ESCUELA COLOMBIANA DE INGENIERA JULIO GARAVITO

FACULTAD DE INGENIERA CIVIL

CENTRO DE ESTUDIOS GEOTCNICOS

MECNICA DE SUELOS 2 MSU2

APUNTES SOBRE

INVESTIGACIN DEL SUELO

JORGE ENRIQUE DURN GUTIRREZ Ingeniero Civil, MSCE.

Bogot, enero de 2008

TABLA DE CONTENIDO

1. INTRODUCCIN ................................................................................................. 1 1.1 Caractersticas particulares del suelo ........................................................... 1 1.2 Metodologa de los estudios geotcnicos ..................................................... 2

2. PLANEACIN DE LA EXPLORACIN DEL SUELO........................................... 4 2.1 Recopilacin de informacin disponible existente......................................... 4 2.2 Visita de reconocimiento ............................................................................... 4 2.3 Seleccin del plan de exploracin del suelo ................................................. 5

3. COMPONENTES DE LA EXPLORACIN DEL SUELO...................................... 7 3.1 Mtodos directos de exploracin .................................................................. 7 3.2 Mtodos indirectos de exploracin................................................................ 8 3.3 Instrumentacin y monitoreo......................................................................... 8 3.4 Ensayos de laboratorio ................................................................................. 9

4. CRITERIOS PARA DETERMINAR LA PROFUNDIDAD DE LA EXPLORACIN ... 10 4.1 Criterios generales de la Norma NSR-98.................................................... 10 4.2 Criterios adicionales sobre el tipo y la distribucin de las exploraciones .... 11 4.3 Criterios adicionales sobre la profundidad de las exploraciones................. 11

5. EXCAVACIONES ABIERTAS O SUBTERRNEAS .......................................... 14 5.1 Apiques exploratorios.................................................................................. 14 5.2 Pozos exploratorios..................................................................................... 15 5.3 Trincheras exploratorias.............................................................................. 16 5.4 Galeras exploratorias ................................................................................. 17

6. PERFORACIONES ............................................................................................ 19 6.1 Perforacin con barreno manual................................................................. 19 6.2 Perforacin con equipo de percusin y lavado ........................................... 22 6.3 Perforacin con equipo de rotacin............................................................. 25

7. MUESTREOS .................................................................................................... 33 7.1 Muestras tipo costal (C) .............................................................................. 33 7.2 Muestras de frasco (F) o de bolsa (B)......................................................... 33 7.3 Muestras tipo bloque (Bq) ........................................................................... 34 7.4 Muestras obtenidas con el toma-muestras de cuchara partida (SS).......... 35 7.5 Muestras de lodo de fondo (MS)................................................................. 37 7.6 Muestras obtenidas con el toma-muestras Bishop (BS) ............................. 37 7.7 Muestras obtenidas con el toma-muestras de pared delgada (TS)............. 39 7.8 Muestras obtenidas con el toma-muestras de pistn (PS).......................... 41 7.9 Muestras obtenidas con toma-muestras rotatorio tipo Denison (DS).......... 43 7.10 Muestras obtenidas con toma-muestras rotatorio tipo Pitcher (PtS) ........... 45 7.11 Ncleos de roca tomados con barril rotatorio de corona abrasiva RC ..... 46

ii

8. ENSAYOS DE CAMPO Y SONDEOS................................................................ 51 8.1 Ensayo de penetracin estndar SPT...................................................... 52 8.2 Ensayo de torsin con veleta de campo Suv ........................................... 57 8.3 Ensayo de penetracin esttica de cono CPT ......................................... 62 8.4 Ensayo de penetracin dinmica de cono DCPT..................................... 67 8.5 Ensayo del Presurmetro de Menard PMT ............................................... 70 8.6 Ensayo del Dilatmetro de Marchetti DMT............................................... 74 8.7 Ensayo de carga de placa PLT ................................................................ 78 8.8 Ensayo de carga de pilotes......................................................................... 79 8.9 Ensayos de permeabilidad en el campo ..................................................... 83

9. MTODOS INDIRECTOS DE EXPLORACIN ................................................. 93 9.1 Prospeccin geofsica por refraccin ssmica ............................................. 93 9.2 Prospeccin geofsica por reflexin ssmica ............................................... 95 9.3 Ensayos de geofsica en perforacin .......................................................... 95 9.4 Prospeccin por resistividad elctrica ......................................................... 97 9.5 Sonar .......................................................................................................... 98 9.6 Imgenes de Radar..................................................................................... 99

10. INSTRUMENTACIN Y MONITOREO ........................................................ 100 10.1 Objetivos ................................................................................................... 100 10.2 Instrumentos ............................................................................................. 100

11. ENSAYOS DE LABORATORIO ................................................................... 107 11.1 Ensayos de identificacin visual y manual ................................................ 107 11.2 Ensayos de clasificacin ........................................................................... 107 11.3 Ensayos de compresibilidad ..................................................................... 107 11.4 Ensayos de resistencia ............................................................................. 107 11.5 Ensayos de permeabilidad y de estabilidad interna .................................. 112 11.6 Ensayos de susceptibilidad a los cambios volumtricos ........................... 112 11.7 Ensayos de calidad y solidez de granos o de piedras y rocas .................. 112

12. BIBLIOGRAFA............................................................................................. 114

INVESTIGACIN DEL SUELO

1. INTRODUCCIN

1.1 Caractersticas particulares del suelo

La exploracin del suelo de un terreno donde se va a desarrollar un proyecto cualquiera, en este caso una construccin urbana, es esencial en el desarrollo de los estudios, anlisis y diseos del ingeniero geotecnista fundamentalmente porque el material con el que se enfrenta es un material con unas caractersticas muy particulares comparado con otros materiales empleados en ingeniera civil y, en especial, en la construccin de obras. Algunas de dichas caractersticas son:

Material natural: El suelo no es un material fabricado en una planta donde se pueden establecer especificaciones de resistencia y deformabilidad, y donde se pueden aplicar los controles de calidad correspondientes. En la inmensa mayora de los casos el ingeniero tiene que emplear el suelo o entender el suelo tal como lo encuentra en la naturaleza. Slo en un contado nmero de casos o de circunstancias se pueden utilizar tcnicas de mejoramiento del suelo o proceder a su reemplazo.

Localizado bajo tierra: Con excepcin de los cortes de vas en terreno ondulado o montaoso, no se puede observar a simple vista el suelo en profundidad. Slo est expuesta la superficie del estrato ms superior del perfil. Por lo tanto, para conocerlo se tendrn que emplear tcnicas de exploracin que incluyen varias actividades. (excavaciones, perforaciones, muestreos, ensayos de campo, ensayos de laboratorio, monitoreo de instrumentacin y, si es el caso, mtodos indirectos de investigacin.)

Sistema multifase: Est constituido por partculas slidas, aire y agua. El suelo es un material complejo dada la interaccin entre las fases slida y fluida, de la cual depende su comportamiento en resistencia, deformabilidad, compresibilidad, susceptibilidad a los cambios volumtricos en general, erodabilidad interna y externa, etc.

Material no elstico, es decir, no recupera totalmente su forma original despus de retirar la carga que lo ha deformado. El suelo es un material no lineal, es decir, su relacin esfuerzo-deformacin no se puede representar por una lnea recta, aunque, bajo ciertas condiciones se puede hacer la aproximacin de considerarlo lineal sin incurrir en un grave error. Sin embargo, en muchas circunstancias dicha simplificacin no es aplicable.

2

Heterogneo: Sus propiedades y sus parmetros varan de sitio a sitio tanto en profundidad como en extensin, an en pequeas distancias. Dicha variabilidad puede ser menor o puede ser muy marcada segn el tipo de depsito (en suelos transportados) o de perfil u horizonte (en el caso de suelos residuales).

Anisotrpico, es decir, alguno o algunos de sus propiedades o parmetros varan segn la direccin en que se consideren. Este es el caso, por ejemplo, de la permeabilidad, del estado de esfuerzos y de la resistencia al corte.

Sensitivo: susceptible a perder significativamente su resistencia y otras caractersticas de su estructura ante el remoldeo por deformacin. En algunos casos esta caracterstica es muy aguda y el suelo pierde estructura y gran parte de su resistencia an con pequeas deformaciones.

Las caractersticas de resistencia, deformabilidad y compresibilidad de los suelos son, en general, funciones complejas de la interaccin de varios factores, tales como, la presin o el estado de esfuerzos, las condiciones de drenaje y el factor tiempo.

Todas estas caractersticas del suelo llevan a la necesidad de desarrollar en cada proyecto un programa combinado de varias actividades que contribuyan a conocer lo mejor posible, dentro de las limitaciones presupuestales y de tiempo, las propiedades y parmetros del suelo del lote y de su variacin tanto en profundidad como en extensin horizontal, con el fin de poder establecer un modelo, aunque ciertamente simplificado, con el cual se puedan realizar los anlisis y los diseos para la construccin.

1.2 Metodologa de los estudios geotcnicos

Conocimiento del proyecto

Recopilacin de informacin disponible

Reconocimiento del terreno y de sus vecindades

Planeacin de la investigacin del suelo (exploracin de campo y ensayos de laboratorio)

Ejecucin de la exploracin por medio de excavaciones o perforaciones, toma directa de muestras y ensayos directos de campo en varios sitios y a varias profundidades, empleo eventual de mtodos indirectos de prospeccin y, si es necesario, instalacin de equipos de instrumentacin para su monitoreo

3

Ensayos de laboratorio sobre un nmero limitado de muestras representativas de diferentes sitios y profundidades

Interpretacin de la informacin obtenida para llegar a un modelo simplificado del suelo

Anlisis, diseos y recomendaciones para la construccin

Seguimiento durante la construccin y la operacin del proyecto

Interpretacin del monitoreo y aplicacin de ajustes al diseo, si fueran necesarios, durante la etapa de construccin

Diseo y construccin de medidas remediales en diversas etapas de la vida til del proyecto

4

2. PLANEACIN DE LA EXPLORACIN DEL SUELO

La planeacin de la exploracin del suelo es una actividad clave para el xito del estudio geotcnico. Consiste en el estudio de la informacin disponible sobre el proyecto y sobre las condiciones fsicas existentes y la programacin consecuente de las actividades de la exploracin de campo y de los ensayos de laboratorio.

