Embed Size (px)
Citation preview
PROCEDIMIENTOS
DE
INVESTIGACIÓN
―H.2.1.1.1 — Investigación del Subsuelo — Comprende el estudio y el
conocimiento del origen geológico, la exploración del subsuelo (apiques,
trincheras, perforación y sondeo y otros) y los ensayos y pruebas de campo
y laboratorio necesarios para identificar y clasificar los diferentes suelos y
rocas y cuantificar las características físico-mecánicas e hidráulicas del
subsuelo
OBJETIVOS DE LA
EXPLORACION
• El sondeo es la técnica utilizada para la
observación de forma directa o la
determinación indirecta, de
la naturaleza, propiedades y
características del subsuelo en
profundidad.
• Identificar y caracterizar las formaciones.
• Localizar niveles de aguas subterráneas.
Plano geológico (Cuadrángulo H-12 de Santander.) Ingeominas.
Perfil geotécnico.
PROGRAMA DE EXPLORACIÓN
Se deben definir al menos los siguientes elementos:
• Tipo de exploración
• Número y localización de sitios de exploración
• Profundidad de exploración
• Frecuencia de recuperación de muestras de suelo
• Tipo y localización de ensayos in situ
• Instrumentación
MÉTODOS DE EXPLORACIÓN DEL SUBSUELO
METODOS INDIRECTOS:
Son aquellos en los que el modelo del subsuelo se obtiene a
partir de la interpretación de ensayos realizados en superficie, o
a lo largo de un sondeo en el que generalmente no se obtienen
muestras, o se obtienen algunas muestras remoldeadas del suelo.
Entre ellos se encuentran los métodos geofísicos y los sondeos
como el del Ensayo de Penetración con Cono (CPT) y el Ensayo
de Penetración Estándar (SPT).
MÉTODOS DE EXPLORACIÓN DEL SUBSUELO
METODOS SEMI- DIRECTOS:
Corresponden a los métodos corrientes de perforación con
obtención intermitente de muestras.
.
MÉTODOS DE EXPLORACIÓN DEL SUBSUELO
METODOS DIRECTOS:
Son aquellos métodos de perforación y muestreo que
suministran un registro continuo y representativo de muestras
“inalteradas”.
También están entre ellos todo tipo de exploración con acceso
directo al subsuelo como es el caso de los apiques, las trincheras,
los túneles y pozos (chimeneas) que permiten un examen y
registro directo de los estratos in situ.
1. POZOS A CIELO ABIERTO CON MUESTREO ALTERADO O
INALTERADO.
. Consiste en excavar un pozo de dimensiones suficientes para
que un técnico pueda directamente bajar y examinar los
diferentes estratos de suelo en su estado natural, así como darse
cuenta de las condiciones precisas referentes al agua contenida
en el suelo.
Desventajas:
• No puede llevarse a grandes profundidades (Agua y Tipos de
suelos).
• La excavación se encarece (apuntalamientos, andamios, etc.)
EXPLORACIÓN Y MUESTREO
POZOS A CIELO ABIERTO CON MUESTREO ALTERADO O
INALTERADO.
Debe 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 presentarse como semifluida y suelta por el
mismo motivo.
POZOS A CIELO ABIERTO CON MUESTREO ALTERADO O
INALTERADO.
2. PERFORACIONES CON PORTEADORA, BARRENOS
HELICOIDALES O MÉTODOS SIMILARES.
La muestra de suelo obtenida es completamente alterada, pero
suele ser representativa del suelo en lo referente a contenido de
agua, por lo menos en suelo muy plástico.
Los barrenos helicoidales pueden ser de diferentes tipos. El paso
de la hélice que debe ser muy cerrado para suelos arenosos y
mucho más abierto para el muestreo en suelos plásticos.
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 que las obtenidas con barrenos
helicoidales y posteadoras.
PERFORACIONES CON PORTEADORA, BARRENOS
HELICOIDALES O MÉTODOS SIMILARES.
Posteadora
Barrenos MUESTRA OBTENIDA
Alterada.
UTILIZACIÓN DE LAS MUESTRAS
Clasificación.
