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PIEZOCONO E INSTRUMENTACIN: SINERGIAS

Marcelo J. Devincenzi*

RESUMEN

Se describen brevemente el ensayo de penetracin esttica (CPT) y el piezocono (CPTU), haciendo especial referencia a sus capacidades para el estudio estratigrfico y sedimentolgico de suelos y presentando diversos ejemplos espaoles. Se describen nuevas tcnicas para la caracterizacin de suelos contaminados utilizando el piezocono: toma de muestras de suelo, agua y gas y conos con sensores especiales (resistividad, pH, redox, fluorescencia inducida para la deteccin de hidrocarburos).

Palabras clave

Suelos contaminados; CPT; CPTU; dielctrico; hidrocarburos, ensayos in situ; intersticial; muestras; penetracin; ph; redox; resistividad; sensores.

* Ver relacin de autores en ndice

ABSTRACT

A brief description of CPT and CPTU test is made. Special enphasis is made on stratigraphic and sedimentological capabilities of test. Several Spanish examples are presented. New technologies to characterize contaminated soils using CPT special sensors (resistivity, pH, Redox potential, induced fluorescence to detect hydrocarbons) and soil, water & gas sampling devices are described.

Key words

Contaminated soils; CPT; CPTU; dielectrical; hydrocarbons; in situ tests; interstitial; penetration; pH; redox potential; resistivity; samples; sensors.

OPERATIVIDAD DE LA INSTRUMENTACIN EN AGUAS SUBTERRNEAS, SUELOS CONTAMINADOS Y RIESGOS GEOLGICOS.IGME. MADRID 2003. ISBN: 84-7840-485-6

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PIEZOCONO E INSTRUMENTACIN: SINERGIAS, M. J. Devincenzi

ENSAYOS GEOTCNICOS "IN SITU"

Los ensayos geotcnicos in situ (EGIS) constituyen una serie de tcnicas variadas e independientes con un objetivo comn: la caracterizacin mecnica de las capas que componen el subsuelo a travs de parme-tros medidos en el propio medio natural. La diversidad de tcnicas aplicadas es muy grande y los parmetros medidos con cada una de ellas, distintos.

Bsicamente, los cuatro propsitos fundamentales de los EGIS son (Worth, 1984):

Caracterizacin o diagnosis del terreno.Determinacin de propiedades especfi-cas del suelo.Control de obras.Comprobacin de hiptesis de clculo y anlisis retrospectivo.

Estos conceptos se resumen ligeramente ampliados en la Tabla 1.

En los ltimos tiempos los EGIS han tenido un fuerte desarrollo como conse-cuencia de los avances en electrnica, informtica y comunicaciones. Paralelamente, se han actualizado y redactado nuevos

Tabla 1. Objetivos de los EGIS (Jimnez Salas, 1987)

Caracterizacin del TerrenoParmetros de ClculoModelizacin

Durante la ConstruccinDurante la Explotacin

Sobre el TerrenoSobre las Estructuras

Para el Proyecto

Comportamiento del Terreno

Control y Comprobacin

estndares que normalizaron los procedimientos de ejecucin, equipos y m t o d o s d e a n l i s i s . N u m e ro s a s Conferencias y Simposios sobre el tema desde los aos 70s han tenido tambin una fuerte influencia en estos desarrollos.

EL ENSAYO CPTU

El ensayo de penetracin esttica (CPT) y el piezocono (CPTU) es una excelente herramienta de investigacin geotcnica que permite obtener un perfil estratigrfico virtualmente continuo del terreno y evaluar los parmetros resistentes de las capas atravesadas. En los ltimos aos, esta tcnica ha desarrollado variantes con la incorpora-cin de nuevos captores especialmente diseados para el estudio de suelos contami-nados y toma de muestras de suelo, agua o gases.

Figura 1. Cono CPTU

usual de los cuales es la razn de friccin (FR = q /f %). En la Figura 3 se presenta un c sejemplo correspondiente a la ciudad de Murcia.

