de medición, minimizando las alteraciones y preservando el estado de esfuerzos Ko en el suelo. El dispositivo tiene tres brazos radiales internos para medir directamente la deformación de la cavidad εr = dr/r0, donde r0 es el radio inicial del cilindro y dr el cambio radial. Presurómetro hincado (PIP), consiste en un instrumento cilíndrico de pared delgada con relación de área cercana al 40%. Es más rápido que los anteriores pero los efectos de alteración producidos hacen que no se puedan tener valores significativos de Ko. De alto desplazamiento (FDP), similares a los hincados pero que causan efectos de desplazamiento completo. El procedimiento que se sigue es similar cuando se ha instalado el instrumento de medición a la profundidad a que se va a realizar el ensayo. Puede llevarse a cabo una secuencia parcial de descarga - recarga durante la prueba para definir la respuesta seudo-estática y el correspondiente módulo de Young del suelo (Es). El presurómetro lleva a cabo cuatro mediciones independientes en cada prueba: Esfuerzo horizontal total, σho = Po Una región elástica, interpretada en términos de un módulo de Young

equivalente durante la carga inicial, mientras que un ciclo de carga-descarga elimina algunos de los efectos de alteración y entrega un valor de Es más rígido. El módulo elástico se calcula mediante:

EPMT = 2(1+υ) (V

V∆

0 ) ∆P (1.11)

Donde V = Vo + ∆V es el volumen actual del cilindro, Vo su volumen inicial, ∆P el cambio de presión en la región elástica, ∆V el cambio de volumen medido y υ la relación de Poisson.


Figura 1.25 Procedimiento del ensayo para un presurómetro de Menard (FHWA-NHI, 2001)

Una región plástica que corresponde a la resistencia al corte (no drenada quMPT en arcillas y limos o al ángulo efectivo de fricción φ’ en arenas).

Figura 1.26 Curva Típica Ensayo Presurómetro.

La presión límite PL, relacionada con una medida de capacidad portante, que es un valor extrapolado de presión donde el volumen del cilindro es el doble del volumen inicial (V=2Vo) en la figura 1.26 se muestran los resultados del ensayo.

Ensayo de Medición de la Presión (PMT)

Entubando

Cubierta temporal

Sondeos de medición de la presión: d= 73 mm L= 440 mm Vara del

taladro (tipo “N” o “A”)

La bomba de tornillo: 1. Cada rotacion llena el cilindro con la fuerza de los pistones incrementa el volumen del agua (o gas o aceite) En el sondeo de PMT. 2. la presion correspondiente a cda presion incrementa

El sondeo mas bajo en el agujero se extiende con el agua a prueba de presión.

Pre

suro

met

ro

Volumen

La membrana de goma de la punta de prueba se amplía como cilindro derecho, teoría cilíndrica evaluada por la extensión de la cavidad



PRUEBA DE CORTE CON VELETA

La pruebas de corte con veleta (VST) o veleta de campo (FV) se usa para evaluar la resistencia al corte no drenada in situ (quv) en arcillas blandas a duras y en limos a intervalos regulares de 1m, es un ensayo sencillo y económico para determinar la resistencia pico o máxima. El ensayo consiste en insertar una veleta de cuatro aspas en el terreno y rotarla con respecto al eje vertical. El torque máximo medido se relaciona con el valor de la resistencia no drenada, y pueden medirse la resistencia pico y remoldeada, cuya relación es denominada sensitividad St. La selección de las veletas puede hacerse en términos de su tamaño, forma y configuración, dependiendo de la consistencia y la resistencia del suelo. La veleta estándar tiene una geometría rectangular con un diámetro de 65mm, 130mm de altura y 2mm de espesor de las aspas, ver figura 1.27. La prueba se realiza de una mejor manera cuando la veleta se ha hincado en el fondo de una perforación previamente realizada ver figura 1.28. Para una perforación de diámetro B, la parte superior de la veleta debe hincarse a una profundidad de al menos 4B. Dentro de los 5 minutos siguientes a la inserción, la rotación debe realizarse a una rata constante de 6° por minuto (0.1°/s) y se toman frecuentemente medidas de torque.

Figura 1.27 Dimensiones de la Veleta de Campo.

Veleta Rectangular Veleta

0.0625 in (1.6mm) para AX y BX

0.125 in (3.2mm) para NX y 4 in (102mm)

0.5 in (12.7mm)

L*10D

H*2D

45º

D D

Cubierta Diámetro D In. Mm AX 1.5 38.1 BX 2.0 50.8 NX 2.5 63.54 in (102mm) 3.625 92.1


Figura 1.28 Procedimiento general de la prueba de corte con veleta (FHWA-NHI, 2001)

La interpretación convencional en la obtención de la resistencia no drenada a partir del torque máximo medido (T) asume una distribución uniforme de los esfuerzos de corte en la parte superior e inferior a lo largo de las aspas y una veleta con relación altura-ancho H/D=2 (Chandler, 1988):

quv = 6Tmax / 7π D3 (1.12)

En donde el torque y el ancho deben estar en unidades consistentes. Este ensayo se reserva normalmente para materiales blandos a duros con quv < 200 kPa. Una vez se ha alcanzado la resistencia pico, la veleta se rota rápidamente 10 revoluciones completas para registrar la resistencia residual o remoldeada. Es muy importante que el valor de resistencia medido con la veleta sea corregido antes de usarse en análisis de estabilidad de terraplenes en terrenos blandos, capacidad portante y excavaciones en arcillas blandas. La resistencia movilizada está dada por:

τmovilizada = µR quv (1.13) Donde el factor de corrección empírico µR se relaciona con el índice de plasticidad o el límite líquido del suelo.

Las varas de la veleta

Empuje la veleta al fondo del agujero

Prueba de Corte con veleta (VST) por ASTM D 2573

1. Inserción de la veleta 2. dentro de 1 minuto, rotara la veleta a 6 grados/minuto; medida maxima del torque

3. desarrollar de 8 a 10 revoluciones adicionales

2. dentro de 1 minuto, rotara la veleta a 6 grados/minuto; medida maxima del torque

4. Medir Torque residual Tr para casos remoldeads



Figura 1.29. Registros de resistencia pico, residual y sensitividad prueba de corte con veleta

(FHWA-NHI, 2001)

MÉTODOS ROTATORIOS PARA ROCA Barrenación con obtención de núcleos Este método se utiliza para grandes profundidades de exploración en material resistente, es uno de los más costosos debido al equipo utilizado. Consiste en hacer barrenación continua, formada por segmentos que se hacen penetrar por rotación sucesiva uniéndolos a medida que las extensiones entran en el terreno. Los segmentos tienen longitudes variables desde 3 a 12 m, y el método de perforación es el descrito para rotación y lavado. El equipo utilizado para este tipo de exploración es el siguiente: vehículo, Bomba de lodos, tubería, brocas, equipo neumático, herramienta complementaria y una torre o trípode para izar la tubería de perforación y las barrenas. Todo el material muestreado es almacenado en cajas sistemáticamente numeradas para poder establecer la profundidad de cada muestra, ver figura 1.30, y su ubicación exacta en el sitio explorado. Cuando un gran bloque de estrato rocoso aparece en la perforación, se hace indispensable recurrir al empleo de máquinas perforadoras a rotación, ver figura 1.31, con brocas de diamante o del tipo cáliz. En rocas duras es recomendable usar brocas con diamantes tanto en la corona como en el interior para reducir el diámetro de la muestra, y en el exterior para agrandar la perforación y permitir el paso del muestreador con facilidad. En rocas medianamente duras suele emplearse brocas con inserciones de carburo de


Tungsteno en la corona. En rocas suaves, como Lutitas o Pizarras, se usa broca de acero duro en diente de sierra o mano de angel.

Figura 1.30, Almacenamiento de muestras extraídas de la perforación

Figura 1.31, Equipo de perforación a rotacion montado sobre esquí, al frente, la tubería de perforación, la barrena y el equipo para inyección de agua en las pruebas Lugeon y/o Lefranc.

