14. CAP08-Exploracion Del Subsuelo

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Mecánica de Suelos. L.M. Salinas & A. Aranibar 350 CAPITULO OCHO Exploración del subsuelo. La exploración del subsuelo es el proceso mediante el cual se recoge toda la información relevante de un sitio, en el que se propone a futuro, la construcción de cualquier proyecto de ingeniería. La investigación del terreno debe involucrar también la adquisición de información a cerca de las condiciones que se presentan en los alrededores del sitio de estudio. La investigación del sitio es una tarea muy importante debido a que, a diferencia de los demás materiales usados en la construcción de estructuras de ingeniería, el suelo presenta propiedades que varían sustancialmente de un lugar a otro. Según Simons et al. (2002); los objetivos de la exploración del subsuelo, varían según los fines del proyecto, siendo de un modo general, los más importantes los siguientes: Estimar la disponibilidad general del sitio y sus alrededores. Permitir la preparación de un diseño adecuado y económico, incluyendo el diseño de trabajos temporales, técnicas de mejoramiento del terreno y control del nivel freático. Información necesaria para determinar el tipo de fundación requerido. Información suficiente que permita al ingeniero geotecnista realizar recomendaciones acerca de la capacidad de carga de la fundación. Hacer posible la realización de suficientes ensayos de laboratorio que permitan realizar posteriores predicciones de asentamiento. Determinar la posición posible del nivel freático (o determinar si este se encuentra en la zona de construcción). Para ciertos proyectos, es necesario conocer las variaciones del nivel freático. Estas variaciones pueden ser determinadas a través de la instalación de piezómetros o pozos de monitoreo. Establecer métodos de construcción para condiciones cambiantes del subsuelo. Información para la identificación de posibles problemas que puedan presentarse durante la construcción. Identificación de problemas potenciales (asentamientos, grietas o cualquier otro tipo de daño) en construcciones adyacentes. Identificación de posibles problemas medio ambientales y su solución. El programa de exploración del subsuelo consta básicamente de tres etapas principales: - Investigación literaria.- Consiste en la recopilación de toda la información posible a cerca de la estructura propuesta y de las condiciones del subsuelo. Los datos a recopilarse a cerca de la estructura son: su localización y dimensiones, el tipo y uso propuestos para la construcción, además del conocimiento de los códigos de construcción locales sobre todo en lo que se refiere a asentamientos permitidos. La información acerca de las condiciones del subsuelo deberá constar, en la medida de lo posible de datos acerca de la historia geológica del lugar, recopilación de resultados de posibles investigaciones realizadas anteriormente en el lugar, la revisión de mapas de suelos, de fotografías aéreas y finalmente obtener datos de la localización de fundaciones que pudieran ser afectadas por la construcción propuesta. - Reconocimiento de campo.- Es la visita de campo del ingeniero geotecnista con objeto de determinar ciertas características del sitio, tales como: la existencia de construcciones

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Capitulo 8 del libro Mecánica de Suelos II de la Universidad Mayor de San Simon

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Mecnica de Suelos. L.M. Salinas & A. Aranibar 350 CAPITULO OCHO Exploracin del subsuelo. La exploracin del subsuelo esel procesomediante el cual se recoge toda la informacin relevante de un sitio, en el que se propone a futuro, la construccin de cualquier proyecto de ingeniera.Lainvestigacindelterrenodebeinvolucrartambinlaadquisicinde informacinacercadelascondicionesquesepresentanenlosalrededoresdelsitiode estudio. La investigacin del sitio es una tarea muy importante debido a que, a diferencia de los demsmaterialesusadosen la construccindeestructuras de ingeniera, el suelo presenta propiedades que varan sustancialmente de un lugar a otro. Segn Simons et al. (2002); los objetivos de la exploracin del subsuelo, varan segn los fines del proyecto, siendo de un modo general, los ms importantes los siguientes: -Estimar la disponibilidad general del sitio y sus alrededores. -Permitir la preparacin de un diseo adecuado y econmico, incluyendo el diseo de trabajos temporales, tcnicas de mejoramiento del terreno y control del nivel fretico. -Informacin necesaria para determinar el tipo de fundacin requerido. -Informacin suficiente que permita al ingeniero geotecnista realizar recomendaciones acerca de la capacidad de carga de la fundacin. -Hacerposiblelarealizacindesuficientesensayosdelaboratorioquepermitan realizar posteriores predicciones de asentamiento. -Determinar la posicin posible del nivel fretico (o determinar si este se encuentra en la zona de construccin). Para ciertos proyectos, es necesario conocer las variaciones delnivelfretico.Estasvariacionespuedenserdeterminadasatravsdela instalacin de piezmetros o pozos de monitoreo. -Establecer mtodos de construccin para condiciones cambiantes del subsuelo. -Informacinparalaidentificacindeposiblesproblemasquepuedanpresentarse durante la construccin. -Identificacin de problemas potenciales (asentamientos, grietas o cualquier otro tipo de dao) en construcciones adyacentes. -Identificacin de posibles problemas medio ambientales y su solucin. El programa de exploracin del subsuelo consta bsicamente de tres etapas principales: - Investigacinliteraria.- Consiste en la recopilacin de toda la informacin posible a cerca de la estructura propuesta y de las condiciones del subsuelo. Los datos a recopilarse a cerca de la estructura son: su localizacin y dimensiones, el tipo y uso propuestos para la construccin, adems del conocimiento de los cdigos de construccin locales sobre todo en lo que se refiere a asentamientos permitidos. La informacin acerca de las condiciones del subsuelo deber constar, en la medida de lo posiblededatosacercadelahistoriageolgicadellugar,recopilacinderesultadosde posibles investigaciones realizadas anteriormente en el lugar, la revisin de mapas de suelos, defotografasareasyfinalmenteobtenerdatosdelalocalizacindefundacionesque pudieran ser afectadas por la construccin propuesta. - Reconocimientodecampo.