En la Tabla 2 se presentan las bases fundamentales para la interpretacin estratigrfica del ensayo. En la misma se indican los criterios bsicos para suelos arenosos y arcillosos. Suelos intermedios, tendrn un comportamiento tambin intermedio. En base a estos simples concep-tos se puede interpretar el piezocono de la Figura 3 de la siguiente forma:

Primer nivel de arcillas hasta los 11,5 m aproximadamente, caracterizado por bajos valores de q y elevados valores de cFR% (superiores a 5). Los valores de u dinmica, sin embargo, son similares a la presin hidrosttica. Este hecho es debido a que se trata de una arcilla sobreconsolidada (y por lo tanto, fisurada) debido a la explotacin del acufero de las arenas inferiores.

Nivel de arenas entre los 11,5 m y los 18 m de profundidad, caracterizado por elevados valores de q y bajos valores de c

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De forma muy breve, el ensayo consiste en hincar en el terreno a velocidad constante (2 cm/seg) un cono que permite medir, mediante captores, la resistencia a la penetracin q , el rozamiento f de un c smanguito ubicado encima de la punta cnica y la presin intersticial u del agua a medida que el cono penetra en el terreno. Cuando el ensayo mide la presin intersticial, u, se denomina piezocono o CPTU. Si slo se mide la resistencia por punta q y el crozamiento lateral especfico f , el ensayo se sdenomina CPT (del ingls Cone Penetration Testing), antiguamente conocido como cono holands.

El equipo consiste en el cono de hinca, varillaje hueco por donde pasa el cable de seales, central de toma de datos y el medio de hinca o penetrmetro (Figura 1 y Figura 2). El ensayo es de aplicacin en suelos blandos a firmes; los suelos con abundante grava o bolos y las rocas no son aptos para la hinca esttica. Una descripcin ms detallada puede consultarse en Devincenzi y Gmez, 1996.

Figura 2: Equipo mixto de sondeos y ensayos CPT. Cortesa IGEOTEST, S.L.

Los resultados se presentan en forma grfica trazando los parmetros medidos con el ensayo y/o otros derivados de stos, el ms

Figura 3. Ejemplo de un piezocono en la ciudad de Murcia. Cortesa IGME


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Tabla 2: Bases para la interpretacin estratigrfica del ensayo CPT y CPTU

FR%. Los valores de u dinmica son inferiores al valor piezomtrico (u negativo). Con mayor detalle se puede distinguir una subcapa superior con intercalaciones limosas.

Nivel inferior de arcillas normalmente consolidadas caracterizadas por un bajo valor de q y un elevado valor de u y FR%. cObsrvese como se detecta una delgada capa arenosa de menos de medio metro de espesor hacia los 27 m de profundidad, el valor de q aumenta y disminuye cdrsticamente el valor de u y FR%.

En la Figura 4 se presenta uno de los tantos bacos de clasificacin publicados en la literatura especializada. En este caso se trata de la clasificacin de Robertson et al. (1986). En l se trazan los resultados de varios ensayos CPTU de unos 50 m de profundidad realizados en sedimentos deltaicos del delta del Llobretat. Puede observarse la amplia gradacin granulomtri-ca encontrada.

Al proporcionar una enorme cantidad de datos (los parmetros se miden cada 1 cm de profundidad), es posible llevar a cabo estudios geoestadsticos de las variables para analizar su distribucin espacial. La creacin de variogramas experimentales o la utiliza-cin de funciones de autocorrelacin y la

Figura 4. Abaco de clasificacin de suelos (Robertson et al., 1986) con datos de un CPTU en suelos del delta de Llobregat. Cortesa DEPURBAIX, S.A.