Se presenta a continuacin la enumeracin de las diversas actividades que constituyen la planeacin de una exploracin del suelo:

2.1 Recopilacin de informacin disponible existente

Esta actividad consiste en solicitar, recopilar, procesar y estudiar detenidamente informacin existente pertinente que pueda contribuir al conocimiento del proyecto y de las condiciones fsicas del rea y permita optimizar las actividades que se ejecutarn posteriormente en el campo y en el laboratorio. En mayor o menor grado, dependiendo del tipo, magnitud y complejidad del proyecto, se deber recopilar informacin as:

Caractersticas del proyecto: esquema general y detalles pertinentes

Redes de servicios de agua, alcantarillado, energa elctrica, telefona, gas natural, que existan o que estn proyectadas dentro del rea del proyecto, en sus linderos y sus alrededores. (Entidades de servicios)

Cartografa y fotografas areas (IGAC)

Geologa: memorias y mapas geolgicos de la zona (INGEOMINAS)

Meteorologa, climatologa e hidrologa (IDEAM)

Estudios geolgicos, geomorfolgicos o geotcnicos regionales o locales de sitios o sectores cercanos o vecinos al proyecto, realizados por entidades pblicas o por firmas privadas

Estudios geotcnicos preliminares realizados previamente en el sitio del proyecto

2.2 Visita de reconocimiento

Esta visita de reconocimiento del terreno donde se va a desarrollar el proyecto, previa a las actividades de exploracin, tiene por objeto recopilar informacin directa

5

sobre diferentes aspectos para complementar la ya obtenida de otras fuentes. Durante este reconocimiento directo de campo se hacen anotaciones en planos cartogrficos o geolgicos y en libretas de campo, y se toman fotografas y/o videos de las observaciones ms pertinentes sobre:

Topografa y accidentes topogrficos

Condicin de la superficie del terreno y tipo de vegetacin existente

Delimitacin de reas de erosin

Cursos de agua y zonas hmedas o pantanosas

Propietarios, vecinos, edificaciones u otras instalaciones existentes

Condicin de las edificaciones existentes en el lote o en reas vecinas

Consulta, si es posible, sobre los tipos de cimentacin empleados en el sector

Registro rutas de acceso y de medios de transporte empleados

2.3 Seleccin del plan de exploracin del suelo

La seleccin del plan de exploracin del suelo para un determinado proyecto consiste en la escogencia de la combinacin adecuada de las diferentes actividades que lo componen, teniendo en cuenta la magnitud y complejidad del proyecto, las condiciones generales del suelo, los costos y el tiempo disponible para desarrollarlas. As, la planeacin de una exploracin del suelo comprende:

La seleccin del tipo o la combinacin adecuada de mtodos de exploracin

La determinacin de la cantidad y distribucin espacial de las exploraciones

La determinacin de la profundidad que se debe alcanzar con cada tipo y en cada una de las exploraciones

La determinacin de los tipos, cantidad y espaciamiento del muestreo

La determinacin de los tipos, cantidad y espaciamiento de los ensayos de campo

6

La secuencia del avance de las perforaciones, intercalando muestreos y ensayos de campo

La determinacin preliminar de la instrumentacin necesaria que deber ser instalada durante la exploracin de campo para su monitoreo

Programa preliminar de ensayos de laboratorio

El planeamiento de las actividades de la exploracin de campo depende de varios factores, entre los que se destacan:

El tipo y la magnitud del proyecto

El conocimiento previo que se tenga del suelo por explorar

La homogeneidad o la heterogeneidad del suelo en rea y en profundidad

La magnitud, distribucin y concentracin de cargas

El plan de adecuacin general del sitio

La cercana de un estrato competente a la superficie del terreno

7

3. COMPONENTES DE LA EXPLORACIN DEL SUELO

A continuacin se describen los principales componentes de la exploracin del suelo propiamente dicha:

3.1 Mtodos directos de exploracin

Comprenden las actividades o procedimientos de excavacin, perforacin, penetracin y toma de muestras, con los que se obtiene una informacin directa de la estratigrafa y de las condiciones del suelo. Incluyen:

Excavaciones abiertas o subterrneas: Apiques, pozos, trincheras y galeras exploratorios

Perforaciones: con barreno manual, con equipo motorizado de percusin y lavado, o con equipo motorizado de rotacin

Muestreos: o Recuperacin de muestras alteradas: (tipo costal, bolsa, frasco

o Split Spoon, SS).

o Recuperacin de muestras inalteradas: tipo Shelby (TS), Pistn (PS), Denison (DS), Pitcher (PtS) , y Bishop (BS), entre otros.

Ensayos de campo (in-situ) y sondeos: Comprenden ensayos de resistencia, esfuerzo-deformacin y permeabilidad, realizados sobre la superficie del terreno o dentro de una perforacin, o por medio de la penetracin de un dispositivo (como es el caso de los sondeos propiamente dichos). En este grupo de actividades se encuentran:

o ensayo de penetracin estndar (SPT) o ensayo de torsin con veleta de campo (Suv) o ensayo de penetracin esttica de cono (CPT)(sondeo) o ensayo de penetracin dinmica de cono (DCPT)(sondeo) o ensayo del Presurmetro de Menard (PMT) o ensayo del Dilatmetro de Marchetti (DMT) o ensayo de placa directa (DPLT)

8

o ensayo de carga de pilotes (PLT) o ensayo de permeabilidad en el campo (kf)

3.2 Mtodos indirectos de exploracin

Estos mtodos consisten en obtener informacin por medio de la medicin de algunos parmetros caractersticos del suelo, como son: la velocidad de propagacin de ondas de compresin, Vp, o de ondas de corte, Vs, o de su resistividad elctrica, y as, en forma indirecta, conocer el tipo y condicin de los diferentes estratos que forman el perfil de un sitio.

En la mayora de estos casos las mediciones se hacen sin necesidad de excavar o de perforar el terreno, y sin necesidad de tomar muestras. Estos mtodos indirectos complementan una exploracin directa y permiten la interpolacin de la informacin arrojada por sta y cubrir grandes extensiones de terreno a bajo costo y en poco tiempo. Usualmente se procede a una calibracin de los resultados obtenidos por los mtodos indirectos, comparndolos con los resultados de la exploracin directa.

Los principales mtodos indirectos empleados en geotecnia son:

Prospeccin geofsica: Basada en el estudio de la propagacin de ondas de cuerpo (primarias y secundarias) y de ondas superficiales en masas de suelo. En este grupo se encuentra la refraccin ssmica, la reflexin ssmica, y los mtodos de up-hole, down-hole y cross-hole.

Prospeccin geoelctrica: Basada en el estudio de la conductividad elctrica de las masas de suelo y de roca. En este grupo se encuentran los sondeos elctricos verticales, SEV, y la geoelctrica de barrido continuo.

3.3 Instrumentacin y monitoreo

Cuando las condiciones y la complejidad del terreno y/o del proyecto lo requieren, la exploracin del suelo incluye tambin la instalacin de instrumentos de medicin para hacer un seguimiento a la evolucin de presiones, esfuerzos, deformaciones o desplazamientos durante un cierto tiempo que permita complementar la informacin obtenida y optimizar el modelo para su anlisis.

Los principales grupos de instrumentos son:

o Piezmetros o Celdas de carga o Inclinmetros

9

o Extensmetros o Asentmetros o Mojones o puntos superficiales de control o Sismgrafos, acelergrafos y acelermetros

3.4 Ensayos de laboratorio

Sirven para complementar la informacin obtenida por medio de ensayos in-situ. Frecuentemente los ensayos de laboratorio son la nica fuente de informacin de las caractersticas de los suelos explorados, particularmente en lo relacionado con sus parmetros de compresibilidad.

Los principales grupos de ensayos de laboratorio de suelos son:

o Ensayos de identificacin visual y manual o Ensayos de clasificacin o Ensayos de compresibilidad o Ensayos de resistencia o Ensayos de permeabilidad y de estabilidad interna o Ensayos de susceptibilidad a cambios volumtricos o Ensayos de calidad y solidez de granos o de piedras y rocas

10

4. CRITERIOS PARA DETERMINAR LA PROFUNDIDAD DE LA EXPLORACIN

Para cualquier proyecto, grande o pequeo, la exploracin de campo debe cubrir adecuadamente el rea de las obras y debe alcanzar una profundidad por debajo de la cual los suelos subyacentes no se vean afectados por las cargas aplicadas por las cimentaciones del nuevo proyecto.

4.1 Criterios generales de la Norma NSR-98

Las Normas Colombianas de Diseo y Construccin Sismo Resistente, NSR-98, vigentes en el pas establecen en el Captulo H.3 los criterios para determinar el nmero mnimo de exploraciones (perforaciones y sondeos) y la profundidad que deben alcanzar para proyectos de construccin de edificios y de conjuntos de casas. Estos parmetros son funcin de la complejidad del proyecto en estudio. A su vez, la complejidad es una funcin de la categora de la edificacin y de la variabilidad del subsuelo.

La categora de la edificacin se califica como normal, intermedia, alta y especial, en dos grandes grupos (edificios y casas) segn el rea del lote, la altura de la edificacin y el nmero de repeticiones. (Tabla H.3-1 de la Norma)

La variabilidad del subsuelo se califica como baja, media o alta, segn el grado de variacin que pueda llegar a presentar una perforacin con respecto a otra del mismo proyecto.

Los grados de complejidad, del I al IV, estn definidos segn la categora de la edificacin y la variabilidad del subsuelo, como se presenta en la Norma en la Tabla H.3-2.

La Tabla H.3-3 de la Norma presenta el nmero mnimo de sondeos, ns, y la profundidad, por unidad bsica de construccin.

11

Cuando el proyecto incluye un nmero de unidades repetidas de construccin, edificios o casas, nu, el nmero total de sondeos, nt, se obtiene por medio de la expresin:

34,1 ust nnn ====

A la luz de la Norma, de su interpretacin y de su complementacin, se deben aplicar los siguientes criterios:

4.2 Criterios adicionales sobre el tipo y la distribucin de las exploraciones

Del nmero total de exploraciones, nt, por lo menos el 50% deben ser perforaciones con recuperacin de muestras, y las restantes pueden ser sondeos, donde se registren caractersticas del perfil de suelo sin recuperacin de muestras.

Al menos el 50% de las exploraciones (perforaciones y sondeos) deben quedar localizadas dentro de la proyeccin sobre el terreno de las edificaciones.

El nmero de exploraciones finalmente ejecutado para un proyecto debe cubrir completamente el rea que ocuparn la unidad o las unidades de construccin contempladas en cada caso. Este criterio implica distribuir adecuadamente las perforaciones en el terreno, teniendo en cuenta las zonas de las edificaciones.

4.3 Criterios adicionales sobre la profundidad de las exploraciones

Por lo menos el 50% de todas las exploraciones debe alcanzar la profundidad dada en la Tabla H.3-3 de la Norma, afectada a su vez por los siguientes criterios:

12

Llegar hasta una profundidad donde el incremento de esfuerzo vertical inducido por las edificaciones a dicho nivel sea slo el 10% de la presin directa aplicada al nivel de fundacin.