El equipo de perforación rotatorio trabaja usualmente en cuatro diámetros, en la tabla 1.3 aparecen sus dimensiones usuales y sus nombres típicos.



Tabla 1.3. Diámetros más comunes de brocas. Fuente Mecánica de Suelos I, Juárez Badillo, Rico A.

BROCA φ EXT ADEME φ EXT BROCA φ INT BROCA

- mm Pulg mm Pulg mm Pulg

Ex 46 1 1613 37.5 1

3215 20.5

3227

Ax 57 2 41 47.5 1

87 20.5

1613

Bx 73 2 87 51.5 2

3211 42 1

3221

Nx 89 3 21 75.5 2

6461 55 2

325

1.7. MUESTREO Es preciso tener un perfil esperado, para programar la toma de muestras de cada una de las capas, o por ejemplo para hacer un ensayo de conductividad hidráulica. Si en la labor de campo durante la ejecución del sondeo no fue posible determinar el cambio de material por observación y esta se define no más que por su naturaleza geológica, se obtendrá una información insuficiente en la etapa de diseño. Como se ve un sondeo no se realiza de la misma forma que una perforación, para lo cual lo único que pretende es perforar lo más rápido posible. Se incluyen aquí los métodos de muestreo que tienen por objeto obtener muestras inalteradas en suelos, apropiadas para pruebas de compresibilidad y resistencia, y muestras de roca que no pueden obtenerse por los métodos mencionados hasta este momento. Desde luego que ningún modo y bajo ninguna circunstancia puede obtenerse una muestra de suelo que pueda ser rigurosamente considerada como inalterada; siempre será necesario extraer el suelo de un lugar con alguna herramienta que inevitablemente alterará las condiciones de esfuerzos en su vecindad. 1.7.1. Muestreo con tubos de pared delgada Cuando la obra requiere información representativa de la resistencia al corte o las características tenso-deformacionales del depósito, el grado de alteración de las muestras debe ser reducido al mínimo posible, compatible con los beneficios que ha de brindar la información. El equipo ha utilizar se reduce a un saca testigos, no obstante, siempre existirá cierta magnitud de alteración del suelo que resulta inevitable.


Figura 1.32 muestreadores de suelo, 1.muestreador de california, 2, tubo Shelby

La hinca del sacamuestras por medio de golpes sucesivos de un martillo es el procedimiento que origina la mayor alteración, mientras que su introducción rápida y a velocidad constante por medio de un esfuerzo estático, produce los mejores resultados. Para muestras de un diámetro dado, introducidas en el terreno por el mismo procedimiento, el grado de alteración depende de la razón de áreas ( rA ):

( ) ( )( )222 /100% DiDiDeAr −∗= (1.14) La cual es básicamente la relación del volumen del material desplazado respecto al volumen del material reemplazado, se considera que hay poco remoldeo cuando un muestreador tiene Ar < 15%, en este sentido es considerado como de pared delgada. Otra característica que deben cumplir los muestreadores es la tolerancia interna, definida como:

( ) iisi DDDC /−= (1.15) Donde:

iD :. Diámetro interior de la arista cortante del muestreador

SD :. Diámetro interno del tubo muestreador La tolerancia interna es producida por el estampado de la arista cortante del tubo, reduce la fricción entre la muestra y la pared interior del muestreador durante el proceso de muestreo, sin esta característica, la fricción entre el tubo y la muestra se incrementaría con la penetración del muestreador, esto es que después de un corto avance no entraría mas suelo al tubo, o se inducirían fuerzas adicionales

Ds Di



contra el avance del muestreador, produciendo esfuerzos en la muestra justo bajo el tubo, incrementándose por tanto la alteración de la muestra. La tolerancia usualmente debe ser menor al 4%, Hvorslev sugirió un rango de 0.75–1.5% para muestreadores largos, y superior a 1.5% para los cortos. El iC debe ser mayor en una arcilla que en una arena, ya que en la arena se debe buscar un contacto muy intimo entre la pared interior del tubo y la muestra para lograr recuperar la muestra, entonces se recomienda que :

%40 << iC (1.16)

Otras formas de reducir la fricción entre la pared del tubo y la muestra es usando aceite, laca o revestimiento de teflón. Este último se prefiere debido a que impide el desarrollo de oxidaciones que contaminan la muestra, (el aceite contamina las muestras). La mejor manera de proteger contra la oxidación es la limpieza del tubo y el ensayo pronto de las muestras. Otras recomendaciones para obtener muestras de buena calidad son:

• Usar el mejor muestreador posible. • Penetrar el muestreador lo mas rápido posible y en forma continua. • Asegurar la creación de vacíos en la parte superior del muestreador. • Sellar la muestra en forma apropiada. • Extraer la muestra lentamente y en la misma dirección de inserción

de esta dentro del tubo. Para obtener una muestra, se conecta el tubo al extremo de las barras de sondeo y se baja dentro del pozo que, previamente, ha sido limpiado con la inyección o con un barreno, sonda o cuchara. Se hinca luego el muestreador en el fondo de la perforación hasta que penetre toda su longitud menos 15 cm. Debe evitarse que el muestreador se hinque por medio de golpes aplicados con un martillo. Una vez hincado el saca muestras, se hacen rotar las barras de sondeo para cortar el extremo inferior de la muestra, y se levanta y retira el saca muestras. Cuando en una obra dada se han tomado muestras en tubos de pared delgada, es siempre deseable investigar hasta qué punto la consistencia de la arcilla ha sido modificada por las operaciones de muestreo. En suelos muy blandos y con alto contenido de agua los muestreadores de pared delgada, no logran extraer la muestra; esto tiende a evitarse hincando el muestreador lentamente y, una vez lleno de suelo, dejándolo en reposo un cierto tiempo antes de proceder a la extracción. En arenas, especialmente en las situadas bajo el N.F. se tiene la misma dificultad, la cual hace necesario recurrir a procedimientos especiales y costosos para darle al material una "cohesión", que le permita conservar su estructura y


adherirse al muestreador tales como el congelamiento y la impregnación. En la figura 1.32 y 1.33 se observan algunos de los muestreadores de pared delgada mas comunes, como son el Shelby y el de Pistón. 1.7.2 Muestreo en Roca En macizos rocosos el muestreo se realiza con recuperación de núcleos los cuales se almacenan en cajas durante toda la vida del proyecto. En la figura 1.30, se presentan muestras recolectadas en los estribos de la presa ranchería. Sobre estas muestras se determina con frecuencia litología, discontinuidades, RQD, y parámetros mecánicos y dinámicos.

Figura 1.33. Muestreadores más comunes.

Tubo de pared delgada sin costura Conexión con tubería de perforación

Rosca para la tubería de perforación

Normalmente entre 80 cm y 1 m

Sujetado de la varilla de pistón o tubos de perforación

Tubo de perforación

Sujetador de la varilla del pistón al aceite

Varilla del pistón

Pistón

Muestreador

Ademe

ValvulaTornillo



En la figura 1.31 y 1.34. muestra tanto en foto como en esquema una máquina perforadora, también usada para tubos de pared delgada, dos muestreadores de corazón comunes y algunos tipos de brocas utilizados.

Figura 1.34 Equipo de perforación para exploración del subsuelo.

