01 correlaciones ensayosfundaciones

Universidad de Los AndesFacultad de IngenieríaDepartamento de Vías

Investigación del subsuelo - Tipos de FundaciTipos de Fundaci óón y n y

Elementos de la FundaciElementos de la Fundaci óónn

Prof. Silvio Rojas

Enero, 2007

Universidad de Los AndesFacultad de Ingeniería

III.- MUESTREO CON CALICATAS.

inspección directa del suelo

método de exploración que normalmente entrega la información más confiable y completa.

Exploración efectivapara muestreo de suelos de fundacióny materiales de construcción

costo relativamente bajo

la profundidad está determinada por las exigenciasde la investigación

Muestra perturbadas:. La muestra o el testigo debe ser representativo del suelo o masa rocosa.. Debe tener los mismos componentes de la masa original.. De ser posible con la misma humedad.. Su estructuraes totalmente alterada.. Las muestras deben ser guardadas en recipientes y bolsas, donde se altere poco la humedad.

Utilidad de estas muestras:

. Descripción del material.

. Si todos sus componentes se están presentes y sin alteración del tamaño de los mismos, permite obtener la granulometría del suelo.

. Si todos sus componentes están presentes, permiten la determinación de la plasticidad del suelo.

. Puede ser útil para la determinación de la humedad.º

Existen dos tipos de muestras tomadas en campo: las perturbadas y las inalteradas


Muestra no perturbadas:. La muestra o el testigo representativo del suelo o masa rocosa.. Tiene todos sus componentes de la masa original.. Tiene la misma humedad del suelo “in situ”.. Su estructura es lo mínimo alterada.. Las muestras deben ser guardadas en recipientes, donde se altere la estructura y libre de vibraciones.

Origen:

. De perforaciones por rotación o perforación con sondas, donde se ha alterado la estructura del suelo.

. De calicatas, donde el material se ha desmoronado.


Utilidad de estas muestras:

. Descripción del material.

. Obtención de la granulometría del suelo.

. Determinación de la plasticidad del suelo.

. Determinación de la humedad.

. Ensayos especiales: Corte, permeabilidad, consolidación, compresión simple.

Origen:

. De perforaciones por rotación en suelos que permitan mantener su estructura compacta.

. De calicatas, donde la obtención de monolitos donde el material no se desmorone y donde sea posible la penetración de cilindros.


Las fig. 21y 22, presentan la toma de muestra a través de un cilindro biselado. Se hinca el cilindro y luego se excava alrededor del mismo, para su extracción.

Fig. 21.- Demuestre en superficie, en suelos cohesivos sin gravas ni cantos.

Fig. 22.- Demuestre en superficie en arenas.


-Es útil para la determinación de la densidad relativa (Dr) en suelos granulares sin cementante.

-Útil para la determinación del CBR de determinada capa en un pavimento en servicio.

-Se puede usar en suelos granulares finos con arcilla o limos.

- En suelos granulares que contengan gravas, se puede dañar el bisel del molde.

Las fig. 23 y 24, muestran la definición de un monolito en una calicata. Esto solo es posible si el suelo tiene cierto cementante, de lo contrario la calicata sólo serviría para obtener material y llevar al laboratorio en un saco, para ser usado en el ensayo granulométrico y de densidad relativa.


Fig. 23.- Demuestre en superficie

en suelos cohesivos con gravas y cantos.

La calicata también sirve para ubicarse a cierta profundidad por debajo de la superficie para obtener muestras y hacer ensayos “in situ”.

Fig. 24.- Procedimiento para la obtención directa de muestras inalteradas in situ.


Fig. 25.- Modelo de registro de una calicata.


g. 4.- Perforación y muestreo con barrena helicoidal

Tubo muestreador(shelby) en el fondo de la perforación


Fundaciones

Tubo muestreador(cuchara partida) penetra por golpes de martillo en el fondo de la perforación.


Fundaciones

Fig. 26.- Corte esquemático del tomamuestras partido normal.

Nota: Penetra la masa de suelo en el fondo de la perforación, a través de golpes transmitidos a la barra de perforación por medio de un martillo y cabezal


Fundaciones

Fig. 27.- Cuchara portatestigos para el ensayo normalizado de penetración.


