PIEZOCONO E INSTRUMENTACIÓN: SINERGIAS - ?· operatividad de la instrumentaciÓn en aguas subterrÁneas,…

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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

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

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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 (Du 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

    PIEZOCONO E INSTRUMENTACIN: SINERGIAS, M. J. Devincenzi

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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 Llobreg