En fundaciones con alto grado de compensacin este criterio de la Norma debera ser reemplazado por el de llegar solamente hasta una profundidad donde el incremento del esfuerzo vertical efectivo sea menor que el 5% del esfuerzo efectivo vertical original del terreno a dicha profundidad.

Llegar hasta una profundidad = 2,5xB por debajo del nivel de cimentacin, siendo B el ancho de la zapata ms grande, para el caso de cimentaciones superficiales de cimientos individuales suficientemente separados.

Llegar hasta una profundidad = 1,5xB por debajo del nivel de cimentacin, siendo B el ancho global del conjunto de cimientos superficiales individuales cuando stos queden muy cercanos entre s.

Llegar hasta una profundidad = 1,5xB por debajo del nivel de cimentacin de una losa corrida de ancho B.

Llegar hasta una profundidad = 1,25 veces la longitud del pilote ms largo.

Llegar hasta una profundidad = 1,5xB por debajo de un nivel localizado en el tercio inferior de la longitud efectiva de pilotes de friccin, siendo B el ancho del grupo de pilotes.

En caso de encontrarse roca o suelos de dureza asimilable a la de roca a una profundidad menor que la establecida por los criterios anteriores, si el proyecto va a tener estructuras muy livianas y simples se puede llegar con la exploracin hasta el contacto con la roca. Si las estructuras proyectadas son de mayor complejidad debe profundizarse la exploracin dentro de la roca por lo menos 4 metros o 2,5 veces el dimetro de los pilotes que se piensan apoyar en dicho macizo rocoso. De todas maneras, hay que verificar la continuidad de dicho estrato rocoso en un espesor suficiente que d garantas a la solucin de cimentacin que se plantee.

En caso de excavaciones, la profundidad de las exploraciones debe ser como mnimo 1,5 veces la profundidad de excavacin (en suelos tipo S1 y S2) o 2,0 veces (en suelos tipo S3 y S4), entendida desde el fondo de la excavacin futura hacia abajo.

Es posible que alguna de las consideraciones precedentes conduzca a exploraciones de una profundidad mayor que la dada en la Tabla H.3-3. En tal caso, el 20% de las exploraciones debe cumplir con la mayor de las profundidades as establecidas.

13

A continuacin se presentan esquemas que ilustran algunos de los criterios arriba descritos sobre la profundidad necesaria de las exploraciones de campo:

2.5

14

5. EXCAVACIONES ABIERTAS O SUBTERRNEAS

5.1 Apiques exploratorios

Excavacin manual (pico y pala) o con retroexcavadora

Seccin cuadrada, rectangular o circular

Usualmente de menos de 3-4 metros de profundidad

Forma telescpica si es de ms de 2m de profundidad

Inspeccin visual directa de los suelos en las paredes y en el fondo del apique

15

Toma de muestras de tipo costal (C), frasco (F), bolsa(B), tubo Shelby(TS) y muy favorable para toma de muestras tipo bloque(Bq), ya sea en una pared haciendo un nicho ya sea en el piso del apique

Ensayos de campo:

- Resistencia al penetrmetro de bolsillo (PB) - Resistencia con la veleta de mano Torvane (Sutv) - Ensayo de torsin con veleta de campo (Suv) - Ensayo de penetracin estndar (SPT) si se cuenta con la pesa

necesaria, el mecanismo de izaje y cada libre de la pesa y el toma-muestras de cuchara partida (SS)

- Posibilidad de hacer ensayos de percolacin - Posibilidad de hacer ensayo de carga de placa (PLT)

Registro escrito detallado de las paredes y del fondo del apique

Dificultad de ejecucin si se encuentran piedras de gran tamao cerca de la superficie (uso de explosivos)

Dificultad de avance si el nivel fretico est muy cerca de la superficie y se encuentran presentes estratos de arena y limo sin fraccin arcillosa (empleo de entibado y de motobombas, no siempre con xito)

Alambrado alrededor de la boca del apique para evitar accidentes mientras est abierto, y rellenado del apique para recuperar el nivel original del terreno cuando se terminen la observacin, el muestreo y los ensayos de campo.

5.2 Pozos exploratorios

Excavacin manual (pico y pala)

Seccin circular de por lo menos 1,2 metros de dimetro

Profundidad mayor de 4 metros, y muchas veces mayor de 10 metros

Inspeccin visual directa de los suelos en las paredes y en el piso del pozo hasta profundidades significativas y elaboracin del registro escrito correspondiente

Frecuentemente entibado con entablerado de madera o con anillos de concreto simple de 10-12cm de espesor fundidos in-situ a medida que se

16

avanza la excavacin. En condiciones particularmente favorables puede no necesitar revestimiento o entibado.

Toma de muestras: similar al caso del apique exploratorio

Ensayos de campo: similar al caso del apique exploratorio

Muy adecuado para la inspeccin de subestructuras o de cimentaciones semiprofundas existentes

Como en el caso del apique exploratorio, dificultad de avanzar la excavacin si se encuentran piedras de gran tamao (necesidad de explosivos o de taladros de rotopercusin), y si se encuentra el nivel fretico y estratos arenolimosos sin fraccin arcillosa

Alambrado alrededor de la boca del pozo para evitar accidentes mientras est abierto, y rellenado del pozo exploratorio despus de haber cumplido con el programa de muestreos, ensayos in-situ y observaciones del agua subterrnea, para restituir la condicin de la superficie original del terreno.

5.3 Trincheras exploratorias

Zanja larga de 1-3m de ancho, excavada a mano o con retroexcavadora

17

Su profundidad es variable, 1-3 metros, a medida que se dirige hacia la ladera en terreno ondulado o montaoso

Pertinente cuando se quiere observar directamente la interseccin de una falla geolgica u otro accidente de geologa estructural o geomorfolgico. Tambin apropiada para explorar el macizo rocoso en el futuro sitio de un portal de tneles o un futuro frente de explotacin de enrocado, llegando para obtener muestras de gran volumen por medio de explosivos o de taladros neumticos

Segn las condiciones del suelo puede necesitarse entibado de las paredes de la trinchera

La inspeccin directa y registro de las paredes y piso de la trinchera, el muestreo y los ensayos de campo pueden ser similares a lo descrito antes para el apique exploratorio

Las aguas subterrneas que se filtren hacia la trinchera pueden ser evacuadas por gravedad ya que el piso de la trinchera tiene pendiente y se puede facilitar una salida.

Alambrada para evitar accidentes mientras est abierta y rellenado de la trinchera una vez se terminen las observaciones, muestreos y ensayos de campo.

5.4 Galeras exploratorias

PORTAL GALICIA DEL TNEL PILOTO DE LA

LNEA NOVIEMBRE DE2006

18

TNEL PILOTO DE LA LNEA AVANCE A NOVIEMBRE DE 2006 20 m2 de seccin transversal de excavacin

Especficas para estudiar las condiciones de un macizo rocoso, la transicin de los perfiles de meteorizacin hasta la roca fresca, las caractersticas de las discontinuidades, fracturas, fallas, planos de estratificacin, etc. de la roca. Tambin pertinentes para hacer ensayos in-situ especializados de mecnica de rocas (convergencia, estado de esfuerzos, corte directo in-situ de superficies de roca, y otros).

Convenientes en proyectos de tneles viales o hidrulicos o en proyectos de minera mayor.

La galera es un tnel de 2.5 3m de altura, en forma, generalmente, de herradura, y soportada, segn las necesidades, con mtodos similares a los empleados en la pequea minera subterrnea.

19

6. PERFORACIONES

6.1 Perforacin con barreno manual

Equipo y elementos: varillaje, acoples, manubrio, cuchara de corte, tornillo helicoidal, revestimiento, herramientas

20

21

Procedimiento: Operacin manual (un perforador y dos ayudantes) de un varillaje en cuyo extremo inferior va acoplada una cuchara de corte o un tornillo helicoidal , que se pueden reemplazar por un toma-muestras SS o TS o por la veleta de campo

Muestreo: Se pueden obtener muestras alteradas recuperadas con la cuchara de corte o con el tornillo helicoidal, o recuperadas con el toma-muestras de cuchara partida (SS), que se guardan en frascos (F) o en bolsas (B), o muestras inalteradas recuperadas con tubos de pared delgada (TS)

Ensayos in-situ: En la parte inferior de las muestras inalteradas del tipo TS se pueden tomar lecturas de resistencia al penetrmetro de bolsillo (PB) y/o de resistencia al corte con la veleta de mano (Torvane-Sutv). Alternadamente con las operaciones de avance de la perforacin manual y con el muestreo se pueden hacer ensayos de campo de torsin con veleta de campo en suelos arcillosos de consistencia media a baja (Suv), ensayos de penetracin estndar (SPT), ensayos con el Dilatmetro de Marchetti (DMT), o con el Presurmetro de Menard (PMT) y ensayos de permeabilidad por inyeccin o por bombeo de agua, para condicin de flujo establecido o para condicin de flujo transiente.

Limitaciones: Profundidad mxima explorada: 8-10 metros, dependiendo de las condiciones del suelo. En suelos arenosos y limosos sin fraccin fina plstica por debajo del nivel fretico no se puede avanzar a no ser que se cuente con revestimiento, lo cual se hace muy difcil y lento por el carcter manual de la operacin.

Rendimientos: En condiciones favorables de suelos arcillosos de consistencia media a firme (no muy blandos, no muy duros) se pueden tener rendimientos de 5 metros por hora.

Instalacin de instrumentacin: Algunas veces la perforacin manual sirve para instalar un piezmetro de tubo abierto tipo Casagrande para ser ledo por un tiempo hasta establecer con cierta precisin la posicin del nivel fretico o para hacer el seguimiento del proceso de disipacin de poros en estratos que se estn consolidando.

Rellenado: Tan pronto se termine la ejecucin de la perforacin, los muestreos y los ensayos de campo programados, debe rellenarse el hueco de la perforacin para restituir el nivel original del terreno y, as, evitar accidentes de personas y animales.

22

6.2 Perforacin con equipo de percusin y lavado

Equipo y elementos: Base, torre, motor, cabrestante, vlvula swivel, lazo de manila, motobomba, mangueras, varillaje, acoples, pala de lavado, revestimiento, herramientas.

23

24

Procedimiento: Avance por la percusin de una pala con orificios para la salida de chorros de agua a presin. Hincado a golpes de un revestimiento para mantener abierta la perforacin. Toma de muestras y ejecucin de ensayos de campo.