Fundaciones

Fig. 28.- Corte esquemático del tomamuestras de pared delgada.

L = 75 cm a 90 cm

Fig. 29.- (a) Portatestigos de pequeña sección con tubo Shelby. (b) Portatestigos de mayor diámetro de pared delgada.

Do

Dm

Penetra el fondo con presión y sin vibración

Dc

Revestimiento TuboNormalizado de 2 ½”

Aberturas

Varilla de SondeoTubo normalizado de 1”

Cabeza o AdaptadorDe Portatestigos

3/8” prisionero conCavidad hexagonal

Tubo de Acero ShelbyDe 2”

2.875”

2 1/2”

3”

33”

Varilla

Conducto de Aire

Enganche de Varillas “N”

Obturador

Cabeza De Portatestigos

AbrazaderasOrificios para llave inglesaAdaptador

Prisioneros

Guarnición de Goma

TuboPortatestigos

1/2”

3”

5.05”

5.25”

5”

6 3/4”

5 1/2”

15 1/2”

Fig. 29.- (a) Portatestigos de pequeña sección con tubo Shelby. (b)Portatestigos de mayor diámetro de pared delgada.

(a) (b)

84 cm


Fundaciones

• Recomendaciones deHvorslev, para los tubos muestreadores con el fin de obtener muestras inalteradas.

� Para controlar la alteración por desplazamiento:Calibre No. 18 (1/20”) para Ø = 2” (calibre 1.27 mm)

No. 22 (1/8”) para Ø = 5” (calibre 3.18 mm)Ar ≈ 13% (relación de áreas)

o Relación de Áreas: 1002

220 ⋅−=

m

m

D

DDAr

Donde:D0= Diámetro externo del tubo.Dm= Diámetro interno del tubo. Ar<10% máx. 15%para disminuir la alteración del suelo cuando se desplaza dentro del tubo.

Ar, toma en cuenta disminuir los esfuerzos que obligan al suelo a entrar al tubo y a desplazarse hacia los lados alrededor del tubo.


Fundaciones

Veamos el valor de Ar para el tubo partido normal:

(muestra alterada totalmente)

•Para disminuir la fricción entre el suelo y las paredes internas del tubo:

Ci grande → expansión excesiva.Ci pequeña → fricción excesiva.

Donde:Ci= tolerancia internaDc= diámetro en el extremo de la boquilla cortante

Recomendable:Ci= 0.75 a 1.50% Long. de muestreadores grandes.Ci≤ 0.50%. Long de muestreadores pequeños.

%56.901008.36

8.368.502

22

=⋅−

=Ar

100⋅−=m

cmi

D

DDC


Fundaciones

Veamos la tolerancia para el tubo partido normal:

(expansión grande)

También para los tubos muestreadores, sugiere:

Ls = (5 a 10) Dm suelos poco cohesivos, sueltos o densos.Ls = (10 a 20) Dm suelos firmes, cohesivos o muy blandos.

Valores pequeños para diámetros grandes y valores grandes para diámetros pequeños.

Los muestreadores de paredes delgadas tienen longitudes entre 75cm y 90cm.

%93.11001.36

1.368.36 =⋅−=iC


Fundaciones

Tubo de pared delgada con pistón

El empleo de tubos de pared delgada provistos con pistón puede a veces extraer arenas ligeramente cohesivas, por encima del N.F. y dotadas de cohesión aparente por capilaridad.


Fundaciones

Vp Vp Vp

cp.

r

Tp

cp.

r

Tp

Pie delRevestimiento

Tp(1)

(2)

(3)

r - revestimientop – pistónvp – vástago del pistónt – testigocp – cabeza portatestigotp – tubo portatestigo

Fig. 31.- Obtención de testigo por tubo hincado empleando pistón estacionario:

(1)Descenso(2) obtención del testigo(3) extracción

El pistón se puede operar de manera de producir el vacío entre él y la parte superior de la muestra, lo que facilita su retención en el tomamuestra.


Fundaciones

Toma de muestra del pistón:

• Pistón cierra boca del muestreador, cuando se baja al fondo de la perforación y se fija a ese nivel.• el tubo muestreador penetra el suelo sin que el pistón se mueva.• El pistón se puede operar de manera de producir el vacío entre él y la parte superior de la muestra, lo que facilita su retención en el tomamuestra.• También evita que suelos blandos inestables asciendan más rápido que el descenso del tubo.• Evita que después que el tubo este parcialmente lleno la adherencia y la fricción entre el tubo y la muestra se oponga al avance de éste.


