ITESM CAMPUS QRO
27 de Agosto de 2013
Carrera de Ingeniería Civil
Laboratorio de Mecánica de Suelos Pedro Basila
Laboratorio de Mecánica de Suelos. Métodos de exploración de suelos. En la realización de cualquier desarrollo, sin importar su magnitud, se deben conocer las condiciones del suelo sobre el que se va a construir. Estas condiciones afectan de gran manera la forma y costos del proyecto, ya que el análisis de suelos nos indica varios factores clave que sirven para conocer qué tipo de cimentación va a tener la estructura. La profundidad de la investigación depende del tamaño del proyecto, por ejemplo una carretera se puede efectuar conociendo las características del suelo a la profundidad de unos cuantos metros, en cambio un edificio de varios pisos necesitaría saberse las características del suelo a varias decenas (sino es que cientos) de metros. Según un trabajo expuesto por la Corporación Universitaria de la Costa, sobre la exploración y muestreo de suelos:
Es por estas razones que se han inventado diferentes tipos de muestreo y exploración de suelos, cada uno buscando como objetivo eficientar los recursos y disminuir el tiempo necesario para una buena exploración de suelos, ya que estos son cruciales para el inicio de la obra ya que en la mayoría de los casos los costos del estudio de suelo son los más exigentes al inicio de cada obra siempre se debe asegurar que estos cubran toda la zona de influencia de esta.
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La misma Corporación Universitaria de la Costa describe que el muestreo y la exploración de úselos se suelen dividir en dos grandes categorías:
METODOS INDIRECTOS Los métodos indirectos para el muestreo y exploración de suelos suelen utilizarse para evaluaciones preliminares del proyecto, así se determinan las condiciones y los equipos a utilizar para una exploración de suelos más precisa (métodos directos), Con esta información se puede identificar y prevenir cualquier problema logístico, disminuyendo los costos que un incidente podría ocasionar en la etapa preliminar.
Carta geológica y estructura del área de estudio
El M.I. Bernardo Gómez González determina en breve la forma de realizar un estudio del suelo de manera indirecta: “Recopilación de información geológica y geotécnica existente del sitio en estudio. Planos topográfi topográfi cos cos y planos del proyecto preliminar. INEGI: Cartas geológicas y
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fotografías aéreas. Sociedad Mexicana de Mecánica de Suelos: Datos geotécnicos de algunas ciudades. Inspección del sitio por el ingeniero geotécnico encargado del estudio acompañado de un ingeniero geólogo asesor, para veri fi ficar c ar y ampliar la información preliminar disponible e identi fi ficar c ar la presencia y características de edi fi ficaciones c aciones colindantes al sitio o existentes en el sitio mismo, así como la presencia de instalaciones públicas que pudieran interferir con la exploración y con la construcción.” (Tamez, 2001)
Cortes geológicos de la Formación Cerros de Aguirre. Trazas indicadas.
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Ventajas y desventajas. La estereoscopia empleada correctamente puede ayudar a determinar fácilmente que tipo de rocas se encuentran en el área de manera rápida pero no proporciona un análisis preciso del suelo, lo que hace de esto método un método preliminar para costear proyectos pero no para determinar cimentaciones. Al igual este método puede servir para saber qué equipo utilizar para las pruebas directas que ayudan a determinar con mayor precisión las características del suelo.
MUESTREO CON TUBOS DE PARED DELGADA o GRUESA. Se sabe que bajo ninguna circunstancia se puede obtener una muestra de suelo que pueda ser rigurosamente considerada como alterada, de hecho siempre se alterara la muestra ya que cualquier extracción física ocasiona cambios instantáneos de la muestra. Es por esto que es necesario cuidar de las muestra rigurosamente y evitar el interperismo que pudiera haber desde el campo hasta el laboratorio a donde se va a analizar. El muestreo con tubos de pared delgada no es recomendable para suelos muy blandos o con alto contenido de agua y arenas, ya que las muestras no se logran extraer completas del tubo al salir de la perforación.
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Los resultados del muestreo de suelos mediante la perforación e introducción de un tubo pueden ser variados, ya que estos representan físicamente al suelo, y su análisis se debe determinar con diferentes pruebas ya sean eléctricas, químicas o físicas. Cada tubo de pared delgada que se extrae contiene un “núcleo” el cual es analizado posteriormente con otros métodos, este núcleo permite ver la estratigrafía del suelo directamente y dar una idea de su composición a primera instancia.
Núcleo de hielo en el campo de Vostok en la Antártida, 5 abril, 2010.