1.Suelos sensitivos de grano fino2.Materia orgnica (turbas)3.Arcillas4.Arcillas limosas a arcillas5.Limos arcillosos6.Limos arenosos

7.Limos arenosos a arenas limosas8.Arenas limosas a arenas9.Arenas10.Arenas gravosas11.Grano fino cementados12. Arenas cementadas

aplicacin a continuacin de una interpolacin estocstica (kriging) permite crear modelos 3D que son de enorme utilidad para el estudio de facies sedimenta-rias y sus relaciones laterales y verticales. El ensayo es, pues, muy adecuado para el estudio sedimentolgico e hidrogeolgico de cuencas sedimentarias recientes.

Arenas

Arcillas

Altos valores de q. cForma dentada de la curva de penetracin

Bajos valores de f . sAumenta si existe cementacin

Bajos valores de FR%. Tpico 1. En arenas carbonticas puede llegar a 3

Valores de u dinmica similares a u (h idrosttica hsi acufero libre). u puede ser negativo en arenas dilatantes

Bajos valores de q. cForma suave de la curva, aumenta linealmente con la profundidad

Valores relativamente ms altos de f qu e slas arenas

Valores elevados de FR%. Valores tpicos superiores a 3 en arcillas normalmenteconsolidadas (NC). Disminuye al aumentar la sobreconsolidacin (fisuracin)

Valores de u elevados en arcillas normalmente consolidadas (NC). En arcillas fisuradas, u similar a u o incluso menor.h

qc fs FR% u


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En la Figura 5 se presenta un ejemplo de un modelo 3D de la distribucin espacial de q correspondiente a sedimentos deltaicos del cRo Llobregat donde se pueden distinguir cinco unidades geolgicas principales. El ejemplo corresponde a la zona donde se ubica la nueva E.D.A.R. de Barcelona, con un rea de 95 km2, aproximadamente. Desde un punto de vista sedimentolgico (Figura 6), se pudieron definir y caracterizar en trminos litolgicos facies sedimentarias de prodelta, frente deltaico y llanuras de inundacin, determinando sus lmites y gradaciones verticales y horizontales y relaciones geolgi-cas entre ellas (concordantes o discordantes). Una vez establecida esta arquitectura general del cuerpo deltaico, se estn llevando a cabo estudios ms detallados con el objetivo de

Figura 5. Modelo 3D de la distribucin espacial de qc.

Delta de Llobregat, Barcelona. Cols, 2003; Devincenzi et al., 2003

Figura 6. Anlisis sedimentario, facies de Prodelta, Frente Deltalico y Plana Deltaica. Delta de Llobregat,

Barcelona. Cols, 2003; Devincenzi et al. 2003

caracterizar distintas subfacies tales como arenas de canal (principales y secundarios), barras, marjales, limos y arenas de derrame, etc. (Devincenzi et al., 2003).

CPTU E INSTRUMENTACIN

Existe de hecho una interrelacin entre la instrumentacin geotcnica en sentido amplio y los ensayos geotcnicos in situ sofisticados como el CPTU (Figura 7).

El ensayo puede utilizarse por ejemplo para la monitorizacin de la ganancia a la resistencia al corte durante un proceso de precarga, como piezmetro al detener la penetracin y registrar la evolucin de las presiones intersticiales (Figura 8), etc.


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Ensayos Geotcnicos in situ avanzados

(CPTU)

Instrumentacin

Parmetros de Diseo

Seguimiento y Control

Hiptesis de Diseo

Figura 7. Interrelacin CPTU Instrumentacin Geotcnica

Figura 8. Ensayo de disipacin de las presiones intersticiales

Alimentacin del Sistema

Ethernet TCP/IPGSMRadioSatelite

PapelLocalIntranetExtranetPresentacin de Resultados

Tratamiento de Datos

Sistema de Comunicacin de Datos

Sistema de Adquisicin de Datos

Sensores

Figura 9. Sistema de toma y procesado de datos

El principio de la toma de datos es exactamente el mismo se trate de un piezocono o un equipo especfico para instrumentacin geotcnica o medioambien-tal (Figura 9).