1.8. MÉTODOS GEOFÍSICOS Los métodos geofísicos pueden ser usados para: 1. Investigaciones geológicas, por ejemplo en la estimación del espesor depósitos superficiales blandos, la profundidad del sustrato rocoso y la determinación del perfil de meteorización entre otros; 2. Evaluación de recursos, como por ejemplo la localización de acuíferos, la delimitación de intrusiones salinas, la geometría de depósitos de grava y arenas y niveles de roca que se utilizan como agregados de construcción; 3. Detectar elementos enterrados (como tuberías, cimentaciones


antiguas, cavidades naturales etc.); y 4. Estimación de parámetros ingenieríles, entre los que sobresale el módulo de elasticidad dinámico. Los diversos métodos geofísicos se les pueden agrupar en dos grupos: 1. Técnicas Pasivas. En esta metodología, las anomalías son medidas por técnicas conocidas, sin que sea posible su modificación por los investigadores, no obstante las inspecciones frecuentes pueden ser llevadas a cabo para investigar en el tiempo los efectos de variación por ruido. Cuando se utilizan técnicas pasivas, se torna de gran importancia la selección precisa tanto del método como de los equipos. Generalmente estas técnicas involucran medidas de la variación local de fuerza en el campo natural terrestre (por ejemplo, gravedad y campo magnético). 2. Técnicas Activas. Estas técnicas miden las perturbaciones creadas por una señal, tal como la energía sísmica o la radiación nuclear. Las relaciones señal –ruido pueden ser mejoradas por la incorporación de resultados de varias inspecciones, o por modificación de la geometría de la señal. En general la interpretación es mejor para las técnicas pasivas que las activas, pero el costo de las técnicas activas tiende a ser mayor que en las pasivas. Las técnicas geofísicas de investigación del subsuelo tienen como ventaja que no modifican las condiciones del sitio y son muy aplicados en minería, geología, y en menor escala en la geotecnia. Se utilizan en investigaciones preliminares, para ubicación de estructuras (túneles, presas y casas de maquinas), determinando perfiles de roca. Estos métodos son rápidos y expeditos y permiten abarcar grandes áreas, pero casi nunca proporcionan suficiente información para fundar criterios definitivos del proyecto; se desarrollan principalmente con el propósito de determinar las variaciones en las características físicas de los diferentes estratos del subsuelo o los contornos de la roca basal que subyace a depósitos sedimentarios. 1.8.1 Método sísmico El método se basa en las diferencias de velocidad de propagación de las ondas elásticas en medios de constitución diferente. Por lo general los diferentes minerales tienen densidades y pesos específicos bastante parecidos; en cambio, los módulos elásticos son muy diferentes. En las aplicaciones del método se provocan ondas elásticas por medios artificiales, tales como impactos y explosiones. Las vibraciones que transmite el suelo se recogen en aparatos sensibles capaces de registrarlas e inscribirlas, llamados sismógrafos o geófonos. Si se colocan varios de estos a diferentes distancias de la perturbación se podrán medir los distintos tiempos de llegada; los geófonos están separados a distancias que oscilan entre 15 y 30 m.



El método sísmico puede aplicarse de dos maneras. Por reflexión o por refracción; por reflexión mide el tiempo que invierte una onda en hacer el trayecto entre el origen de las oscilaciones y el geófono después de reflejarse en una superficie de contacto entre dos formaciones de naturaleza distinta. El de refracción se basa en el hecho de que una onda elástica que atraviesa una frontera entre materiales diferentes, se refracta hacia el plano de dicha frontera. (Ver figura 1.35). Esencialmente el método consiste en provocar una explosión en un punto determinado del área a explorar. La función de los geófonos colocados en el terreno es la de captar la vibración transmitida, amplificada a un oscilógrafo central que marca varias líneas, una para cada geófono. Suponiendo una masa de suelo homogénea, que yace sobre roca basal, unas ondas llegan viajando a una velocidad a través del suelo V1; otras llegan después de cruzar oblicuamente dicho suelo. Existe un ángulo crítico de incidencia respecto de la frontera de la roca basal que hace que las ondas no se refracten hacia dentro de la misma, sino que las hace viajar paralelamente a dicha frontera dentro de la roca con una velocidad V2, para luego ser transmitidas hacia el oscilógrafo. Puede construirse una gráfica que relacione la distancia del geófono al punto donde se originó la perturbación, con el tiempo que tardó en registrarse la onda en el geófono. Como las ondas directas y refractadas comienzan a llegar al geófono en diferentes tiempos, puede calcularse de la gráfica anterior las velocidades V1 y V2. En los primeros geófonos llegan primero las ondas directas y en los alejados llegan primero las ondas refractadas.

Figura 1.35. Geófonos y Recorrido de las Ondas

Distancia del punto de perturbación a los geofonos

Ti

empo

de

Reg

istro

(S

eg)

Geofonos

Disparador

Origen de Perturbación

Frontera entre estratos

2 1 3 4 5 6 7


Hay un tipo de frontera en el cual las ondas llegan a la vez. Dibujando los instantes en que el geófono recibe la primera excitación en función del alojamiento del mismo, se obtienen dos rectas. En el primer caso el tiempo es una cierta función a + bx, en donde a representa el tiempo constante en el que se recorren los tramos mencionados. Si X1 es la abscisa en donde se cruzan las dos rectas, en la figura puede demostrarse que:

22

23

23

13

12

32

1122

12

1221

*.

2*

21

1

vv

vvvv

vvHTH

vvvv

H X

−⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣

⎡

∗−

−=

+−

∗=

(1.17)

En donde H representa el espesor del estrato de suelo homogéneo, y V1 y V2 pueden determinarse de las pendientes de las rectas mostradas en la figura 1.10 (b) Los casos prácticos no son tan sencillos como el mostrado anteriormente, y con frecuencia se hace necesario una gran experiencia por parte del técnico que ha de saber interpretar los resultados. La sacudida provoca vibraciones longitudinales y transversales, solo se utilizan las longitudinales. Según su emplazamiento los sismógrafos registran una onda reflejada sobre la parte superior de la capa profunda ( reflexión sísmica ) o una onda refractada por la capa inferior ( refracción sísmica ), registrando así mismo una onda transmitida directamente por la capa superior. Esta onda llegará antes o después que la otra según la distancia del sismógrafo, si no se tiene en cuenta la existencia de ambas ondas se corre el riesgo de cometer errores muy graves en la estimación del coeficiente de elasticidad del medio. Cuando el suelo es estratificado la interpretación de medida resulta muy complicada. Además la profundidad de reconocimiento está limitada por la parte superior del estrato en donde la celeridad (velocidad) de la sondas es máxima. La medida de la velocidad de la onda sirve para estimar la calidad del estrato, en caso de un medio homogéneo e isotrópico hay una relación matemática entre la celeridad de las ondas, los coeficientes de elasticidad y módulo de Poisson. Cuando el sitio a reconocer es de pequeñas dimensiones y estructura complicada puede ser necesario el uso simultáneo de los métodos eléctrico y sísmico. En la Tabla 1.4 se muestran algunas velocidades típicas de propagación de ondas elásticas en suelos y rocas.



Tabla 1.4 Velocidades típicas de diferentes materiales

MATERIAL CONDICIÓN VEL (Km/S)

Limo y arena Compactos Sueltos

0.4 - 0.7 0.2 – 0.4

ARCILLAS Dura

Blanda 0.6 - 1.0 0.2 – 0.3

Boleos y gravas 0.2 - 0.4

GRANITO

Sano Poco fracturada Muy fracturada

Alterado.

4.5 - 6.0 1.5 - 4.5 0.7 - 1.8 0.4 – 1.0

Riolita y

Andesita

Poco fracturada Muy fracturada

Alterada.

3.8 - 5.0 1.5 - 3.8 0.9 – 1.5

Basaltos

Sano Poco fracturada Muy fracturada

Alterados

5.0 - 6.0 1.4 - 5.0 0.7 - 1.4 0.5 – 0.7

Tobas

Sanas Poco fracturada Muy fracturada

Alteradas

1.4 – 1.8 1.2 - 1.6 0.4 - 1.2 0.3 – 0.7

Calizas 1.5 – 4.0

Areniscas 0.6 – 2.5

Aglomerados 0.2 – 0.9

Lutita Dura Blanda

1.2 - 4.0 0.6 – 1.4

Conglomerado 1.0 – 3.0 Fuente (La Ingeniería de Suelos en las Vías Terrestres, Vol. 1, Rico, Del Castillo) 1.8.2. Método de Resistividad Eléctrica. La transmisión de la corriente eléctrica entre dos electrodos colocados dentro de masas de suelo o roca ha sido empleada por el hombre desde comienzos del siglo XX, en la búsqueda de materiales necesarios para su bienestar. Depósitos minerales y de hidrocarburos se han explorado con esta técnica. En la actualidad se emplea ampliamente en la búsqueda de agua subterránea, recurso vital que escasea en la superficie de la tierra en algunas regiones, y puede encontrarse en volúmenes suficientes y calidad adecuada en las rocas o depósitos que conforman el subsuelo.