- Es la visita de campo del ingeniero geotecnista con objeto dedeterminarciertascaractersticasdelsitio,talescomo:laexistenciadeconstrucciones CAPITULO 8 Exploracin del subsuelo 351 previas en la zona, el funcionamiento de estas, determinar la evidencia de deslizamientos o desniveles, as como la observacin del acceso a la zona y su influencia durante los futuros trabajos de exploracin. Finalmente el ingeniero debe observar si la construccin propuesta afectar a construcciones cercanas o si condiciones externas podran afectar a la construccin. - Exploracin del subsuelo.- Consiste de la investigacin de las condiciones del subsuelo y la obtencin de muestras del suelo. Esta informacin provee la base para la determinacin del perfil de suelo y sus propiedades. El presente captulo presenta los mtodos ms comunes para la perforacin, muestreo y ensayos de campo realizados a objeto de determinar las caractersticas del subsuelo. 1. Profundidad y nmero de sondeos. No existen reglas absolutas para determinar el nmero, espaciamiento o profundidad de las perforaciones, debido a que estas varan debido a muchos factores tales comoel costo, el tiempodisponibleparalainvestigacinyenocasionesladisponibilidaddelequipoy personal. Estas decisiones estn basadas en lo determinado por el reconocimiento de campo, el juicio del ingeniero y normas usadas en la prctica. Elprocesodedeterminarestosfactoresdeberesponderalassiguientesinterrogantes (Coduto, 1999): -Cun grande es el sitio? -Qu tipo de condiciones de suelo y roca se esperan? -El perfil de suelo presenta una distribucin homognea? -Qu es lo que se va a construir? -Cuan crtico es el proyecto y cules seran las consecuencias de falla? -Cuan larga y pesada es la estructura propuesta? -Son todas las reas accesibles a los equipos de perforacin? La determinacin exacta de estas interrogantes suele ser muy complicada. Sin embargo, es recomendable, que mediante la recopilacin de informacin y el reconocimiento de campo se logre obtener, antes de la realizacin de las perforaciones, al menos una idea de ellas. Existenalgunasrecomendacionesquepuedenserutilizadascomoguasparala determinacindeestasvariables.Coduto(1999)proponevaloresdeespaciamientoy profundidadesdeinvestigacinenfuncinalascondicionesdelsubsueloyeltipode estructura, Tabla 8.1 y Tabla 8.2. Ambas tablas fueron adaptadas a partir de Sowers (1979). Tabla 8.1. Espaciamiento recomendado para la realizacin de sondeos de exploracin. Condiciones del subsuelo Espaciamiento por cada sondeo [m2 ]Baja calidad y/o errtico 100-300Promedio 200-400Alta calidad y uniformidad 300-1000 Segn Simons et al (2002) el espaciamiento de sondeos destinados a la construccin de fundaciones de estructuras se sita a menudo en el rango de 20 a 40 m. La disposicin tpica de algunos sondeos es observada en la Figura 8.1. Mecnica de Suelos. L.M. Salinas & A. Aranibar 352 Tabla8.2. Profundidades de sondeos de exploracin para edificaciones con fundaciones superficiales. Condiciones del subsuelo Profundidad mnima de perforaciones[m]Pobre 6S0.7 +DfPromedio 5S0.7 +DfBuena 3S0.7 +Df S =Nmero de pisos, Df =Profundidad anticipada de fundacin. (a) (b) Figura8.1.Disposicintpicadesondeospara(a)unalmacngrande(b)Losasde bloques multipisos (Simons et al, 2002). As mismo, Simons et al (2002) recomiendan que los sondeos deben ser realizados lo ms prximosalasfundacionespropuestas,sobretodocuandoelestratodefundacines irregular. Ladisposicinyfrecuenciadelossondeossonparcialmentecontroladasporlas condiciones geolgicas del lugar, es decir, si las condiciones del terreno son relativamente uniformes los sondeos pueden realizarse a espaciamientos relativamente grandes, pero si las condicionesdelterrenosoncomplejaselespaciamientodelossondeosdebeser significantemente menor. La profundidad del sondeo es determinada tomando en cuenta la profundidad a la cual, el suelo es afectado por la carga aplicada a la fundacin. As, si la fundacin propuesta es un pilote,entonceslaprofundidaddelsondeodebeextendersehastauna profundidadtalpor debajo de la punta del pilote, en la que el incremento de esfuerzos debido a la carga aplicada a la fundacin deje de causar un efecto adverso en el desarrollo de la estructura. Segn Simons et al (2002), para una fundacin de ancho B la profundidad del sondeo a considerarse es de aproximadamente 1,5 a 2,0 B, puesto que se asume que el incremento de esfuerzos debajo este nivel no causa un efecto adverso en la estructura. Algunas autoridadesCAPITULO 8 Exploracin del subsuelo 353 consideran que el incremento de esfuerzos igual al 10 % de la carga aplicada a la fundacin esunlmiteaceptable.Debenotarse,queparafundacionescuadradasycircularesel incremento de esfuerzos verticales debajo de la carga aplicada es aproximadamente igual al 15% de la carga a una profundidad de 1,5 B y cerca al 10% de la carga para una profundidad de2,0B.Paraunafundacininfinitamentelargaestosvalorescorrespondena40y30% respectivamente y en tales casos resulta prudente investigar el terreno hasta una profundidad debajo del nivel de fundacin de ms de 2,0 B, para trabajar de este modo en el lado seguro. La Figura 8.2 presenta las sugerencias dadas por Simons et al (2002) para adoptar el valor de la profundidad de sondeo. Este valor depende de las condiciones que presenta la fundacin. BDProfundidad de sondeo=D +(1.5 a 2.0 B)ff (a) BDProfundidad de sondeo=D +(1.5 a 2.0 B)ff (b) BDLProfundidad de sondeo=D +(o 1.0 L) +(1.5 a 2.0B)23ff (c) Figura8.2.Profundidaddeinvestigacindeacuerdoaltipodefundacin(a)Zapata aislada o losa de fundacin (b) Zapatas poco espaciadas (c) Pilotes (Simons et al, 2002) Mecnica de Suelos. L.M. Salinas & A. Aranibar 354 Para determinar la profundidad mnima de sondeo pueden tambin aplicarse las reglas establecidas por la ASCE (American Society of Civil Engineers, 1972). Segnestasreglas,sedeterminaprimerolavariacindelincrementodeesfuerzos verticales v con la profundidad. A continuacin se determina la profundidad para la que el incrementodeesfuerzosvesigualal10%delacarganetaqnaplicadaalnivelde fundacin. Luego se determina la profundidad para la cual el incremento de esfuerzos es igual al 5% del esfuerzo efectivo vertical para dicha profundidad v/v =0,05. Finalmente,laprofundidaddesondeoesigualalamenordelasdosprofundidades calculadas. A partir de las reglas de la ASCE, Sowers y Sowers (1970) determinaron la profundidad de sondeo para un edificio de 30.5 mde ancho. La Tabla 8.3 presenta estas profundidades para distintos nmeros de pisos. Tabla 8.3. Profundidad de sondeo de acuerdo al nmero de pisos para un edificio de 30.5 m. de ancho (Sowers y Sowers, 1972). Nmero de pisos Profundidad de sondeo1 3.5 m 2 6.0 m3 10.0 m4 16.0 m5 24.0 m Para hospitales yedificios deoficinas, la profundidad de perforacinest dada por la siguiente expresin: 7 . 