Investigacin Geotcnica

Investigacin GeotcnicaMecnica de Suelos

Introduccin.Las investigaciones geotcnicas son una parte esencial de los estudios necesarios para cualquier proyecto de ingeniera, de ellas se obtienen los parmetros y propiedades que definen las condiciones del terreno donde se realizarn las obras.

Objetivo de la investigacin geotcnica.Los objetivos de las investigaciones geotcnicas son:1. Obtener un modelo geotcnico del subsuelo, con distribucin espacial de los distintos estratos o capas presentes en el terreno donde se implantarn las obras. 2. Obtener muestras alteradas e inalteradas, representativas de los materiales investigados.3. Determinar el tipo y caractersticas geomecnicas de los materiales existentes en el subsuelo, mediante las prospecciones de campo, ensayos de campo y pruebas de laboratorio.4. Determinar el tipo de cimentacin requerida para la estructura.5. Obtener suficiente informacin para determinar la magnitud y tiempo de asentamientos si esto es necesario.6. Localizar el nivel fretico y sus fluctuaciones para determinar posible problemas constructivos7. Identificar problemas ambientales y sus soluciones.La investigacin geotcnica incluye el conocimiento del origen geolgico, la exploracin del subsuelo, ensayos de campo y laboratorio necesarios para identificar, clasificar fsica, mecnica, e hidrulicamente a los suelos.Las investigaciones geotcnicas se suelen desarrollar en dos fases, estas son:

Estudio geotcnico preliminar.Se realizan para determinar caractersticas geotcnicas aproximadas del terreno, con el propsito de establecer las condiciones que limitan su aprovechamiento, los problemas que puedan presentarse, los criterios y parmetros generales para la elaboracin de un proyecto. Debe considerar el entorno geolgico y geomorfolgico, la zonificacin de los materiales, amenazas de origen geolgico, y obras de adecuacin del terreno. Se puede incluir los estudios de alternativas.

Estudio geotcnico definitivo.Este estudio se realiza para un proyecto especfico (diseo definitivo o alternativa seleccionada) en el cual se debe precisar todo lo relacionado con las propiedades fsicas y geomecnicas del subsuelo, as como las recomendaciones para el diseo y construccin de todas las obras relacionadas con el proyecto.

Mtodos de exploracin mecnicos, calicatas y sondeos.El mtodo de exploracin ms ampliamente usado para la investigacin del subsuelo son los sondeos mecnicos mediante el cual se obtienen muestras que sern descritas por inspeccin visual y mediante pruebas de laboratorio de suelos. Las caractersticas geomecnicas de los materiales se determinar mediante pruebas de laboratorio en muestras inalteradas.

Para determinar la variacin espacial de los estratos se pueden utilizar mtodos de exploracin indirecta, tales como: Sondeos elctricos verticales, SEVs, tomografas elctricas, Ssmica de refraccin, Anlisis espectral de ondas superficiales. En ningn caso estos mtodos indirectos pueden reemplazar a los sondeos mecnicos. Para investigaciones superficiales se pueden realizar calicatas y/o trincheras (zanjas).

CalicatasLas calicatas son excavaciones realizadas con medios mecnicos, a mquina o a mano, a cielo abierto, y que permiten la inspeccin visual directa del terreno y su estructura. Las calicatas y trincheras se limitan a unos 4 metro, a mquina, y unos 2 metros, a mano.Las calicatas permiten tomar muestras alteradas, inalteradas, e integrales. Las muestras inalteradas son de tipo cbicas o de bloque que se obtienen tallando un cubo de suelo intacto, los cubos son cubiertos con yute y parafina a fin de no alterar sus condiciones naturales. Las muestras alteradas sufren modificaciones de su estructura y en su contenido de humedad pero conservan su composicin mineralgica por lo que sirven para realizar ensayos de clasificacin de suelos. Las muestras integrales se utilizan para investigar las caractersticas de materiales a utilizarse en obras de ingeniera como terraplenes y rellenos.