Fundaciones

Para extracción de muestras inalteradas en arena:

La fig. 32, presenta el muestreador de Bishop, para este caso. Este muestreador se entiende así:

• La cámara contiene inicialmente al tubo muestreador el cual esta rodeado de agua (no existe vacío en la cámara).• Se introduce el tubo muestreador por presión en el suelo.• Luego se expulsa el agua que existe en la cámara con aire comprimido.• Halar el muestreador y colocarlo dentro de la cámara.• En el extremo del tubo se producen presiones capilares que ayudan al sostenimiento de la muestra dentro del tubo (s.r: Se produce tensión capilar por el contacto entre el agua y el aire, y esto le dá cierta tensión aparente).


Fundaciones

Fig 32.Principio del muestreador

Bishop.

4 El cable hala el muestreador y lo coloca dentro de la campana llena de aire.

2 El muestreador es forzado dentro de la arena por medio de las barras de perforación y el aire comprimido desplaza el agua de la campana.

1 Inicialmente el tubo muestreador se encuentra dentro de la cámara rodeado de agua

3 Se inyecta aire comprimido y se explusael agua de la cámra.

5 Al entrar el tubo a la cámra en el extremo del tubo se produce cierta tensión (presiones negativas)

Revestimiento


Para suelos duros y compactos, donde no se puede usar tubos de pared delgada (Fig. 33 y 34):

•Cohesivos duros •Lutitas blandas•Arenas ligeramente cohesivas

Tubos concéntricos(similar al tubo single). El tubo exterior rota y corta el suelo:

•Tubos concéntricos•Ambos tubos son simultáneamente forzados hacia abajo, dentro del suelo.•Se obtienen buenas muestras de suelos cohesivos, firmes a duros, incluyendo lutitas duras.


Fig. 33Corte esquemático del muestreador rotatorio

de doble tubo, tipo Denison

•Cohesivos duros •Lutitas blandas•Arenas ligeramente cohesivas

Tubos concéntricos(similar al tubo single). El tubo exterior rota y corta el suelo:

s.r Se observa que hay que extraer toda la tubería

2 ½”32 3/8”2 15/16”

3 9/16”3 ½”NNX

1 5/8”2 3/8”1 29/32”

2 5/16”2 15/16”2 7/8”BBX

1 3/16”1 7/8”1 5/8”1 27/32”

2 5/16”2 ¼”AAX

7/8”1 ½”1 5/16”

1 7/16”1 27/32”1 13/16”EEX

Diámetro aproximado del testigo.

Diámetro aproximado del sondeo sin entubar

Varillaje

Ø ext.

Corona

Ø ext.

Anillo cortante del

Revestimiento

Revestimiento

Ø ext.Varillaje

Revestimiento

Porta testigos

Tabla Nº7.-Datos de diámetros de las barras de perforación y brocas


Fundaciones

3” 0.56”3” 0.5”2” 0.94” 2” 0.38” 2” 0.5”

Tubería y broca para la toma de muestras

Tubería y broca de revestimiento

(s.r toma la muestra que corta la corona del tubo externo )

Fig. 34Portatestigos Denison.

s.r Se observa que hay que extraer toda la tubería

Tabla #10. Registros de sondeos

en suelos.

Long. de avance del muestreo

Ubicación N.F

Descripción del material

Muestreo y ensayo “in situ”

Tabla #11. Registros de sondeo en roca.


•PENETRÓMETRO (FIG 35 Y 36)Fig. 35

Corte esquemático del Cono Holandés

de doble movimiento.

V.- METODOS ESTATICOS DE SONDEO (CONO HOLANDES) – ENSAYO DILATOMÉTRICO - ENSAYO DE PLACAS – ENSAYO DE VELETA.

Velocidad a la cual se empuja 1cm/seg (también 20 a 40cm/min)-rápidos levantamientos de depósitos erráticos de arcilla, limos y turbas blandas, se puede hacer auscultamientos de 10m en 15min. Registros cada 20 a 25 cm

cono de 60 grados con un diámetro de 36mm y 10cm2 de área en la base.