DESVENTAJA
En ocasiones se pierde la frontera de la
secuencia estratigráfica.
3. MÉTODOS DE LAVADO.
Este método constituye un procedimiento económico y rápido
para conocer aproximadamente la estratigrafía del subsuelo. El
método se usa también en ocasiones como auxiliar de avance
rápido en otros métodos de exploración. Las muestras obtenidas
en lavado son tan alteradas que prácticamente no deben ser
consideradas como suficientemente representativas 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, cuya
función es hincar en el suelo a golpes el ademe necesario para la
operación. Este ademe debe ser de mayor diámetro que la tubería
que vaya a usarse para la inyección del agua. En el extremo
inferior de la tubería de inyección debe ir un trépano de acero,
perforado, para permitir el paso del agua a presión. El agua se
impulsa dentro de la tubería por medio de una bomba.
MÉTODOS DE LAVADO.
La operación consiste en inyectar agua en la perforación, una vez
hincado el ademe, la cual forma una suspensión con el suelo en el
fondo del pozo y sale al exterior a través del espacio comprendido
entre el ademe y la tubería de inyección; una vez fuera es
recogida en un recipiente en el cual se puede analizar el
sedimento. El procedimiento debe ir complementado en todos los
casos por un muestreo con una cuchara del trépano; mientras las
características del suelo no cambien será suficiente obtener una
muestra cada 1,50 m aproximadamente, pero al notar un cambio
en el agua eyectada debe procederse de inmediato a un nuevo
muestreo.
MÉTODOS DE LAVADO.
4. MÉTODOS DE PENETRACION ESTÁNDAR. (SPT)
Este procedimiento es, entre todos los exploratorios preliminares,
quizá el que rinde mejores resultados en la práctica y proporciona
más útil información en torno al subsuelo y no sólo en lo
referente a descripción. En suelos puramente friccionantes la
prueba permite conocer la compacidad de los mantos que es la
característica fundamental respecto a su comportamiento
mecánico.
En suelos plásticos la prueba permite adquirir una idea, si bien
tosca, de la resistencia a la compresión simple. Además el
método lleva implícito un muestreo, que proporciona muestras
alteradas representativas del suelo en estudio.
MÉTODOS DE PENETRACION ESTÁNDAR. (SPT)
El equipo necesario para aplicar el procedimiento consta de un
muestreador especial de dimensiones establecidas. Es normal
que el penetrómetro sea de media caña, para facilitar la extracción
de la muestra.
La utilidad e importancia mayor de la prueba de penetración
estándar radica en las correlaciones realizadas en el campo y en
el laboratorio en diversos suelos, sobre todo arenas, que
permiten relacionar aproximadamente la compacidad, el ángulo
de fricción interna en arenas y el valor de la resistencia a la
compresión simple en arcillas, con el número de golpes
necesarios en ese suelo para que el penetrómetro estándar logre
entrar los 30 cm especificados.
MÉTODOS DE PENETRACION ESTÁNDAR. (SPT)
Peso del martillo: 140 libras
Altura de caída: 76 centímetros
Penetración: 3 intervalos de 15 centímetros cada uno (6”)
N de diseño: Sumatoria de los golpes de los últimos 30 centímetros (12”)
Diámetro exterior del tubo: 50.8 mm
Diámetro interior del muestreador en la punta: 34.93 mm
Longitud del tubo: 75 centímetros
Sistema de hincado: Malacate y polea
Rechazo: Más de 50 golpes para 15 centímetros (6”)
MÉTODOS DE PENETRACION ESTÁNDAR. (SPT)
MÉTODOS DE PENETRACION ESTÁNDAR. (SPT)
Número de penetración estándar
N Densidad relativa
% Estado del suelo
0 a 3 0 a 15 Muy Suelto
3 a 8 15 a 35 Suelto
8 a 25 35 a 65 Medio
25 a 42 65 a 85 Denso
42 a 58 85 a 100 Muy denso
Para suelos granulares
(Ref.: Jamiel Kowski y otros, “New correlations of penetration tests for design practice” Penetration testing, 1988 ISOPT-1, Balkema, 1988).