03S D =(para edificios ligeros de acero o edificios angostos de concreto) 7 . 06S D =(para edificios pesados de acero o edificios anchos de concreto) Donde: = D Profundidad de fundacin = S Nmero de pisos. El espaciamiento entre sondeos puede ser incrementado o disminuido dependiendo de las condicionesdelsubsuelo.Losdistintosvaloresdelespaciamientodeacuerdoaltipode estructura que va a ser construida, son presentados en la Tabla 8.4. Tabla 8.4. Espaciamiento aproximado de los sondeos (ASCE, 1972). Espaciamiento[m]Edificio de varios pisos10-30Plantas industriales de un piso 20-60Carreteras 250-500Subdivisiones residenciales 250-500Presas y diques40-80Tipo de proyecto CAPITULO 8 Exploracin del subsuelo 355 2. Perforaciones. La realizacin de perforaciones es una actividad indispensable para evaluar las condiciones delsubsuelo;constituyndosedeestamaneraenunapartefundamentalparala caracterizacin del sitio. Las perforaciones son por lo general la parte ms costosa de la exploracin, debido a que implican la movilizacin tanto de equipo como de recursos humanos. Los sondeos de exploracin son el resultado de la perforacin de una serie de sondeos verticales en el terreno. Estos son realizados a travs de taladrosmanuales que pueden ser de dos tipos: cavapostes y taladros helicoidales, Fig. 8.3. La principal ventaja de los taladros manuales en relacin con los otros equipos es su bajo costo y su fcil transporte, debiendo slo ser utilizados para realizar perforaciones menores a 4 m. (a)(b) Figura8.3. Herramientas de mano (a) Cavapostes (b) Taladro helicoidal manual (Das, 2001). Para la realizacin de perforaciones ms profundas, es necesario adaptar los taladros a equiposenloscualessepuedadisponerdeenergaelctrica,deestamaneraeltaladro helicoidal puede ser adaptado a un pequeo equipo rodante, Fig. 8.4(a), o a un camin como el mostrado en la Figura 8.4(b). El taladro adaptado a un camin se denomina taladrodeperforacincontinua, en el cuallaenergautilizadaprovienedelastorresdeperforacinmontadasenelcamin realizndose fcilmente perforaciones de hasta 70 mde profundidad. Este tipo de taladros pueden ser de seccin transversal, hueca o slida, teniendo cada barra conectada al taladro una longitud de 1 a 2m. La profundidad de perforacin requerida es alcanzada aadiendo el nmero necesario de barras para alcanzar tal profundidad. Lossondeospuedenserrealizadosmediantebarrasdeperforacinomediante encamisados o tuberas de revestimientos. Ambos tipos son empalmados al mismo tiempo, y vansiendointroducidos,empujadoshidrulicamenteovanperforandoamedidaqueel proceso de perforacin avanza en el terreno. Los tamaos de las barras son estndares y se hallan designados por letras dobles tales como: EW, AW, etc. Los estndares son tales que las barras se ensamblan de tal modo que una barra de cierto tamao encajar en la prxima barra ms grande. Por otro lado, si la longitud de una barra no Mecnica de Suelos. L.M. Salinas & A. Aranibar 356 puede avanzar ms all de una cierta profundidad y si la profundidad de perforacin no ha sidoaunalcanzada,elsiguientetamaomspequeopuedeserensambladoenlabarra anterior y de este modo puede realizarse una disminucin contnua de dimetro. (a)(b) Figura8.4(a)Taladrohelicoidaladaptadoaunequiporodante(b)Taladrode perforacin continua. Ladiferenciaprincipalentrelasbarrasdeperforacinylastuberasderevestimiento radica en el espesor de la pared, el tipo de rosca y el diseo de junta. Las barras de perforacin son las ms fuertes de entre los dos tipos y por esta razn son usadas en condiciones bajo las cuales se espera que se presenten esfuerzos altos durante la instalacin.Engeneral,lasbarrasdeperforacinpuedenserintroducidasoempujadas hidrulicamente en el terreno, mientras que las tuberas de revestimiento, que a diferencia de lasprimeras,nosonrugosas,sonempujadashidrulicamenteointroducidasmediante rotacin. CAPITULO 8 Exploracin del subsuelo 357 Tantolasbarrasdeperforacincomolastuberasderevestimientosonfabricadasde acuerdo a tamaos estndares. Los tamaos caractersticos de estos dos tipos son presentados en la Tabla 8.5. Tabla8.5.(a)Tamaosestandarizadosdebarrasdeperforacin(b)Tamaos estandarizados de encamisados (Catlogo Bradley Manufacturing). (a) (b) El proceso de perforacin se logra gracias a una cabeza cortadora que es instalada en la punta del taladro, que junto con la hlice del taladro llevan el suelo excavado desde el fondo del agujero a la superficie. A travs de este mecanismo, el perforista puede detectar cambios en el tipo de suelo de acuerdo a las variaciones en la velocidad y sonido del taladro. La principalventajadelostaladrosdeseccinhuecafrentealostaladrosdeseccin slida es que los primeros permiten, una vez alcanzada la profundidad deseada, la toma de muestras sin necesidad de retirar el taladro. Esto se consigue gracias al obturador o tapn removible que se halla unido al fondo del taladro, Fig. 8.5. Vstago centralPerforador de tubo huecoObturador removible Figura8.5.Diagramaesquemticodeunperforadordetubohuecoconobturador removible (Das, 2001) Dimetro Dimetro Masa Dimetro interno externo [mm] interno [mm] [kg/3m] de la unin [mm]RW 27,8 18,2 8,5 10,3EW 34,9 22,2 13,8 12,7AW 44,4 30,9 19,7 15,9BW 54,0 44,5 18,8 19,0NW 66,7 57,2 24,2 34,9HW 88,9 77,8 38,0 60,3TamaoDimetro Dimetro Masaexterno [mm] interno [mm] [kg/3m]RW 36,5 30,2 8,0EW 46,0 38,1 12,5AW 57,1 48,4 17,0BW 73,0 60,3 31,3NW 88,9 76,2 38,4HW 114,3 101,6 50,5PW 139,7 127,0 64,3TamaoMecnica de Suelos. L.M. Salinas & A. Aranibar 358 Existen otros tres tipos de perforacin, cuya aplicacin es definida en funcin al tipo de suelo que se presenta durante la exploracin. Estos son: el sondeo de lavado, la perforacin rotatoria y el sondeo por percusin. Elsondeodelavado.