INGENIERIA DE CIMENTACIONES EXPLORACION DE SUELOS
INTRODUCCIÓN
Dentro del estudio de la mecánica de suelos, el conocimiento básico de la textura del suelo es importante para los ingenieros que construyen edificios, carreteras y otras estructuras sobre y bajo la superficie terrestre, la actividad de exploración y muestreo de suelo, constituye una etapa primordial de importancia única, ya que esta es donde se toma la materia prima para el estudio comparación y análisis de los diferentes tipos de suelos, la conocemos como la muestra.
OBJETIVOS OBJETIVOS GENERALES
Identificar los distintos métodos de exploración y muestreo de suelos que en la actualidad se usan. Determinar cuales son los métodos de exploración principales con sus características.
OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Aprender unas de metodologías que nos permitan hacer un control y análisis sobre una muestra de suelo. Conocer el concepto y clasificación de lo que es la exploración y muestreo de suelos.
EXPLORACIÓN Y MUESTREO DE SUELOS
Lo primero que hay que consignar en la obtención de una muestra es que ésta sea representativa del terreno. Un muestreo adecuado y representativo es de primordial importancia, pues tiene el mismo valor que el de los ensayos en sí. A menos que la muestra obtenida sea verdaderamente representativa de los materiales que se pretende usar, cualquier análisis de la muestra solo será aplicable a la propia muestra y no al material del cual procede. Las muestras pueden ser de dos tipos: alteradas o inalteradas. Se dice que una muestra es alterada cuando no guarda las mismas condiciones que cuando se encontraba en el terreno de donde procede, e inalterada en caso contrario.
RECONOCIMIENTO
Todo estudio de suelos debe iniciarse con un reconocimiento detallado del terreno. Mediante la observación de cortes naturales y/o artificiales producto de la erosión o deslizamiento será posible, en general, definir las principales unidades o estratos de suelos superficiales. Es importante en esta etapa la delimitación de zonas en las cuales los suelos presentan características similares y a la identificación de zonas vedadas o poco recomendables para emplazar construcciones, tales como zonas de deslizamiento, laderas rocosas con fracturamiento, zonas pantanosas difíciles de drenar, etc. Este reconocimiento se puede efectuar por vía terrestre. Generalmente se ejecutan pozos distanciados entre 300 a 600 metros, aparte de los que deban ejecutarse en puntos singulares. Pueden realizarse pozos más próximos si lo exige la topografía del área, naturaleza de la depositación o cuando los suelos se presentan en forma errática. Así mismo deben delimitarse las zonas en que se detecten suelos que se consideren inadecuados.
En todo caso, al programar una exploración se deben considerar las siguientes pautas generales:
Ubicar puntos de prospección a distancias aproximadamente iguales, para luego densificar la exploración si se estima pertinente. Prospectar aquellos sectores que soportarán rellenos o terraplenes de importancia y aquellos en que la rasante se ubica muy próxima al terreno natural. Inspeccionar aquellas zonas en que se tienen cortes de importancia, ubicando los puntos de cambio de cortes a terraplén para conocer el material al nivel de la subrasante. Inspeccionar el subsuelo en aquellos puntos en que se ubican obras de arte y estructuras importantes.
MÉTODOS PARA ESTUDIOS DE SUPERFICIE Los métodos más usados para los estudios de superficie que conducen al reconocimiento del perfil estratigráfico son: Las calicatas Los sondeos
CALICATAS
Las calicatas permiten la inspección directa del suelo que se desea estudiar y, por lo tanto, es el método de exploración que normalmente entrega la información más confiable y completa. En suelos con grava, la calicata es el único medio de exploración que puede entregar información confiable, y es un medio muy efectivo para exploración y muestreo de suelos de fundación y materiales de construcción a un costo relativamente bajo. Es necesario registrar la ubicación y elevación de cada pozo, los que son numerados según la ubicación. Si un pozo programado no se ejecuta, es preferible mantener el número del pozo en el registro como "no realizado" en vez de volver a usar el número en otro lugar, para eliminar confusiones. La profundidad está determinada por las exigencias de la investigación pero es dada, generalmente, por el nivel freático.