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Ventajas y desventajas. Dependiendo de cómo se extrajo la muestra se pueden realizar diferentes estudios como son los de la fotoelasticidad o radiografías que permiten determinar la composición del suelo junto con otras características, es una de las mejores pruebas para determinar las características del suelo, aunque se puede ver imposibilitado por condiciones geográficas no apropiadas para implementar la maquinaria, al igual que se debe de saber si se utilizará un tubo de pared gruesa o delgada ya que cada una es especial para ciertos tipos de suelos. Es más costosa que otros métodos de exploración pero es compensada por la precisión que esta involucra.
ENSAYO DE PENETRACIÓN SEMI-ESTÁTICA (CONO HOLANDÉS) Aunque existen existen diferentes tipos tipos de ensayos de penetración, penetración, mi enfoque será en el cono holandés ya que fue del que más información encontré y el mejor explicado, aunque existen diferentes categorías las cuales pueden ser utilizadas para diferentes propósitos. Existen las Tipo Danés, Tipo para ensaye dinámico, o Tipo de Inyección y dependiendo del procedimiento 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. Page 5
Civil Geeks presenta los puntos más importantes de este tipo de exploración de suelos.
El ensayo de penetración semi-estática con el cono Holandés (CPT) ha sido usado en Europa desde 1920. Desde 1960 ha sido introducido en los Estados Unidos y el primer equipo que llegó a nuestro país (Perú) arribó en 1984. El cono holandés es el ensayo de penetración estática más difundido. En la Figura No. 1 se puede observar el Cono Holandés Gouda y sus diversas partes, con una indicación de la forma en que pueden desplazarse éstas durante el ensayo.
Este cono tiene dos juegos de barras, uno exterior hueco, de 36 mm de diámetro, y otro interior sólido de 15 mm de diámetro. Las barras poseen sendas roscas para unirse entre sí. La barra interior está conectada a la punta del cono, esta punta tiene 60º de ángulo en el vértice, un diámetro igual al de la barra exterior y un área de 10 cm². La barra exterior está conectada al cono, el cual puede correr libremente hasta 70 mm empujado por ésta. Se resalta que un accesorio muy importante para este método es el “Manguito “ Manguito de Fricc ión ión Begemann” , este manguito tiene 150 cm² de área lateral y está dispuesto de tal manera que es arrastrado por el cono durante la última mitad de su carrera; es decir de los 70 mm de avance del cono, los primeros 35 mm los efectúa sólo y los siguientes 35 mm lo hace arrastrando consigo el manguito. Basta restar la primera lectura de la segunda para hallar el valor de la fricción local provocada por el Manguito Begemann. En la parte superior de las barras, el extremo de éstas se conecta a un dispositivo hidráulico que puede aplicar carga indistintamente a la barra interior o a la exterior. Dos manómetros, uno para cada barra, permiten medir la carga aplicada a cada una de éstas en un momento dado. Page 6
La fuerza para introducir el cono era aplicada manualmente (por medio de poleas y cadenas) hasta hace unos años, hoy se utiliza la fuerza hidráulica. Esta fuerza se aplica con una bomba accionada por un motor de gasolina o diesel. El equipo que habitualmente opera el autor de este documento es de 2.5 T de capacidad de empuje y pesa sólo 80 Kg., puede ser transportado por avión o en un vehículo pequeño, a este cono se le denomina también Cono Gouda y es del tipo mecánico (no electrónico) impulsado por fuerza hidráulica. Antes de iniciar iniciar la prueba, prueba, es necesario necesario anclar el equipo al terreno, terreno, esto se logra con unos espirales especiales o aplicando carga sobre la base.
Los resultados se presentan en una gráfica que realiza un procesador y esta revela las condiciones del suelo, dependiendo del tipo de cono de penetración utilizado las gráficas pueden variar, pero presentan resultados inmediatos conforme se sumerge el cono.