- Tiene como principal caracterstica el uso de un encamisado o ademe de 2 a 3.5 m de longitud. El encamisado o tubera de revestimiento es simplemente una tubera que se hinca en el terreno con el objeto de evitar que las paredes del agujero se desmoronen una vez realizada la perforacin. Unavezquesehahincadoelencamisadoseprocedearealizarlaperforacinenel interior de este mediante el uso de un taladro que se halla unido a un vstago. El agua es introducida en el agujero a travs del vstago, saliendo a muy alta velocidad por el fondo de este, Fig. 8.6. En este tipo de sondeo tanto el agua como las partculas de suelo ascienden a travs del agujero y fluyen en la parte superior del encamisado por medio de una conexin en T. En caso de ser necesario, pueden adicionarse tubos de encamisado. Elsondeodelavadoesmuytilcuandosepresentanarenassueltasogravasquese encuentran por debajo del nivel fretico, o tambin cuando la exploracin va a ser realizada en arcillas o limos dbiles que se hallan en condicin saturada. Figura 8.6. Esquema de la operacin de sondeo por lavado (Bowles, 1988). Laperforacinrotatoria.-Serealizaatravsdetrpanosrotatoriosunidosavaras perforadoras que se encargan de desmenuzar el suelo a medida que ingresa el taladro. El agua o lodo de perforacin es inyectado de la misma manera que en el sondeo de lavado, en el que las partculas llegan a la superficie a travs del flujo de retorno. Para este tipo de perforacin, el lodo utilizado es una mezcla de agua y bentonita, siendo la bentonita en particular, la que realiza el fenmeno de encamisado. Este tipo de perforacin es utilizada en arenas o arcillas donde existe la posibilidad de que el suelo se desmorone. Elsondeoporpercusin.- Es un mtodo utilizado para realizar perforaciones en suelo duro y rocas. El proceso es realizado por medio de un trpano pesado que sube y baja hasta cortar el suelo. CAPITULO 8 Exploracin del subsuelo 359 3. Muestreo de suelo Elprincipalobjetivodelasperforacionesdeexploracineslaobtencindemuestras representativasadiferentesprofundidades.Estasmuestrassonutilizadasparala determinacindelperfildelsueloyparalarealizacindeensayosdelaboratorioque permitan determinar sus propiedades. Existendostiposdemuestras:lasdisturbadasoalteradasylasnodisturbadaso inalteradas. Lasmuestrasdisturbadassonaquellasquenohanconservadolaestructuraque presentabaelsueloinsitu.Estassonapropiadasparalarealizacindeensayosde clasificacin (i.e. granulometra, lmites de consistencia) y compactacin. Las muestras no disturbadas son aquellas que luego de haber sido obtenidas, mantienen intacta la estructura y losesfuerzos que presenta el suelo in situ. Este tipodemuestra es apropiado para la realizacin de ensayos de consolidacin y ensayos de resistencia al corte. La obtencin de muestras no disturbadas, es por lo general muy dificultosa debido a la influencia de los siguientes factores: -Corte y compresin del suelo durante el proceso de insercin del muestreador. -Liberacin de los esfuerzos in situ de la muestra. -Posible prdida de humedad. -Vibracin de la muestra durante la obtencin y el transporte. Alteraciones adicionales pueden ocurrir en el laboratorio al momento en que la muestra esremovidadelcontenedor.Debidoaesto,seprefiereusarporlogeneraleltrminode muestras relativamente no disturbadas para referirse a las muestras no disturbadas. Generalmente, no es posible obtener muestras no disturbadas de suelos granulares (sobre todode arena limpia)debido a queestos sonmuy propensos a la disturbacinduranteel muestreo. Finalmente, se han desarrollado algunas tcnicas para la obtencin de muestras no disturbadas en suelos cohesivos. Estas tcnicas se desarrollan a continuacin. TubodepareddelgadaotuboShelby.-Esunadelasherramientasmscomunes utilizadasparaelmuestreo.Seutilizaparalaobtencindemuestrasdesuelosarcillosos inalterados. Estos tubos estn hechos de acero, siendo los ms comunes de 50.8 mmo 76.2 mm de dimetro exterior, Fig. 8.7. Constan de un fondo afilado, estando por lo general su parte superior conectada a una barra perforadora. Laobtencindemuestrasenelterrenoserealizahincandolabarraperforadora juntamente con el tubo. Muestreadordepistn.-Estetipodemuestreadorseutilizacuandolasmuestrasde suelosonmuyblandasocuandoserequiereunamuestradedimetromayoraldeltubo Shelby disponible. El muestreador consiste de un tubo de pared delgada con un pistn en su parte inferior, Fig.8.8(a).Estetuboesconectadoalabarraperforadora,yluegoeshincado hidrulicamente en el terreno. La presin producida es eliminada a travs del agujero que se encuentra en la barra del pistn, Fig. 8.8 (b). El grado de alteracin obtenido con este muestreador es menor al obtenido con el tubo Shelby debido a que la presencia del pistn impide que el suelo se aplaste muy rpidamente. Mecnica de Suelos. L.M. Salinas & A. Aranibar 360 Barra perforadoraVlvulaPistnAgua (entrada)Agua (salida)Muestra762 mm52 mm1,63 mmBarra perforadoraTubo de pared delgada Figura 8.7. Tubo de pared delgada (Das, 2001). (a) (b) Figura 8.8. Muestreador de pistn (Das, 2001). En las Figuras 8.7 y 8.8 se observan tipos de muestreadores utilizados para la obtencin de muestras de suelos cohesivos. Por otro lado, la obtencin de muestras inalteradas en suelos granulares es prcticamente imposible debido a las caractersticas particulares de este tipo de suelos. Sin embargo, en la prctica, suele ser necesaria la determinacin de los parmetros de resistenciaopermeabilidaddesuelosgranulares,requirindoseparaestefinmuestras inalteradas del suelo. Con objeto de salvar estas dificultades, se han desarrollado una serie de mtodos in situ quepermitenatravsdecorrelaciones,ladeterminacindeaquellaspropiedadesque requieren de muestras inalteradas. Elensayodepenetracinestndar(StandardPenetrationTest:SPT)esunodeestos mtodos. Este permite la obtencin de muestras disturbadas del suelo a travs de una cuchara especial. CAPITULO 8 Exploracin del subsuelo 361 Estacucharasedenominadacucharabipartita.Constadeuntubodeacerodividido longitudinalmente en dos partes. Porotrolado,enlapartesuperiorexisteunacoplequedebeserunidoalabarrade perforacin. El esquema y las dimensiones de la cuchara son observados en la Figura 8.9. Accesode aguaCabezalPasadorBarra deperforacin esfricaVlvulaAcoplamientoBarril partido(tubo en media caa)Roscas Zapatade hincadol457.2 mm18 pulg76.2 mm3 pulg2 pulg50.8 mm1 - 3/8 pulg34.9 mm Figura 8.9. Cuchara bipartita. El procedimiento de muestreo se realiza hincando la cuchara en el suelo. El hincado se ejecuta a travs de un martillo de peso estndar que se encuentra en la parte superior de la barradeperforacin.Unavezquelacucharahaalcanzadolaprofundidaddeseada,se procede a retirar la cuchara junto con el acople. La muestra de suelo obtenida es colocada en una botella de vidrio para luego ser transportada al laboratorio. Elgradodealteracinodisturbacindeunamuestraesdeterminadomediantela siguiente expresin: ( )10022 2%=ii oRDD DA [8.1] Donde: =RA Relacin de reas. =oD Dimetro externo del tubo mustreador. =iD Dimetro interno del tubo muestreador. Cuando la relacin de reas (%) RAobtenida a partir de la ecuacin [8.1] es menor o igual a% 10 se considera que la muestra es inalterada. Los valores de los grados de alteracin para los tipos de muestreadotes ms utilizados son presentados en la Tabla 8.6. Tabla 8.6. Grado de distribucin de los muestreadotes tipo. Tipo de muestreador Grado de disturbacinCuchara bipartita 110%Tubo Shelby 13,80% Mecnica de Suelos. L.M. Salinas & A. Aranibar 362 4. Ensayo de penetracin estndar (Standard Penetration Test: SPT) El ensayo de penetracin estndar, desarrollado alrededor de 1927, es uno de los mtodos ms populares y econmicos para la exploracin del subsuelo. Sin embargo, este mtodo est plagadodemuchosproblemasqueafectansuexactitud,motivoporelcual,estsiendo reemplazado poco a poco por otros mtodos. El procedimiento de este mtodo est estandarizado por la ASTM D-1586 y consta de los siguientes pasos: 1.Perforarunorificiode60a200mm.