ESTUDIO DE MECÁNICA DE SUELOS

EXPLORACIÓN GEOTÉCNICA

Dr. ZENON AGUILAR BARDALES

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIAUNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIAFacultad de IngenierFacultad de Ingenieríía Civila Civil

CENTRO PERUANO JAPONCENTRO PERUANO JAPONÉÉS DE INVESTIGACIONESS DE INVESTIGACIONESSSÍÍSMICAS Y MITIGACISMICAS Y MITIGACIÓÓN DE DESASTRES N DE DESASTRES -- CISMIDCISMID

1

CONTENIDO

INTRODUCCIÓN GENERAL

METODOLOGÍA DE UN ESTUDIO GEOTÉCNICO

EXPLORACIÓN DIRECTA DE CAMPO

EXPLORACIÓN INDIRECTA A TRAVÉS DE PROSPECCIÓN SÍSMICA

ENSAYOS DE LABORATORIO

CONCLUSIONES

2

3

4

5

6

2. METODOLOGÍA DE UN ESTUDIO GEOTÉCNICO

- Reconocimiento geológico y de sitio: interpretación del origen y formación de suelos, evaluación geológica, interpretación de posibles condiciones del subsuelo.

- Planificación de la exploración y muestreo: permite ubicar y cuantificar el número de sondajes y optimizar el muestreo.

- Recopilación de información: hidrología, geología, sismicidad, topografía, etc.

- Ejecución de ensayos de laboratorio: para la determinación de los parámetros de los materiales.

- Ejecución de la exploración y muestreo: ejecución de sondajes y obtención de muestras disturbadas e inalteradas.

- Interpretación de la investigación geotécnica: evaluación de los datos de campo y laboratorio.

- Análisis y diseño geotécnico

3. EXPLORACIÓN DIRECTA DE CAMPO

• Exploración a través de pozos abiertos y posteadora

• Exploración con ensayos de penetración estándar (SPT)

• Exploración con ensayos de penetración cono holandés (CPT)

EXPLORACIEXPLORACIÓÓN DE CAMPO CON N DE CAMPO CON CALICATAS Y POSTEADORACALICATAS Y POSTEADORA

- Excavación manual con pico y lampa

- Excavación con equipo mecánico

EXPLORACIÓN DIRECTA CON CALICATAS

Desventaja:

- Profundidad limitada

- Paredes inestables ante la presencia de agua

Ventaja:

- Extracción de muestras disturbadas e inalteradas

- Visualización directa de la estratigrafia

- Posteadora manual

- Posteadora mecánica

EXPLORACIÓN DIRECTA CON POSTEADORA

Equipo:Tubería, una T y en su parte inferior una mecha

Ventaja:- Auscultación rápida del terreno

Desventaja:- No se extraen muestras inalteradas

- Imposible de realizar en arenas limpias secas o saturadas

10 cm

Extensión

POSTEADORO 3" - 8"

Post hole Digger

O 2" - 3 1/2"

O 2" - 3 1/2" O 2" - 5 1/2"

EXPLORACIEXPLORACIÓÓN DE CAMPO CON N DE CAMPO CON ENSAYOS DE PENETRACIENSAYOS DE PENETRACIÓÓN N

ESTESTÁÁNDAR NDAR -- (SPT)(SPT)

A) GENERALIDADES

Procedimiento ampliamente utilizado para determinar características de resistencia y compresibilidad de suelos.

B) PROCEDIMIENTO PARA REALIZAR EL ENSAYO

Ejecución de la perforación

- con barrenos (posteadora)

- a rotación

- por lavado “wash boring”

Ejecución del muestreo

Se realiza con un muestreador de Caña Partida

Trípode de tubosφ 2 1/2”

Manguera

Mango para rotaciónparcial de la barra

Terreno Natural

Soga φ 1 ”

Depósito de agua de lavado

Barra deperforación

Cincel

Motor con cajareductora Forro

Bomba

Polea para la soga

Elevador

CINCEL RECTO

BARRA CONUNION

CINCEL DE CRUZ

SOSTENEDOR DE BARRAS

ELEVADOR

PERFORACIÓN POR LAVADO “WASH BORING”

MartilloGuía de hinca

Cabezal de hinca

Trípode de Tubo de diámetro φ 2 1/2”

Φ 1 1/2”

Cuchara

Cadena de fierro

Guía

CUCHARAΦ 2” - 4 1/2”

MARTILLO

ENSAYO DE PENETRACIÓN ESTÁNDAR - SPT

C) REGISTRO DE PENETRACIÓN

Resistencia a la penetración: golpes necesarios para hincar los últimos 30 cm de un total de 45 cm.