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Ventajas y desventajas. Este método puede considerarse como un método directo ya que se trabaja de manera directa en el campo, se obtienen datos de la muestra de suelo directa en contacto con el cono. Es rápido, efectivo y puede derivar con diferentes resultados dependiendo del análisis que se realizó y del tipo de penetrómetro que se utilizó. Es importante recalcar que existen empresas grandes como Fugro adquieren datos geotécnicos y de otro tipo para caracterizar el subsuelo. Los datos se recogen usando una variedad de métodos internos, herramientas y sensores que van desde las pruebas de penetración de cono (CPT), métodos geofísicos a las técnicas de perforación convencionales, toma de muestras y pruebas de pozo. Las pruebas de Penetración de Cono utilizadas revelan datos muy importantes y pueden ahorrar dinero y tiempo, a la vez que se pueden efectuar sobre diferentes superficies. La desventaja de esta prueba sería el costo de esta, que aunque disminuye bastante en proyectos grandes, en proyectos pequeños suele ser bastante cara (como para la construcción de una casa), además este método requiere de una topografía aceptable para su implementación, ya que en condiciones adversas es necesario el uso de helicópteros que transporten el equipo a la zona a analizar. A mi gusto esta sería la prueba que más utilizaría para la exploración de subsuelos.
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CONO DINAMICO Los conos dinámicos son técnicas de exploración geotécnica antiguas, pero modernizadas con el paso del tiempo ya que gracias a la tecnología de microchips se pueden obtener una gran variedad de datos además de una mayor precisión en los mismos. El cono dinámico se divide en dos tipos el de cono perdible o el de cono recuperable, siendo la diferencia en que en el primero la cabeza del cono se desprende al momento de sacar la barra, ya sea simplemente retirando la barra o rotándola en sentido contrario a las manecillas de reloj en caso de tener cuerdas entre la barra y el cono (como si se tratase de un tornillo) mientras que en el segundo la cabeza contiene una cuerda que permite recuperarlo. Estos tipos de conos son hincados a percusión, ya que lo conforman una punta de acero con ángulos de ataque a 60° mientras que el diámetro del cono es mayor al de la barra con la que se hinca, así se reduce la fricción con el suelo sobre las barras, y se concentra meramente en la cabeza del cono. El perno es puntiagudo y sirve únicamente de guía para el cono. La energía de hincado es un parámetro que se define como la energía empleada para hacer penetrar el cono, la cual en este tipo varia con la energía utilizada en la penetración estándar. Ya que ambos funcionan de manera similar, lo cual consiste en levantar el cono para dejarlo caer lo más libremente posible desde una altura constante, las cuales se van determinando mediante tablas. Existen otros sistemas como el Borros el cual consta de un martinete de caída libre que levanta automáticamente una banda de cadena con un gancho y que a una altura determinada suelta el cono. Siendo mucho más sencillo que el sistema de poleas que se utiliza comúnmente. Page 9
Para obtener resultados es necesario dejar caer el cono el número de veces necesario para penetrar 10cm del suelo, el error que suele ocurrir es que la fricción no la provoque el cono sino la barra que lo sostiene, reduciendo la energía de impacto, por lo cual se recomienda untar grasa a la tubería a medida que va penetrando, o en suelos saturados utilizar lodo bentonítico para formar un flujo laminar alrededor de la tubería. Se utiliza una fórmula para estimar la capacidad de carga de un pilote hincado, de igual forma se puede correlacionar las pruebas de cono con las de penetración estándar. La fórmula empleada es la siguiente:
Los resultados que muestran un sondeo de cono dinámico muestran con mayor detalle resultados sobre la prueba de penetración estándar y con ella se puede determinar tanto la estratigrafía como la resistencia. Aquí se muestra un ejemplo de la precisión del sondeo de cono.
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POZOS A CIELO ABIERTO La excavación de pozos a cielo abierto con el empleo del pico y la pala permiten recuperar buenas muestras representativas representat ivas alteradas del subsuelo, sin embargo, su aplicación principal es la obtención de muestras inalteradas de la más alta calidad y sólo esta aplicación justi fica su costo.
Tamez determina que de los pozos a cielo abierto se pueden obtener muestras inalteradas de la mejor calidad. “Estas se obtienen excavando pozos a cielo abierto, con sección cuadrada o circular, de 1.50 a 2.00m por lado o diámetro, hasta profundidades de 5.00 a 10.00m, si el nivel freático se encuentra a mayor p rofundidad. La excavación permite p ermite obtener la siguiente información :
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La observación detallada de la estratigrafía y la clasi fi clasi fi cación cación geológica y geotécnica de cada estrato. Obtención de muestras inalteradas labradas directamente de cada uno de los estratos; las muestras pueden ser de forma cúbica, de 20cm por lado, o cilíndricas de 20cm de diámetro, después de labradas se protegen envolviéndolas en una capa de tela recubierta con una mezcla de cera, parafi parafi na na y brea, en partes iguales, para pa ra evitar la pérdida de humedad; puede usarse también envoltura de plástico egapack. Cuando no se pueden labrar buenas muestras por falta de cohesión del suelo, o por la presencia de gravas grandes o cantos rodados, puede ser necesario utilizar en el sitio pruebas mecánicas de gran tamaño para determinar la resistencia al corte y la compresibilidad de esos materiales.” (Tamez, 2001)
Los resultados de esta prueba es visualizar la estratigrafía del suelo de manera directa, sabiendo así como está compuesto el suelo.