(2,5a8)hastalaprofundidaddelprimer ensayo. 2.Insertar el muestreador del SPT (cuchara bipartita), Fig.8.9, en la perforacin. Esta cuchara se halla conectada mediante barras al martillo de 63.5 kg. 3.Elevar el martillo 760 mmy dejarlo caer. El martillo puede ser elevado manualmente atravsdeunacuerdaunidaaunsistemadepoleasomedianteunmecanismo automtico. Por medio de este procedimiento el muestreador es hincado en el fondo de la perforacin. 4.Repetir el procedimiento anterior hasta que la cuchara penetre 450 mm. Registrar el nmero de golpes necesario para penetrar cada intervalo de 150 mm. Si se requiere ms de 50 golpes para penetrar cualquiera de los intervalos de 150 mmo si luego de 10 golpes no se registra avance, entonces detener el ensayo y registrar como rechazo. 5.Determinar el nmero de golpes N necesarios para penetrar los ltimos 300 mm. El nmerodegolpesnecesarioparapenetrarlosprimeros150mmnoestomadoen cuentadebidoaqueparaesteintervalosepuedeencontraranenelfondodel agujero restos del proceso de perforacin y suelo suelto proveniente del derrumbe de las paredes. 6.Retirar la cuchara del agujero, para luego remover y almacenar la muestra de suelo obtenida. 7.Perforar nuevamente hasta alcanzar la profundidad del segundo ensayo y repetir el procedimiento. La principal desventaja que presenta este mtodo es que el valor de N no es repetitivo, es decir, que bajo las mismas condiciones de suelo se obtienen valores distintos del nmero de golpes. LavariabilidaddelnmerodegolpesN,sedebefundamentalmentealossiguientes factores: -Mtodo de perforacin. -Cuan bien se limpia el fondo de la perforacin antes del ensayo. -Presencia o ausencia del lodo de perforacin (bentonita). -Dimetro de la perforacin. -Localizacin del martillo. -Depende de si el martillo tiene un ascenso manual o mecnico. -Alturadecadadelmartillo.Cuandoelascensoesdetipomanual,laalturava variandocomoconsecuenciadelcansanciofsicoqueexperimentalapersonaque eleva el martillo; el ascenso manual tiene un error de por lo menos 25%. -Friccin de las barras y cables. CAPITULO 8 Exploracin del subsuelo 363 -Alineacin de las barras durante la perforacin. -Velocidad de aplicacin de los golpes. El mtodo presenta tres ventajas fundamentales que son: -La posibilidad de clasificacin del suelo a partir de la muestra obtenida. -La rapidez y economa del ensayo. -Las torres de perforacin utilizadas estn equipadas para realizar este ensayo, de tal manera que no se requiere de equipo especializado como en otros mtodos. Los datos obtenidos a partir de este ensayo son: -Nmero de golpesN . -Muestra disturbada para ensayos de laboratorio. 4.1 Factores que afectan el nmero de golpes. N Las correlaciones existentes entre valores deNobtenidos a partir del SPT y las propiedades de suelos o rocas dbiles, son totalmente empricas, y se basan en los datos de informacin internacionalrecopiladaatravsdeltiempo.ElSPTnoesunensayoquesehalla completamenteestandarizado,portanto,enciertoscasosnoproduceresultadosmuy aproximados. Debidoaestasrazones,esnecesariotenerconocimientoacercadelosfactoresms importantes que afectan el ensayo. Estos son: -Variaciones en el equipo de ensayo. -La alteracin creada en el sondeo debido a la perforacin. -El suelo que se encuentra al interior del sondeo. El factor ms importante de los tres anteriores es el ocasionado por las variaciones en el equipo de ensayo. Los componentes principales de este equipo son: el muestreador o cuchara bipartita, las barras y el martillo. En la cuchara bipartita, por lo general, no se observan grandes variaciones, salvo que en los ltimos tiempos se ha ido cambiando el modelo britnico original de la cuchara, por uno queincluyeunavlvula,oporelmodeloamericanoquecontieneunrevestimientoque facilitaelalmacenamientodelamuestraobtenida.Enelltimocaso,laausenciadel revestimiento en la cuchara ocasiona una disminucin del nmero de golpes. NPor otro lado las caractersticas de las barras y el martillo afectan la penetracin, ya que para un suelo dado,Nes inversamente proporcional a la energa transmitida a la cuchara (Palmer & Stuart, 1957; Schmertmann & Palacios, 1979). As, para dos sistemas diferentes de barras/martillo, la relacin entre energas y golpes de ambos sistemas es: 12121221NEENEENN = = [8.2] Donde: =2 1, N N Nmerodegolpesparaelprimerysegundosistemade barras/martillo, respectivamente. Mecnica de Suelos. L.M. Salinas & A. Aranibar 364 =2 1, E E Energa transmitida a la cuchara para el primer y segundo sistema de barras/martillo, respectivamente Finalmente,elfactorquetienemsinfluenciasobreelvalorde, Neseldebidoala fraccin de energa transmitida desde el sistema de yunque y martillo a la punta del tubo de muestreo a travs de las barras, sin dejar de lado la interaccin que existe entre el suelo y el tubo extractor. Esta energa se denomina energa transferida, tE . Laenergatransferida, tE ,esunafraccindelaenergaestipulada rE .Laenerga estipulada terica rEes la energa debida a la interaccin yunque-martillo, es decir, es la energa producida por la cada libre del martillo de5 . 63kg a lo largo de una altura de760 mm. rEse halla expresada por la siguiente ecuacin: h W Er = [8.3] Donde: = W Peso del martillo = N 7 . 622= h Altura de cada del martillo = . 76 . 0 mLuego, a partir de la ecuacin [8.3], la energa estipulada rEes igual a. 3 . 