D) INTERPRETACIÓN DE RESULTADOS

La resistencia a la penetración es un indicador de la compacidad de suelos arenosos y un indicador de la consistencia y resistencia de suelos cohesivos.

Compacidad Relativa de Arenas

Número de Golpes Compacidad Relativa

0 – 4 Muy suelta

5 - 10 Suelta

11 - 30 Medianamente Compacta

31 - 50 Compacta

> 50 Muy Compacta

Consistencia y Resistencia de Suelos Cohesivos

Número deGolpes Consistencia

Resistencia a laCompresión

Simple, qu (kg/cm2)

< 2 Muy Blanda < 0.25

2 - 4 Blanda 0.25 - 0.50

4 - 8 Media 0.50 - 1.00

8 - 15 Firme 1.00 - 2.00

15 - 30 Muy Firme 2.00 - 4.00

> 30 Dura > 4.00

Su (tsf)

25

20

15

10

5

1.00 1.5 2.0 2.5 3.0 4.00.5 3.5

TERZAGHIy PECK

Arcilla deplasticidad media

Arcilla dealta plasticidad

SOWERSarcilla debaja plasticidad

NSPT

27

Correlación de N (SPT) con la resistencia cortante no drenada (Su) de suelos cohesivos de diferentes plasticidades(ref. NAVFAC, 1971)

Rígida

30

16

2

32

8

4

Dura

Muy Blanda

Firme

Blanda

MuyDura

EXPLORACIEXPLORACIÓÓN DE CAMPO CON N DE CAMPO CON ENSAYOS DE PENETRACIENSAYOS DE PENETRACIÓÓN CONO N CONO

HOLANDHOLANDÉÉS S -- (CPT)(CPT)

A) GENERALIDADES

- Usado en Europa desde 1920

- En Estados Unidos desde 1960

- En el Perú desde 1984

B) DESCRIPCIÓN DEL EQUIPO

- Equipo de penetración estática

- Tubería de acero de 1 m y barras sólidas interiores concéntricas (φext=3.6 cm y φ int= 1.6 cm)

- Punta Cónica

Se transmite la fuerza a través de las barras interiores y esta al cono, midiendo cada 20 cm la resistencia por punta y/o fricción.

C) PUNTA DE PENETRACIÓN

Punta DELFT

- Punta cónica de 3.6 cm de diámetro y 10 cm2 de área

- Se encuentra montada en el extremo inferior de una funda deslizante de 9.9 cm de longitud

- El cono penetra debido a la fuerza axial de un vástago

- Se mide la presión que transmite en la punta

Punta BEGEMANN- Punta cónica de 3.57 cm. de diámetro y 10 cm2 de área

- Se encuentra montado en un pieza cilíndrica deslizante de 11.1 cm

- Posee una funda de 13.3 cm de longitud y 3.6 cm de diámetro

- Se mide la presión por punta y fricción

3

Punta Cónica Copla

Funda cilíndrica Barra sólida

Funda de fricción

23 4 5

B

1

Φ 35.7 m m

60°

Φ 23 m mΦ 20 m m

Φ15

133 m m 47 m m

Φ12.5 m m

Φ 30 m m

A

Φ 32.5 m m

B

1

5

4 POSICION CERRADA

POSICION EXTENDIDA

A

Φ 36

265 m m

69 m m

2

ENSAYO DE PENETRACIÓN CONO HOLANDÉSEsquema de Punta Cónica

D) DETERMINACIÓN LA RESISTENCIA

qc =

donde :Qc = fuerza para hincar el cono en kgAc = área transversal del conoqc = resistencia de la punta

QC

Αc

FC

Αc

fs =

donde :Fc = fuerza para hincar el cono y la funda en kgAS = área lateral de la fundafS = resistencia por fricción

qs

fs

20 30 5010 60400

3

5

1

6

70.6

4

1.20.2 0.4 0.80 1.0

2

Prof

undi

dad,

m

GRÁFICA DE PENETRACIÓN ESTÁTICA

Resistencia de punta qc, kg/cm2

Resistencia de fricción fs, kg/cm2

E) CORRELACION CON EL ENSAYOS DE PENETRACION ESTANDAR

Tipos de Suelos qc/N

Limos, limos arenosos, mezclas de limoarena-arena ligeramente cohesiva

2.0

Arenas limpias a medias y arenasligeramente limosa

3.5

Arenas gruesas y arenas con algo degrava

5

Gravas arenosas y gruesas 6

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIAFACULTAD DE INGENIERIA CIVIL

CISMID - LABORATORIO GEOTECNICOREGISTRO DE SONDAJES

SolicitadoProyectoUbicación Cota Superficial

Operador

Revisado

Fecha Profundidad N.F.(m)Profundidad Total (m)

Ensayo de Penetración

Gráfica de N

Estándar

N° golpes/30 cm.