Muestreo: Recuperacin de muestras alteradas con el toma-muestras de cuchara partida, SS, durante el ensayo SPT de suelos arenosos y de suelos arcillosos, y recuperacin de muestras inalteradas de suelos arcillosos con toma-muestras de pared delgada TS o PS.

Ensayos in-situ: En la parte inferior de las muestras inalteradas del tipo TS o PS se pueden tomar lecturas de resistencia al penetrmetro de bolsillo (PB) y/o de resistencia al corte con la veleta de mano (Torvane-Sutv). Alternadamente con las operaciones de avance de la perforacin por percusin y lavado y con el muestreo se pueden hacer ensayos de torsin con veleta de campo en suelos arcillosos de consistencia media a baja (Suv), ensayos de penetracin estndar (SPT), ensayos con el Dilatmetro de Marchetti (DMT), o con el Presurmetro de Menard (PMT) y ensayos de permeabilidad por inyeccin o por bombeo de agua, para condicin de flujo establecido o para condicin de flujo transiente.

Limitaciones: Los equipos de percusin y lavado pueden alcanzar profundidades hasta de 50 metros aproximadamente, dependiendo de la capacidad del motor y del tipo de suelo atravesado.

Rendimientos: En los metros superiores el rendimiento puede ser de 15 metros por jornada diaria, mientras a grandes profundidades el rendimiento puede ser de tan slo 5-8 metros por da.

Instalacin de instrumentacin: En este tipo de perforacin se puede instalar un piezmetro de tubo abierto del tipo Casagrande para el monitoreo del nivel piezomtrico por un perodo prolongado. Tambin con este tipo de perforacin se puede instalar un inclinmetro o un asentmetro de eje vertical.

Rellenado: Tan pronto se termine la ejecucin de la perforacin, los muestreos y los ensayos de campo programados, debe rellenarse el hueco de la perforacin para restituir el nivel original del terreno y, as, evitar accidentes de personas y animales.

25

6.3 Perforacin con equipo de rotacin

Equipo y elementos. Base, torre, motor, cabrestante, vlvula, motobomba, lazo de manila, mangueras, varillaje, acoples, mesa de rotacin, bicono, tricono, barreno con corona de diamante, revestimiento, herramientas.

26

27

28

29

30

FAENA DE PERFORACIN EN ALTAMAR

31

Procedimiento: Avance por la operacin de rotacin de una punta rasgadora o de unas cabezas de molida (bicono o tricono), complementada con el suministro de agua a presin al frente de la perforacin. Hincado a golpes de un revestimiento para mantener abierta la perforacin. Toma de muestras y ejecucin de ensayos de campo.

Muestreo: Recuperacin de muestras alteradas con el toma-muestras de cuchara partida, SS, durante el ensayo SPT de suelos arenosos y de suelos arcillosos, recuperacin de muestras inalteradas de suelos arcillosos con toma-muestras de pared delgada TS, PS, DS o PtS, y la recuperacin de ncleos de piedra o de roca (N) con el barril y la broca de diamante.

Ensayos in-situ: En la parte inferior de las muestras inalteradas del tipo TS, PS, DS o PtS se pueden tomar lecturas de resistencia al penetrmetro de bolsillo (PB) y/o de resistencia al corte con la veleta de mano (Torvane-Sutv). Alternadamente con las operaciones de avance de la perforacin por rotacin y con el muestreo se pueden hacer ensayos de torsin con veleta de campo en suelos arcillosos de consistencia media a baja (Suv), ensayos de penetracin estndar (SPT), ensayos con el Dilatmetro de Marchetti (DMT), o con el Presurmetro de Menard (PMT) y ensayos de permeabilidad por inyeccin o por bombeo de agua, para condicin de flujo establecido o para condicin de flujo transiente. Especficamente, en los mantos rocosos se pueden realizar pruebas de permeabilidad in-situ del tipo Lugeon.

Alcance: Los equipos de perforacin de rotacin empleados en geotecnia para obras civiles tienen capacidades variadas. Los de mayor capacidad pueden alcanzar profundidades del orden de 400 500 metros, necesarios para explorar formaciones rocosas donde se proyectan tneles viales o hidrulicos o cavernas subterrneas para centrales elctricas.

Rendimientos: En los metros superiores el rendimiento puede ser de 15 metros por jornada diaria, mientras a grandes profundidades el rendimiento puede ser de tan slo 2-5 metros por da. As, una perforacin de 500 metros de profundidad puede tardar entre cuatro y ocho meses, segn las dificultades encontradas.

Instalacin de instrumentacin: En este tipo de perforacin se puede instalar un piezmetro de tubo abierto del tipo Casagrande para el monitoreo del nivel piezomtrico por un perodo prolongado. Tambin con este tipo de perforacin se puede instalar un inclinmetro o un asentmetro de eje vertical.

32

Rellenado: Tan pronto se termine la ejecucin de la perforacin, los muestreos y los ensayos de campo programados, debe rellenarse el hueco de la perforacin para restituir el nivel original del terreno y, as, evitar accidentes de personas y animales.

33

7. MUESTREOS

7.1 Muestras tipo costal (C)

Muestra alterada de gran volumen y peso pero representativa de la composicin de un determinado estrato u horizonte de suelo.

Muestra de 20 40 kilogramos de peso por saco o costal.

Obtenida en apiques, pozos o trincheras exploratorios.

Necesaria en estudios de materiales de prstamo para rellenos seleccionados, rellenos hidrulicos, materiales de la estructura de pavimentos, agregados de concretos y de mezclas asflticas, enrocados de proteccin.

Adecuada para ensayos de materiales: clafificacin (gradacin, plasticidad), compactacin, solidez de granos de los agregados gruesos y otros, resistencia y deformabilidad de materiales compactados.

7.2 Muestras de frasco (F) o de bolsa (B)

Muestra alterada de 200 1000 gramos de peso aproximadamente guardada en un frasco o en una bolsa plstica hermticamente cerrado para evitar prdida de humedad.

Obtenida directamente del proceso de excavacin manual de apiques, pozos o trincheras exploratorios, o del proceso de avance de perforaciones manuales con la cuchara de corte o con el tornillo helicoidad.

Dependiendo del cuidado del muestreo, puede conservar la composicin original del suelo y su humedad natural. Si es el caso puede servir para ensayos de humedad natural, clasificacin con lmites de consistencia,

34

gradacin simplificada o simplemente contenido de finos y contenido de materia orgnica.

7.3 Muestras tipo bloque (Bq)

35

Muestras inalteradas de gran calidad obtenidas por medio de un proceso delicado, esculpiendo un bloque de forma aproximadamente cbica, de 20 30 centmetros de lado, dentro de un nicho en una pared o en el piso de un apique, pozo, trinchera o galera exploratorios.

Especiales para ensayos de resistencia, deformabilidad, y compresibilidad de suelos sedimentarios o de suelos residuales con caractersticas estructurales especiales que impiden un adecuado muestreo con muestreadores convencionales o, an, sofisticados.

7.4 Muestras obtenidas con el toma-muestras de cuchara partida (SS)

Recuperadas con el toma-muestras de cuchara partida, split spoon, SS, hincado a golpes por la cada libre de una pesa. Son el resultado de la ejecucin del ensayo de Penetracin Estndar, SPT.

Son muestras alteradas debido al espesor grueso de las paredes del toma-muestras SS (Relacin de reas: aproximadamente del 110%.) y al proceso de hinca por golpes.

En suelos con suficiente fraccin fina arcillosa las muestras tipo SS conservan la composicin original y, si se guardan prontamente en frasco o en bolsa adecuadamente sellado, pueden servir para ensayos de humedad natural, adems de los ensayos de clasificacin (gradacin simplificada, contenido de finos, lmites de Atterberg o de consistencia, contenido de materia orgnica)

36

En algunos casos, en arcillas de consistencia media, firme y muy firme, de baja sensitividad, el ncleo obtenido puede servir para ejecutar ensayos de resistencia al penetrmetro de bolsillo, PB, y de resistencia a la compresin inconfinada, qu, dando como resultado un valor que debe considerarse conservador. Tambin se pueden obtener en estos casos valores aproximados del peso unitario.

Arenas finas y limosas y limos arenosos localizados por encima del nivel fretico pueden ser recuperadas, aunque parcialmente, gracias a la capilaridad y al empleo de retenedores de pestaas.

Arenas limpias, sin fraccin fina arcillosa, localizadas por debajo del nivel fretico presentan serias dificultades para su recobro con el toma-muestras SS, a no ser que se empleen retenedores de pestaas u otros ms sofisticados.

37

En arenas: con retenedor de pestaas. Muestras alteradas

En arcillas: muestras alteradas

7.5 Muestras de lodo de fondo (MS)

Muestras de suelo de muy baja consistencia, tipo lodo, localizado en fondos lacustres y marinos.

Obtenidas por el hincado de un toma-muestras delgado y alargado provisto de un retenedor de lodos.

Pertinentes para caracterizar los lodos de fondos lacustres y marinos que permita planear y disear operaciones de dragado y de preparacin del fondo en canales de acceso a puertos, y en operaciones de dragado para la preparacin de la fundacin de rellenos en la construccin de islas artificiales.

7.6 Muestras obtenidas con el toma-muestras Bishop (BS)

Toma-muestras Bishop es uno de los mtodos para superar la dificultad de extraer muestras en arena, especialmente por debajo del nivel fretico, por su falta de cohesin. Otros mtodos utilizados para darle al material cierta cohesin, que le permita conservar su estructura y permanecer dentro del toma-muestras durante su extraccin del terreno, incluyen la inyeccin de emulsiones asflticas o el congelamiento del material, siendo estos

38

procedimientos especiales y costosos. El toma-muestras Bishop se basa en el principio de que puede retenerse una muestra de arena saturada en un tubo, por medio de friccin lateral, con tal que sea posible mantener una pequea tensin capilar en el agua intersticial de la parte inferior de la muestra en el tubo. Dicha tensin no puede existir si la parte inferior del tubo se encuentra sumergida.

El toma-muestras Bishop permite crear tensiones capilares dentro de la muestra para hacer posible su extraccin. Opera por medio de una cmara de aire ubicada en el fondo de la perforacin, a cuyo interior puede pasar muy rpidamente un toma-muestras de pared delgada lleno de muestra. Una vez que el fondo de ste queda dentro de la cmara se crean tensiones capilares que retienen la muestra al tiempo que se extrae el toma-muestras de la perforacin junto con la cmara.

39

7.7 Muestras obtenidas con el toma-muestras de pared delgada (TS)

Muestras inalteradas de suelos arcillosos.