Figura 1.36. Método de resistividad eléctrica.

Este método se basa en el hecho de que los suelos, dependiendo de su conformación, presentan una mayor o menor resistividad eléctrica, cuando una corriente es inducida a través de ellos. El método de resistividad consiste en producir un campo eléctrico en el terreno por medio de dos o cuatro electrodos de corriente, colocados igualmente espaciados y alineados en la superficie; los dos exteriores, se conectan en serie a una batería, y son los electrodos de corriente (medida por miliamperímetro), en tanto que los interiores se denominan de potencial y están conectados a un potenciómetro que mide la diferencia de potencial de la corriente circulante. Los electrodos de corriente son simples varillas metálicas, con punta afilada, mientras que los de potencial son recipientes porosos llenos de una solución de sulfato de cobre, que al filtrarse en el suelo garantiza un buen contacto eléctrico. La resistividad se puede calcular a través de las lecturas del miliamperímetro I, del potenciómetro V y la separación entre los electrodos d, con la formula:

( )lvdp /2 ∗∗= π (1.18)

En el material presentado se supone que hay un medio isotrópico y homogéneo, de allí la posibilidad de suponer las semiesferas que han permitido establecer los potenciales en un punto como consecuencia de la acción de los electrodos. En realidad, los materiales no son ni isotrópicos ni homogéneos. No obstante, si las variaciones de isotropía y homogeneidad son más o menos suaves los resultados presentados son fiables. No sucede así cuando las equipotenciales y las líneas de corriente encuentran una superficie de contacto entre dos medios con resistividades bien diferenciadas. En este caso se habla de medios con buen contraste (densidades diferentes).

Miliamperímetro Baterías

Potenciómetro

Electrodo de Corriente

Electrodos de potencial

Electrodo de Corriente

Estrato 1

Resistividad =1x 2 dP π=



En el caso de masas de suelo o roca no homogéneos, la distribución de los potenciales se altera de tal manera que el método presentado produce una resistividad aparente, la cual está condicionada por las relaciones físico-geométricas de los estratos a través de los cuales fluye la corriente. Esto significa que la configuración de los electrodos también condiciona la evaluación de la resistividad. Por otra parte, la heterogeneidad, la anisotropía y los contactos entre medios diferentes, alteran de manera importante la curvatura local de las equipotenciales. Se ha mencionado además que en los contactos en los cuales el coeficiente de reflexión es apreciable las equipotenciales y como consecuencia las líneas de corriente, cambian de pendiente. Suponga que en el método se seleccionan espaciamientos d de los electrodos de corriente y se mida la resistividad para el menor espaciamiento y la correspondiente al siguiente se acumula con la anterior. Se mide la correspondiente al tercer espaciamiento y se acumula con la del segundo y así sucesivamente. Si las resistividades acumuladas se colocan sobre las ordenadas y la distancia a la cual se midieron las resistividades acumuladas se coloca sobre las abscisas se obtiene una gráfica similar a la de distancia - tiempo que se emplea en los métodos de refracción. Si se interpolan rectas entre los puntos graficados se apreciarán quiebres de pendiente que corresponden a cambios bruscos de la resistividad, es decir que identifican los contactos que permiten determinar la estratificación del terreno recorrido por la corriente. La distancia desde el eje vertical hasta cada quiebre indica aproximadamente la profundidad a la cual se produjo el quiebre y por tanto la profundidad del contacto. El primer estrato tendrá un espesor igual a la distancia del primer quiebre. El segundo estrato tendrá un espesor igual a la diferencia en distancias entre el segundo y el primer quiebre y así sucesivamente

Figura 1.37. Resistividad acumulada contra distancia

∑ p


Procedimiento de Campo. Antes de salir a campo se debe consultar toda la información geológica y geotécnica disponible, con el fin de determinar el perfil esperado, esto permite detectar anomalías o confirmar tendencias. Así mismo se recomienda hacer una revisión del equipo y material que se debe llevar, verificando su estado de funcionamiento, asegurando que se dispone de las baterías necesarias. Se deben tener en cuenta algunas recomendaciones para evitar accidentes y para que los resultados sean realmente confiables. Entre los fenómenos que pueden afectar una práctica de campo, alterando buenas lecturas del potencial, deben citarse; las corrientes parásitas o ruidos como la polarización espontánea y las corrientes telúricas. Por otra parte, efectos artificiales como la presencia de corrientes eléctricas, instalaciones industriales, líneas de alta tensión y emisoras de radio, alambradas, cables, tuberías metálicas también pueden introducir efectos perturbadores. En general el método sirve para medir las resistividades a diferentes profundidades, en un mismo lugar, y para medir la resistividad a una misma profundidad a lo largo de un perfil.

Figura 1.38 (a) Resistividad acumulada contra distancia entre electrodos de corriente

Figura 1.38 (b) Equipotenciales y líneas de corriente.

Res

istiv

idad

acu

mul

ada

Distancia2n∆

∑ p

Equipotenciales

Líneas de Corriente

Electrodo

Valores

Terman



Figura 1.39. Gráficas resistividad vs. distancia

1.8.3. Métodos Magnéticos y Gravimétricos. El trabajo de campo correspondiente a estos métodos de exploración es similar, distinguiéndose en el aparato utilizado, en el magnético se utiliza un magnetómetro, que mide la componente vertical del campo magnético terrestre en la zona considerada, en varias estaciones próximas entre sí. En los métodos gravimétricos se mide la aceleración del campo gravitacional en diversos puntos de la zona a explorar. Valores de dicha aceleración ligeramente más altos que el normal, en la zona, indicaran la presencia de masas duras de roca; lo contrario será índice de la presencia de masas ligeras, de cavernas o de oquedades. En la actualidad según los especialistas, los aparatos permiten descubrir la existencia de fallas, grietas y fisuras importantes o rellenos de materiales recientes en hondonadas antiguas. Persiste sin embargo la dificultad interpretativa para situar las anomalías en profundidad.

1

10

100

1000

10 100 10002

AB

(m)

Res

istiv

idad

(ohm

.m)

1

Capa 1 AB 10m Capa 2 BC 25m Capa 3 CD 40m Capa 4 DE 150m Capa 5 EF 125m

50 100 150 200 250 300 350

Distancia (m)

D

A

C

B

E

F

Epa


Los métodos gravimétricos se basan en el estudio de las variaciones locales del peso que resultan de la importancia y diferencia de densidad de las masas rocosas que se encuentran en el punto estudiado. Este procedimiento necesita largas y muy dedicadas observaciones científicas se utiliza un gravímetro que aporta una gran velocidad de ejecución de las operaciones. Solo el método gravimétrico puede permitir el descubrimiento de cavidades, pero se necesitan aparatos sensibles por lo cual son muy raros los casos de aplicación del procedimiento. 1.8.4. Método Radiactivo. Consiste en registrar la radiación que emiten las diferentes formaciones del subsuelo. De la diferencia acusada en estas radiaciones puede inferirse la naturaleza y ciertas características de las formaciones geológicas del perfil de suelos local. Las rocas ricas en materia activa, emiten mucha radiación. Actualmente están en ensayo métodos de prospección superficial, basados en emitir cierta radiación sobre el terreno (hasta 2mts de profundidad) y recibir la reflexión de la emisión. 1.8.5. Método Geotérmico. Está basado en la medida del cambio de la temperatura del subsuelo a diferentes profundidades. Utiliza el gradiente geotérmico. En aplicaciones superficiales, ha servido sobre todo para la detección de fuentes de agua, cavernas y fracturas, pero por el momento su utilización en medidas a poca profundidad es antieconómica. Estos últimos tres métodos se pueden utilizar realizando una perforación y desde esta con la inclusión de sondas registrar los valores magnéticos, radiactivos y geotérmicos. 1.8.6. Radar de Penetración del Terreno (GPR) La velocidad de la radiación electromagnética es dependiente del material a través del cual están viajando. El GPR usa este principio para analizar las señales de reflexión del radar transmitidas en el terreno por una antena de baja frecuencia. Las señales son continuamente transmitidas y recepcionadas a medida que la antena es desplazada a través del área de interés, de este modo se obtiene un perfil de las diferentes capas del material en el subsuelo. El Radar (RAdio Detection And Ranging) fue inicialmente desarrollado como un medio que usa las microondas para detectar la presencia de aeronaves y barcos, y obtener su distancia respecto al transmisor. Este proceso fue logrado por transmisión de pulsos de radiación y registro de la reflexión. Avances en la