APLICACIONES MEDIOAMBIENTALES

Desde mediados de la dcada de los 90 se desarrollaron una serie de captores e instrumentos especiales para la toma de muestras de agua, suelo o gas, adaptados al ensayo CPT y destinados al estudio de los suelos contaminados. Estas tcnicas se conocen con el nombre genrico de PDT (del ingls, Push Direct Technology) y complementan de manera muy eficiente las tcnicas convencionales de reconocimiento, reduciendo los costos y tiempos de los estudios y causando menos dao al medio ambiente al ser una tcnica menos agresiva. Adems, se presenta como una metodologa de trabajo menos rgida que las tcnicas clsicas (sondeo + toma de muestra + anlisis de laboratorio), permitiendo la toma de decisiones en tiempo real y optimizando los puntos de toma de muestras o coloca-cin de piezmetros y evitando la caracteri-zacin por sucesivas aproximaciones.


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En trminos generales, las principales ventajas de la metodologa PDT se pueden resumir en:

No produce detritus de perforacin.

Las muestras de agua y gas corresponden a una profundidad determinada.

Evita purgados (< 40 ml) y trasvase de muestras a otros contenedores.

Evita la contaminacin externa.

Evita la contaminacin cruzada.

Evita la prdida de voltiles.

Se puede sellar el taladro a medida que se retira el varillaje.

Personal no expuesto a contaminantes.

Toma de Muestras

Toma de Muestras de Agua y Gas

Los dos sistemas ms comunes son mediante penetracin de puntas retrctiles (Figura 10) y los denominados toma muestras BAT (Figura 11). De los primeros existe una amplia variacin de modelos aunque todos operan con la misma base: hincar el tomamuestras hasta la profundidad deseada de muestreo y retraer el varillaje de

forma que el filtro queda expuesto al medio. La toma de la muestra puede realizarse bajando un pequeo bailer por el interior del varillaje o directamente median-te bomba desde la superficie. Los filtros suelen ser de acero inoxidable o polipropile-no y su longitud puede variar en funcin de la permeabilidad del suelo y del tipo de contaminante a muestrear. Este tipo de dispositivo evita la contaminacin cruzada y es muy simple, pudiendo realizar un nmero elevado de muestras en una jornada de trabajo. Existen en el mercado versiones modificadas de este dispositivo desarrolladas para dejarse instaladas en el terreno para puntos de monitoreo. Algunas versiones permiten incluso el sellado del filtro al retirar el varillaje de instalacin.

Varillaje

Trica

Filtro metlico o de polipropileno. Tpicamente entre 150 mm y 300 mm

Acople roscado a punta

Trica

Punta cnica

Figura 10. Toma muestras de fluidos tipo hidropunch

Figura 11. Tomamuestas tipo BAT, Tortennson, 1984


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El toma muestras BAT es algo ms sofisticado. Consiste en hincar una punta retrctil, bajar por el interior del varillaje un recipiente esterilizado al vaco mediante un cable. Una aguja hipodrmica permite el llenado del recipiente. Este sistema tiene la ventaja de que la presin del fluido mues-treado es igual a la presin in situ. El volumen de la muestra es de 150 ml. Midiendo el tiempo de llenado y el volumen recogido se puede hacer una estimacin de la permeabilidad del terreno.

La toma de muestras de gas puede realizarse de forma similar debiendo tener especial cuidado en el purgado del sistema.

Tomas de Muestras de Suelo

Existen actualmente distintos sistemas para la toma de muestras de suelos. En la Figura 12 y en Figura 13 se muestran los ms usuales. Los dispositivos se hincan hasta la profundidad que se desea obtener una

muestra, se retrae la punta cnica y se hinca nuevamente (Figura 14). Existen tambin dispositivos con sistemas de "wire line" de manera que mltiples muestras pueden ser obtenidas en un mismo taladro.