El toma-muestras de pared delgada o tubo Shelby reduce al mnimo la alteracin de la muestra por desplazamiento y friccin. Para reducir el desplazamiento de suelo cuando entra el suelo en el tubo, ste se fabrica con tubo de acero moldeado en fro cuyo calibre va desde 1/20 pulgada para dimetro de 2, hasta 1/8 de pulgada para dimetro de 5. As, la relacin de reas es del orden de 10-13%. El borde inferior va cortado en chafln agudo y, adems, ligeramente doblado hacia el interior para reducir la friccin y minimizar la expansin de la muestra.

Longitudes mximas de los tubos Shelby: 76 91 cm (30 a 36).

Para vincular el TS a las barras de perforacin, se conecta el tubo en su extremo superior a un acople de enchufe ajustado, dotado en su interior de una vlvula de control que permite el flujo de agua desde el TS hacia las barras y evita el contrario.

Para tomar la muestra se baja el ensamblaje de barras de perforacin y TS en su extremo inferior al fondo de la perforacin, limpiado previamente. Se presiona el TS hacia abajo del fondo hasta que falten unos 15 cm para llenar el tubo. Preferiblemente el avance del TS debe lograrse mediante una accin rpida y continua, evitando el hincado a golpes de martillo. Una vez haya penetrado el TS lo programado, se gira la barra de perforacin para seccionar el extremo inferior de la muestra y separarla del suelo. Finalmente se extraen las barras con el TS en su extremo.

Ya en la superficie del terreno se zafa el TS del acople, se limpian los extremos del tubo en luna pequea distancia y se sellan con parafina derretida. El tubo, con la muestra en su interior, se referencia y se enva al laboratorio.

40

41

7.8 Muestras obtenidas con el toma-muestras de pistn (PS)

El toma-muestras de pistn, PS, constituye una variante del tomamuestras de pared delgada, TS. El PS es esencialmente un TS equipado con un pistn interior que cierra la boca del tubo, cuando ste es bajado a la

42

posicin de muestreo, pero que se fija a dicho nivel a medida que avanza el tubo dentro del suelo. Se puede operar el pistn para producir un vaco entre l y la parte superior de la muestra, lo que facilita su retencin en el Toma-muestras.

Con este toma-muestras PS se evitan varias dificultades como las que ocurren cuando el fondo de la perforacin es muy blando e inestable.

43

7.9 Muestras obtenidas con toma-muestras rotatorio tipo Denison (DS)

Similar en su concepto al toma-muestras tipo Pitcher, pero el Denison no tiene resorte que controle la longitud del TS que pudiera sobresalir con respecto al extremo de la broca.

El toma-muestras tipo Denison, DS, consiste en dos tubos concntricos. El tubo interior es en realidad el toma-muestras propiamente dicho, igual a un TS. El tubo exterior rota y corta el suelo: las partculas son lavadas por el flujo de agua bombeada a travs de las barras de perforacin y que pasa entre los dos tubos. El tubo interior permanece estacionario y protege la muestra del dao que le pueda causar el agua de lavado. Ambos tubos son simultneamente forzados hacia abajo, dentro del suelo.

Con el DS se obtienen muy buenas muestras de suelos cohesivos, firmes a duros, hasta lutitas blandas, y de arenas ligeramente arcillosas, difciles de obtener de otra manera.

44

45

7.10 Muestras obtenidas con toma-muestras rotatorio tipo Pitcher (PtS)

Tcnica adoptada de la toma de ncleos de roca por medios rotativos.

Si el suelo es muy duro o compacto, no es posible tomar muestras inalteradas en tubos de pared delgada sin daar su borde cortante o doblar el tubo. Adems, en el caso de que el tubo pudiera avanzarse, la alteracin resultante sera excesiva, especialmente en materiales frgiles

El toma-muestras tipo Pitcher, PtS, consiste en un barril rotatorio con broca cortante en su extremo inferior. Lleva en su interior un toma-muestras de pared delgada TS que puede sobresalir del extremo de la broca en una longitud controlada por la fuerza de un resorte ubicado en su parte superior, que trata de mantenerlo afuera. El toma-muestras se adapta por s mismo a la consistencia del suelo: si el suelo es blando,f el resorte mantiene el filo del tubo TS bien por debajo de la broca y el tubo penetra en forma similar al del caso de un tubo TS simple. Si, por el contrario, el suelo es duro, el resorte se comprime hasta que el borde cortante del tubo interior queda por encima del nivel del extremo de la broca, la cual, al rotar, corta un cilindro de suelo sobre el cual se desliza el TS y lo protege de la erosin ocasionada por el flujo del agua circulante.

46

7.11 Ncleos de roca tomados con barril rotatorio de corona abrasiva RC

Obtencin de ncleos de roca para evaluar la calidad de un macizo.

Barril de extraccin de ncleos.

Si es barril para ncleo de tubo simple, ste tiene en su parte inferior un trpano con elementos de corte de diamante, tungsteno, carburo u otros materiales abrasivos. Todo el barril gira mientras se va tomando el ncleo o corazn de roca.

Si es barril para ncleo de tubo doble el barril exterior gira para que su extremo inferior abrasivo corte la roca y el ncleo se aloje en el tubo o barril interior, permaneciendo ste estacionario sin girar, logrndose, as, mejor calidad de muestras, pues con el barril simple los ncleos de roca obtenidos podran estar sumamente alterados y fracturados debido a la torsin.

Si, adems de emplear barriles de tubo doble, se cuenta con el sistema Wireline, con la ayuda de un pescante se puede subir a la superficie el barril interior con el ncleo de roca recuperado, desocupar el barril guardando los ncleos en cajas metlicas o de madera, y regresar el barril interior al fondo de la perforacin, donde se ha mantenido en espera el barril exterior. Esto agiliza significativamente las operaciones de perforacin, en especial, las de gran profundidad.

En todos los casos se emplea un retenedor de pestaas u otro tipo cerca de la boca del tubo toma-muestras para evitar la prdida de parte o de todo el ncleo durante la operacin de extraccin del barril hacia la superficie del terreno.

Las designaciones comunes del revestimiento y del barril de ncleos son: EX, AX, BX y NX, con dimetro exterior del trpano del barril de ncleos desde 36,5 mm hasta 64,6 mm, y dimetros del ncleo de muestra desde 22,2 mm hasta 54 mm, respectivamente.

Se establece la relacin de recuperacin = (longitud de ncleo recuperado)/(longitud terica de ncleo recortado).

Se establece el ndice de Calidad de Roca, RQD = (Sumatoria de pedazos recuperados con longitud igual o mayor que 4)/(longitud terica del ncleo de roca recortada).

Deer, en 1963, propuso la siguiente tabla que relaciona el RQD y la calidad del macizo rocoso:

47

RQD, % Calidad de la roca 0 25 Muy mala 25 50 Mala 50 75 Regular 75 90 Buena

90 100 Excelente

Una relacin de recuperacin de 1 indica un procedimiento muy cuidadoso de muestreo, mientras que un valor de relacin de recuperacin mucho menor que 1 expresa un procedimiento deficiente y descuidado de la obtencin de los ncleos y/o una condicin de roca de muy alta fracturacin y trituracin.

48

49

ZAPATAS DE CORTE PARA EXTRAER NCLEOS DE ROCA

50

51

8. ENSAYOS DE CAMPO Y SONDEOS

Desde mediados de la dcada de 1930 se han realizado grandes esfuerzos y se han logrado grandes progresos para establecer correlaciones entre los resultados de ensayos de campo y las caractersticas de resistencia y deformabilidad de distintos tipos de suelos, as como para determinar valores confiables de otras propiedades, tales como la permeabilidad, por medio de ensayos ejecutados en el propio terreno.

Estos esfuerzos y logros han estado motivados principalmente por:

las alteraciones que sufren los suelos con las operaciones de muestreo

la dificultad de obtener muestras inalteradas de algunos suelos

la gran dependencia que tienen la resistencia y la deformabilidad del suelo con relacin al nivel y al estado de esfuerzos

Se presenta a continuacin la descripcin de los principales ensayos de campo realizados durante la ejecucin de estudios geotcnicos de ingeniera de fundaciones. Tales ensayos son:

Ensayo de Penetracin Estndar (SPT) Ensayo de Torsin con Veleta de Campo (VST) Ensayo de Penetracin Esttica de Cono (CPT) Ensayo de Penetracin Dinmica de Cono (DCPT) Ensayo del Presurmetro de Menard (PMT) Ensayo del Dilatmetro de Marchetti (DMT) Ensayo de carga de placa directa (DPLT) Ensayo de carga de pilotes (PLT) Ensayos de permeabilidad en el campo

Se incluye una breve descripcin de los equipos utilizados, el procedimiento seguido, los resultados obtenidos y las correcciones que se deben aplicar, y se mencionan la principales correlaciones que se han establecido para obtener parmetros claves de resistencia y deformabilidad de diferentes tipos de suelo. Finalmente, se hacen observaciones sobre la aplicabilidad y limitaciones correspondientes.

52

8.1 Ensayo de penetracin estndar SPT

Equipo: Torre o trpode, motor, cabrestante, varillaje, acoples, toma-muestras de cuchara partida SS (Split Spoon), martillo o pesa de 140 libras, tubo para guiar la cada libre del martillo, manila.

53

Procedimiento: Hinca a golpes del toma-muestras SS por medio de la cada libre de una pesa de 140 libras desde una altura de 30 (76,2 cm). Se cuenta el nmero de golpes para avanzar tres tramos de 6 (15 cm) mientras el suelo va llenando el toma-muestras. Esto se registra como n1/6, n2/6, n3/6. Esta operacin se repite con intervalos verticales de 3m en estudios preliminares, y de 1,5m en estudios definitivos, cuando este ensayo es pertinente y aplicable.

Resultados: El resultado caracterstico del ensayo SPT es el N, golpes por pie, resultado de sumar n2/6 + n3/6.

Aplicabilidad y limitaciones:

Este ensayo SPT es adecuado y da buena informacin en suelos arenosos y limosos de variadas densidades y en suelos arcillosos de consistencia firme a dura. No da informacin til cuando se realiza en suelos arcillosos sensitivos de consistencia media a muy blanda.

Da informacin errnea cuando el suelo tiene partculas de tamao mayor que , pues las piedras pueden dificultar la entrada libre de la matriz del suelo hacia el interior del toma-muestras o fsicamente pueden trabar o bloquear la entrada del SS, convirtiendo el ensayo en una prueba de la resistencia a la rotura de las piedras.

Cuando el conteo es >40/6 se debe terminar el ensayo, puesto que se puede estar ante la presencia de un estrato de gravas o piedras o ante el comienzo del basamento rocoso, y, adems, se puede deteriorar el SS.