La sección mínima recomendada es de 0,80 m por 1,00 m, a fin de permitir una adecuada inspección de las paredes. El material excavado deberá depositarse en la superficie en forma ordenada separado de acuerdo a la profundidad y horizonte correspondiente. Debe desecharse todo el material contaminado con suelos de estratos diferentes. Se dejarán plataformas o escalones de 0,30 a 0,40 metros al cambio de estrato, reduciéndose la excavación. Esto permite una superficie para efectuar la determinación de la densidad del terreno. Se deberá dejar al menos una de las paredes lo menos remoldeada y contaminada posible, de modo que representen fielmente el perfil estratigráfico del pozo. En cada calicata se deberá realizar una descripción visual o registro de estratigrafía comprometida.
A cada calicata se le deberá realizar un registro adecuado que pasará a formar parte del informe respectivo. La descripción visual de los diferentes estratos se presentará en el formato de la figura 1 y deberá contener, como mínimo, toda la información que allí se solicita.
El laboratorista deberá registrar claramente el espesor de cada estrato y efectuar una descripción del mismo mediante identificación visual basado en la pauta que se indica. En los suelos es posible agruparlos en tres grupos primarios, sin embargo, en la naturaleza se encuentran compuestos, pero es posible discernir el componente predominante y asimilar la muestra a ese grupo. La principal distinción se hace sobre la base del tamaño. Las partículas individuales visibles forman la fracción gruesa y las demasiado pequeñas para ser individualizadas componen la fracción fina. Los componentes orgánicos del suelo consisten en materia vegetal descompuesta o en proceso de descomposición, lo que le impone al suelo una estructura fibrosa. Pueden ser identificados por sus colores oscuros y el olor distintivo.
SE VERIFICA:
Tamaño Color Se debe indicar el color predominante. Olor Las muestras recientes de suelos orgánicos tienen un olor distintivo que ayuda a su identificación. El olor puede hacerse manifiesto calentando una muestra húmeda.
• Humedad
En las muestras recientes deberá registrarse la humedad. Los materiales secos necesitan una cantidad considerable de agua para obtener un óptimo de compactación. Los materiales húmedos están cerca del contenido óptimo. Los mojados necesitan secarse para llegar al óptimo, y los saturados son los suelos ubicados bajo un nivel freático
Estructura Si los materiales presentan capas alternadas de varios tipos o colores se denominará estratificado; si las capas o colores son delgados, inferior a 6 mm, será descrito como laminado; fisurado si presenta grietas definidas; lenticular si presenta inclusión de suelos de textura diferente.
Cimentación: Algunos suelos muestran definida evidencia de cementación en estado inalterado. Esto debe destacarse e indicar el grado de cementación, descrito como débil o fuerte. Verificando con ácido clorhídrico si es debida a carbonatos y su intensidad como ninguna, débil o fuerte.
Densificación La compacidad o densidad relativa de suelos sin cohesión puede ser descrita como suelta o densa, dependiendo de la dificultad que oponga a la penetración de una cuña de madera.
Clasificación Se debe indicar además la clasificación probable. Pueden usarse clasificaciones dobles cuando un suelo no pertenece claramente a uno de los grupos, pero tiene fuertes características de ambos grupos. Deben colocarse entre paréntesis para indicar que han sido estimadas.
CLASIFICACION DE SUELOS
Estas descripciones visuales deberán contener como mínimo los siguientes antecedentes:
Identificación de la calicata mediante un número, especificado su ubicación con respecto al kilometraje del eje o sus coordenadas, nombre las laboratorista y fecha de la inspección. Profundidad total. Profundidad de la capa de agua, referida al nivel del terreno natural y fecha de observación. Profundidad de los diferentes estratos por describir, referidas al nivel del terreno natural. Descripción del suelo empleando la terminología que se entrega en la figuras 1 y 2, según se trate de suelos gruesos o finos, respectivamente. Cantidad y tipo de las muestras tomadas en la calicata. Observaciones y otras características relevantes.
Desde las paredes y piso de las calicatas se deben obtener las muestras que serán llevadas a laboratorio. Todas las muestras que se obtengan deberán ser perfectamente identificadas, incluyendo a lo menos los siguientes items: identificación de la calicata; profundidad a la que fue tomada; nombre de la persona que la tomo y fecha de obtención.