473 JPosteriormente, Kovacs & Salomone (1982), por medio de la realizacin de medidas de lamagnituddelaenergatransferida,encontraronquelaenergatransferidaaltubo muestreador, aE , oscila en el rango aproximado de 30 a 80%. Este puede ser el resultado de una de las siguientes causas: -Energa inicial absorbida por las barras, y el peso del sistema yunque-martillo. -Energa gastada debido al calor y al ruido producido debido a los impactos. -Energa gastada debido a la flexin de las barras. -Energa perdida como consecuencia de que el martillo en ocasiones, no es levantado completamente hasta los 760 mm. -Energa perdida debido a la friccin entre los distintos componentes del martillo. Entonces, la energa transferida tEest expresada mediante la siguiente expresin: 100 =ratEEE [8.4] Debidoalagrandispersinqueexisteentrelosvaloresde tEyN ,cuandosera razonable esperar un nico valor deNpara una cierta profundidad, es que distintos autores sugirieron que tEsea referenciado a un valor de energa estndar tbE . El criterio de tales autores es resumido en la Tabla 8.7. Tabla 8.7. Valores sugeridos de Etb (Bowles, 1988). Etb Criterio50 a 55 (usar 55) Schmertmann [en Robertson et al.(1983)]60 Seed et al. (1985); Skempton (1986)70 a 80 (usar 70) Riggs (1986) CAPITULO 8 Exploracin del subsuelo 365 Luego, Robertson (1983) determin que el nivel de energa de 60 a 70% representa un promedio histrico y razonable para muchas correlaciones obtenidas a partir de ensayos SPT: De este modo, toda medida deNdebe ser convertida a una energa de 60% o de 70%, que es simbolizada de aqu en adelante con 60Ny 70Nrespectivamente. Cuando se tiene un sistema de medida de energa instalado en el equipo SPT, es posible obtener losvaloresde 60Ny 70Npor mediode relaciones propuestas por Robertson. Sin embargo, los sistemas de medicin de energa tienen un costo bastante elevado. Debido a esta razn, se ha desarrollado un mtodo emprico para estimar el valor de 60Ny 70Nde acuerdo a las caractersticas del equipo, tipo de martillo, dimetro del hoyo de perforacin y longitud delasbarras.Apesardequeestemtodoesaproximadopermiteobtenerunabuena estimacin de 60Ny 70N . 4.2 Mtodo emprico para estimar el valor de 60Ny 70N . Las correlaciones dadas por este mtodo consideran que el valor deNdebe ser corregido porfactoresquetomanencuenta:eltipodemartillousado,laprofundidaddelpozode exploracin, el dimetro del pozo de sondeo y la energa total. La energa total es igual a la sumadelaenerganecesariaparaelevarelmartilloylaenergaconsumidadebidoala resistencia del suelo. La proporcin deenerga estndar adoptada vara segn el pas en que se trabaje. No obstante, la forma de transferir un valor dado de energa a otro valor de energa, es expresada por la ecuacin [8.2]. 1212NEENtt = Porejemplo,laproporcindeenergaestndaradoptadaenEEUUesdel70%yen Europa este valor es del 60%. A partir de la ecuacin [8.2], se puede transformar el valor de 60Na 70Nde la siguiente manera: 70 60.6070N N =Luego el valor de 70Nes determinado a travs del presente mtodo mediante la siguiente ecuacin: . . . . .4 3 2 1 70 N N = [8.5] Los valores de 1a 4a ser utilizados se encuentran en la Tabla 8.8. La Figura 8.10 presenta las secciones del martillo tipo Donut y tipo Safety. Adicionalmentelosvaloresde 60Ny 70Ndebensercorregidosporpresinefectiva cuando existe la presencia de estratos de arenas o limos, debido a que en este tipo de suelos la resistencia depende de muchos factores. En arenas y limos, el ngulo de friccin efectivo es una funcin del nivel de esfuerzos, la distribucin del tamaode grano, la angularidad, elndicede vacos queesnormalmente expresado en funcin de la densidad relativa y en algunos casos se halla relacionado tambin al modo de falla. Mecnica de Suelos. L.M. Salinas & A. Aranibar 366 Tabla8.8.Factores iparalaecuacin[8.5][DatosresumidosdeRiggs(1986), Schmertmann (1978) y Seed et al. (1985)]. Pas R-P Automtico R-P AutomticoEEUU 45 -- 70-80 80-100J apn 67 78 -- --Inglaterra -- -- 50 60China 50 60 -- --Longitud >10m q2 =1.00 N es muy alto para Lv US ton/pie2. Nota. 'v est en US ton/pie2. 00.50.51.01.52.02.51.0 1.5 2.0 2.5Skempton(1986)Whitman (1986)Liao yCNvo' [ton/pie ]2 Figura 8.11. Grficas comparativas de NC vs. 'v(Das, 2001). CAPITULO 8 Exploracin del subsuelo 369 El valor del ngulo de friccin puede tambin ser estimado a partir del valor de 60Ny el valor del esfuerzo vertical efectivo 'v , con ayuda de la Figura 8.12. 0 10 20 30 40 50 600501001502002502530354045' [kN/m ]ov| = 5060Presin vertical efectiva por sobrecarga,2 Figura8.12. Correlacin entre ' '60,vN y ' para suelos granulares, segn Schmertmann (1975) (Das, 2001). Paraestimarelvalordelacohesinnodrenada, uc ,Bowles(1996)presentalas siguientes ecuaciones: 70N k cu =Segn Stroud (1974), [8.10] Para k que vara de 3.5 a 6.5. 72 . 07029N cu = [8.11] Los valores finales a adoptarse para estos parmetros pueden ser los promedios de los valores hallados con las ecuaciones anteriores. Para estimar el valor de ladensidadrelativa en suelos granulares rD , Terzaghi & Peck (1948) sugieren que sta est en funcin de la clasificacin del suelo y del valor de '60N . La Tabla 8.10 presenta la citada relacin. Tabla 8.10. Correlacin entre el parmetro '60Ny la densidad relativa rD . Densidad relativa Dr (%)Muy suelto 0 a 3 0 a 15Suelto 3 a 8 15 a 35Medio 8 a 25 35 a 65Denso 25 a 42 65 a 85Muy denso 42 a 58 85 a 100Clasificacin N'60 Mecnica de Suelos. L.M. Salinas & A. Aranibar 370 Por otra parte Kullhawy y Mayne (1990) proponen la siguiente ecuacin: 100 %'60 =OCR A prC C CND [8.12] 50log 25 60 D Cp+ =[8.13] |.|

\|+ =100log 05 . 0 2 . 1tCA[8.14] 18 . 0OCR COCR= [8.15] Donde: =50D Tamao de partculas para el que se tiene un 50% de suelo ms fino. = OCR Razn de sobreconsolidacin. = t Edad del suelo relacionada a aos de deposicin. La raznde sobreconsolidacinOCR , es estimada mediante la ecuacin propuesta por Mayne y Meyer (1988): 689 . 0''60193 . 0||.|

\|=vNOCR[8.16] El mdulodedeformacinE , es determinado a partir de 55Nmediante las siguientes ecuaciones: Para suelos granulares Tipo de sueloE E =2750 N55 E =500 (N55 +15) E =700 N55 E =600 N55 Arena (Normalmente consolidada) E =18500 ln(N55) Arena (saturada)E =250 (N55 +15) Arena sobreconsolidadaE =40000 +1050 N55 Arena gravosaE =1200 (N55 +6) E =600 (N55 +6) +2000 Arena arcillosaE =320 (N55 +15) Limos, limo arenoso o limo arcillosoE =300 (N55 +6) 4.4 Capacidad de apoyo en arenas a partir de ensayos SPT. El SPT ha sido ampliamente utilizado para determinar directamente la capacidad de apoyo en arenas. La primera relacin fue publicada por Terzaghi y Peck (1967); y luego de una serie de observaciones realizadas en campo, se pudo ver que esta relacin es demasiado conservadora. Asmismo,Meyerhof(1956,1974)publicecuacionesqueestimanlacapacidadde carga neta admisible del suelo para un asentamiento tolerable de 25.4 mm. Estas relaciones podran ser utilizadas para producir curvas similares a las de Terzaghi y Peck (1967), por CAPITULO 8 Exploracin del subsuelo 371 tanto,resultanserdelmismomodorelacionesbastanteconservadoras.Lasecuaciones propuestas por Meyerhof son las siguientes: ( ) f a n aD q q =| |'702) (98 . 11 / N m kN qn a= Para ( ) . 22 . 1 m B s ,[8.17] | |2'702) (28 . 31 28 . 399 . 7 / |.|