El nivel del agua libre dentro de la perforacin debe estar siempre por encima del nivel fretico y por encima del nivel piezomtrico de un eventual estrato granular acufero confinado, durante el avance de la perforacin y durante la ejecucin de los ensayos SPT, pues, de lo contrario, las fuerzas de infiltracin ascendentes resultantes aflojarn el suelo granular y se obtendrn valores N muy bajos, no representativos de la real condicin de densidad del suelo.

Se ha establecido que el procedimiento de ensayo SPT tpico, con el que se han desarrollado muchas correlaciones prcticas para diseo divulgadas a nivel mundial, y que sirve como referencia, es el ensayo SPT ejecutado con una eficiencia del orden del 60% en la transmisin de la energa de la cada del martillo al toma-muestras SS. Esto exige una revisin permanente de la verticalidad del tubo-gua para la cada del martillo, y un control del nmero de vueltas de la manila medianamente usada (preferiblemente 2 vueltas) en el cabrestante para el izaje del martillo y durante su cada libre.

54

Correcciones:

En estratos granulares el resultado de campo, NF, del ensayo SPT est influido principalmente por dos factores, a saber: La Densidad Relativa, Dr, y el esfuerzo efectivo vertical existente a la profundidad del ensayo y en el momento del ensayo. Se encuentran en la literatura tcnica varias propuestas de correccin al valor de NF, denominadas CN, para normalizar el resultado a un nivel de esfuerzo efectivo igual a 1kg/cm2. Las ms recientes propuestas son:

vo

NC 20

log77,0

= , con vo en kg/cm2, Peck, Hanson and Thornburn,

1974

0'1

2

V

NC ++++==== con vo en kg/cm2, Skempton, 1986

0'

1

V

NC ==== , Liao y Whitman, 1986

Ncorr=CN*NF

55

En arenas muy finas y limos arenosos saturados bajo el nivel fretico, Terzaghi recomend hace muchos aos aplicar una correccin en aquellos casos en los cuales N fuera mayor que 15g/p, considerando que tales casos podran presentar dilatancias momentneas durante el ensayo SPT, produciendo presiones de poros negativas transitorias e incrementando momentneamente los esfuerzos efectivos y, en consecuencia, aumentando el valor de la resistencia instantnea. Dicha correccin propuesta por Terzaghi supona que para un N igual a 15g/p se tena la condicin de relacin de vacos crtica, ecrt. Dicha correccin se aplicaba as:

2

15*

++++====N

N

Con el fin de tener en cuenta que la relacin de vacos crtica, ecr, de un suelo es una funcin inversa del esfuerzo efectivo de confinamiento, se sugiere actualizar la correccin propuesta por Terzaghi hace ms de 60 aos de la siguiente manera (J.E. Durn, 2006):

Profundidad Si Ncorr es: Correccin por dilatancia z, m

0 5 > 15 Ncorr* = (Ncorr + 15)/2 15 20 > 25 Ncorr* = (Ncorr + 25)/2 30 35 > 35 Ncorr* = (Ncorr + 35)/2 45 50 > 45 Ncorr* = (Ncorr + 45)/2

En el caso de estos suelos, arenas muy finas, limos arenosos y/o limos sumergidos, se recomienda aplicar en primer ligar la correccin por confinamiento efectivo descrita en el prrafo anterior, y, en segundo lugar, la correccin por dilatancia.

Correlaciones:

Para arenas: correlacin muy conocida entre el N (lase Ncorr) y la densidad Relativa, Dr, propuesta por Terzaghi y Peck, 1948, y ampliamente difundida:

Ncorr, g/p Densidad Relativa, Dr, % Descripcin de Compacidad 0-4 0-15 Muy suelto

4-10 15-35 Suelto 10-20 35-50 Medianamente suelto 20-30 50-65 Medianamente denso 30-50 65-85 Denso >50 >85 Muy denso

56

Para arenas: correlacin entre el mx y el Ncorr, en forma de curva de Peck, Hanson y Thornburn, 1974 y expresada en ecuacin por Wolff, 1989:

mx = 27,1 + 0,3Ncorr 0,00054(Ncorr)2

Para arenas: correlacin de Schmertmann, 1975, entre NF, vo y , presentada en forma grfica:

Para arcillas: Terzaghi y Peck, 1948, presentaron una correlacin aproximada entre el valor N, en g/p, del SPT y la resistencia al corte no drenado de dichos suelos. sta es:

N, g/p Resistencia al Corte no drenado, Su, kg/cm2 Descripcin de Consistencia 0-2 0 - 0,125 Muy blanda 2-4 0,125 - 0,25 Blanda 4-8 0,25 - 0,50 Media

8-15 0,50 - 1,0 Firme 15-30 1,0 - 2,0 Muy firme >30 > 2,0 Dura

De esta tabla resulta una correlacin de N/Su=15. Investigaciones posteriores, particularmente las de Schmertmann, 1975, indican que N/Su es una funcin

57

del ndice de Plasticidad, IP, y de la Sensitividad, Si. A manera de gua se pueden tomar en forma aproximada las siguientes correlaciones:

ndice de Plasticidad, IP, % N/Su (N en golpes/pie, Su en kg/cm2) 8 30

15 15 30 10 60 5

100 4

8.2 Ensayo de torsin con veleta de campo VST

Equipo: Varillaje, acoples, veleta y torcmetro. La veleta puede ser de aspas rectangulares o de aspas trapezoidales semejando el tener puntas cnicas. Los dimetros usuales de la veleta son 2, 21/2 y 3. Generalmente la altura de las aspas, H, es dos veces el dimetro, D, de la veleta. A mayor consistencia del suelo arcilloso se emplea un menor dimetro de veleta y a menor consistencia, un mayor dimetro de veleta.

58

59

Procedimiento: Se acopla la veleta en la parte inferior del varillaje. Se baja el ensamblaje al fondo de la perforacin. Se hinca suavemente a presin la veleta dentro del suelo natural una distancia cercana a 30cm, de tal manera que el cuerpo de la veleta quede totalmente rodeado de suelo inalterado, no perturbado por las operaciones de avance de la perforacin. Se aplica un torque en la parte superior del varillaje, girndolo a una velocidad que debe estar entre 6 y 12 por minuto, en un proceso sostenido y continuo.

Resultados: Se lee el valor del torque mximo aplicado en el momento en que se produjo la falla alrededor de la superficie de un cilindro de suelo demarcado por las aspas de la veleta. A continuacin, se realizan cuatro a cinco giros completos del varillaje para remoldear totalmente el suelo a lo largo de las superficies de falla. Enseguida, se ejecuta nuevamente el procedimiento de lectura del torque para producir una nueva falla.

Se obtienen as lecturas de torque para la condicin de falla del suelo inalterado y para la condicin de falla del suelo remoldeado, obtenindose con su relacin (Tui/Tur) el grado de sensitividad, Si.

Aproximaciones: Para llegar a una expresin sencilla que relacione el torque de falla y la resistencia al corte no drenado del suelo arcilloso se requiere hacer las siguientes aproximaciones:

60

La resistencia al corte no drenado del rea perimetral, Super, se alcanza al mismo tiempo que la resistencia al corte no drenado en las reas circulares superior e inferior, Suv.

No hay anisotropa en la resistencia al corte no drenado.

En las reas circulares superior e inferior se llega al momento de la falla por corte al mismo tiempo en todos los puntos del rea.

Ecuacin: Con las aproximaciones descritas, para una veleta de aspas rectangulares que tenga una relacin H/D=2, el valor de resistencia al corte obtenido con la veleta de campo, Suv, es:

37

6

D

TS uUV

pipipipi====

Factor de correccin: Se conocen varios factores de correccin al valor de resistencia al corte obtenido en campo para llegar a valores de resistencia que se puedan aplicar en diseo. La ms conocida fue desarrollada por Bjerrum en 1972 como resultado de estudiar fallas profundas causadas por la construccin de terraplenes sobre suelos blandos, aplicando retroanlisis a dichas fallas. Encontr que debera aplicarse una correccin a los valores de resistencia al corte obtenidos en campo con la veleta, principalmente por dos factores: la velocidad de aplicacin de carga durante el ensayo, y la anisotropa de resistencia al corte generalmente existente en los suelos.

Bjerrum encontr que dicha correccin es una funcin inversa del ndice de plasticidad, IP:

=1,7-0,54log(IP)

As, el valor de diseo de la resistencia al corte no drenado, Su = Suv

61

Aplicabilidad y limitaciones: Este ensayo de torsin con veleta de campo es especialmente apropiado en suelos arcillosos de consistencia media a blanda que no tengan contenidos apreciables de arena.

Debe verificarse la calibracin del torcmetro y el buen estado de las aspas o paletas de la veleta.

62

8.3 Ensayo de penetracin esttica de cono CPT

Equipo: Dispositivo especial mecnico o hidrulico con una sarta de varillas en cuyo extremo inferior va el cono.

El ms popular de los conos de penetracin esttica es el Cono Holands, con un cono de acero de vrtice a 60, de 3,6cm de dimetro y un rea de su base de 10cm2. Hay modelos que solamente miden la resistencia por la punta y hay otros ms modernos dotados de una funda de 13cm de largo y 150cm2 de rea perimetral para medir tambin la resistencia por friccin lateral.

63

Procedimiento: Sin necesidad de contar con una perforacin previa, el equipo va hincando a presin mecnica o hidrulica el varillaje. A espaciamientos verticales de 20 o 30cm se realizan las mediciones de la resistencia por la punta, qc, y de la resistencia combinada de punta y friccin, deducindose, por diferencia, la resistencia unitaria por friccin lateral, fc. Para obtener la lectura de resistencia por la punta se avanza un varillaje interno que le comunica movimiento nicamente a la punta en una longitud de 4cm, con una velocidad de 0,5-1cm/s. A continuacin se mueve el conjunto de punta y funda por una longitud de 4cm adicionales para obtener la resistencia conjunta de punta y friccin lateral. Finalmente, se recoge el dispositivo y se avanza todo el ensamblaje a una nueva posicin de ensayo 20 a 30cm ms abajo. De esta forma se obtienen lecturas de resistencia a intervalos muy cortos, dando una gran continuidad a la informacin.

Resultados: Resistencia por la Punta: qc. Resistencia por Friccin Lateral: fc. Relacin de Friccin: Fr = fc/qc.

Para encontrar estos resultados debe tenerse en cuenta que la fuerza aplicada a la punta o cono y al sistema punta y funda de friccin es la fuerza registrada en el manmetro localizado en el equipo principal, por encima de la superficie del terreno, ms el peso del varillaje interno (inner rods) que se tenga en ese momento.