Figura 12. Toma muestras de

suelos tipo GOUDA


Figura 14. Proceso de toma de muestra de suelos. Cortesa EPA

Figura 13. Toma muestras de suelos tipo MOSTAP

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Sensores Medioambientales

En los ltimos aos se han desarrollado una serie de captores adicionales a los tradicionalmente utilizados con el ensayo CPT o CPTU destinados a la caracterizacin geoambiental y cuyo uso principal est destinado al estudio de suelos contaminados. Si bien la aplicacin de estas tcnicas es prcticamente nula en Espaa, su uso est muy extendido e incluso normalizado en otros pases (ver por ejemplo EPA, 1997, 2001, etc.). En la Tabla 3 se enumeran los conos ambientales de uso ms extendido. En los epgrafes siguientes se describen algunos de ellos.

Sensores de Temperatura

Originalmente, la medida de la tempera-tura del suelo se utilizaba para calibrar los transductores de los conos de investigacin (las clulas de carga y presin) y para medir el incremento de la temperatura del suelo debido a la friccin producida por la hinca del cono. Actualmente, la medida de dicho parmetro puede ser utilizada tambin para

complementar o corregir los resultados obtenidos por otros sensores, por ejemplo, los de pH. Debido al incremento de la temperatura producido por las reacciones qumicas y microbianas, la medida de dicho parmetro in situ puede proveer de informa-cin sobre una posible contaminacin del suelo.

Resistividad y Conductividad Elctrica

La medicin de la conductividad elctrica se basa en el hecho de que la variacin de voltaje entre un par de electrodos a los que se aplica una cierta corriente es proporcional a la resistividad elctrica del suelo y sta se correlaciona con la conductividad mediante la formula:

Los sensores montados en los conos ambientales constan de 2 o ms anillos de acero inoxidable situados a una distancia que varia de 10 a 15 mm (dependiendo de ello la penetracin del campo elctrico en el suelo) y

C (1)(mS/m) = 1000 1R (1 )m

Tabla 3. Tipos de conos ambientales

Temperatura Transductor de T CTemperatura Localizacin contaminantes

con reacciones exotrmicas

Caractersticas dielctricas

Contenido de humedad en el suelo

Estimar contenido de humedadIndicacin de niveles potencialmente contaminados

Electrodo de Platino/Mercurio

Intercambio inico de O2

Localizacin contaminantes con reacciones exotrmicas

Conductividad Conductividad elctrica

Intrusiones salinasMetales pesadosNiveles altos de hidrocarburos y solventes clorados

Fuente de Nitrgeno, Argn y Mercurio. Lser

Respuesta de fluorescencia inducida

Presencia de derivados del petrleoTipo de contaminante

Cristal de Yoduro de Sodio con anlisis espectral

Nivel de radiacin gamma en el suelo


Lser de longitudes de 514 y 758 nm, CDD espectrmetro TCE y PCE a niveles altos


Sensores Mtodo de Lectura Parmetros Medidos Aplicaciones

Radioactividad

Humedad

Potencial Redox

Conductividad y Resistividad

Fluorescencia Ultravioleta

Inducida

Espectrometra


Figura 15. Cono CPTU y Resistividad

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que se encuentran separados entre s y del resto de los componentes por un material aislante como plstico no conductor, cermica, etc. Asimismo, presentan una posicin dentro del conjunto del cono variable, pudindose encontrar en la punta o detrs del cuerpo principal del cono (Figura 15).

su vez de otros componentes como se indica en la frmula

donde:

L: longitud del material conductor medidoA: rea transversalR: resistencia elctrica = U(voltaje)/I(corriente)

Los factores que influyen en la medida se pueden resumir en:

Geometra de los electrodos.Resistividad del suelo, dependiente de la proporcin entre la resistividad del volumen medido y la del fluido, estructura del suelo, viscosidad del fluido de los poros, temperatura del fluido de los poros, resistividad de las partculas del suelo, etc.