tecnología del radar han permitido el desarrollo de sistemas capaces de proveer imágenes de la superficie del terreno, de aeronaves o del espacio, y sistemas que pueden penetrar el terreno, aportando rasgos del subsuelo que pueden ser mapeados. Este sistema es conocido como radar de penetración del terreno. Difiere del sistema usado para detectar aeronaves, barcos y proveer imágenes de la superficie del terreno en la capacidad del transmisor y la longitud de onda de la señal que este produce. Típicamente el sistema de radar usado en sensores remotos opera con frecuencias de alrededor de 1 GHz y tienen longitudes de onda entre 8 y 300mm. La energía electromagnética transmitida a altas frecuencias únicamente penetraran el terreno a una profundidad de unos pocos cientos de milímetros. El radar de penetración del terreno (GPR) opera a frecuencias entre 1 y 2500 MHz, y es capaz de penetrar el terreno a profundidades mayores de 30m. no obstante la profundidad de penetración es muy sensible a las propiedades eléctricas de el terreno, en el caso de un terreno con una alta conductividad como en el caso de una arcilla saturada, la profundidad de penetración puede reducirse a menos de 1m. el GPR fue inicialmente usado para estimar el espesor del casquete de hielo polar en los glaciares del Ártico y Antártico. Desde los inicios de la década de 1970, este comenzó a ser usado en ambientes sin hielo, y hoy su aplicación se extendido a mas clases de terrenos, actualmente su uso se esta dando a investigación del terreno para mapear rasgos del subsuelo tales como profundidad de la roca, nivel freático, vacíos, fracturas en la roca y la extensión de terrenos contaminados. También ha sido usado para proveer secciones de la estructura de un pavimento en el mantenimiento de carreteras, para detectar vacíos bajo pavimentos de concreto, para chequear la integridad del alineamiento de un túnel y localizar las barras de refuerzo en estructuras de concreto reforzado. La unidad del radar produce un pulso electromagnético de ondas que viajan a través del terreno a una velocidad controlada por las propiedades eléctricas del terreno. Las Diferencias en la conductividad eléctrica resultantes de los cambios en el tipo de suelo o la química del agua subterránea producirán ondas reflejadas. Las señales reflejadas por los contactos entre los materiales del subsuelo u objetos enterrados son recibidos por la misma antena transmisora. El receptor electrónico amplifica y digitaliza las señales reflejadas, las cuales son almacenadas para el posterior proceso. El registro del radar son similares a los registros sísmicos en que estos consisten de unas ondas formadas en dominio del tiempo. Así, una vez la señal de retorno es recibida por la antena, el sistema de radar actúa en forma similar a un sismógrafo, aportando un tiempo base exacto, almacenando y desplegando el registro del radar posteriormente. Una mayor diferencia entre un sismograma y un sistema de radar esta en la resolución del tiempo base. Para el sistema de radar la resolución es medida en décimas de picosegundos, mientras que la resolución para un sismograma puede ser de varios cientos de nanosegundos.

1.9 ENSAYOS EN EL TERRENO Se mencionan otros ensayos realizados en el terreno con los cuales se obtienen parámetros en forma directa sin tomar muestras para ensayar en el laboratorio, hasta ahora se han mencionado los ensayos de penetración Standard, Ensayos estáticos y dinámicos con cono, Ensayos de veleta, como ensayos directos se utilizan ensayos de carga directa, Instrumentación. Las pruebas de carga de directa pretenden determinar en el sitio las características de resistencia y deformabilidad de los materiales. Existe gran variedad de ensayos In-situ de estas características. De los ensayos de penetración standard puede decirse que las pruebas de penetración cónica, estática o dinámica, son útiles en zona cuya estratigrafía sea ampliamente conocida y cuando se desee simplemente obtener información de sus características en un lugar específico. La prueba de penetración estándar debe estimarse preferible en todos los casos en que su realización sea posible. En la prueba dinámica puede usarse el penetrómetro de la figura 1.12, atornillado al extremo de la tubería de perforación; a veces se usan en arenas penetrómetros cónicos ayudados por presión de agua. ENSAYO DE CARGA CON PLACA Se usaron con gran profusión en las investigaciones de cimentaciones pero desde la aparición de la mecánica de suelos como ciencia y el desarrollo de otras formas de exploración del mismo han tendido a desaparecer. La principal razón de ello está en su elevado costo en comparación con los sondeos y los ensayos de laboratorio de los suelos y la limitación de profundidad a que se puede explorar el terreno. El procedimiento para efectuar ensayos con placa consiste en excavar un pozo al nivel de cimentación previsto o a cualquier otra profundidad adecuada por debajo del nivel del terreno, y a continuación aplicar una carga estática sobre una placa asentada en el fondo del pozo. La carga se aplica con un incremento sucesivo hasta conseguir una falla en la resistencia del terreno al corte. La magnitud y variación del asentamiento bajo un nuevo incremento de carga es cuidadosamente medida. Una vez alcanzada la carga máxima, la presión en la placa va siendo reducida en sucesivos decrementos y restablecimiento de la placa es anotado en cada uno de los periodos de descarga. El ensayo de placa de carga podrá continuarse hasta la falla.

Exploración e Investigación del Subsuelo

52

1.10 DETERMINACIÓN DE PARÁMETROS. En la investigación del subsuelo se deben realizar algunos ensayos para la determinación de los parámetros de cada material descrito en el perfil estratigráfico. En general puede hacerse de la siguiente forma: 1.10.1. CLASIFICACIÓN DE MUESTRAS DEL SUELO. No obstante las mas recientes y sofistificadas clasificaciones de muestras del suelo, la clasificación realizada por Hvorslev sigue siendo ampliamente utilizada para caracterizar muestras provenientes de una labor de investigación del subsuelo. Esta es simple, y debido al hecho que el material muestreado experimentará una cierta alteración antes de efectuar sobre las mismas los ensayos de laboratorio, no se ve la necesidad de subdividir más las categorías por el propuestas. Hvorslev considera solamente tres clases de la muestra. 1. Muestras Inalteradas, son las muestras en las cuales el suelo se somete a pequeñas alteraciones permitiendo la realización de pruebas de laboratorio que permitan estimar características físicas aproximadas del suelo, tales como resistencia, compresibilidad y permeabilidad. Las muestra inalteradas son las que conservan todos los rasgos del material en el sitio, como son; estructura, volumen, humedad etc., las hay tipo 1 y 2, Las mejores muestras de tubo shelby si son de buena calidad son inalteradas clase 2, estas sirven para hacer caracterizaciones de fases pero tienen algún daño en su estructura, para la toma de muestras inalteradas tipo 1 se requiere equipo y procedimientos adecuados Los ensayos cuantitativos sobre muestras inalteradas más representativos son: Permeabilidad, Expansión, Consolidación, Compresión, Corte directo, Triaxiales 2. Muestras Representativas. Son las muestras del suelo de un estrato en particular que no han sido contaminadas por minerales o partículas de otros niveles en la perforación, y químicamente no han sido alteradas, pero pudieron haber sido remoldeadas y han sufrido cambios en el contenido de humedad, se ha afectado la estructura y el volumen, pero conservan sus componentes de fases sólido y liquido y sirven para hacer sobre estas caracterizaciones básicas del suelo, conservan todos los elementos constitutivos del suelo. Estas muestras se pueden obtener de los muestreadores que son inadecuados para las condiciones del suelo, o donde las muestras se toman de la zapata o punta de corte de los muestreadores antes de su sellado. Las muestras representativas se subdividen en 3 y 4, Las calificadas como muestras 4 no sirven para hacer caracterización de relaciones de fases. 3. Muestras No representativas, son muestras que contienen mezclas del suelo o roca de diversas capas, o suelos donde ciertas fracciones han sido removidas o intercambiadas por lavado o sedimentación. Este tipo de muestra no se considera