Número de penetración estándar
N Consistencia
Resistencia a compresión
KPa
0 a 2 Muy blanda 0 a 25
2 a 5 Blanda 25 a 50
5 a 10 Medio firme 50 a 100
10 a 20 Firme 100 a 200
20 a 30 Muy firme 200 a 400
> 30 Dura > 400
Para suelos arcillosos
(Ref.: Braja Das. “Principios de ingeniería de cimentaciones”, Thomson Editores, México, 1999).
5. MÉTODOS DE PENETRACION CONICA
Estos métodos consisten en hacer penetrar una punta cónica en
el suelo y medir la resistencia que el suelo ofrece.
Dependiendo del procedimiento para hincar los conos en el
terreno, estos métodos se dividen en estáticos y dinámicos.
En los primeros la herramienta se hinca a presión, medida en la
superficie con un gato apropiado; en los segundos el hincado se
logra a golpes dados con un peso que cae.
En la prueba dinámica puede usarse un penetrómetro atornillando
al extremo de la tubería de perforación, que se golpea en su parte
superior de un modo análogo al descrito para la prueba de
penetración estándar. Es normal usar para esta labor un peso de
63,5 Kg, con 76 cm de altura de caída, o sea la misma energía para
la penetración usada en la prueba estándar.
MÉTODOS DE PENETRACION CONICA
También ahora se cuenta los golpes para 30 cm de penetración de
la herramienta.
A modo de resumen podría decirse que las pruebas de
penetración cónica, estática o dinámica, son útiles en zonas cuya
estratigrafía sea ya ampliamente conocida a priori y cuando se
desee simplemente obtener información de sus características en
un lugar específico; pero son pruebas de muy problemática
interpretación en lugares no explorados a fondo previamente.
La prueba de penetración estándar debe estimarse preferible en
todos los casos en que su realización sea posible.
MÉTODOS DE PENETRACION CONICA
Tipo Danés Tipo Holandés
Tipo para ensayo
dinámico Tipo de inyección
Presurómetro
Mide la deformación interna del suelo al aplicar una determinada
presión.
Por lo general, emplean un aditamento de caucho que es inflado
con una presión hidráulica.
El presurómetro de Menard que es el más utilizado, permite obtener
las características de resistencia y deformación de suelos y rocas.
El ensayo suministra una gráfica de presión contra el cambio
volumétrico y éste puede convertirse en una curva esfuerzo –
deformación.
También, puede determinarse el módulo de deformación. Debe
tenerse en cuenta que la interpretación del ensayo del presurómetro
es principalmente empírica y su utilización en diseño es limitada.
Dilatómetro
El dilatómetro plano desarrollado por Marchetti (1980) obtiene la
dureza del suelo, a través del uso de una membrana circular con un
diámetro de 60 mm, que es montada sobre una cuchilla de 95 mm
de ancho y 14 mm de grosor. La cuchilla se entierra en el suelo, a la
profundidad deseada y la membrana es inflada por medio de gas a
presión.
Se mide la presión requerida para un determinado movimiento de la
membrana. El número de golpes o la fuerza que se requiere para
hincar el dilatómetro da información sobre la resistencia del suelo.
Ensayo de Veleta
En este ensayo se mide directamente la resistencia al corte del
suelo al rotar una veleta que se introduce en el suelo.
Se puede obtener la resistencia pico y la resistencia residual que
queda después de una falla y es uno de los ensayos más útiles para
obtener el valor de la resistencia al corte.
Sowers y Royster (1978) indican que la resistencia al cortante,
medida en el ensayo de veleta, puede ser un 30% mayor que la
medida por otros métodos. El ensayo de veleta se recomienda
solamente para determinar la resistencia no drenada de arcillas. Si
el suelo contiene grava o partículas grandes puede dar resultados
erráticos.
El valor de la Resistencia al corte se calcula con la siguiente
expresión:
Determinación Constante K
1.POZOS A CIELO ABIERTO CON MUESTREO INALTERADO.
