PUEBAS DE COMPO PARA DETERMINAR LAS PROPIEDADES DE LOS SUELOS

PRUEBAS DE PENETRACION CON RECUPERACION DE MUESTRA ALTERADA

PUREBA DE PENETRACIÓN ESTÁNDAR o SPT :

Es un tipo de prueba de penetración dinámica, empleada para ensayar terrenos en los que queremos realizar un estudio geotécnico. Es el ensayo más empleado en la realización de sondeos.Consiste en medir el número de golpes necesario para que se introduzca una determinada profundidad una cuchara (cilíndrica y hueca) muy robusta (diámetro exterior de 51 milímetros e interior de 35 milímetros, lo que supone una relación de áreas superior a 100), que le permite tomar una muestra en su interior, naturalmente alterada. El peso de la maza y la altura de la caída libre, están

normalizados, siendo de 63'5 kilopondios y 76 centímetros respectivamente.Cuando en la perforación del sondeo se alcanza la profundidad donde se efectuará la prueba, sin avanzar la entubación y viendo limpio el fondo del sondeo, se desciende el tomamuestras SPT unido al varillaje hasta apoyar en el fondo con suavidad. Luego se eleva repetidamente la maza con una frecuencia constante, dejándola caer libremente sobre una sufridera colocada en la zona superior del varillaje.Se contabiliza y se anota el número de golpes necesarios para hincar la cuchara los primeros 15 centímetros (N0 − 15).

Seguidamente se realiza la prueba en sí, introduciendo otros 30 centímetros, anotando el número de golpes requerido para la hinca en cada intervalo de 15 centímetros de penetración (N15 − 30 y N30 − 45).

El resultado del ensayo es el golpeo SPT o Resistencia a la Penetración Estándar:NSPT = N15 − 30 + N30 − 45

Si el número de golpes requerido para profundizar en cualquiera de estos intervalos de 15 centímetros, supera los 50, el resultado del ensayo deja de ser la suma anteriormente indicada, para convertirse en rechazo (R), debiéndose anotar también la longitud hincada en el tramo en el que se han alcanzado los 50 golpes.Hasta aquí, el ensayo  SPT se considera finalizado cuando se alcanza este valor. (Por ejemplo, si se ha llegado a 50 golpes en 120 mm en el intervalo entre 15 y 30 centímetros, el resultado debe indicarse como N0 − 15 / 50 en 120 mm, R).La cuchara SPT suele tener una longitud interior de 60 centímetros, por ello es frecuente hincar mediante golpeo hasta llegar a esta longitud, por lo que se tiene un resultado adicional que es el número de golpes N45 − 60 . Proporcionar este valor no está normalizado, no constituye un resultado del ensayo, solo tiene una función indicativa.Sus ventajas son que al ser la cuchara  SPT un tomamuestras, permite visualizar el terreno donde se ha realizado la prueba y realizar ensayos de identificación, y en el caso de terreno arcilloso, de obtención de la humedad natural.Por este ensayo SPT ser de uso extendido, muy útil en la caracterización de suelos granulares (arenas o gravas arenosas), donde es difícil obtener muestras inalteradas para los ensayos de laboratorio. Existen correlaciones en el caso de los terrenos cohesivos, pero al ser un ensayo prácticamente instantáneo, no se produce la disipación de los incrementos de presiones intersticiales producidos en estos suelos arcillosos por efecto del golpeo, lo que por cierto debe influir en el resultado de la prueba, por esta razón, los resultados del ensayo SPT en ensayos cohesivos no son muy fiables para la aplicación de correlaciones. Actualmente este criterio está cuestionado, siendo cada vez más aceptado que las pruebas penetrométricas pueden dar resultados igualmente válidos en todo tipo de suelo. En cualquier caso, al margen de la validez o existencia de correlaciones, el valor del golpeo obtenido en ensayo de penetración simple es un dato indicativo de la consistencia de un terreno susceptible de su utilización para la caracterización o el diseño geotécnicos.Cuando se intenta atravesar un terreno de grava, la cuchara normal no puede hincarse, pues su zapata se dobla. Con frecuencia se sustituye por una puntaza maciza de la misma sección. El ensayo SPT no proporciona entonces muestra. El golpeo así obtenido debe corregirse dividiendo por un factor que se considera del orden de 1'5.

