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DEPARTAMENTOMECANICA DE SUELOS
FACULTAD DE INGENIERA CIVIL
UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA
Ing. German Walter Tello Palacios
EXPLORACION DE CAMPO
En el diseño y la construcción de una edificación es necesario realizar la exploración del lugar seleccionado.
Del tamaño dependerá el programa de la exploración. Sin embargo siempre es necesario llevarla a cabo aun cuando la obra sea pequeña
OBJETIVOS
Los objetivos de la exploración de campo son:
a) Evaluar la conveniencia general del lugarb) Permitir la preparación de un diseño adecuado y
económico.c) Planear el método de construcción, predecir y
contrarrestar las dificultades que pueden surgir durante la construcción.
d) Determinar las variaciones de las condiciones del terreno
ETAPAS
Las etapas de exploración de campo son:
a) Estudio de gabinete, es la reunión de información del lugar como mapas y dibujos.
b) Reconocimiento del lugar por geólogos, topógrafos, ingenieros de mecánica de suelos, hidrólogos, etc.
Se debe reunir información acerca de la topografía y geología básica
Se debe examinar las condiciones locales como: clima, corrientes de agua, condiciones de agua subterránea
Se debe realizar registros fotográficos.
c) Exploración detallada del sitio y muestreo: investigación de la geología en detalle y condiciones superficiales del suelo, usando pozos de prueba, galerías, perforaciones, ensayos de penetración, métodos geofísicos, estudios de las condiciones de agua subterránea (incluso después de terminar la obra); examen de las estructuras existentes y adyacentes para detectar grietas y asentamientos, localizados de estructuras subterráneas o cavidades, tubos enterrados, ductos de servicio, etc., toma de muestras para exámenes mas detallados y ensayos de laboratorio.
d) Prueba de laboratorio con las muestras: ensayos con muestras alteradas y no alterada elegida por el grupo de exploración. Ensayos estándar de suelos para fines de clasificación y ensayos especiales para determinar su comportamiento mecánico de resistencia, compresibilidad y permeabilidad: resistencia al corte, consolidación, permeabilidad, etc.
e) Ensayos in situ: Ensayos llevados a cabo en el propio lugar, ya sea antes o durante el proceso de construcción; pruebas en el suelo talos como veleta de corte, penetración cónica de caña partida, pruebas de placa de cargas directa, pruebas de colapso, etc.
f) Reporte de resultados: detalles de estudio geológico, incluyendo estructuras, estratigrafía y mapeado, resultados de perforaciones, resultados de las pruebas de laboratorio, incluyendo los registros de excavaciones, referencias de muestras e interpretaciones estratigráficas, recomendaciones para investigación complementarias y ensayos adicionales, sistemas de monitoreo de la construcción y de la post-construcción.
POZOS DE PRUEBAS O CALICATAS
En los suelos cohesivos y rocas blandas por encima del nivel freático, las calicatas suelen ser preferibles a las perforaciones, se logran con facilidad con una excavadora mecánica o incluso a mano y tienen la ventaja de que exponen la sucesión de estratos para facilitar su inspección visual.La principal desventaja es que están limitados a profundidades de 2m a 3m, o quizás un poco mas con excavación manual adicional.
Las paredes laterales de los pozos deben soportarse de manera adecuada, aun cuando solo vayan a quedar abiertas por periodos cortos, también puede ser necesario instalar algún equipo de bombeo de agua, en especial cuando se trata de rocas y suelos permeables. Las muestras pueden tomarse manualmente del fondo y de las paredes laterales del foso. Los pozos de prueba resultan muy útiles en los suelos que contienen cantos o guijarros, para observaciones del agua subterránea.
Pozos de Prueba o calicatas
POSTEADORAS MANUALES
El barreador manual (posteadora o Iwan Auger) es una herramienta manual muy simple que se usa para perforaciones o sondajes en suelos blandos hasta una profundidad de 5m a 6m.
La forma usual es un barrenador semicilíndrica de 10cm de diámetro, unido por medio de una serie de varillas de extensión de 1m a un mango en forma de cruceta que se hace girar manualmente desde la superficie.
Las cucharas acopladas en el extremo para extraer muestras tienen diseño especial cuando se trate de suelos puramente cohesivos (arcillas) o friccionantes (arenas).
Posteadora Manual
PRUEBA DE PENETRACION ESTANDAR (SPT) ASTM -1586
El ensayo de Penetración Estándar (S.P.T.) consiste en contabilizar el N (Número de golpes) necesarios para ser penetrar un tubo o cuchara de caña partida de = 2” de diámetro interior en un total de 45 cm, utilizando un martillo de 140 lb de peso, dejado caer desde 30” (0.76 cm de altura). El valor de N de ensayo de penetración, corresponde para los 30 últimos centímetros de penetración.