\| +=BBN m kN qn aPara ( ) . 22 . 1 m B > ,[8.18] Nota.-El valor de '70Ndebe ser determinado a una profundidad deB 2aB 3medida a partir del fondo de la fundacin. Posteriormente,Meyerhofnotquelasecuaciones[8.17]y[8.18]proveenresultados bastante conservadores, debido a que en tas, el ancho de la zapataBes un parmetro muy importante, ya que si la profundidad de influencia es del orden deB 2 , un ancho mayor de zapataafectaraentoncesalsuelohastaunamayorprofundidadproducindoseportanto asentamientosms grandes. Por esta razn, Meyerhof (1965) sugiriincrementar la carga neta admisible en un 50%. Bowles (1977) siguiendo la sugerencia de Meyerhof propuso las ecuaciones modificadas a partir de la forma bsica de Meyerhof. | |||.|

\|=oed n aSSK N m kN q'702) (16 . 19 / Para ( ) . 22 . 1 m B s , [8.19] | |||.|

\||.|

\| +=oed n aSSKBBN m kN q2'702) (28 . 31 28 . 398 . 11 / Para ( ) . 22 . 1 m B > , [8.20] Donde: =eS Asentamiento tolerable [mm]. =oS 4 . 25 [mm]. = s + = 33 . 1 33 . 0 1BDKfdFactordeprofundidadsugeridoporMeyerhof (1965). La Figura 8.13 presenta la variacin de ( )( )e d n aS K q /conBy '70N . Esta grfica est desarrollada en unidades inglesas. 5. Ensayo de carga de placa (Plate loading Test) Tradicionalmente,esteensayohasidollevadoacaboparadeterminarlaresistenciay compresibilidad de suelos en los que resulta difcil el proceso de muestrear y ensayar de una manerarepresentativa.Estossueloscomprendenesencialmentealossuelosgranularesy rocas fracturadas. Por ejemplo, en arcillas fisuradas los ensayos de esfuerzo-deformacin llevados a cabo en laboratorio proporcionan parmetros de rigidez bastante aproximados a los que se presentan en realidad, debido a que la rigidez de las fisuras de arcilla en la muestra obtenida es muy prxima a la rigidez de las fisuras de la masa total de arcilla. Mecnica de Suelos. L.M. Salinas & A. Aranibar 372 30(1.22 m)12108642004 8 12 16510152025N'=70B [pie]a(n)KSdeq2 [klb/pie ] Figura 8.13. Grfica de ( )( )e d n aS K q /vs.B . Ecuaciones [8.19] y [8.20] (Das, 2001). Sinembargo,cuandosetrataderocas,lapresenciadediscontinuidadesreduce significantemente la rigidez de la masa de roca. Por tanto, cuando se ensaya un bloque intacto de roca este puede tener una rigidezmuy superior respecto a la de la masa total de roca, dependiendodelafrecuenciayorientacindelasdiscontinuidades,obtenindosedeesta manera a travs de los ensayos de laboratorio resultados bastante alejados de la realidad. Debido a las razones expuestas anteriormente, el ensayo de carga de placa es muy til sobre todo cuando se pretende evaluar los parmetros de compresibilidad en rocas dbiles y en suelos tales como arenas, gravas y material de relleno. Aunque la realizacin de este ensayo implica un costo elevado, la principal ventaja de este es el gran grado de similitud que se puede lograr entre el ensayo y el prototipo, siendo su principal desventaja la interpretacin de los resultados, la cual es bastante complicada debido alascondicionesderigidezygeometradelaplacaqueocasionanqueseproduzcan diferentes trayectorias de esfuerzos bajo la placa. El procedimiento de este ensayo se halla estandarizado segn norma ASTM D1194-72. El equipo a utilizarse para este ensayo es mostrado en la Figura 8.14. Este ensayo puede ser realizado en sondeos superficiales o en perforaciones. Por lo general, el sondeo debe tener un dimetro igual a 4B (B es el dimetro de la placa de prueba) y debe ser realizado a una profundidad de Df (Df es la profundidad de fundacin del cimiento propuesto). Para el ensayo se requiere una placa circular, Fig. 8.14, pudiendo ser tambin cuadrada o rectangular,enlaqueseaplicalacargaparaluegoregistrarlasdeformacionesquese producen en el suelo. Las placas usadas son de acero de 1 pulgada (25 mm) de espesor y de 6 a30pulgadasdedimetro(150a762mm).Puedenusarsetambinplacascuadradasde 1212 pulgadas (305305 mm). CAPITULO 8 Exploracin del subsuelo 373 ExtensmetroDimetro dela placa de prueba =BGatoreaccinViga dePilote deanclajeAl menos4B Figura 8.14. Equipo utilizado en el ensayo de carga de placa (Das, 2001). La superficie de suelo o roca que va a ser ensayada debe ser cuidadosamente limpiada removiendo el material suelto existente producto de la realizacin del sondeo o perforacin. La operacin de limpieza es muy importante debido a que estos residuos de material suelto pueden ocasionar errores en la determinacin del mdulo de elasticidad E. Luego se aade arena con el objeto de nivelar la superficie de ensayo. Finalmente, se coloca la placa en el centro del sondeo y se aplica la carga a travs de un gato hidrulico. Sobreelgatohidrulicopuedecolocarseunavigadereaccinunidamedianteanclajesa pilotes. El objetivo de esta viga es absorber la reaccin del gato. La carga puede ser aplicada de dos maneras o razones diferentes que son: Razn constante de penetracin.- La carga es aplicada de una manera controlada, de tal modo que la razn seleccionada de penetracin sea uniforme y continua. Por lo general, la razneselegidadetalmodoquesepuedaobtenerelcomportamientodelasentamiento inmediato o no drenado. Esta razn suele ser de 2,5 mm por minuto. Cargaincrementalmantenida.