Buje de fricción del mismo diámetro con área superficial de 150cm².

Fig. 36•Posición 2, el cono penetra 4 cm y se mide resistencia por punta.•Posición 3, penetración de 4 cm adicionales, mide resistencia por punta más resistencia por fricción lateral.

Fuerza de penetración del cono + funda = resistencia por punta + resistencia lateral.

Longitud de funda para medir resistencia por fricción


-Consiste básicamente en un cono de 60 grados con un diámetro de 36mm y 10cm2 de área en la base.

-El cono va enroscado a la parte inferior de un vástago.

-Velocidad a la cual se empuja 1cm/seg (también 20 a 40cm/min)

-Útiles en suelos relativamente blandos o ninguna cohesión.

-El aparato holandés original se usa todavía para efectuar rápidos levantamientos de depósitos erráticos de arcilla, limos y turbas blandas, se puede hacer auscultamientos de 10m en 15min.

-Las lecturas de manómetros pueden registrarse cada 20 a 25 cma medida que profundiza el penetrómetro

- Mide la magnitud y variación de la resistencia a la base del cono.

-Complementa la información obtenida de los muestreos hechos en las perforaciones.

-Permite identificar la presencia de puntos blandos, ubicados entre perforaciones previas.

-Mayor precisión en las variaciones de la resistencia a la penetración de un cono que avanza por presión estática, que las variaciones dinámicas.

- Rápida exploración de depósitos blandos con equipos mecanizados, que puede llegar hasta 30 metros.

- Manuales hasta 10 metros.

- Mecanizados hasta 30 metros.Cono: 60 grados.Φ:35,7mmSección transversal = 10cm²


Correlaciones entre la resistencia no drenada y la resistencia ala penetración por punta del cono.

•Para arcillas normalmente consolidadas (N.C) qc≤ 20kg/cm² (3)Cu= qc/15 a qc/18

•Para arcillas blandas donde se prevee una falla local. (4)

Cu=qc/10 a qc/14•Para arcillas preconsolidadas qc≥ 25 kg/cm² (5)Cu=qc/22 a qc/26•qc=σvo + 2x 1.3 x 5.14 x Cu (otra expresión aproximada) (6)

Mayne y Kemper (1988)

Composición del suelo no cohesivo qc/N

Limos, limos arenosos, mezclas de limos y arena con algo de cohesión.

2

Arenas limpias finas a medias y arenas de algo limosas.

3-4

Arenas gruesas y arenas con algo de grava.

5-6

Gravas y gravas arenosas. 8-10

qc→ kg/cm² N → Golpes/pie

Correlación entre el CPT y el SPT

Resultados en gravas son aleatorios

Lancellotta (1993), Jamiolkowski et al (1985): Para arena normalmente consolidada.


Piezocono

Sonda de Piezocono


La figura 37. Presenta un registro obtenido con un cono de penetración estática, el cualen este caso adicionalmente permitió medir la presión de poros en cada punto de registro del ensayo. Se observa como las mayores presiones de poros ocurrieron en suelos arcillosos, así como también las menores resistencias por punta y por fricción coincidieron a ese nivel de presiones de poros.

s.r: Suma de la hidrostática más la sobrepresión que produce el equipo

s.r Probablemente no ha existido el tiempo necesario para la disipación del exceso de presión


Figura 38. Relación entre la resistencia por punta qc y el ángulo de rozamiento interno para arenas no cementadas normalmente consolidadas.

Robertson y Campanella (1983)

1 bar = 1 kgcm2


La figura 39 y 40 es referida al cono dinámico, cuyos resultados tienen cierta correlación con el ensayo SPT.

Figura 39.- Ensayo de penetración dinámica tipo Borros, dispositivos y puntazas.

Punta cuadrada ?? (caras planas)

Punta cónica

63.5 kg de peso,

cae libremente 0.50 m

más de 100 golpes para hincar los 20 cm de tubería se considera rechazo

registro del número de golpes NB se efectúa cada 20 cm


Fundaciones

Ensayo Borros, puede realizarse a profundidades considerables, en ocasiones superiores a 25 m. La maza, de 63.5 kg de peso, cae libremente desde una altura de 0.50 m. Las puntazas pueden ser cuadradas o cónicas. El registro del número de golpes NB se efectúa cada 20 cm. Si son necesarios más de 100 golpes para hincar los 20 cm de tubería se considera rechazo y se suspende la prueba.