A partir de los resultados del ensayo SPT se pueden obtener parámetros de resistencia cortante para suelos arcillosos saturados y arenas utilizando correlaciones empíricas
Equipo SPT
Equipo SPT
PERFORACION MEDIANTE LAVADO
Un método alternativo son los denominados perforación mediante lavado denominados «wash boring» utilizados en Norteamérica. Sin embargo el grado de disturbancia es mayor.
En este sistema la perforación se conecta una pequeña bomba de agua que inyecta un chorro continuo de agua a las varillas de extensión que son huecas y acaba en taladro, puntero o cincel con orificios laterales por donde el agua sale a presión. Conforme se va percutando o rotando contra el fondo de la perforación el agua a presión va lavando y expulsando las partículas de suelo.
Los suelos finos con baja humedad sufren mayores alteraciones sobre todo en suelos de estructura porosa y colapsable. En suelos arenosos con gravas, existe posibilidad que las gravas no pueden ser extraídas mediante flujo de agua y distorsionen los resultados de los ensayos de penetración.
Equipo Wash Boring
PERFORACION ROTATORIA DIAMANTINA
En suelos duros y rocas se usan perforadas con broca de corona con incrustaciones de diamante amorfo accionada a motor que consiste en una barra hueca de diámetro pequeño que cuenta con una broca por su extremo inferior.
La barra gira a velocidad que van de 600 a 1200 rpm haciendo circular agua a presión controlada a través de la broca. Los fragmentos desprendidos por el corte anular se transportan hasta la superficie junto con el agua de circulación.
Por lo general, se lleva a cabo una corrida de perforación de 1m a 3m antes de elevar la sarta y extraer la muestra. Los tamaños comunes mas usuales para los barriles muestreadores de campo varían entre 3cm y 10cm, aunque es posible contar con equipos de mayor diámetro para usos especiales.
PerforaciónRotatoria Diamantina
ENSAYOS DE PENETRACION LIGERA DE CONO, SPL o DPL
Se utiliza el Cono Ligero Alemán de acuerdo a la Norma DIN 4094 incorporada en la Norma Técnica E0.50 de Suelos y Cimentaciones por el Ministerio de Transportes, Comunicaciones, Vivienda y Construcción. Dado que el Cono Alemán transmite la misma cantidad de energía especifica que el Ensayo de Penetración Estándar SPT Norma ASTM 1586 según la Norma DIN no es necesario utilizar correlaciones para la interpretación de los resultados.
El equipo de cono ligero consiste de un cono de punta cónica de 90º y 2.20cm de diámetro.
EL martillo pesa 10kg y la altura de caída es de 50cm
El valor Npsl corresponde al numero de golpes para conseguir 10cm de penetración.
El ensayo es continuo y se registra valores cada 10cm. Por la cantidad de datos de la resistencia a la penetración este ensayo es muy recomendado en cimentaciones.
La principal limitación del ensayo es la presencia de gravas en el subsuelo que alteran los resultados o en el peor de los casos impide el ensayo.
PRUEBA DE VELETA DE CORTE
Con mucha frecuencia los limos y las arcillas blandas y de consistencia media en condición saturada, en especial las de origen aluvial o de aguas poco profundas presentan grandes dificultades para el muestreo debido a la baja consistencia. La prueba de veleta de corte diseñada solamente para medir la resistencia cortante «in situ» no drenado, cuando el suelo esta saturado.
Una veleta de cuatro aspas montada en el extremo de una varilla, se hinca en el suelo y se hace girar a una velocidad constante de entre 6 y 12 grados/min hasta que se produce el corte del cilindro de suelo contenido en las aspas. Se registra la torsión máxima necesaria para permitir el corte rápido (medición de la resistencia en la condición «no drenada»)
Se recomienda que para suelos blandos (Cu < 0.50 kg/cm2), el tamaño del aspa sea de 7.50cm de ancho y 15cm de longitud. Para suelos un poco mas resistentes (0.50 < Cu < 1.0 kg/cm2) el tamaño debe ser de 5 x 10cm.
La varilla de la veleta y las extensiones se protegen con una camisa para evitar que se adhiera el suelo durante la aplicación de la torsión. Dependiendo de la naturaleza del suelo, las pruebas de veleta pueden efectuarse a profundidades hasta de 60m a 70m.
ENSAYO DE REFRACCION SISMICA
Cuando es necesario investigar la disposición de la estratigrafía de manera preliminar o complementaria los ensayos de refracción sísmica constituyen un medio rápido y económico.
El ensayo consisten en medir mediante una serie de geófonos, la propagación de las ondas de corte, Vs generadas por una pequeña explosión o golpe de martillo.
Los suelos presentan diferentes valores de velocidades de ondas de corte y mediante correlaciones se determinan el tipo de suelos y la estratigrafía del subsuelo.
Método de Refracción Sísmica
DEPOSITOS DE SUELOS NATURALES EN EL PERU
SUELOS TIPO I: GRAVAS+CANTOS+BOLEOS+BOLONERIA
Suelos Aluvionales, hormigón de rio. Caso de Lima. Suelos Coluviales. Caso de La Oroya. Suelos Aluviales. Caso de Huaraz. Suelos Morrenicos. Lechos de Ríos. Terrazas Aluviales de Ríos Torrentosos. Caso de
Huancayo.