La medida de la conductividad elctrica debido a su dependencia de un parmetro intrnseco como es la geometra, ha de ser precedida de un calibrado en cmaras de calibracin con una solucin de conductivi-dad elctrica conocida, hecho que permite la obtencin del parmetro de factor de cono mediante la relacin:

(2)C = LA R*

donde: C: conductividad del fluidok: factor de calibracin del conoCs: conductividad medida por el cono

C = k * (3)Cs

pH

El sensor de pH est constituido por electrodos que configuran un sistema de polos de lectura semi-metlicos compuestos por cloruro de antimonio/plata, para determinar la actividad de los iones de hidrogeno en el subsuelo.

La distribucin consiste en tres pequeos botones incrustados en un lateral de la sonda.


Normalmente, la corriente aplicada sobre los electrodos es de tipo sinusoidal y proviene de una fuente que emite con un voltaje que evite la polarizacin de los electrodos. Dicha corriente puede ser modificada para obtener una respuesta lineal frente a cambios bruscos en la resistividad, cosa que permite medidas entre 1 y 250 .m, con una precisin del 2 %. El hecho de obtener el voltaje de forma continua permite la lectura de la resistividad de forma prcticamente ininterrumpida a lo largo de la perforacin, con resoluciones de 2 a 5 cm/lectura.

La conductividad medida depende de diversos factores, y esta medida es funcin a

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El inferior es el electrodo de medida semi-metlico y el de en medio, cermico, se utiliza como confluencia de los fluidos. El electrodo de referencia est sumergido en una solucin saturada de cloruro de plata que se encuentra en una cmara situada en el interior de la sonda. El filtro cermico saturado en cloruro de plata es el encargado de la conduccin entre el electrodo sumergido y el disco de antimonio. Este sistema permite determinar un potencial electrnico entre los dos electrodos, y que se relaciona con el pH del suelo que se penetra.

La resolucin de estos sensores suele ser del orden de 0,5 unidades de pH y pueden proveer de un perfil prcticamente continuo en materiales saturados o casi saturados (Pluimgraaff et al, 1995), Figura 16.

Figura 17. Cono LIF

Figura 16. Grfico de un ensayo (Butler et al. 2000)

El potencial elctrico es un indicador de la energa que utilizan los microorganismos para crecer de forma substancial, debido a este hecho un conocimiento de este parmetro permite la correcta seleccin de los microor-ganismos para una bioremediacin para un determinado medio.

Potencial RedoxEl sensor utilizado en las lecturas de

potencial redox presenta una configuracin muy similar al anterior sensor de pH, aunque el sistema electroltico es de cloruro de platino/mercurio y el electrodo de referencia (sumergido en la solucin) es de cloruro de mercurio.


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Figura 20. Resultados de tres ensayos con cono FFD en el que se aprecia la distribucin

de la pluma de contaminacin

Deteccin de Hidrocarburos por Fluorescencia InducidaLos hidrocarburos son uno de los

contaminantes ms comunes en los suelos y la mayora de ellos, por sus constituyentes poliaromticos producen fluorescencia cuando son irradiados por distintas formas de luz. En los ltimos aos se han diseado conos con distintos tipos de fuentes como laser (LIF, Figura 17) y luz ultravioleta (FFD, Figura 18).


Figura 18. Cono FFD con doble fuente

Los captores deben ser calibrados en laboratorio para poder obtener una informacin cuantitativa en ppm del contaminante, Figura 19. Un ejemplo de tres ensayos en los que se puede observar la distribucin de la pluma de contaminacin se presenta en la Figura 20.

Figura 19. Calibracin de sensor en laboratorio

Figura 21. a) clulas de asiento hidrostticas.

b) piezmetros. Cortesa NGI.

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CPTU EINSTRUMENTACIN GEOTCNICA

La tcnica de hinca esttica puede ser de gran utilidad en la instalacin de instrumentos tales como piezmetos (push-in piezometers) o clulas de asiento hidrulicas en suelos blandos. En la Figura 21 se presentan sensores especialmente diseados para la hinca mediante un penetrmetro CPT. En la Figura 22 se observa la disposicin general para la monitorizacin de un terrapln con estos equipos.

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Figura 22. Auscultacin de un terrapln con sensores instalados por hinca esttica con penetrmetro CPT


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