Este método de exploración ha sido ya descrito por lo que no se
considera necesario describirlo nuevamente. Sin embargo, es
conveniente insistir en el hecho de cuando es factible, debe
considerarse el mejor de todos los métodos de exploración a
disposición del ingeniero para obtener muestras inalteradas y
datos adicionales que permitan un mejor proyecto y construcción
de una obra.
MUESTREO FINAL Y PRUEBAS DE CAMPO
(definitivo)
2 . MUESTREO CON TUBOS DE PARED DELGADA.
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 de 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 su cara superior e inferior los mismos esfuerzos que tenia "in
situ".
Este tipo de muestreadores no es recomendable para suelos muy
blandos, con alto contenido de agua y arenas, ya que en
ocasiones no logran extraer la muestra, saliendo a la superficie
sin ella.
MUESTREO CON TUBOS DE PARED DELGADA.
Según M.J.Hovorslev (inventor ) si se desea un grado de alteración
mínimo de la muestra, el hincado debe ejecutarse a presión
continuada (sin golpes), con velocidad constante y para un tubo de
cierto diámetro, el grado de alteración depende de la RELACIÓN
ENTRE AREAS (No debe ser mayor de 10%).
MUESTREO CON TUBOS DE PARED DELGADA.
a) Tipo Shelby
b) De pistón
c) Dispositivo de hincado por presión de un diferencial
3. MÉTODOS ROTATORIOS PARA ROCA.
Cuando un gran bloque o un estrato rocoso aparezcan en la
perforación se hace indispensable recurrir al empleo de máquinas
perforadoras a rotación, con broca de diamantes o del tipo cáliz.
En las primeras, en el extremo de la tubería de perforación va
colocado un muestreador especial, llamado de "corazón", en
cuyo extremo inferior se acopla una broca de acero duro con
incrustaciones de diamante industrial, que facilita la perforación.
En las segundas, los muestreadores son de acero duro y la
penetración se facilita por medio de municiones de acero que se
echan a través de la tubería hueca hasta la perforación y que
actúan como abrasivo.
MÉTODOS ROTATORIOS PARA ROCA.
En roca muy fracturada puede existir el peligro que las
municiones se pierdan.
El éxito de una maniobra de perforación rotatoria depende
fundamentalmente de esos tres factores:
• Velocidad de rotación.
• Presión de agua
• Presión sobre la broca
MÉTODOS ROTATORIOS PARA ROCA.
a) Maquina perforadora
b) Muestreador para broca de diamante
c) Muestreador tipo cáliz
d) Algunos tipos de brocas
MÉTODOS GEOFÍSICOS.
Se trata ahora métodos geofísicos de exploración de suelos,
desarrollados 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.
Los métodos se han aplicado sobre todo a cuestiones de
geología y minería y en mucha menor escala a Mecánica de
Suelos para realizar investigaciones preliminares de lugares para
localizar presas de tierra o para determinar, como se indicó,
perfiles de roca basal.
MÉTODOS GEOFÍSICOS.
Los métodos son rápidos y expeditos y permiten tratar grandes
áreas, pero nunca proporcionan suficiente información para
fundar criterios definitivos de proyecto, en lo que a la Mecánica
de Suelos se refiere.
En el caso de estudios para fines de cimentación no se puede
considerar que los métodos geofísicos sean adecuados, pues no
rinden una información de detalle comparable con la que puede
adquirirse de un buen programa de exploración convencional.
1. SISMICA.
Este procedimiento se funda en la diferente velocidad de
propagación de las ondas vibratorias de tipo sísmico a través de
diferentes medios materiales.
Las mediciones realizadas sobre diversos medios permiten
establecer que esa velocidad de propagación varía entre 150 y
2.500 m/seg en suelos, correspondiendo los valores mayores a
mantos de grava muy compactos y las menores a arenas sueltas;
los suelos arcillosos tienen valores medios, mayores para las
arcillas duras y menores para las suaves. En roca sana los
valores fluctúan entre 2.000 y 8.000 m/seg.
Por la zona a explorar se sitúan registradores de ondas
(geófonos), separados entre sí. La función de los geófonos es
captar la vibración, que se transmite amplificada a un oscilógrafo
central que marca varias líneas, una para cada geófono.
SISMICA.