64

Aplicabilidad y limitaciones: Este ensayo de penetracin esttica de cono es apropiado para todo tipo de suelos arcillosos, blandos a firmes, y arenosos, sueltos a densos. No presenta problema por la existencia de niveles piezomtricos altos. Si se llega a tocar una gran piedra o el basamento rocoso debe suspenderse el ensayo y cambiarse por una perforacin de rotacin con corona abrasiva para atravesar el obstculo o perforar algunos metros dentro del macizo rocoso. Despus de atravesar el obstculo, si vuelven a aparecer suelos se puede continuar hacia abajo con la penetracin esttica de cono.

Correlaciones: Se han establecido en los ltimos 50 aos muchas correlaciones entre los resultados del ensayo de cono y caractersticas de los diferentes suelos. A manera de ejemplo:

0'log6698(%)

V

cqDr

++++==== , para arenas normalmente consolidadas (Lancellotta, Jamiolkowski y otros, 1985)

65

Robertson y Campanella han presentado, en forma grfica, correlaciones para arenas entre:

qc, Densidad relativa, % y vo

qc, vo y mx

qc, Fr y tipo de suelo:

66

qc/NF y el tamao de las partculas de suelo:

Para suelos arcillosos se ha establecido que la resistencia al corte no drenado es:

Su = (qc - vo) / Nk

lo cual viene de despejar Su en la expresin de capacidad ltima unitaria de punta de un pilote en arcilla: qc = Su * Nk + vo

donde Nk es un factor de capacidad portante que se puede tomar aproximadamente igual a 15 cuando se emplea un cono elctrico, y 20 cuando se emplea uno mecnico.

67

8.4 Ensayo de penetracin dinmica de cono DCPT

Equipo: Varillaje, cono de acero, martillo o pesa, dispositivo para izaje de la pesa y tubo-gua para el recorrido del martillo.

68

Procedimiento: Se hinca una sarta de varillas con un cono de acero en su punta por medio de la cada libre de un martillo o peso desde una altura conveniente fija y se cuenta el nmero de golpes necesarios para penetrar una longitud determinada. Se repite el procedimiento para un tramo igual de penetracin. As, se obtiene un registro muy continuo de resistencia. No se necesita ejecutar previamente una perforacin, aunque tambin se puede realizar este ensayo en el fondo de sta. Este ensayo no toma muestras.

Versatilidad: Para un determinado proyecto se escogen el tipo y las dimensiones del cono que se va a emplear. Los hay recuperables y no recuperables. Si se emplea un cono recuperable, ste debe ir roscado al final del varillaje. En este caso se requerir mayor fuerza para recuperar el varillaje con el cono en su extremo. Cuando se emplea un cono no recuperable, ste va ajustado al varilla sin unin de rosca. Al terminar el sondeo se retira el varillaje del terreno, quedando perdido el cono. En general los conos tienen un ngulo de 60 en su vrtice y un dimetro de 1,4 1,5 pulgadas, ligeramente mayor que el dimetro de la tubera o varillaje, el cual es, generalmente de una pulgada. Esa diferencia de dimetros produce una reduccin de la friccin lateral suelo-varillaje durante el proceso de hinca por golpes, concentrando la energa suministrada en medir la resistencia a la penetracin del cono situado en la punta.

Se pueden escoger convenientemente el peso del martillo o pesa y la distancia de la cada libre. En un proyecto especfico la estrategia consiste en calibrar los resultados de este ensayo de penetracin dinmica de cono para un determinado peso del martillo, una determinada altura de cada y una longitud especfica de penetracin, con los resultados del ensayo de penetracin estndar, SPT, ejecutado en un lugar muy cercano. Una vez obtenida su calibracin se ejecuta el sondeo con penetracin dinmica de cono, DCPT, en muchos sitios en forma econmica y rpida, complementando la exploracin del suelo de una gran rea.

Dos esquemas muy conocidos de ensayos DCPT son:

Dimetro del cono de acero = 1,4 pulgadas, cono no recuperable, dimetro exterior del varillaje = 1,0 pulgada, peso del martillo = 63,5 kgs (140 libras), altura de cada = 76,2 cm (30). De acuerdo con Sowers y Sowers (1970), el nmero de golpes necesario para hincar 30 cm este cono es comparable con el nmero de golpes/pie, N, del ensayo de penetracin estndar, SPT.

Dimetro del cono de acero de 60 = 1,5 pulgadas, cono recuperable con rosca para acople a tubera de 1 pulgada de dimetro exterior, peso del martillo = 18,1 kg (40 libras) y una altura de cada de 45,7 cm (18). Se puede estimar la compacidad de suelos granulares a partir del nmero de golpes necesarios para lograr una penetracin de 30,5 cm (un pie), Nc. En este caso la correlacin que se ha establecido (Parcher y Means, 1968) N = CNc, tiene

69

un coeficiente C = 0,4 0,6, para Nc entre 25 y 50, y un C = 0,6 0,63 para Nc entre 50 y 80.

Aplicabilidad y limitaciones: Muy adecuado para establecer condiciones de compacidad de estratos arenosos sueltos a densos y condiciones de consistencia de estratos arcillosos de consistencia media a firme. Debido a su carcter dinmico no es muy adecuado o confiable para suelos arcillosos sensitivos de consistencia media a baja.

70

En suelos arenosos el resultado del DCPT est influido principalmente por la densidad relativa del suelo y por el nivel de confinamiento efectivo reinante a la profundidad del ensayo, similar a lo expresado para el ensayo SPT. Para arenas muy finas y limos arenosos saturados con densidades relativas superiores a la crtica el resultado del DCPT puede ser anormalmente alto debido a las presiones de poros negativas generadas por la dilatancia, con el consecuente aumento instantneo de los esfuerzos efectivos y de la resistencia.

Muy adecuado para complementar exploraciones de suelo, combinndolo con perforaciones, muestreos, sondeos y otros ensayos de campo, reduciendo costos y tiempo, y cubriendo grandes reas con suficiente informacin.

Especialmente apropiado cuando se quiere precisar en una gran rea la profundidad a la cual se encuentra un estrato competente sobre yacido por estratos blandos. Este caso es de suma importancia para determinar con buena precisin la longitud de pilotes hincados que se van a prefabricar.

Un caso muy particular de este ensayo es la penetracin dinmica de cono tipo Yoder, con un cono y un varillaje muy delgados, una pesa liviana y un recorrido de cada pequeo de dimensiones estandarizadas. Este ensayo se ejecuta generalmente en los 1,5 2 metros superiores de una subrasante de vas. Existen correlaciones entre los resultados de este ensayo dinmico de penetracin con el CBR de campo de subrasantes, segn el tipo de suelo. Es muy conveniente para complementar exploraciones de subrasantes de carreteras, ferrocarriles y aeropuertos.

8.5 Ensayo del Presurmetro de Menard PMT

Equipo: Conjunto de tres celdas, la superior y la inferior (de guarda), y la intermedia (de medicin), cables para expandir las celdas por medio de un lquido o de un gas, dispositivos para medir la presin aplicada al fluido y para medir la expansin volumtrica de la celda intermedia. La probeta ms usada tiene un dimetro de 58 mm, una longitud de 420 mm y un volumen inicial de la celda intermedia, Vo, de 535 cm3.

71

72

Procedimiento: La prueba se lleva a cabo dentro de una perforacin a diferentes profundidades, espaciadas convenientemente. Se mide el volumen Vo de la celda intermedia o de medicin y la probeta se inserta en la perforacin hasta la profundidad del ensayo. Las celdas de guarda son expandidas para reducir el efecto de la condicin de extremo o de borde sobre la celda de medicin. Se aplica presin en incrementos y se mide la expansin volumtrica de la celda intermedia. Se contina hasta que el suelo falla o hasta que se alcanza la presin lmite del dispositivo. Se considera que el suelo falla cuando el volumen de la cavidad expandida, V, es aproximadamente dos veces el volumen de la cavidad original. Despus de terminada la prueba, se desinfla la probeta y se desplaza para ser probada a otra profundidad. (ASTM Designation 4719).

Resultados: Este ensayo, desarrollado originalmente por Menard en 1956, sirve para medir la resistencia y la deformabilidad del suelo. Los resultados se expresan en una grfica de presin versus volumen. Se diferencian tres zonas: zona de recarga, zona pseudoelstica y zona plstica. Del grfico se obtienen po (esfuerzo total horizontal in-situ o inicial), pf (presin de fluencia o de flujo plstico) y pl (presin lmite), y el mdulo del presurmetro, Ep.

73

Correlaciones: Se han establecido correlaciones entre los resultados del ensayo PMT y las caractersticas de resistencia y deformabilidad de diferentes suelos. Por ejemplo, existen correlaciones entre:

74

pl y la presin de preconsolidacin: p = 0,45xpl. (Kulhawy y Mayne, 1990).

Resistencia al corte no drenado,Np

poplSu

==== , donde uS

EpNp

3ln1++++==== . Np

vara entre 5 y 12, con un valor promedio de 8,5 aproximadamente. (Baguelin et Al, 1978).

En arcillas, Ep (kN/m2) = 1930(NF)0,63 (Kulhawy y Mayne, 1990), donde NF es el nmero de golpes por pie de campo del ensayo SPT.

En arenas, Ep (kN/m2) = 908(NF)0,66 (Kulhawy y Mayne, 1990).

Aplicabilidad y limitaciones: El ensayo del presurmetro, PMT, es un ensayo poco conocido en nuestro medio. Sin embargo, en otros pases se emplea cada vez con mayor frecuencia. Con l se pueden establecer algunas caractersticas del estado inicial de esfuerzos y caractersticas de deformabilidad y resistencia en forma confiable para modelaciones avanzadas de casos complejos.

Para vencer la dificultad de preparar la perforacin al tamao apropiado se han desarrollado presurmetros autoperforantes, self-boring pressuremeters, (SBPMT).

8.6 Ensayo del Dilatmetro de Marchetti DMT

Equipo: Una pala u hoja plana de acero inoxidable de 220 mm de longitud, 95 mm de ancho y 14 mm de espesor. Su lado inferior posee un filo cortante agudo en forma de V (ngulo aproximado de 10). A ras, en el centro de un lado de la placa se localiza una membrana de acero, delgada, plana, circular, expansible, con dimetro de 60 mm. Un solo cable, con ducto de gas y alambre elctrico, se extiende desde la caja de control en la superficie hasta la hoja a travs del vstago del penetrmetro.