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Ventajas y desventajas. Esta prueba genera pocos gastos en la generación de una exploración de suelos superficial, está limitada por la profundidad máxima en la que se puede realizar y en las condiciones meteorológicas apropiadas para esta misma. Para grandes proyectos consideraría poco práctica esta forma de muestreo, pero para proyectos más pequeños creo que sería la opción más útil, dependiendo de lo que se requiera analizar. Otra desventaja que encuentro es si el nivel de aguas freáticas esta cerca de la superficie puede ocasionar problemas a la hora de iniciar este muestreo, y se tendrías que proceder a drenar el terreno (el cual aumentaría los costos de la exploración) o tener que cambiar a otro tipo de muestreo. Es importante recalcar que en este muestreo interfieren de manera directa o casi directa el personal humano siendo este otro factor de riesgo importante a tomarse en cuenta ya que en los demás se asegura la integridad física del operador, en cambio en esta se tendrían que tomar medidas preventivas auxiliares para garantizar la seguridad de los operadores.
ENSAYO DE PENETRACIÓN ESTANDAR. El ensayo de penetración estándar o SPT, es un tipo de prueba de penetración dinámica, empleada para ensayar terrenos en los que se quiere realizar un reconocimiento geotécnico. Constituye el ensayo o prueba más utilizada en la realización de sondeos, y se realiza en el fondo de la perforación.
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Consiste en medir el número de golpes necesarios para que se introduzca a 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 permite tomar una muestra, naturalmente alterada, en su interior. El peso de la masa está normalizado, así como la altura de caída libre, siendo de 63'5 kilopondios y 76 centímetros respectivamente.
Gráfica que se puede obtener del ensayo. Se observ a que la resistencia en general aumenta con la profundidad y que hay capas que presentan una resistencia importante mientras otras se muestran más blandas.
Ventajas y desventajas. Como se menciona previamente este es uno de los métodos más utilizados para el sondeo y exploración de suelos. Su costo no es muy elevado y puede realizarse sobre diferentes suelos. Las dificultades que enfrentaría este método sería la de la topografía del lugar, ya que las condiciones geológicas en las que se puede presentar la prueba pueden ser adversas y dificultar o poner en riesgo al personal de trabajo.
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Lo simple de esta prueba muestra lo eficaz de la misma, las refacciones las consideraría como las “menos costosas” siendo el caso de que esta es la prueba que más se utiliza. Los resultados que presentan no pueden ser a muy grandes profundidades ya que la maquinaria tiene un límite de profundidad, lo cual imposibilita este proceso para exploraciones del suelo a profundidades
ENSAYO DE REFRACCIÓN SISMICA En Civil Geeks se explica a manera concreta en que consiste un Ensayo de Refracción Sísmica.
“[… ]consiste en la medición de los tiempos de viaje de las ondas compresionales (ondas P), y algunas veces de las ondas de corte (ondas S), generada por una fuente de energía impulsiva a unos puntos localizados a diferentes distancias a lo largo de un eje sobre la superficie del suelo. La fuente de energía es generalmente una carga pequeña de explosivo o un golpe de martillo. La energía es detectada, amplificada, y registrada de tal manera que puede determinarse su tiempo de arribo en cada punto. El instante del impacto o explosión, “Tiempo cero”, también es registrado conjuntamente con las vibraciones del suelo que arriban de los geófonos. Por lo tanto, en general, los datos consisten en tiempos de viaje y distancias, siendo el tiempo de viaje el intervalo entre el “Tiempo cero” y el instante en que el geófono empieza a responder a la perturbación.”
Con ellos podemos ver como esta prueba se realiza mediante el uso de de geófonos que miden el tiempo en que el impacto de un extremo del suelo a explorar llega al Page 15
punto a analizar. Es importante reconocer que esta técnica se realiza desde hace mucho tiempo y es utilizada en exploraciones en grandes extensiones para conocer la geología de determinadas regiones. Si se cuenta con perforaciones realizadas para ensayos SPT o con pozos a tajo abierto, se pueden efectuar ensayos de medición de ondas P y S mediante una sondageófono con sensores de tres componentes. Estos ensayos permiten determinar los parámetros dinámicos del suelo, como la rigidez inicial y las constantes elásticas dinámicas, importantes para la determinación de su respuesta dinámica. Los resultados de dichos ensayos se presentan en graficas que el procesador analiza para determinar las características del suelo.