Se distinguen dos tipos de muestras que se pueden obtener:
Muestra perturbadas: Se obtienen en general de las paredes de los pozos y comprometen estratos determinados o bien la suma de algunos de ellos, como es el caso de la investigación de yacimientos. Estas muestras deben guardarse en bolsas impermeables y de resistencia adecuada. Cada bolsa debe identificarse clara e indeleblemente.
Muestras en bolsas:
Las muestras en bolsas se toman con pala, barreta o cualquier otra herramienta de mano conveniente y se colocan en bolsas sin tratar de mantener al suelo en forma inalterada, estas muestras se usan para: 1) Análisis granulométrico. 2) Ensayos de plasticidad. 3) Ensayos de compactación – humedad óptima. 4) Ensayos de compactación CBR en laboratorio “ensayo en el que mide la resistencia al corte”.
Muestra sin perturbar: Este tipo de muestra se recorta de las paredes de los pozos y compromete estratos bien definidos. Después de cortadas deben revestirse con una capa de parafina sólida aplicada con brocha. Es conveniente agregar alrededor de un 30% de cera virgen a la parafina sólida con el fin de que la capa protectora sea menos rígida. Si la consistencia de la muestra es relativamente blanda, debe rodearse de grasa y recubrir una vez mas con parafina sólida y cera. Una vez dado el tratamiento anterior, debe colocarse en cajas de madera con aserrín u otro producto que actúe como amortiguador de golpes. Las muestras sin perturbar deberán tomarse apenas excavadas las calicatas, en especial cuando se trate de suelos cuya estructura se ve afectada por los cambios de humedad. En todo caso, al tomar una muestra no perturbada, debe elegirse la pared de la calicata menos expuesta al sol y debe excavarse el espesor superficial que haya sido afectado por los cambios de humedad.
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A cada calicata se le deberá realizar un registro adecuado que pasara a formar parte del análisis respectivo. La descripción visual de los diferentes estratos deberá contener, como mínimo: Nombre del proyecto Sector/tramo Nº de pozo Ubicación respecto a un eje de referencia Cota Fecha de la inspección Inspector Descripción del suelo, etc.
Las muestras se someterán a los análisis de clasificación: * Granulometría. * Límites de consistencia: Límite líquido y Límite Plástico. * Constantes físicas: Densidad de partículas sólidas y Densidad neta.
SONDEOS EN SUELO
Este método de exploración debe usarse en aquellos casos en que el reconocimiento del perfil estratigráfico necesario que se deberá estudiar, no pueda ser realizado mediante calicatas, ya sea porque se requiere reconocer el perfil en una profundidad importante, o bien por presencia de agua. Los suelos finos, exentos de gravas, pueden ser bien estudiados mediante sondeo. La información que puede obtenerse de sondeos efectuados en suelos con gravas es generalmente incompleta y deficiente, pero en determinados casos resulta ser la única posible de realizar.
Tipos De Sondeos: Los tipos principales de sondeos que se usan en mecánica de suelos para fines de muestreo y reconocimiento del subsuelo, en general, son los siguientes:
Métodos De Exploración De Carácter Preliminar Pozos a cielo abierto, con muestreo alterado o inalterado. Perforaciones con posteadora, barrenos helicoidales o métodos similares. Métodos de lavado Métodos de penetración estándar. Método de penetración cónica. Perforaciones en boleos y gravas (con barretones, etc.)
Métodos De Sondeo Definitivo * Pozos a cielo abierto con muestreo inalterado. * Métodos con tubo de pared delgada. * Métodos rotatorios para roca.
Métodos Geofísicos * Sísmico. * De resistencia eléctrica. * Magnético y gravimétrico
NUMERO TIPO Y PROFUNDIDAD DE LOS SONDEOS El número, tipo y profundidad de los sondeos que deban ejecutarse en un programa de exploración de suelos depende fundamentalmente del tipo de subsuelo y de la importancia de la obra. En ocasiones, se cuenta con estudios anteriores cercanos al lugar, que permite tener una idea siquiera aproximada de las condiciones del subsuelo y este conocimiento permite fijar el programa de exploración con mayor seguridad y eficacia. Otras veces, ese conocimiento apriorístico indispensable sobre las condiciones predominantes en el subsuelo ha de ser adquirido con los sondeos de tipo preliminar. El número de estos sondeos exploratorios será el suficiente para dar precisamente ese conocimiento. En obras pequeñas, posiblemente tales sondeos tendrán carácter definitivo, por lo que es conveniente realizarlos por los procedimientos más informativos, tales como la prueba de penetración estándar, por ejemplo.