AplicapleAplicaple unicamenteunicamente a suelos arenososa suelos arenosos

••Log(NB)=0.035N + 0.668 Log(NB)=0.035N + 0.668 ±± 0.044 (7)0.044 (7)

••N = 25log(NB) N = 25log(NB) –– 15.16 15.16 ±± 1.16 (8)1.16 (8)

Nota: las ecuaciones no están referidas a la tabla 12

Se puede estimar de forma aproximada que N = NB, para NB comprendido entre 8 y 12.

Para valores mayores, NB resulta ser algo mayor que N. Dhalberg (1974) propuso dos correlaciones, no estrictamente equivalentes , aplicables únicamente a suelos arenosos:


Fundaciones

N. N. DhalbergDhalberg (1974)(1974)

AplicapleAplicaple unicamenteunicamente a suelos a suelos arenososarenosos

••Log(NB)=0.035N + 0.668 Log(NB)=0.035N + 0.668 ±± 0.044 (7)0.044 (7)

••N = 25log(NB) N = 25log(NB) –– 15.16 15.16 ±± 1.16 (8)1.16 (8)

Fig. 40.- Conos dinámicos.

Otros tipos de conos dinámicos

Universidad de Los AndesUniversidad de Los Andes

Facultad de IngenierFacultad de Ingenierííaa

Departamento de VDepartamento de Vííasas

FundacionesFundaciones

TablaTabla #12 #12 RelacionRelacion entreentre el el NumeroNumero de de GolpesGolpes y la y la densidaddensidad

relativarelativa de de suelossuelos GranularesGranulares. . PenetracionPenetracion del del conocono 30cm (30cm (ParcherParcher

y Jeans (1968).y Jeans (1968).

Muy densa>80> 50

Densa50 a 8030 a 50

Mediana25 a 5010 a 30

Suelta<254 a 10

Muy suelta0 a 4

NcN

hcaida=45.7cmhcaida=76.2cm

DrWmartillo=18.1kgWmartillo=63.5kg


Fundaciones

EnsayoEnsayoparapara medirmedir la la resistenciaresistenciadel del suelosueloa la a la deformaciondeformacion.

La fig. 41, muestra un esquema del dilatómetro, usados en suelos. La fig. 42 y 43, presenta correlaciones entre los parámetros estimados a partir del ensayo vsel coeficiente de empuje lateral en reposo y el suelo donde se realiza el ensayo.

El ensayo permite medir la resistencia del suelo a la deformación, a través del registro de las siguientes presiones:

-Po: Presión medida para producir esta deformación de despegue de 0,05mm.

-P1: Presión medida para una deflexión de 1.1 mm hacia el suelo.

- P2: Existirá una presión P2, cuando la membrana vuelva a su posición al liberar cuidadosamente el gas.

Fig. 41.- Dilatómetro de Marchetti

Fig. 42 Correlación entre kD y ko (para las curvas de Schmertmann se requiere una estimación previa de φ).

Po despegue 0.05 mm

Fig. 43.- Correlación entre tipo de suelo, ID y ED.

00

01

µ−−

=P

PPI D

'0

00

vD

PK

σµ−

=

( )201

17,34

ν−=−= s

DE

PPE

•σσσσvo’: Presión efectiva

•1 MPa = 1 N/mm2

•1 MPa = 1 000 000 Pa 1kgcm2 = 100 KNm2

•1 MPa = 10 Kg/cm2

TablaTabla de de correlacionescorrelaciones

DefiniciDefinicióón de parn de paráámetros para el ensayometros para el ensayo

Indice del material de depósito

Indice de esfuerzo lateral

Módulo dilatométrico

P1,P0 P1,P0 →→MpaMpaEDED→→MpaMpa


Fundaciones

La fig. 44, 45,46 y 47, hacen referencia al ensayo de placa. La fig. 44 y 46, presenta dos maneras de trasmitir la carga al suelo, donde el primero es a través de un sistema de reacción de anclajes o pilotes y la segunda fig. el esfuerzo trasmitido al suelo se logra a través de pesos colocados sobre vigas las cuales las mantiene el gato al mismo nivel. La fig. 45, muestra los resultados del ensayo de placa. En la fig. 47, se ve el efecto que produce la placa sobre el suelo de fundación en relación con la zapata real fundada a la misma cota.