El espesor del estrato homogéneo se calcula utilizando la
siguiente ecuación:
SISMICA.
DOWN HOLE
CROSS HOLE
SISMICA.
2. DE RESISTENCIA ELÉCTRICA.
Este método se basa en el hecho de que los suelos, dependiendo
de su naturaleza, presentan una mayor o menor resistividad
eléctrica cuando una corriente es inducida a través.
Su principal aplicación está en el campo de la minería, pero en
mecánica de suelos se ha aplicado para determinar la presencia
de estratos de roca en el subsuelo.
La resistividad eléctrica de una zona de suelo puede medirse
colocando cuatro electrodos igualmente espaciados en la
superficie y alineados; los dos exteriores, conectados en serie a
una batería son los electrodos de corriente (medida por un
miliamperímetro), en tanto que los interiores se denominan de
potencial de la corriente circulante.
DE RESISTENCIA ELÉCTRICA.
El método sirve, en primer lugar, para medir las resistividades a
diferentes profundidades, en un mismo lugar y, en segundo, para
medir la resistividad a una profundidad, a lo largo de un perfil. Lo
primero se logra aumentando la distancia entre electrodos, con lo
que se logra que la corriente penetre a mayor profundidad. Lo
segundo se logra conservando la distancia constante y
desplazando todo el equipo sobre la línea a explorar.
Las mayores resistividades corresponden a rocas duras,
siguiendo rocas suaves, gravas compactas, etc., y teniendo los
menos valores los suelos suaves saturados.
DE RESISTENCIA ELÉCTRICA.
Se mide la resistividad mediante la utilización de la siguiente formula:
DE RESISTENCIA ELÉCTRICA.
Electrodos de corriente
Diferencia de potencial de corriente
MAGNÉTICO Y GRAVIMÉTRICO.
El trabajo de campo correspondiente a estos métodos de
exploración es similar, distinguiéndose en el aparato usado. En el
método magnético se usa un magnetómetro, que mide la
componente vertical del campo magnético terrestre en la zona
considerada, en varías 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 de la zona
indicarán la presencia de masas duras de rocas; lo contrario será
índice de la presencia de masas ligeras o cavernas.
En general estos métodos casi no han sido usados con fines
ingenieriles, dentro del campo de la Mecánica de suelos, debido a
lo errático de su información y a la difícil interpretación de sus
resultados.
ENSAYOS DE LABORATORIO
Se deben realizar ensayos que permitan obtener las propiedades de
los suelos para los análisis, de tal forma que sean lo más
representativos de las situaciones reales en el campo. Los ensayos
comúnmente utilizados para el análisis de laderas y taludes son los
siguientes:
• Humedad o contenido de agua. Se requiere identificar los niveles
de saturación y los niveles de humedad para correlacionarlos con las
tensiones negativas.
• Límites de Atterberg o plasticidad. La plasticidad nos permite intuir
la permeabilidad, la presencia de arcillas plásticas y la posibilidad de
ocurrencia de fenómenos de expansión.
ENSAYOS DE LABORATORIO
• Gravedad Específica. Se utiliza para obtener otras propiedades.
• Distribución granulométrica. La resistencia al cortante y la
permeabilidad están relacionadas con los tamaños de las partículas y
su distribución. (Clasificación del suelo).
• Contenido de Sulfatos y ácidez. Es importante determinar las
limitaciones químicas del suelo para la escogencia del sistema de
estabilización y su comportamiento dispersivo.
• Compactación. En los rellenos el comportamiento está relacionado
con los niveles de densidad.
ENSAYOS DE LABORATORIO
• Permeabilidad. La conductividad hidráulica del suelo determina los
flujos de agua subterránea y el comportamiento hidrogeológico.
• Consolidación. Cuando se colocan cimentaciones sobre los taludes
o terraplenes sobre suelos blandos, las estabilidad del talud depende
de la compresibilidad del suelo.
• Resistencia al cortante. Los parámetros de resistencia son básicos
para los análisis de estabilidad de taludes (Cálculo de factores de
seguridad). Los ensayos de resistencia al cortante se requieren en
todos los casos.