Las calicatas son ms convenientes por cuanto se puede observar directamente la estructura del suelo e identificar los estratos. En ocasiones se deben hacer excavaciones entibadas para alcanzar el nivel de investigacin deseada. Como resultado de la observacin se debe elaborar un registro estratigrfico que describa la secuencia de estratos y las descripciones visuales realizadas.

Sondeos mecnicosLos sondeos son perforaciones de poco dimetro que se realizan en el terreno para identificar los materiales existentes en el subsuelo. Los sondeos pueden ser realizados a mano o a mquina.

Sondeos con barrenos manuales (Perforaciones con posteadora, barrenos helicoidales).

En estos sondeos exploratorios la muestra obtenida es completamente alterada. Los barrenos helicoidales manuales pueden ser de diferentes tipos, el paso de la hlice debe ser cerrado para suelos arenosos y ms abiertos para suelos arcillosos.

Un inconveniente de la perforacin con barreno es que resulta muy difcil determinar el cambio de los estratos y que no es posible avanzar cuando se tiene un estrato duro ms superficial que un estrato blando que se podra perforar con estas herramientas.Las posteadoras son herramientas ms limitadas, se las hace penetrar en el terreno ejerciendo un giro sobre el manubrio que se ubica en el extremo superior.Ambos mtodos se pueden profundizar aadiendo tramos de tuberas para alcanzar la profundidad deseada.

Sondeos a rotacinLos sondeos a rotacin pueden perforar cualquier tipo de suelo o roca, hasta profundidades elevadas y con distintas inclinaciones. La extraccin de testigos es continua, algunos materiales son difciles de perforar como las gravas y las arenas finas bajo nivel fretico.Los elementos del sistema de perforacin son: cabeza, tubo portatestigo, extractor, portaextractor, y corona de corte.

La cabeza de perforacin es la parte mecnica que le imparte el movimiento de rotacin y empuje para que penetre el tubo porta testigo y el varillaje. La corona es el elemento perforador puede ser widia (carburo de wolframio) para perforar suelos y rocas blandas, o de diamante para perforar rocas duras. Para suelos inestables se requiere colocar una tubera de proteccin de mayor dimetro denominado revestimiento.

Tanto la corona como el testigo pueden tener varios dimetros, el ms comn es el dimetro NX (3). En la tabla siguiente se muestran los distintos tamaos utilizados tanto para la corona como para el revestimiento de la perforacin.

El sistema puede incluir una bomba para inyectar agua o lodo bentontico a la perforacin, para enfriar la corona para estabilizar las paredes de la perforacin, por lo que el mtodo tambin se lo llama rotacin y lavado.

Sondeo a maquina con barreno helicoidalSu uso se limita a suelos relativamente blandos y cohesivos, no funciona para suelos duros o rocas. Este tipo de perforacin no permite precisin para determinar los diferentes estratos del subsuelo, alcanza unos 40 metros de profundidad.Las barrenas pueden ser huecas o normales, las primeras permiten obtener muestras inalteradas. La cabeza de perforacin es la que imprime la rotacin del sistema, como se muestra en la figura.

Sondeo a percusinSe utiliza tanto en suelos granulares como en suelos cohesivos, puede alcanzar hasta 30 o 40 metros de profundidad, lo ms frecuente es que sean de 15 a 20 metros. El sistema de avance es mediante el golpeo de una masa que cae desde una altura de un metro aproximadamente.El sistema incluye el bombeo de agua por lo que tambin se lo denomina mtodo de percusin y lavado. La operacin consiste en inyectar agua en la perforacin la cual forma una suspensin con el suelo en el fondo y sale al exterior por la presin de bombeo, denominada agua de retorno. En el agua de retorno se identifica el material extrado.El procedimiento puede ser completado con el muestreo mediante cuchara partida, mientras las caractersticas del material no cambie se puede muestrear a cada 1,50 m. Al notar un cambio en el agua de retorno se debe proceder a un nuevo muestreo. Al detener las operaciones para un muestreo debe permitirse que el agua alcance un nivel de equilibrio que corresponde al nivel fretico.