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Ventajas y desventajas. La ventaja de este tipo de ensayo es que de manera rápida y generando bajos costos se puede hacer una exploración de grandes áreas, permitiendo obtener con una precisión aceptable los espesores de los estratos y las velocidades de ondas P y S que se transmiten sobre estas. Este método no es muy caro y los resultados no tardan mucho en salir, solo que su desventaja seria su precisión para la diferenciación de capas delgadas, y este problema deriva en que los resultados presentan un margen de error que se origina por cientos de variables difíciles de controlar, asi que los estratos delgados no serían identifi cados o serían muy difíciles de identificar. De igual manera cualquier técnica auxiliar de la Geotecnia no sustituirán a las perforaciones en ninguna manera ya que este método no se podría considerar directo, sino indirecto y por lo mismo su interpretación va a variar acorde a la persona que realiza el estudio. Otro problema serían las condiciones meteorológicas ya que se realiza a campo abierto, se tienen que buscar condiciones en que personal operativo pueda realizar las pruebas.
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Aquí se muestran un par de geófonos.
Aquí se encuentra un equipo para análisis de ensayo sísmicos.
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CONCLUSIONES La importancia de elegir un método de exploración de suelos es tan importante como definir los costos de proyecto, ya que estos definen no solo una parte que pudiese ser importante en costo sino también importante en diseño y planeación de una cimentación o una construcción. Muchos problemas presentados en infraestructura civil se presentan debido a una mala introspección y exploración de suelos, o a errores derivados en los cálculos de estos ya que sabemos que los suelos presentan cambios en muchas características como humedad, deformación, esfuerzo, plasticidad, granulometría y características químicas conforme uno va adentrándose más al subsuelo. Tamez explica la importancia de la exploración de suelos en su etapa preliminar, ya que con ellas se pueden plantear alternativas preliminares de diseño y construcción de la cimentación. “Su objetivo es obtener en el campo la información que permita determinar las características geotécnicas de las rocas o los suelos que constituyen el sitio explorado; tales características son:
Origen y clasi fi ficación c ación geológica de suelos y rocas. Secuencia de los estratos o capas de suelo o roca (estratigrafía). Clasi fi ficación c ación geotécnica de los materiales de cada estrato. Estructura y consistencia natural de los materiales de cada estrato. Posición del nivel freático.” freático .” (Tamez, 2001)
Las perforaciones son muy comunes como métodos directos de la exploración de suelos, pero en este trabajo descubrí otros métodos no directos que ayudan a analizar lo que se encuentra en el subsuelo de una mejor manera. Es importante determinar que método se va a utilizar ya que este definirá la precisión y el costo de la exploración del suelo, además de en qué condiciones se encuentra el sitio a analizar ya que hay unos que si varían acorde a condiciones climáticas, u otros que son imposibles acorde a condiciones geológicas.
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Fuentes web consultadas y bibliografía:
FUGRO. Onshore Geotechnical Services. Consultado el 27 de Agosto de 2013. http://www.fugro.com/
Corporación Universitaria de la Costa. Exploración y muestreo de Suelo. Consultado el 27 de Agosto de 2013. http://www.scribd.com/doc/32089839/Exploracion-y-Muestreo-de-Suelos
Civil Geeks. Experiencias con el ensayo de penetración semi-estática (Cono Holandés). Consultado el 27 de Agosto de 2013. http://civilgeeks.com/2011/04/13/experiencias-con-el-ensayo-de-penetracion-semiestatica-cono-holandes/
M.I. Bernardo Gómez González. Procedimientos de exploración y muestreo de suelos y rocas. Consultado el 27 de Agosto de 2013. http://www.civionica.net/images/NotasCimentaciones053.pdf
Tamez E. Ingeniería de Cimentaciones. Conceptos Básicos de la Práctica . TGC, 2001. Consultado el 27 de Agosto de 2013. http://www.civionica.net/images/NotasCimentaciones053.pdf Santoyo Villa, Enrique. Exploración de Suelos. Vigésima Conferencia Nabor Carrillo. México; 2010.
Fuentes web de imágenes consultadas el 27 de Agosto de 2013: http://www.scielo.org.ar
http://ocw.uis.edu.co
http://civilgeeks.com
http://ondasmecanicaspmtr.blogspot. mx/
http://fugro.com
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