METODO DE LA POSTEADORA, BARRENOS HELICOIDALES O MÉTODOS SIMILARES:En estos sondeos la muestra obtenida esta completamente alterada pero suele ser representativa del suelo en lo referente a contenido de agua, por lo menos en suelos muy plásticos. Los barrenos helicoidales pueden ser de diferentes tipos no sólo dependiendo del suelo por atacar, sino de acuerdo con la preferencia particular de cada perforista. Un factor importante es el paso de la hélice que debe ser muy cerrado para suelos arenosos y mucho más abierto para el muestreo en suelos plásticos. Posiblemente más usadas que los barrenos son las posteadoras a las que se hace penetrar el terreno ejerciendo un giro sobre el mineral adaptado al extremo superior de la tubería de perforación. Las herramientas se conectan al extremo de una tubería de perforación, formada por secciones de

igual longitud, que se van añadiendo según aumenta la profundidad del sondeo. En arenas colocadas bajo el nivel de aguas freáticas estas herramientas no suelen poder extraer muestras y en esos casos es preferible recurrir al uso de cucharas especiales, de las que también hay gran variedad de tipos.  Las muestras de cuchara son generalmente más alteradas; la razón es el efecto del agua que entra la cuchara junto con el suelo, formando en el interior una pseudo-suspensión parcial del mismo. El contenido de agua de las muestras de barreno suele ser mayor del real, por lo que el método no excluye la obtención de muestras más apropiadas, por lo menos cada vez que se alcanza un nuevo estrato. Con frecuencia es necesario ademar o revestir el pozo de sondeo. En la parte inferior una zapata afilada facilita la penetración. A veces la tubería tiene secciones de diferentes diámetros de modo que las secciones de diámetro menor van entrando en las de mayor. Para el manejo de los segmentos de tubería de perforación y de ademe, en su caso, se usa un trípode provisto de una polea, a una altura que permita las manipulaciones necesarias. Los segmentos manejados se sujetan a través de la polea con cable de manila o cable metálico inclusive: los operadores pueden intervenir manualmente en las operaciones, guiando y sujetando los segmentos de tubería de perforación. 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 recuente que se pierda la frontera entre ambos o aun la misma presencia del blando.

POZOS A CIELO ABIERTO CON MUESTRA ALTERADACuando este método es aplicable, es el más satisfactorio ya que se hace una excavación de tamaño suficiente para que un técnico baje y examine los diferentes estratos del suelo en su estado natural así como darse cuenta de las condiciones precisas referentes al contenido de agua en el suelo. La desventaja de este método es que no puede llevarse a grandes profundidades a causa de la dificultad de controlar el agua por debajo del nivel freático; naturalmente que el tipo de suelo de los diferentes estratos atravesados también influye grandemente en los alcances del método en sí. Deben cuidarse especialmente los criterios para distinguir la naturaleza del suelo “in situ” y la misma, modificada por la excavación realizada. En efecto, una arcilla dura puede, con el tiempo, aparecer como suave y esponjosa a causa del flujo de agua hacia la trinchera de excavación; análogamente, una arena compacta puede p resen ta rse como semi f lu ida y sue l ta por e l m ismo mot ivo . 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, hecho por un técnico conocedor. En estos pozos se pueden tomar muestras alteradas o inalteradas de los diferentes estratos que se hayan encontrado.