75

Procedimiento: El dilatmetro se conecta a una sarta de barras de perforacin y se inserta a presin en el terreno usando un equipo similar al empleado en el ensayo de penetracin esttica de cono hasta la profundidad del ensayo. Se usa gas nitrgeno a alta presin para inflar la membrana. Un ensayo consiste en tomar tres presiones, a saber: la presin A, justamente necesaria para iniciar el movimiento de la membrana contra el suelo (el despegue tpico es un movimiento de 0,05mm), la presin B, requerida para producir una deflexin de 1,1mm en el centro de la membrana, y la presin C, que se obtiene cuando la membrana vuelve exactamente a su posicin inicial, al liberar cuidadosamente la presin del gas. Esta ltima lectura se puede relacionar con el exceso de presin de poros. Estas presiones se pueden medir con precisin porque una seal de audio indica cundo se presenta el movimiento deseado de la membrana. Las presiones ledas se corrigen por factores de calibracin debido a la rigidez de la membrana. La prueba se realiza generalmente a profundidades espaciadas 20 30 centmetros.

76

Resultados: Las presiones A y B corregidas son po y p1, respectivamente. Con base en estas presiones, en la presin de poros, uo, y el esfuerzo efectivo vertical in-situ, vo, se establecen:

ndice del material: ID = (p1 p0)/(p0 u0)

ndice de esfuerzo horizontal: KD = (p0 u0)/vo

Mdulo del dilatmetro: ED = 34,7(p1 p0), en kPa.

Correlaciones:

Marchetti (1980) estableci las siguientes correlaciones:

Coeficiente de presin de tierras en reposo: K0=(KD/1,5)0,47 0,6

Relacin de sobreconsolidacin: RSC = (0,5KD)1,6

Su/vo = 0.22 para arcilla normalmente consolidada

Su/vo)OC = (Su/vo)NCx(0,5KD)1,25 (OC = suelo sobreconsolidado, NC = suelo normalmente consolidado)

Mdulo de elasticidad, E = (1 - 2)ED

77

Por su parte Schmertmann (1986) propuso una correlacin entre el ndice del material, ID, y el Mdulo del dilatmetro, ED, para lograr en forma indirecta la descripcin del suelo y su peso unitario, , como se muestra en la grfica siguiente:

Aplicabilidad y limitaciones: Este ensayo, desarrollado hace menos de 25 aos, en 1980 por Marchetti en Italia, est emplendose cada vez ms en Europa y en Estados Unidos por su sencillez y precisin. Se aplica a gran cantidad de perfiles de suelo, obteniendo informacin valiosa sobre la resistencia y la deformabilidad de los suelos.

Cuando se llega a un obstculo muy duro se suspende la hinca a presin del varillaje con el dilatmetro y se ejecuta una perforacin para atravesar, posiblemente por rotacin, la piedra. Una vez superado el obstculo se vuelve a introducir el varillaje con la pala del dilatmetro dentro de la perforacin y se contina con el sondeo tipo DMT.

78

8.7 Ensayo de carga de placa directa DPLT

Equipo: Placas de acero de 1 de espesor, de 6 a 30 de dimetro. Ocasionalmente, placa cuadrada de 12 de lado. Gato para aplicacin de la carga, viga y pilotes de reaccin, o entramado para poner carga por medio de sacos llenos de material pesado o lingotes. Sistemas de medicin de la carga y del asentamiento de la placa.

Procedimiento: ASTM, 1982, Designation-D-1194-72. Sobre la superficie horizontal del terreno o en el fondo de un apique que tenga un ancho por lo menos cuatro veces el ancho o el dimetro de la placa, se pone sta en el centro del apique y se empieza a aplicar carga por pasos. Se aplican incrementos de carga de aproximadamente un cuarto o un quinto de la carga ltima estimada de falla. Cada incremento de carga se debe mantener por lo menos una hora. Se mide el asentamiento de la placa al final de cada incremento de carga. El ensayo se debe llevar hasta la falla o por lo menos hasta que el asentamiento sea de 1.

Resultados: Se obtiene la grfica de presin aplicada versus asentamiento. De sta se puede determinar la capacidad portante ltima de la placa, u(P).

Si el suelo fuera homogneo en un gran espesor desde la superficie del terreno, se tendran: u(F) = u(P), en arcillas, donde F = fundacin real, y P = placa del ensayo

79

u(F) = u(P)xBF/BP, en suelos arenosos

SF = SPxBF/BP, en arcillas, donde S es asentamiento para una presin dada q.

SF = SP(2BF/(BF + BP))2, en suelos arenosos, para una presin dada q. Esta ltima correlacin de Terzaghi y Peck, 1967, subestima los asentamientos que tendra la fundacin de ancho BF.

Aplicabilidad y limitaciones:

Las extrapolaciones que se pueden hacer del comportamiento esfuerzo-asentamiento durante la prueba de carga de placa son muy limitadas pues la influencia de dicho ensayo slo abarca hasta una profundidad aproximada de dos veces el ancho de la placa, lo que representa un espesor muy pequeo de suelo estudiado.

Adems, la presencia del nivel fretico puede no afectar el comportamiento de la placa durante el ensayo, pero s afectar el comportamiento de una cimentacin superficial de gran tamao.

Finalmente, los asentamientos lentos por consolidacin de estratos arcillosos no se detectan durante la prueba de carga de placa con duracin de tan slo cuatro a seis horas, mientras que una cimentacin real permanente de cimientos superficiales sobre ese mismo suelo experimentar asentamientos por el proceso lento de consolidacin de las arcillas, que difieren de los dados por la curva presin-asentamiento del ensayo de carga de placa.

Este ensayo de carga de placa, siguiendo procedimientos especificados por autoridades de carreteras (AASHTO, INVAS, etc), se emplea para estudiar el mdulo de reaccin, Kv, de la subrasante o de estructuras de pavimento, como parmetro de diseo y de control.

8.8 Ensayo de carga de pilotes

Equipo: Ensamblaje de vigas y pilotes de reaccin, gato hidrulico para la aplicacin de carga y sistemas de medicin de la carga aplicada y del asentamiento de la cabeza del pilote de prueba (para ensayo de capacidad vertical) o de la deflexin horizontal de la cabeza del pilote de prueba (para ensayo de capacidad de carga lateral).

Procedimiento estndar: El ensayo de carga de pilotes ms conocido y aplicado es el ensayo de carga vertical de un pilote individual. Tambin se ejecutan

80

ensayos de carga horizontal de un pilote individual y en contadas y muy especiales circunstancias, ensayos de carga vertical sobre un grupo de pilotes.

Hay varias metodologas para ejecutar un ensayo de carga vertical sobre un pilote individual: de carga o esfuerzo controlado o de deformacin controlada. En cada caso se puede hacer lento o rpido y con ciclos o sin ciclos intermedios de carga y descarga. Hay, adems, varias metodologas de interpretacin de los resultados obtenidos, unas ms aplicables que otras segn la modalidad del ensayo empleado.

La metodologa ms usada es la de aplicacin de carga o esfuerzo controlado: ASTM D - 1143 69. En este mtodo se aplica la carga en ocho incrementos, cada uno de 1/8 de la carga mxima del ensayo, la cual se toma usualmente como el 200% de la carga de trabajo prevista para el pilote. Cada nivel intermedio de carga se mantiene hasta que la tasa de movimiento de la cabeza del pilote sea menor que 0,01/hora (0,25mm/hora), o hasta un tiempo mximo de dos horas. La carga mxima del ensayo, de 2Qt, se mantiene por lo menos durante 12 horas, hasta cuando la tasa de movimiento vertical de la cabeza del pilote sea menor que 0,01/hora, pero no ms de 24 horas. A continuacin se remueve la carga en cuatro decrementos iguales, manteniendo las cargas intermedias en un valor constante un tiempo mximo de una hora.

81

82

Interpretacin de resultados: Hay muchas metodologas de uso corriente para interpretar los resultados del ensayo de carga de pilotes y obtener la capacidad ltima o de falla del pilote, Qu. No todas son igualmente aplicables o confiables a todo tipo de ensayo. Algunas son:

o Carga pico cuando sta se presenta o Hiptesis de curva hiperblica o Qu en la interseccin de dos lneas rectas cuando se grafica logQ-log o Hiptesis de curva parablica o Qu en la interseccin de dos tangentes a la curva Q - o Criterio que incluye el acortamiento elstico del pilote como columna y

el asentamiento de su punta.

83

Aplicabilidad y limitaciones: Los ensayos de carga de pilotes son costosos y toman un tiempo de cerca de tres das. Sin embargo, la informacin obtenida es muy valiosa para verificar, confirmar o rectificar los estimativos hechos por teoras de mecnica de suelos y, en el caso de pilotes hincados en estratos firmes o densos, por frmulas dinmicas de impacto. Sirve, entonces, el ensayo para precisar y optimizar un diseo de una cimentacin profunda, ahorrando seguramente sumas de dinero mayores que los costos mismos del ensayo.

8.9 Ensayos de permeabilidad en el campo

En un apique exploratorio: ensayo sencillo de percolacin, observando el tiempo de descenso del nivel de agua dentro de un apique de 30cmx30cmx45cm. Da una informacin aproximada sobre el orden de magnitud de la permeabilidad de los suelos superficiales.

Con dos zanjas paralelas: Creacin de la condicin de flujo establecido entre dos zanjas paralelas largas con niveles diferentes de agua dentro de ellas. Observacin del caudal necesario para mantener una condicin dada de prdida de energa. Da una informacin sobre la permeabilidad de los suelos superficiales.

Con un pozo de bombeo y varios pozos de observacin: Es un ensayo muy completo pero costoso y demorado. Se basa en el establecimiento de una condicin de flujo hacia un pozo desde donde se est bombeando el agua. Se

84

debe contar con varios pozos de observacin en lnea para determinar la forma del cono de abatimiento del nivel fretico o del nivel piezomtrico de un acufero confinado. Existe la modalidad basada en la condicin de flujo establecido, lo cual requiere de mayor tiempo del ensayo, y existe la modalidad basada en una condicin intermedia de flujo transiente, observando con el tiempo el proceso de depresin del cono de abatimiento ante un bombeo determinado. Aunque complejo, costoso y demorado, el ensayo de permeabilidad con un pozo de bombeo es muy pertinente en obras importantes donde se van a ejecutar grandes excavaciones temporales con condiciones adversas de nivel fretico y suelos permeables.

En una perforacin: Hay numerosas tcnicas y esquemas para desarrollar ensayos de permeabilidad en una perforacin: De bombeo o de inyeccin de agua, de condicin de flujo transiente o de condicin de flujo establecido, en suelos o en macizos rocosos.

Son muy conocidos los ensayos tipo Lefranc en suelos, de cabeza constante o de cabeza variable. Los diferentes esquemas cambian segn la longitud de penetracin de la perforacin dentro del estrato permeable que se est evaluando, la longitud de la seccin revestida y segn si se ha bombeado agua

85

de la perforacin o si se ha agregado agua a sta, adems de la posicin relativa del nivel fretico con respecto