53

útil en la investigación del subsuelo, particularmente puesto que puede requerir de adecuada experiencia para obtener una clasificación preliminar del subsuelo. Muestras de esta clase se puede obtener de la siguiente manera. a). Perforación por Lavado, - donde el avance es efectuado con un chorro de agua a presión. b) Perforación por percusión y toma de muestras con balde. c) Perforación a rotación. La muestra no representativa se puede calificar como tipo 5, correspondiendo con muestras alteradas (ejemplo, ripios de perforación) por lo que es un material muy restringido, ya que no se les puede realizar ensayos, tan solo sirven para obtener una aproximación del conocimiento de la composición del perfil del suelo En la Tabla 1.5 se muestran las diferentes etapas de exploración del subsuelo, el tipo de prueba que se puede realizar a la muestra obtenida, así como también el tipo y cantidad de la misma necesarios para la prueba respectiva. 1.11 NÚMERO Y LOCALIZACIÓN DE PERFORACIONES, SONDEOS. El número de perforaciones, apiques o cualquier otro tipo de muestreo siempre esta relacionado con el tamaño del lote donde se va a desarrollar el proyecto, naturaleza de la obra, estructuras vecinas, entorno geoambiental, pero es recomendable que mínimo se efectúen 4 sondeos, y máximo el que se considere necesario siempre que no afecte la parte económica del proyecto. La variabilidad del terreno es un parámetro a tener en cuenta para determinar el número de sondeos. 1.12 PROFUNDIDAD DE LA EXPLORACIÓN.

La profundidad de exploración debe llevarse hasta el fondo de cada zona afectada (σ y τ). Entonces, para el caso de una cimentación dada, se determina la profundidad, teniendo en cuenta la forma de la sobrecarga, el punto de aplicación y su valor. Con estos datos se determina la profundidad que se ve afectada por la colocación de la sobrecarga, teniendo en cuenta que la magnitud de la sobrecarga esta dada por el peso de la estructura y el área ocupada.

∆P= presión en el suelo de fundación.

Entonces se considera que la afectación principal del suelo se da hasta donde el incremento en el esfuerzo vertical P0.05 o, p, ov ∆∗∆=∆ 1.0 ; por lo que el conocimiento del perfil del subsuelo debe darse según esta consideración hasta la profundidad en que se haya disipado la carga aplicada en un 90%., la profundidad de la exploración también puede ser establecida en forma aproximada como 2B por


54

debajo del nivel de fundación, en donde B es el ancho del elemento de cimentación a utilizar. Como conclusión, se tiene que la decisión sobre la profundidad de la exploración debe estar basada en las condiciones geológicas del sitio y en particular de la estructura que está siendo proyectada, considerando en buena medida el criterio ingenieril y los márgenes adecuados de seguridad. Tabla 1.5. Etapas a desarrollar en un programa de exploración del subsuelo y recomendaciones sobre tipo de muestreo y pruebas a desarrollar.

ETAPAS DE LA EXPLORACIÓN

TIPO DE PRUEBA A REALIZAR TIPO DE MUESTRA TAMAÑO DE LA

MUESTRA

Reconocimiento exploratorio

Desc. Visual Cont. agua (w)

Limites de Atterberg

Representativa

Muestras de posteadora, barrenos penetrómetro

zanjas.

Exploración detallada

Pruebas menores

Limites granulometría P. especifico

Contenido agua(w)

P especifico

Compres simple Pruebas Directas de esfuerzo Cortante

Representativa

Representativa bien sellada

Inalterada

1 dm3 50 Kg. 1 dm3

5 cm de diámetro o 30 cm

de lado

deseable muestra de 10 cm de lado

Exploración detallada

Pruebas mayores

Permeabilidad Consolidación

Triaxial

Comp. múltiple pruebas directas, de

esfuerzo cortante

Inalterada

Inalterada

5 cm de Diam, de 10 a 15cm de diam. mas

recomendable 10cm de diam. como mínimo de 30

a 40cm de lado

Exploración

Control de Calidad

Granulometría Compactación

Triaxial Agregados para

concreto

Peso especifico seco, contenido de

agua, Triaxial

Representativa natural o

fabricada en laboratorio

Inalterada

50 a 100 Kg. a veces requiere

250 Kg.

5 a 10 cm de diámetro, 30 cm de lado o

molde Vrs.

Análisis químico Y bacteriológico. Inalterada 10 lts.

Inspec. visual, mineralogía, compresión,

cortante, porosidad

permeabilidad

Inalterada

2.2 a 2.9 cm. (barras Ex-Ax) 4.1 a 5.4 cm

(barras Bx-Nx)


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1.13 OBSERVACIONES DURANTE LA CONSTRUCCIÓN Proyectar con base en las hipótesis más desfavorables es inevitablemente, antieconómico, pero ningún otro procedimiento provee al proyectista, antes de la construcción, la seguridad de que la estructura no va a desarrollar defectos como consecuencia de condiciones de suelo no anticipadas. Los vacíos que se tengan con respecto a la información disponible, se llenan con observaciones durante la construcción, haciéndose indispensable modificar el proyecto de acuerdo con dichas observaciones. Para poder usar con éxito este procedimiento en la ingeniería de suelos, se deben satisfacer dos requerimientos. Primero, las características generales de las zonas débiles deben ser reveladas por los resultados de la exploración del subsuelo antes que se inicie la construcción. Segundo, deben tomarse las previsiones necesarias para obtener durante la construcción una información cuantitativa con respecto a las características indeseables de estas zonas antes que sea demasiado tarde para poder modificar el proyecto de acuerdo con estas observaciones. Estos requerimientos son de mayor entendimiento si se comprende con claridad la mecánica de la interacción entre el suelo y el agua y se desarrollan medios de observación adecuados.

1.14 INVESTIGACIÓN DEL SUBSUELO PARA EDIFICACIONES SEGÚN LA NSR-98 A continuación se hace una trascripción de lo contemplado en el país a partir de la ley 400 y del decreto 33 de 1998, en los que se hace obligatoria la realización de estudios geotécnicos para construcciones sismorresistentes, siguiendo los parámetros de la norma contenidos en el titulo H de la misma. Los aspectos más importantes a tener en cuenta son los siguientes: 1.14.1 Clasificación de la Complejidad del Proyecto: Se define como el resultado de la aplicación de dos criterios; uno dependiente de la categoría de la edificación que se intenta, y el otro dependiente de la variabilidad del subsuelo sobre el que esta se apoyará. Categoría de la Edificación: Se refiere al tipo de estructuras que se proyectan construir en el sitio y se califican como normal, intermedia, alta y especial, tomando dos grandes grupos: edificios y casas, según el área del lote, la altura de la edificación y el número de repeticiones. Como se presenta en la tabla 1.6:


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Tabla 1.6 Calificación del tipo de obra según NSR-98

EDIFICIOS CASAS CATEGORÍA

EDIFICACIÓN Lote m2 N° de Pisos

Lote Proyecto m2

N° de Unidades

NORMAL 100-250 <4 <1000 0-10 INTERMEDIA 250-1000 4-7 1000-5000 10-100

ALTA 1000-1500 8-14 5000-10000 100-500 ESPECIAL >1500 >15 >10000 >500

Variabilidad del Subsuelo: La variabilidad del subsuelo esta definida como una consecuencia de los estudios de micro zonificación de cada municipio. Se determinan las siguientes indicaciones generales para definir si la variabilidad es baja, media o alta. Variabilidad Baja: Corresponden a perfiles del subsuelo donde no existen

variaciones importantes entre el lugar programado para una perforación y sus vecinos, originados en formaciones geológicas simples, presentan materiales de espesores y características mecánicas aproximadamente homogéneas, cubren grandes áreas con materiales uniformes, tales como depósitos lacustres, llanuras aluviales, terrazas de ríos en sus cursos medio a bajo, depósitos de inundación, suelos residuales en zonas de pendiente baja y uniforme, y en general suelos con pendientes transversales hasta el 10%.