::::

::

:

:

:

4. MÉTODOS DE EXPLORACIÓN GEOFÍSICA

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIAUNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIAFacultad de IngenierFacultad de Ingenieríía Civila Civil

CENTRO PERUANO JAPONCENTRO PERUANO JAPONÉÉS DE INVESTIGACIONESS DE INVESTIGACIONESSSÍÍSMICAS Y MITIGACISMICAS Y MITIGACIÓÓN DE DESASTRES N DE DESASTRES -- CISMIDCISMID

EXPLORACIEXPLORACIÓÓNNGEOFGEOFÍÍSICASICA

GRAVIMGRAVIMÉÉTRICOTRICO

MAGNETOMMAGNETOMÉÉTRICOTRICO

SISMOLSISMOLÓÓGICOGICO

ELELÉÉCTRICOCTRICO

GEOTGEOTÉÉRMICORMICO

RADIOACTIVORADIOACTIVO

DIRECTA

REFLEJADA

V1

V2

i r

REFRACTADA

icic

REFLEXIÓN SÍSMICA

REFRACCIÓN SÍSMICA

MMéétodos Geoftodos Geofíísicos Ssicos Síísmicossmicos

Ensayos de Ensayos de ReflexiReflexióónn y Refracciy Refraccióón Sn Síísmicasmica

Ensayos Ensayos downdown holehole, , up up holehole y cross y cross holehole

Ensayos de vibraciEnsayos de vibracióón superficial (ondas n superficial (ondas RayleighRayleigh))

Ensayo con el Cono SEnsayo con el Cono Síísmicosmico

Ensayo con la Sonda de SuspensiEnsayo con la Sonda de Suspensióónn

MediciMedicióón de n de MicrotrepidacionesMicrotrepidaciones

MMÉÉTODO DE REFRACCITODO DE REFRACCIÓÓNNSSÍÍSMICASMICA

ENSAYO DE REFRACCIENSAYO DE REFRACCIÓÓN SN SÍÍSMICASMICA

•• DeterminaciDeterminacióón de Perfiles Sn de Perfiles Síísmicos del Subsuelosmicos del Subsuelo

•• MediciMedicióón de Velocidades de Propagacin de Velocidades de Propagacióón de las Ondas n de las Ondas

P y en algunos casos de las Ondas S.P y en algunos casos de las Ondas S.

•• DeterminaciDeterminacióón de los Parn de los Paráámetros Dinmetros Dináámicos del Suelomicos del Suelo

Ensayo de refracción sísmica

Unidad de Adquisición y Procesamiento de Datos (Ensamblado final)

Geófono vertical y cable conductor de señales para realizar ensayos de refracción sísmica y ensayos en pozo abierto de poca profundidad

FUNDAMENTOFUNDAMENTOTETEÓÓRICORICO

DisparoFrente de

Ondast1t2

t3t4

t5t6t7t8

Xc

Posiciones del Frente de Ondas en un Medio de Dos Estratos a tiempos t1, t2,...

Ley de Snell• Cuando la onda sísmica alcanza la frontera

entre dos materiales de distinta velocidad sísmica, las ondas se reflejan y se refractan.

• Cuando el ángulo de incidencia iguala al ángulo crítico en la frontera, la onda refractada se mueve a lo largo de la frontera entre los dos materiales, transmitiendo energía de nuevo a la superficie.

• Esta frontera es llamada un refractor.

Refracción de Trayectoria de los Rayos a Través de una Frontera entre Dos Medios Elásticos

α

Estrato 1

Velocidad = V1

Velocidad = V2

Estrato 2

Angulo Críticode Incidencia

r

α =

Fuente

90°

i

sen i V1sen r V2

=

DIRECTA

REFLEJADA

V1

V2

i r

REFRACTADA

icic

• Parámetros:

- Tiempo de inicio del movimiento sísmico (tiempo cero)