PENETRACION CON RECUPERACION INALTERADA

MUESTREO CON TUBOS DE PARED DELGADA O TUBO SHELBY

Desde luego de ningún modo y bajo ninguna circunstancia puede obtenerse una muestra de suelo que pueda ser rigurosamente considerada como inalterada. En efecto, siempre será necesario extraer al suelo de un lugar con alguna herramienta que inevitablemente alterará las, condiciones de esfuerzo en su vecindad; además, una vez la muestra dentro del muestreador no se ha encontrado hasta hoy y es dudoso que jamás llegue a encontrarse, un método que proporcione a la muestra, sobre todo en sus caras superior e inferior los mismos esfuerzos que tenía “in situ”. Aparte de esto, la remoción de la muestra del muestreador al llegar al laboratorio produce inevitablemente otro cambio en los esfuerzos, pues la fase líquida deberá trabajar a tensión y la fase sólida a compresión en la medida necesaria para que se impida la expansión de la muestra, originalmente confinada en el suelo y ahora libre. La alteración producida por esta extracción es un factor importante aún y cuando se recurra al procedimiento de cortar longitudinalmente al muestreador para evitar el efecto de la fricción lateral, si bien con este procedimiento más costoso se atenúa la alteración. Por lo anterior, cuando en Mecánica de Suelos se habla de muestras "inalteradas" se debe entender en realidad un tipo de muestra obtenida por cierto procedimiento que trata de hacer mínimos los cambios en las condiciones de la muestra “in situ”, sin interpretar la palabra en su sentido literal.Se debe a M. J. Hvorsiev5 un estudio exhaustivo moderno que condujo a procedimientos de muestreo con tubos de pared delgada que, por lo menos en suelos cohesivos, se usan actualmente en forma prácticamente única. Muestreadores de tal tipo existen en muchos modelos y es frecuente que cada institución especializada desarrolle el suyo propio. El grado de perturbación que produce el muestreador depende principalmente, según el propio Hvorsiev puso de manifiesto, del procedimiento usado para su hincado; las experiencias han comprobado que si se desea un grado de alteración mínimo aceptable, ese hincado debe efectuarse ejerciendo presión continuada y nunca a golpes ni con algún otro método dinámico. Hincado el tubo a presión, a velocidad constante y para un cierto diámetro de tubo, el grado de alteración parece depender esencial-mente de la llamada “relación de áreas”.Donde De es el diámetro exterior del tubo y Di el interior. La expresión anterior equivale a la relación entre el área de la corona sólida del tubo y el área exterior del mismo. Dicha relación no debe ser mayor de 10% en muestreadores de 5 cm (2 pulgadas) de diámetro interior, hoy de escaso uso por requerirse en general muestras de mayor diámetro y, aunque en muestreadores de mayor diámetro pueden admitirse valores algo mayores, no existen motivos prácticos que impidan satisfacer fácilmente el primer valor.

POZOS A CIELO ABIERTO CON MUESTREO INALTERADOEste método de exploración ha sido ya descrito en la sección anterior por lo que no se considera necesario describirlo nuevamente. Sin em-bargo, es conveniente insistir en el hecho de que cuando es factible, debe considerarse el mejor de todos los métodos de exploración a dis-posición del ingeniero para obtener muestras inalteradas y datos adicio-nales que permitan un mejor proyecto y construcción de una obra.

En la Fig. A-9.a aparece uno de los tipos más comunes de muestreador de pared delgada; en la parte b de dicha figura se muestra un tipo más elaborado de muestreador de pistón,