Variabilidad Alta: Corresponde a un perfil del terreno donde existen variaciones

importantes entre una perforación y otra. Están originadas en formaciones geológicas complejas, con alternancia de capas de materiales con orígenes y espesores diferentes, heterogeneidad dentro de las mismas capas, terrenos de topografía irregular con accidentes importantes como depósitos de la era, flujos de lodos y escombros sometidos a alteraciones por deslizamientos, movimientos de tierra, botaderos, depósitos de escombros, deltas de ríos, y depósitos aluviales intercalados. Se incluyen en esta categoría de variabilidad los terrenos sometidos a alteraciones por deslizamientos, movimientos de tierra, botaderos, depósitos de escombros, minas y canteras, y suelos con pendientes transversales superiores al 50%.

Variabilidad Media: Se define para situaciones intermedias entre variabilidad

baja y alta, como terrazas y llanuras aluviales en su curso medio, desembocaduras de ríos y quebradas, suelos residuales relativamente complejos, suelos con pendientes transversales desde el 10% hasta el 50% y en general los depósitos no contemplados en las anteriores.


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Complejidad del Proyecto: Es el segundo elemento a tener en cuenta a la hora de determinar el número de sondeos y la profundidad de estos, resulta de tener en cuenta la categoría de la edificación y la variabilidad del suelo:

Tabla 1.7 Evaluación de la Complejidad del Proyecto. según NSR-98

Variabilidad del suelo Categoría Edificación Baja Media Alta

Normal I I II

Intermedia II II III

Alta III III III

Especial III IV IV

1.14.2 Estudios Definitivos Información Previa: El ingeniero debe recopilar y evaluar los datos disponibles sobre las características del sitio del proyecto. Del sitio: Geología, sismicidad, clima (lluvias, temperatura), vegetación, existencia y características de edificaciones vecinas e infraestructura y estudios anteriores, el ingeniero debe conocer el sitio en el cual se debe desarrollar el proyecto. Del proyecto: Levantamiento topográfico del sitio, urbanismo, tipo de edificación, niveles de excavación y sótanos, niveles de construcción, cargas, redes de servicio y demás aspectos que se consideren necesarios. Exploración de Campo: Consiste en la ejecución de apiques, trincheras, perforaciones estáticas, dinámicas u otros métodos reconocidos con el fin de obtener parámetros de los materiales del sitio mediante pruebas directas o indirectas y muestras de laboratorio para ensayos. Esta exploración debe ser amplia y debe cubrir la identificación y muestreo de cada uno de los estratos presentes en el sitio para garantizar un adecuado conocimiento del subsuelo, hasta la profundidad afectada por la edificación. 1.14.3 Numero Mínimo de Sondeos Se definen según la complejidad del proyecto según la tabla. 1.8.


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Tabla 1.8 Numero y profundidad de Sondeos según NSR-98

NUMERO Y PROFUNDIDAD MÍNIMA DE SONDEOS

COMPLEJIDAD

CONSTRUCCIÓN DE

EDIFICIOS

PROFUNDIDAD (m)

CONSTRUCCIÓN DE CASAS

PROFUNDIDAD (m)

I 3 15 3 6 II 4 20 4 8 III 5 25 5 10 IV 6 30 6 15

Unidad de Construcción: La unidad de construcción para efectos de aplicación de la tabla debe coincidir con la misma unidad básica del proyecto si se trata de edificios, esta unidad es el bloque correspondiente aislado o separado por juntas de dilatación; si se trata de casas es la unidad de proyecto por agrupación, unifamiliar, bifamiliar o trifamiliar según haya considerado el respectivo proyecto arquitectónico. 1.14.4 Característica y Distribución de los Sondeos Los sondeos que se realicen deben satisfacer las siguientes recomendaciones propuestas en la norma: Los sondeos con recuperación de muestras deben constituir como mínimo el 50% de los sondeos propuestos. Las muestras se toman en cada cambio de material o por cada 1.5 metros de longitud del sondeo. Al menos el 50% de los sondeos deben quedar ubicados dentro de la proyección sobre el terreno de las construcciones. Los sondeos practicados dentro de el desarrollo del estudio preliminar pueden incluirse como parte del estudio definitivo, de acuerdo con esta normativa siempre y cuando hayan sido ejecutados con la misma calidad y siguiendo las especificaciones dadas en el reglamento de la NSR. El número de sondeos finalmente ejecutados para cada proyecto debe cubrir completamente el área que ocuparan la unidad o unidades de construcción contempladas en cada caso. En el caso de excavaciones, la profundidad de los sondeos debe ser como mínimo 1.5 veces la profundidad de excavación, o 2.0 veces en el caso de suelos designados como “S3. y S4 “ en el título A de la Norma Sismo Resistente. La profundidad indicativa se considera a partir del nivel inferior de excavación para sótanos o cortes de excavación. Cuando se construyen rellenos dicha profundidad se considerara a partir del nivel original del terreno.


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Es posible que alguna de las consideraciones precedentes conduzcan a sondeos de una profundidad mayor que la dada en la tabla 1.8 En tal caso, el 20 % de las perforaciones debe cumplir con la mayor de las profundidades así establecidas. PROFUNDIDAD DE LOS SONDEOS Además de la profundidad recomendada para los sondeos y presentada en la tabla 1.8 por lo menos la mitad de los sondeos debe alcanzar la máxima profundidad, teniendo en cuenta que los esfuerzos generados por la estructura en el suelo de fundación no superen el 10% del esfuerzo geostatico inicial. Para cumplir con esto se han dado algunas recomendaciones empíricas por diversos autores: La profundidad de exploración debe ser por lo menos 1.5 veces el ancho de la loza de cimentación; 2.5 veces el ancho de la zapata de mayor dimensión, 1.25 el largo del pilote de mayor longitud, 2.5 veces el ancho del cabezal de mayor dimensión para grupos de pilotes. En los casos donde aparece el nivel de roca o aglomerados rocosos o capas de materiales asimilables a los mencionados y a profundidades inferiores a las estipuladas es posible suspender los sondeos reconstruyendo un perfil donde se presente el espesor esperado de estos depósitos para los análisis para el diseño. En proyectos de edificaciones de complejidad alta y especial se debe perforar en estos depósitos dos y cuatro metros respectivamente o 2.5 veces el diámetro de los pilotes si estos van a quedar apoyados en este estrato. REPETICIÓN DE UNIDADES DE CONSTRUCCIÓN El número mínimo de sondeos dado en la norma para una unidad y que corresponde al valor propuesto en la tabla presentada (1.8), se debe modificar en proporción al número de unidades de construcción, nu , de acuerdo a la expresión:

( )31

* ust nnrn = (1.15) Donde:

=γ Coeficiente de repetición que refleja la complejidad del proyecto. =sn Número mínimo total de sondeos por proyecto de construcción. =tn Número total de perforaciones por ejecutar en el estudio definitivo. =un Número total de repeticiones de la unidad básica.