Mtodos de exploracin geofsicos, elctricos y ssmicos.Sondeos GeofsicosLos sondeos geofsicos o prospeccin geofsica es el conjunto de tcnicas que utiliza los parmetros fsicos de los materiales del subsuelo y su correlacin con las caractersticas geomecnicas. Son tcnicas no destructivas y de gran cobertura, son complementarias a la investigacin directa (sondeos mecnicos o calicatas). Los diferentes mtodos geofsicos se dividen segn el parmetro fsico investigado: gravimetra (densidad) elctricos (resistividad) electromagnticos (conductividad elctrica y permeabilidad magntica) ssmicos (velocidad de propagacin de las ondas ssmicas), radiactivos (niveles de radiacin natural o inducida). Los principales mtodos son los elctricos y ssmicos.

Mtodos elctricos

Estos mtodos estudian la respuesta del terreno cuando se propagan a travs de l corrientes elctricas continuas (DC). El parmetro fsico que se controla es la resistividad (). La resistividad depende de la litologa, estructura interna pero sobre todo de su contenido de agua.

Para medir la resistividad se introduce en el terreno una corriente elctrica continua de intensidad, I, mediante dos electrodos denominados A y B, conectados a una fuente de energa. Luego se mide la diferencia de potencial V, generada por el paso de la corriente entre dos electrodos M y N. La resistividad se calcula con la expresin: =V/I.La separacin de los electrodos se realiza aplicando la propuesta de Schlumberger, con los electrodos de potencial, M y N, alineados con los de corriente, A y B, y separacin entre M N es inferior a 1/5 de A B. Otra propuesta es la de Wenner en que las distancias A M, M N, y N B, son iguales

El mtodo ms utilizado es el SONDEO ELECTRICO VERTICAL (SEVs), consiste en separar sucesivamente los electrodos de corriente, de un punto central, y medir la resistividad en cada posicin. Generalmente se utiliza el arreglo de Schlumberger.

Mtodos ssmicosEstos mtodos estudian la propagacin en el terreno de ondas ssmicas producidas artificialmente. La velocidad de propagacin depende bsicamente de las constantes elsticas y la densidad del medio. Los contactos entre cuerpos con diferente velocidad de transmisin de las ondas ssmicas definen superficies de separacin en las que las ondas sufren refraccin, reflexin o difraccin, con este mtodo se definen los estratos que componen el subsuelo. El mtodo ms utilizado es la ssmica de refraccin que estudia la energa que vuelve a la superficie tras ser refractada. El modelo normal del subsuelo presenta velocidades crecientes con la profundidad.Consiste en realizar perfiles instrumentados con gefonos (sensores de movimiento), espaciados entre s una distancia conocida y generalmente regular ( c/5 m). La energa la provoca un golpe con un martillo sobre una placa metlica que se apoya en el terreno, esta llega a los sensores cuando son perturbados, lo que se registra en un sismgrafo.La longitud de los perfiles ssmicos es por general de 110 metros, se pueden hacer varios tramaos continuos para investigaciones ms extensivas. En cada perfil de 110 metros se debe realizar por lo menos cinco golpes, en los extremos de la lnea y en puntos intermedios. La medida de los tiempos de llegada de las ondas elsticas proporciona el valor de la velocidad de propagacin, y por su interpretacin se pueden definir los distintos materiales atravesados.Se debe insistir en que los mtodos indirectos son complementarios a los mtodos mecnicos y sirven para conocer la variabilidad espacial de los estratos, a partir de los contrastes de los parmetros investigados. Para analizar las caractersticas de resistencia y deformabilidad son preferibles los mtodos ssmicos, mientras que para determinar concentracin de agua (para identificar la superficie de falla de deslizamientos) o acuferos (espesor del acufero y grado de saturacin).Se recomienda que un sondeo mecnico se ubique en la interseccin de dos lneas ssmicas para hacer ms extensiva la investigacin y cubrir ms rea investigada.