que tiene por objeto eliminar o casi eliminar la tarea de limpia del fondo del pozo previa al muestreo, necesaria en los muestreadores abiertos; al hincar el muestreador con el pistón en su posición inferior, puede llevarse al nivel deseado sin que el suelo alterado de niveles más altos en el fondo del pozo entre en él; una vez en el nivel de muestreo, el pistón se eleva hasta la parte superior y el muestreador se hinca libremente (pistón retráctil) o bien fijado el pistón en el nivel de muestreo por un mecanismo accionado desde la superficie, se hinca el mues-treador relativamente al pistón hasta que se llena de suelo (pistón fijo). El la Fig. A-9.c se muestra un esquema de un dispositivo aplicador de presiones de hincado que puede usarse cuando no se disponga de una máquina perforadora que aplique la presión mecánicamente; un procedimiento alternativo al mostrado en la figura, será cargar la varilla de perforación con peso muerto utilizando gatos hidráulicos.En ocasiones y en suelos muy blandos y con alto contenido de agua, los muestreadores de pared delgada no logran extraer la muestra, saliendo sin ella a la superficie; 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. Al dejarlo en reposo la adherencia entre el suelo y muestreador crece con el tiempo, pues la arcilla remoldeada de la superficie de la muestra expulsa agua hacia el interior de la misma aumentando, por lo tanto, su resistencia y adherencia con el muestreador.En arenas, especialmente en las situadas bajo el nivel freático 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 el muestreador. La inyección de emulsiones asfálticas o el congelamiento de la zona de muestreo son métodos que se han usado algunas veces en el pasado. Afortunadamente el problema no es de vital importancia en la práctica de la Mecánica de Suelos dado que la prueba estándar de penetración, al

informar sobre la compacidad de los mantos arenosos, proporciona el dato más útil y generalmente en forma suficientemente aproximada, de las características de los mismos.

PERFORACION SIN RECUPERACION DE MUESTRA

PRUEBA DE PENETRACION CONICA (CPT) Incorpora un sensor con capacidad para registrar la presión de poro. Consiste en hincar a presión una barra con una punta cónica en el terreno a velocidad constante (2cm/s). Se mide el esfuerzo necesario para la penetración de la punta, qc y la fricción fs que se desarrolla en la superficie de una camisa colocada inmediatamente después de la punta cónica (zona sombreada).

Los suelos blandos (tanto granulares como cohesivos) constituyen el campo de aplicabilidad óptima de este ensayo. Se debe evitar su aplicación en presencia de bolos ya que estos pueden conducir al rechazo del ensayo o pueden ocasionar daños al equipo.

El equipo consta básicamente de los siguientes componentes: - ConoEl equipo de referencia consta de un cono de 60º y de 10 o 15 cm 2

de área en la base y 150 cm2 de área en la camisa de fricción. La extensión cilíndrica de la punta tiene un diámetro exterior de 35,7 mm. Existen dos tipos de puntas cónicas: mecánicas y eléctricas. Éstas últimas se introdujeron en 1948 y a partir de los años 60 su uso es generalizado. Son capaces de medir qc y fs por medio de sensores de presión que transmiten la información a la superficie a través de un

cable que pasa por el interior del varillaje de hinca. Como se ha comentado anteriormente el CPTu tiene un captor de presión de poro adicional que permite medir las presiones intersticiales u que se van creando durante la hinca de la punta y que permite realizar ensayos de disipación para conocer las presiones de agua en el suelo. Cálculo de asientos mediante ensayos “in situ”. Aplicación a la Nueva Área Terminal 10 El elemento que permite medir la presión intersticial dentro del cono, es el denominado filtro poroso; este debe tener una rigidez tal que no influya en las presiones de agua medidas; y además debe tener un permeabilidad que por un lado permita tener una respuesta suficientemente rápida (k alta) pero por otro lado, sea suficientemente baja para evitar la entrada de aire y la consecuente desaturación del filtro. En la práctica, se utilizan dos posiciones básicas del filtro, sobre la cara del cono (U1) o sobre la base del cono (U2) Las diferentes localizaciones del filtro en la punta cónica se pueden observar en la figura anterior. Hay que considerar que la ubicación del filtro dentro de la punta cónica puede afectar en la medición de los resultados. Numerosos autores han realizado estudios comparativos sobre este aspecto, como Robertson y Campanella, 1988, llegando a la conclusión que la ubicación del elemento poroso en el cono no es indiferente para el resultado. La elección de una u otra depende del tipo de suelo y objetivos del estudio; ambas soluciones tienen ventajas y desventajas aunque la tendencia actual parece que se decante para la ubicación de dicho filtro encima de la base del cono (U2).