Ensayo de placa

Fig. 44.- Dispositivos para el ensayo de placa de carga

Fig. 45.-Resultados del ensayo de placa de carga.

Fig. 46.- Pruebas de carga


Fundaciones

Fig. 47.- Zonas relativas de influencia de la carga, bajo placa soportante y bajo asientos de pies de construcciones.

- La ASTM hace una serie de recomendaciones para el ensayo, sin

embargo, veamos las recomendaciones de Sowers (1961)

- Hacer los incrementos de carga en ¼ presión portante admisible estimada

-Incrementos de carga ≈ ¼ presión portante admisible estimada

Máxima carga a colocar: Aproximadamente dos veces la presión portante admisible en arenas y gravas

• Máxima carga a colocar: Aproximadamente 2,5 veces la presión admisible en arcillas


Fundaciones

•Leer los asentamientos con una precisión de 0,025 mm y referenciarlos fuera del área afectada por los posibles asentamientos.

•Después de cada incremento no se vuelve a cargar hasta que la velocidad del asentamiento sea 0,05 mm/hora.

•El incremento final se dejará aplicado por lo menos por 4 horas antes de finalizar el ensayo.

•La ASTM dice que después de descargar el suelo, se debe medir la expansión por un tiempo igual a la de un incremento de carga.


FundacionesEnsayo de veleta

Fig. 48.- Equipo del ensayo de molinete o ensayo de veleta.


Fundaciones

Para suelos:

•Arcillas con qu < 1 kg/cm2

•No recomendable si la arcilla tiene capas densas de arena y limo

•Menos recomendable si existen gravas o piedras

•La veleta penetra el suelo de fondo del fondo en forma lenta y continua, sin alterar apreciablemente el suelo.

•Luego se rota a una velocidad de 6º a 12º por minuto (ver fig 49).

•Se va registrando el par necesario para rotar determinado ángulo.

•El momento torsor requerido para girar las veletas es proporcionado por la resistencia lateral que se genera en la superficie cilíndrica generada por las paletas y por la resistencia en las bases.


Fundaciones

Fig. 49.- Ensayo rotatorio de veleta in situ.


Fundaciones

223

2

2222

2

⋅

⋅⋅

⋅⋅+

⋅⋅

⋅= BBC

BL

BCM uuT ππ

⋅

+

⋅⋅⋅=3

2

222

22BBB

LCM uT π

⋅=32

2 BBCM uT π

vuuT SC

LB

M,2

2 ==⋅⋅π

Tomando en cuenta la figura 48 y 49 se plantea la siguiente ecuación:

Donde:Cu: Resistencia cohesiva2π(B/2).L:Area lateral del cilíndro(B/2): Brazoπ(B/2)²: Area base(2/B)(B/2): Brazo2: Ambos lados de la base

No tomando el termino


Fundaciones

La fig. 50, permite obtener el factor de corrección de la resistencia obtenida con la veleta.

Sµ, v: resistencia obtenida con veleta

P0’: esfuerzo efectivo a la cota a la cual se hizo el ensayo

Sµ, diseño = λ.Sµ,v (16)

Puede diseñar con la figura 50.a o 50.b reinterpretación del gráfico de Bjerrum por Aas et al. (1986) para incluir efectos de vejez y OCR.

Para la figura 50.b, define con (Ip, Sµ,v) un punto en la zona N.C. o en la zona O.C., luego baja y busca la curva NC o la curva OC, dependiendo de la zona superior y determina λ.


Fundaciones

Fig. 50.- (a) Factor de corrección de Bjerrum para el ensayo de veleta de corte. Según Bjerrum (1972) y Ladd (1977). (b) Reinterpretación del gráfico de Bjerrum por Aas et al. (1986) para incluir efectos de vejez y OCR.


Fundaciones

Fig. 51.- Diferentes alturas y anchos de las paletas de la veleta.

01 correlaciones ensayosfundaciones

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