Modelo geotcnico del subsuelo (Perfil estratigrfico).Algunos conceptos relacionados con estratigrafa:EstratigrafaLa Estratigrafa es una rama de la geologa que estudia las rocas teniendo en cuenta la secuencia temporal y los materiales que la constituyen.

EstratificacinEs el modo como se depositan las rocas sedimentarias de acuerdo al agente y al ambiente sedimentario. Es as que se tienen estratificaciones distintas.La estratificacin caracteriza a una serie de capas maso menos paralelas denominadas ESTRATOS

Columna estratigrficaEs la sucesin vertical de rocas sedimentarias existentes en una determinada rea.A travs de la correlacin entre columnas es posible la reconstruccin del perfil estratigrfico entre ellas.

Perfil estratigrficoEs el que se realiza a partir de datos de perforaciones, de datos de prospeccin geofsica, o bien de cortes naturales o artificiales del terreno que muestran las rocas que conforman la columna estratigrfica, mediante los cuales se puede reconstruir la estratigrafa del subsuelo, acorde con la profundidad que demanda el proyecto.

Prueba SPT (Trabajo de campo y correcciones.).Durante las investigaciones geotcnicas se realizan pruebas de campo para determinar el comportamiento del suelo, in situ. Las principales pruebas tienen que ver con las caractersticas de resistencia, permeabilidad y deformabilidad del terreno.

Prueba SPT (Standard Penetracin Test) o prueba de penetracin normalizadaSe denomina prueba estndar o normalizada por cuanto se debe cumplir una Norma de ejecucin de la prueba. La Norma Ecuatoriana para este ensayo se la nombra como INEN 689 1982-5, es decir que la ltima revisin de la norma es la 5 y fue realizada el ao 1982.

Esta norma establece un mtodo de ensayo para determinar indirectamente el grado de resistencia del suelo in situ. Permite determinar, en forma aproximada, el grado de compacidad o la consistencia del suelo. El ensayo tambin permite recuperar muestras alteradas que se pueden utilizar para su descripcin visual y para verificar sus propiedades fisco mecnicas en laboratorio. El ensayo SPT debe realizarse en cada cambio de estrato o con intervalos no mayores de un metro. El ensayo consiste en contar el nmero de golpes requerido para hincar el muestreador de aproximadamente 60 cm, mediante un peso de 65 Kg que cae de una altura de 75 + 5 cm, desde la cabeza de golpeo. Los primeros 15 cm de penetracin solamente se consideran como un valor orientativo. Se cuentan los 30 cm siguientes en tramos de 15 cm, y se registran por separado. Si al hincar este tramo se sobrepasan los 50 golpes, sin que hubiera penetrado la totalidad de la medida se debe anotar el nmero de golpes efectuados y la fraccin o longitud de penetracin del muestreador. Los ltimos 15 cm no se los considera en el conteo pero se suele registrar de manera tambin orientativa.

Antes de extraer el muestreador se debe girar por lo menos dos revoluciones para cortar la muestra por el fondo luego de lo cual se extrae, se lo abre y se determina la longitud de la muestra recuperada. La muestra se describe segn el procedimiento que se establece en la Norma INEN 693 y se la debe conservar en un recipiente hermtico para su envo al laboratorio.El resultado se corrige por: Energa aplicada Profundidad Otras causas menores: NF, dimetro de perforacin, peso de barras, etc.La energa realmente aplicada durante el hincado puede variar debido al equipo utilizado y a la tcnica del ensayo. Para obtener un valor estandarizado se plantea la siguiente correccin:

Dnde: N60= Nmero de penetracin estndar corregido por condiciones de campoN= Nmero de penetracin medidoH= eficiencia de martillo (%)B=correccin por dimetro de la perforacinS=correccin del muestreadorR=correccin por longitud de tubera.

La correccin por profundidad y esfuerzos efectivos geostticos al nivel del ensayo se realiza aplicando la ecuacin: N1 (60)= CN*N60Los valores de CN se muestran en la tabla 2.4 (libro de Braja M. Das)

1Capitulo 6