- Varillaje de hincaSon los distintos tramos de varillaje con el que se transmite la fuerza para hincar la punta cónica. - Sistema de hinca: penetrómetroEl mecanismo de hinca de la punta en el terreno a través del varillaje es un sistema hidráulico montado encima de un vehículo adecuado; este debe tener el peso necesario para provocar una reacción suficiente para hincar el varillaje o tener un sistema de anclajes al terreno que garantice

dicha reacción. Las capacidades de reacción habituales oscilan entre 5 y 20 toneladas. El equipo debe estar bien nivelado, para garantizar la verticalidad de la hinca, aunque se admite una desviación vertical menor al 2%.

- Equipo de toma de datos (superficie)Es el equipo instalado en superficie formado por un sistema de adquisición de datos que registra a tiempo real los parámetros medidos con el ensayo. La adquisición sigue el siguiente esquema.

PROCEDIMIENTO DE EJECUCIÓN DEL ENSAYOLa normativa que recoge los puntos básicos para la ejecución correcta de este tipo de ensayo es la ASTM D-5778-95. A modo de resumen, para la realización del ensayo hay que seguir los siguientes pasos: 1) Realizar un sondeo previo o de avance hasta el nivel freático 2) Instalar el equipo de empuje 3) Saturar el filtro poroso y la punta 4) Introducción de la punta y varillaje en el interior del sondeo de avance. 5) Esperar unos minutos ante de empezar con el fin de igualar al máximo la temperatura del terreno y la de la punta. 6) Evaluar los ceros iniciales (voltaje a carga 0) 7) Penetrar en el suelo a velocidad constante (20 mm·s-1) 8) Registrar los parámetros necesarios: qc, fs, u Hay dos aspectos importantes dentro de la ejecución de este ensayo que se van a desarrollar de forma más específica, la saturación del filtro poroso y la ejecución del propio ensayo de disipación.

PERFORACION CON RECUPERACION DE NUCLEOS DE ROCA

Cuando se halla un estrato de roca durante una perforación, es necesario efectuar una extracción de núcleos de la misma, para lo cual, un barril de extracción de núcleos se une a la barra perforadora. Un trépano saca muestras se conecta al fondo del barril (figura 2.40). Los elementos de corte usados son diamante,

tungsteno, carburo, etc. La tabla 2.8 resume los varios tipos de barril y sus tamaños, así como las barras perforadoras compatibles comúnmente usadas para la exploración de las cimentaciones. El trépano avanza por perforación rotatoria, se hace circular agua a través de la barra de perforación durante la extracción y los recortes son lavados hacia afuera.

Se dispone de dos tipos de barriles: el barril para núcleo de tubo simple (figura 2.40a) y el barril para núcleo de tubo doble (figura 2.40b). Los núcleos de roca obtenidos con barriles de tubo simple podrían estar sumamente alterados y fracturados debido a la torsión. Los núcleos de roca menores que el tamaño BX tienden a fracturarse durante el proceso de extracción.

Cuando las muestras se recuperan, la profundidad de recuperación debe ser apropiadamente registrada para su posterior evaluación en el laboratorio. Con base en la longitud del núcleo de roca recuperado en cada corrida, las siguientes cantidades se calculan para una evaluación general de la calidad de roca encontrada.

2.42 

FIGURA 2.39  Carta de la determinación  de la descripción del suelo y el peso unitario. Nota 1 ton/m3 = 9.81 KN/m3

FIGURA 2.40 Extractor de rocas ; (a) barril extractor de tubo simple (b) barril extractor de tubo doble

TABLA 2.8   Tamaño estándar y designación del ademe, barril de núcleos y barras compartidas de perforación 

TABLA 2.9   relación entre calidad de roca in situ  y RQD

Una relación de recuperación de 1 indicará la presencia de roca intacta; para rocas altamente fracturadas, la relación de recuperación es de 0.5 o menor. La tabla 2.9 presenta la relación general (Deere, 1963) entre el RQD y la calidad de la roca in situ.