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Tabla 1.9, Valores de r, según NSR-98

Valor de r 1 1.1 1.2 1.3 Grado de Complejidad I II III IV

ENSAYOS DE LABORATORIO Selección de muestras: Las muestras obtenidas en la exploración de campo deben ser seleccionadas por el ingeniero geotecnista, quien debe ordenar los ensayos de laboratorio que permita conocer con claridad su clasificación, pesos unitarios, propiedades de resistencia al corte, deformación y permeabilidad de los diferentes materiales afectados por el proyecto. Tipo y número de ensayos: El tipo y número de ensayos depende de las características propias de los suelos o materiales rocosos por investigar, del alcance del proyecto y del criterio del ingeniero geotecnista. Ensayos para suelos: Para suelos como mínimo, se deben realizar ensayos de clasificación completa para cada uno de los estratos o unidades estadísticas, sus niveles de meteorización, su humedad natural y peso unitario. Ensayos para rocas: para materiales rocosos, como mínimo se deben realizar ensayos de peso específico, compresión simple, absorción y alterabilidad. Ensayos detallados: Las propiedades mecánicas e hidráulicas del subsuelo tales como: resistencia al corte, deformabilidad, expansión, permeabilidad, peso unitario, alterabilidad y otras, se determinan en cada caso mediante procedimientos aceptados de campo o laboratorio. Cuando las condiciones lo requieran los procedimientos de ensayo se deben orientar de tal modo que permitan determinar la influencia de la saturación, drenaje, confinamiento, cargas cíclicas y en general otros factores significativos sobre las propiedades mecánicas de los materiales investigados. . Sustitución para ensayos de campo: El ingeniero responsable del estudio puede sustituir ensayos de laboratorio por ensayos de campo, realizados con equipos y tecnologías de reconocida aceptación técnica, siempre y cuando, sus resultados se respalden mediante correlaciones confiables con los ensayos convencionales, sustentados en experiencias locales publicadas.


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Tabla 1.10 Ensayos Insitu, Vs pruebas de laboratorio Ensayos In situ Ensayos de laboratorio

Ventajas Los resultados del ensayo pueden ser obtenidos durante el curso de la investigación, mucho antes que los resultados del ensayo de laboratorio

El experimento se lleva a cabo en un ambiente bien controlado

son métodos apropiados para probar volúmenes grandes del terreno, asegurando que los efectos de partículas de gran tamaño y discontinuidades sean totalmente representados

Los niveles de esfuerzos y deformaciones son controlados, asi como las fronteras de drenaje y tasa de deformación

Pueden ser obtenidas la estimaciones del esfuerzo horizontal insitu

Los ensayos con esfuerzos efectivos pueden ser llevados a cabo. El efecto de la trayectoria e historia de esfuerzos puede ser evaluados

El modulo de drenaje bulk puede ser determinado.

Desventajas Las condiciones de drenaje no son controlados, asi, que estas no pueden ser definitivamente conocidas si los ensayos de carga son completamente no drenadas

En estos ensayos no debe usarse muestras donde la calidad y tamaño no se garantizan por ejemplo en suelos granulares, roca fracturada y débil, arcillolitas

La trayectoria de esfuerzos y/o niveles de deformación son a menudo pobremente controladas

Los resultados de la prueba sólo son útiles algún tiempo después de terminado el trabajo de campo.

No pueden hacerse pruebas eficaces para determinar los parámetros de esfuerzos efectivos, debido al costo e inconvenientes de un periodo de prueba largo

No pueden medirse las presiones del poro en el volumen de suelo ensayado de manera que los esfuerzos efectivos son desconocidos

El planeamiento de las investigaciones del terreno, requieren del conocimiento tanto de las pruebas de laboratorio como de campo, de tal manera que debe hacerse la mejor selección de las pruebas o ensayos a efectuar de acuerdo al objeto del proyecto.


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Tabla 1.11 Usos comunes de ensayos in situa y pruebas de laboratorio

Propósito Prueba apropiada de laboratorio

Prueba apropiado in situ

Perfil Contenido de humedad Distribución de tamaño de las partícula Plasticidad (Limites de Atterberg) Resistencia no drenada

Prueba del cono Prueba de penetración dinámica Registros geofísico Down-hole

Clasificación Distribución de tamaño de partícula Plasticidad (Limites de Atterberg)

Cono

Determinación de parámetros:

Resistencia Cu, No drenada Triaxial no drenado

SPT Cono Veleta

Resistencia pico efectiva, c’ φ’

Resistencia efectiva triaxial

Resistencia Residual cr ’ φr

Caja de corte Anillo de corte

Edometro Presurometro autoperforador Triaxial, con Medida de deformación pequeña,

Compresibilidad

Consolidación Triaxial

Prueba De placa

Permeabilidad Permeabilidad Triaxial Prueba de permeabilidad In situ Características

químicas pH Contenido de sulfatos

Método geofísico de Resistividad

1.15 DISEÑO DE UNA EXPLORACIÓN Analizada toda la información geológica, estructural y demás estudios disponibles del sitio para el estudio geotécnico del terreno donde se proyecta el desarrollo de una obra y teniendo en cuenta el tipo de proyecto y la etapa en la que se encuentra se procede a plantear la exploración a ejecutar en el sitio la cual debe contener los siguientes item:


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Determinación del número de Sondeos: Para edificaciones la norma sismo resistente propone el número de sondeos a realizar de acuerdo a lo expuesto en los numerales anteriores, pero resulta de vital importancia el análisis de la información geológica del sector y del conocimiento de proyectos anteriores para definir el número de sondeos a ejecutar. Para cada tipo de estructura a desarrollar ya existe una normatividad que determina un número “mínimo” de sondeos. Localización de los Sondeos: Los sondeos a realizar deben dar un cubrimiento total del área donde se contempla el desarrollo del proyecto, su distribución puede ser uniforme o simétrica o se puede presentar concentración de sondeos en zonas donde la variabilidad sea alta. En el caso de edificaciones es recomendable localizarla en las esquinas, en los cortes de ejes o centro, tratando de cubrir toda el área del proyecto. Profundidad de los Sondeos: Este criterio ya ha sido analizado en párrafos anteriores donde se establece una profundidad de acuerdo al proyecto y a la complejidad. Pero definitivamente es indispensable conocer la profundidad crítica de exploración, pues ningún sondeo debe quedar por encima de esta profundidad. La profundidad Critica Dc determina con el esfuerzo efectivo vertical y el incremento generado por la construcción a desarrollar. Selección del equipo o Equipos a Utilizar: Acorde al tipo de material esperado se debe proyectar el uso de equipos que permitan los mejores rendimientos y que con estos se puedan obtener las muestras necesarias y de la calidad requerida para determinar los parámetros necesarios en el diseño. Para la selección del equipo se tiene en cuenta la profundidad de exploración el tipo de muestras a colectar y la secuencia estratigráfica. Tipo de Muestras a obtener en la Exploración y Ensayos a Ejecutar: De acuerdo al modelo matemático a utilizar para la evaluación de la capacidad portante y los asentamientos se establece el muestreo a realizar, el tipo de ensayos y la condición en la que se deben realizar los ensayos, las tablas 1.10 y 1.11. ofrecen una guia interesante para la selección del tipo de ensayos. Aseguramiento de la calidad. “La garantía de calidad de la actividad de exploración comprende todas las acciones que son planeadas sistemáticamente para proporcionar la confianza adecuada de que el producto o servicio satisfará las normas y requisitos de calidad requeridos”. Es decir el aseguramiento de calidad se refiere a la gerencia de una organización para resolver objetivos convenidos de obtención de la calidad. Esta labor por si sola no garantiza que un servicio sea de la calidad necesaria para un trabajo dado, pero procura satisfacer en conjunto con otros estándares predeterminados, acercando al trabajo de una manera sistemática. En este sentido el adecuado planeamiento de un programa de exploración del subsuelo representa una buena práctica de gerencia a


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implementar en este proceso, actividades que es recomendable implementarlas en las diversas labores que un proceso de exploración del subsuelo implica, ya que esta es considerada como una de las actividades mas importantes en geotecnia, en el sentido de que es de esta que vamos a conocer la composición del perfil del subsuelo y tomar las muestras correspondientes para su caracterización en el laboratorio y posterior análisis de los resultados. Biliografia:

Exploración e Investigación del Subsuelo 1

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