- Distancia entre el punto de impacto y el sensor

- Primer arribo de energía sísmica que llega a los sensores

PROCEDIMIENTOPROCEDIMIENTODEL DEL

ENSAYOENSAYO

ENSAYO DE REFRACCIENSAYO DE REFRACCIÓÓN SISMICAN SISMICA

PLANEACIÓN

OPERACIÓN YOBSERVACIÓN

DE CAMPOPREPARACIONDE LOS DATOS

INTERPRETACION DE RESULTADOS

OPERACIÓN Y OBSERVACIÓN DE CAMPODETERMINACIÓN DE LA LONGITUD DE TENDIDO

DETERMINACION DE LA GEOMETRÍA DE LOS PUNTOS DE IMPACTO

L

hL > 4h - 3h

1

shot shot shot shot shotshot

L/2 L/2 L/2 L/2

L

e : espaciamiento entre geófonos

shot

2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

INTERPRETACIINTERPRETACIÓÓNNDE DE

RESULTADOSRESULTADOS

Caso Simple de Dos Estratos con Límites Planos y Paralelos Curva Tiempo - Distancia Correspondiente

D1 =XC

22V 1V-

V2V + 1

DISTANCIATI

EM

PO

TIEMPO DEINTERSECCION,

DISTANCIA CRITICA, X C

v1

1

2v1

Ti

DISPARO

E

F G

H

D 1α

SIN = αv1

2v(

1v

2v

t

X

APLICACIONESAPLICACIONES

Determinación de la superficie de deslizamiento

PERFIL ESTRATIGRAFICOPuente Santo Cristo : Línea 01-01

1520

1530

1540

1550

1560

1570

1580

1590

1600

10 30 50 70 90 110 130 150 170 190 210 230 250

Distancia (m)

Cota

(m.s.

n.m

) shot

terreno

estrato 1

estrato 2

01 02 03 07 04 06 05

roca poco alterada

roca fracturada o muy alterada

material aluvional

VENTAJAS

• Permite cubrir rápidamente grandes áreas a un costocomparativamente bajo.

• No altera ni modifica las condiciones y propiedadesnaturales de las rocas y suelos.

• El ensayo no es estorbado por boleos, cantos rodadosni gravas gruesas.

VALORES PROMEDIOS DE Vp SEGÚN LA NORMA ASTM-D5777

Descripciónpie/s m/s

Velocidad Vp

Suelo intemperizado

Grava o arena seca

Arena saturada

Arcilla saturada

Agua

Agua de mar

Arenisca

Esquisto, arcilla esquistosa

Tiza

Caliza

Granito

Roca metamórfica

800 a 2000

1500 a 3000

4000 a 6000

3000 a 9000

4700 a 5500

4800 a 5000

6000 a 13000

9000 a 14000

6000 a 13000

7000 a 20000

15000 a 19000

10000 a 23000

240 a 610

460 a 915

1220 a 1830

910 a 2750

1430 a 1665

1460 a 1525

1830 a 3960

2750 a 4270

1830 a 3960

2134 a 6100

4575 a 5800

3050 a 7000

ENSAYO ENSAYO DOWN HOLEDOWN HOLE

Esquema del Ensayo Down HoleCILINDRODE GAS

REGULADOR

AMPLIFICADOR

MONITOR

MONITORDE DATOS

CARGA

TABLA

ONDAS S

TRANSDUCTOR DE 3

COMPONENTES

TUBO DECAUCHO

ONDAS P

POZO

ESTACA

MARTILLO

Registros de Ondas P

Tiempo (Seg.)

(Ondas P)

0. 00 0. 02 0. 04 0. 06 0. 08 0. 10 0. 12

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

15

17

18

19

2020.320.8

Prof

undi

dad

(m)

Tiempo (Seg.)

0. 00 0. 04 0. 08 0. 12 0. 16 0. 20 0. 2 4

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

15

17

18

19

2020.320.8

Prof

undi

dad

(m)

(Ondas S)

Registros de Ondas S

Determinación de Propiedades Dinámicas de los Materiales.

ρ = 0.2 Vp0.25

ν = (Vp /Vs )2 - 2

2 ((Vp /Vs )2 - 1)

Ed = 2 (1 + ν )G

Gd = ρ Vs2

Donde:ρ = densidad volumétrica.ν = relación de Poisson.Gd = módulo de corte.Ed = módulo de Young.

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12Tiempo de Viaje ( x 10 ) sec.-2

m Tipode

SueloValor de N

10 20

580 210

100140

120

195

150

155msecVs =

1.35 mm

Vp =1300 msec

1890

Owi IslandN°1Tokyo

C2Bay5

10

15

20

Ejemplo de ProspecciEjemplo de Prospeccióón de velocidades por el mn de velocidades por el méétodo todo DownholeDownhole