Un punto que requiere especial cuidado es la determinación de la profundidad a que debe llevarse la exploración del suelo. Este aspecto fundamental, cuyas repercusiones pueden dejarse sentir en todas las fases del éxito o fracaso de una obra de ingeniería. En general, los puntos básicos que la mecánica de suelos debe cuidar en un caso dado se refieren a la posibilidad y cálculo de asentamientos y a determinaciones de resistencia de los suelos. Generalmente es suficiente detener la exploración al llegar a la roca basal, si ésta aparece en la profundidad estudiada; sin embargo, en casos especiales se hará necesario continuar el sondeo dentro de la roca por métodos rotatorios; por ejemplo, en cimentaciones de presas sería necesario verificar que la roca no presente condiciones peligrosas desde el punto de vista de infiltraciones de agua.
METODOS DE EXPLORACION DE CARÁCTER PRELIMINAR Pozos a cielo abierto o calicatas: Cuando este método sea practicable debe considerársele como el más satisfactorio para conocer las condiciones del subsuelo, ya que 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. Desgraciadamente este tipo de excavación no puede llevarse a grandes profundidades a causa, sobre todo, de la dificultad de controlar el flujo de agua bajo el nivel freático, naturalmente que el tipo de suelo de los diferentes estratos atravesados también influye grandemente en los alcances del método en sí.
Método 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 “ademe: cubierta de madera con que se aseguran los pilares en los trabajos subterráneos”. 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 “trepano: herramienta de rotación cuya dureza permite perforar terrenos duros”, perforado, para permitir el paso del agua a presión. El agua se impulsa dentro de la tubería por medio de una bomba. 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.
Método de penetración estándar
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. El equipo necesario para aplicar el procedimiento consta de un muestreador es normal que el penetrómetro sea de media caña, para facilitar la extracción de la muestra.
Método de penetración cónica
Estos métodos consisten en hacer penetrar una punta cónica en el suelo y medir la resistencia que el suelo ofrece. Existen diversos tipos de conos. 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. También ahora se cuenta los golpes para 30 cm de penetración de la herramienta. En resumen podría decirse que las pruebas de penetración cónica, estática o dinámica, son útiles en zonas cuya estratigrafía sea ya ampliamente conocida 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.
5.1.5 Perforaciones en boleos y gravas: Con frecuencia es necesario atravesar durante las perforaciones estratos de boleos o gravas que presentan grandes dificultades para ser perforados con las herramientas hasta aquí descritas. En estos casos se hace necesario el empleo de herramientas de mayor peso, del tipo de barretones con taladros de acero duro, que se suspenden y dejan caer sobre el estrato en cuestión, manejándolos con cables. En ocasiones se ha recurrido, inclusive, al uso localizado de explosivos para romper la resistencia de un obstáculo que aparezca en el sondeo.
5.2 MÉTODOS DE SONDEO DEFINITIVO
5.2.1 Pozos a cielo abierto con muestreo inalterado (Calicata): Este método de exploración ha sido ya descrito. 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 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. 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.
Métodos rotatorios para roca
Cuando un sondeo alcanza una capa de roca más o menos firme o cuando en el curso de la perforación las herramientas hasta aquí descritas tropiezan con un bloque grande de naturaleza rocosa, no es posible lograr penetración con los métodos estudiados y ha de recurrirse a un procedimiento diferente. 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. En roca muy fracturada puede existir el peligro que las municiones se pierdan. Perforadoras tipo cáliz se han construido con diámetros muy grandes, hasta para hacer perforaciones de 3m; en estos casos la máquina penetra en el suelo con la misma broca. De acuerdo a lo anterior se concluye que el éxito de una maniobra de perforación rotatoria depende fundamentalmente de esos tres factores: * Velocidad de rotación. * Presión de agua. * Presión sobre la broca.