SUELOS TIPO II: ARENAS UNIFORMES+LIMOS+ARCILLAS
Suelos Eólicos y Marinos. Caso de La Molina, Chimbote y Piura.
Suelos de Inundaciones. Caso de Ica, Cañete e Iquitos.
SUELOS TIPO III: ARCILLAS BLANDAS
Suelos Lagunares. Caso de Puno y Junín. Suelos de Inundaciones Temporales. Caso de Aguajales. Represamientos temporales. Caso de Huaraz.
SUELOS ESPECIALES Suelos Sobreconsolidados. Caso de Chiclayo, Talara e
Iquitos. Suelos Resecados. Caso del Callao.
SUELOS TIPO I: GRAVAS+CANTOS+BOLEOS+BOLONERIA
Suelos Pobremente Gradados. Depósitos Consolidados son Estables Mecánicamente:
permeabilidad : muy permeable, k min 10-2 cm/segResistencia : excelentecohesión : baja o nula, C’ máx. 2 a 4 tn/m2
fricción : alta, ‘ entre 36º y 40ºpeso unitario : alto, entre 2.2 y 2.4 tn/m3
tamaño máx. de partículas : entre 20 y 80cmcompresibilidad : casi nula, del orden de mm.capacidad de soporte : entre 2.5 y 8 kg/cm2
modulo elástico : entre 800 y 1500 kg/cm2
Contenido de Finos mayor de 15% influye en la Resistencia C.F. mayor del 30% Resistencia No Drenada seria la
desfavorable Contenido de Arenas y Carbonatos influye en la
compresibilidad Evaluación Superficial:
+ Ensayo de Densidad Natural «in situ»+ Se utilizan Pozos de Pruebas de 80cm de lado+ Norma ASTM 4914-89
Evaluación Profundad mediante perforaciones:+ Diamantina (con agua y funda) en cualquier caso+ Percusión con Martillo (en seco y enfundado) sin N.F.
La Perforación Diamantina produce Resultados Pobres La Perforación con Martillo de Percusión es Excelente Control de Velocidad de Avance Relacionado con
Estratigrafía.
Depósitos No Consolidados presentan Problemas de Asentamientos.
En este tipo de deposito se Recomiendan cimentaciones mediante zapatas aisladas queconcentren la carga de la estructura en la cimentación para luego ser transmitida al subsuelo.
SUELOS TIPO II: ARENAS UNIFORMES+LIMOS+ARCILLAS
Suelos Mecánicamente Inestables Son Compresibles y de Baja Resistencia Fenómenos de Colapso y Licuación Evaluación Superficial hasta 6m u 8m.
+ Ensayo de Densidad Natural «in sutu»+ Método de Cono de Arena+ Ensayos de Corte Directo a la misma densidad natural + Ensayos Triaxiales CD a la misma densidad natural + Ensayos de Colapso ASTM D 5333+ Ensayo de Placa de Carga Directa ASTM S 1194+ Ensayos de Penetración Ligera, SPL DIN 4091+ Ensayo de Penetración Standard SPT ASTM D 1586+ Auscultación Cono de Peck+ Perforaciones con Posteadora Manual
Ensayo de SPT es el mejor y recupera muestras
Ensayo de SPL rápido y económico Limitaciones de los Ensayos de Penetración
+ Presencia de Gravas+ Componente fina
Evaluación Profunda mediante Perforaciones+ Lavado o «Wash Boring» con/sin funda+ Helicoidal Abierta sin funda+ Rotatoria con funda
El Método de Lavado Distorsiona el Suelo El Helicoidal abierto es el Rápido, Económico y Excelente El Rotatorio es lento y mas Costoso
En este tipo de suelos se recomienda zapatas aisladas conectadas mediante vigas de cimentación. La capacidad admisible puede tener valores intermedios (no bajos entre 1.0 y 2.0 kg/cm2) y los asentamientos suelen ser mayores de 2cm; sin embargo deberán ser siempre menores de 3 a 4cm.
Los asentamientos podrán ser absorbidos por las vigas de cimentación, es decir, el diseño de las vigas de cimentación se basara en los asentamientos diferenciales que pueden ocurrir en la cimentación.
El valor de los asentamientos diferenciales podrá ser considerado entre el 75% y 100% de los asentamientos instantáneos totales.
SUELOS TIPO III: ARCILLAS BLANDAS
Suelos muy compresibles. Suelos que presentan asentamientos instantáneos por flujo
plástico y asentamientos con el tiempo debido a consolidación.
En este tipo de suelos se recomienda cimentaciones profundas y en estructuras livianas, losas de cimentación.
La capacidad admisible es menor a 0.5 kg/cm2 y los asentamientos de las cimentaciones convencionales son del orden de 10cm.