-Lacargaesaplicadaalaplacaenincrementos sucesivos de aproximadamente unquintode la carga total dediseo,existiendo un cierto intervalo de tiempo hasta la aplicacin del siguiente incremento. Burland & Lord (1970) sugieren que este intervalo de tiempo debe ser elegido de acuerdo a la razn de asentamiento, sugiriendo ellos una razn de 0,0002 mm/min. Se debe tomar en cuenta que el intervalo de tiempo entre incrementos de carga no debe ser menor a 15 min. Por otro lado Clayton et al (1995) recomiendan una razn de0,004mm/min para un intervalo de al menos 60 min. Elasentamientodelaplacaesmedidomedianteextensimetros.Elensayodebeser conducido hasta la falla, o hasta que la placa se haya asentado 1 pulgada (25 mm). Apartirdelensayodecargadeplaca,valoresdelmdulodedeformacin,E, indispensable para la determinacin del asentamiento en suelos granulares y rocas, pueden ser obtenidos por medio de las siguientes ecuaciones: Parasuelosgranularesorocasdbiles,considerandounaplacargidacircular uniformemente cargada en un slido semi-infinito, elstico, isotrpico, en el que la rigidez no se incrementa con la profundidad, se tiene la siguiente ecuacin: ( )PSqDE214 = Poulos & Davis (1974), [8.21] Mecnica de Suelos. L.M. Salinas & A. Aranibar 374 Donde: = q Esfuerzo aplicado entre la placa y el terreno. = D Dimetro de la placa. = Coeficiente de Poisson. =PS Asentamiento producido en la placa Para suelos granulares y rocas dbiles,elvalor del coeficientede Poissonest por lo general en el rango comprendido entre 0,1 y 0,3. De este modo, el trmino (1 2) tiene un efecto despreciable en el clculo de E. Sin embargo, cuando los ensayos de carga de placa son llevados a cabo en la zona que ser esforzada a causa del emplazamiento de la fundacin propuesta, el valor de q en la ecuacin [8.21] puede ser tomado como el esfuerzo vertical que ser aplicado por la fundacin en el nivel en el cual se realiza el ensayo de carga de placa, o alternativamente, puede incorporarse un margen de seguridad tomando un valor de q, 50% mayor al esfuerzo vertical aplicado estimado. Por otro lado, si se considera una placa circular aplicada en la superficie(z/D =0), el mdulo de deformacin es igual a: ( )promSqDE2185 . 0 =Giroud (1972), [8.22] Donde: =promS Asentamiento promedio que es igual al asentamiento actual, medido en un radio equivalente a 0,75 del radio. LosvaloresdeEobtenidosapartirdelasecuacionesanteriores,sonsimplemente aproximados y en ciertos casos no producen resultados muy confiables, debido a que todos ellos consideran que la placa es cargada sobre un suelo totalmente homogneo, situacin que sepresentamuypocasvecesenlarealidad.Porotraparte,elvalordeEestambin influenciado por el dimetro de la placa. Finalmente,laprincipaldesventajaparalaestimacindeE,esqueserequieredel conocimiento del perfil de variacin del mdulo E con la profundidad. Apartirdelensayodecargadeplaca,puedentambinserdeterminadosvaloresde resistencia al cortante o capacidad de apoyo cuando se trabaja con suelos cohesivos. En este caso, la resistencia al cortante no drenada para suelos cohesivos, cu, puede ser determinada a partir del valor de la carga ltima de apoyo, qu, por medio de la siguiente ecuacin: cv uuNqc = [8.23] Donde: =uc Cohesin no drenada =uq Capacidad ltima de carga = = Hv Esfuerzo vertical a la profundidad en la cual se realiza el ensayo =cN Factor de capacidad de apoyo, igual a 6,15 para rea circular cargada en la superficie y 9,25 cuando el ensayo es llevado a cabo en la base del sondeo que debe tener el mismo dimetro que la placa utilizada. CAPITULO 8 Exploracin del subsuelo 375 El valor de la capacidad ltima de carga, qu, de la ecuacin [8.23] puede ser determinado atravsdelosresultadosdelensayodecargadeplaca,obtenindosemuybuenas aproximaciones. Con este afn, los resultados de este ensayo pueden ser presentados de dos formas: 1.Por medio de una curva tiempo-asentamiento2.Por medio de una curva carga-asentamiento, Fig.8.15. Carga/rea unitariaAsentamiento Figura 8.15. Curva carga asentamiento obtenida a partir del ensayo de carga de placa. La capacidad ltima de carga alcanzada en la placa, qu(P), es determinada como el valor decargaparaelcualseproducelafalla,comolamximacargaalcanzadadurantela realizacin del ensayo, en caso de no producirse la falla, o, en su caso como el valor de carga correspondiente a un asentamiento igual al 10% del dimetro de la placa. Luego, para pruebas ensuelos arcillosos, la capacidad ltima de carga de la fundacin, qu(F), es: ( ) ( ) P u F uq q = [8.24] Donde: ( ) =F uq Capacidad ltima de carga para la fundacin propuesta. ( ) =P uq Capacidad ltima de carga de la placa de prueba. Segnlaecuacin[8.24],seobservaquelacapacidaddecargaltimaensuelos arcillosos es independiente del tamao de la placa de prueba. Para suelos arenosos, la capacidad ltima de carga en la fundacin, qu(F), es: ( ) ( )PFP u F uBBq q = [8.25] Donde: =FB Ancho de la fundacin. =PB Ancho de la placa de prueba. Mecnica de Suelos. L.M. Salinas & A. Aranibar 376 Porotrolado,paraestimarlacapacidaddeapoyoadmisibleenunafundacin,se considerantantolosasentamientoscomolaintensidaddecargaaplicada,q.Luegoel asentamiento en la fundacin es: Para suelos arcillosos: PFP FBBS S =[8.26] Para suelos arenosos: 22||.|

\|+ =F PFP FB BBS S [8.27] Las ecuaciones anteriores se basan en el trabajo realizado por Terzaghi y Peck (1967). Posteriormente DAppolonia et al. (1970) realizaronuna comparacinentre los resultados obtenidosdepruebasencampoylosobtenidosmediantelaecuacin[8.27].Esta comparacin se observa en la Figura 8.16. 0 1 4 10 40 1000141050SSFPPBFBEc. [8.27] Figura 8.16. Comparacin de los resultados de pruebas de campo con los obtenidos de la ecuacin [8.27] (Segn DAppolonia et al., 1970) Por otro lado, Housel (1929) desarroll otro procedimiento para la determinacin de la cargaadmisibledefundacionessuperficiales.Atravsdeste,esposibleencontrarlas dimensiones de una fundacin que soporte una carga, Q, con un asentamiento admisible de Sa. El procedimiento a seguir es el siguiente: 1.Realizar dos pruebas de carga de placa, con placas de dimetro 1By 2B . 2.De las curvas carga-asentamiento obtenidas de las pruebas realizadas, determinar las cargastotalessobrelasplacas,Q1yQ2,quecorrespondenalosvaloresdecarga alcanzados en el ensayo de carga de placa para el asentamiento admisible, Sa. 3.Identificadas las cargas totales 1Qy 2Q , es posible determinar los valores de m y n, por medio de las siguientes ecuaciones: n P m A Q1 1 1+ = [8.28] n P m A Q2 2 2+ = [8.29] CAPITULO 8 Exploracin del subsuelo 377 Donde: =2 1, A A reas de las placas de las pruebas 1 y 2, respectivamente. =2 1,P P Permetros de las placas de las pruebas 1 y 2, respectivamente. = n m, Constantescorrespondientesalapresindecargayalcortante perimetral. 4.La fundacin a disearse soportar una carga, Q, y tendr una dimensin de: Pn Am Q + =[8.30] Donde: = =2FB A rea de la fundacin que soportar una carga P = =FB P 4 Permetro de la fundacin que soportar una carga P Deestemodo,ladimensindelafundacinquesoportarunacargaQconocida,es determinadaapartirdelaecuacin[8.30],puestoqueelvalordemynestambin conocido. 5.1. Determinacin de la capacidad de apoyo convencional a partir del ensayo de carga de placa. Comoconsecuenciadelainvestigacindelcomportamientocarga-asentamientoenvarias fundaciones, llevada a cabo luego de la realizacin de una serie de ensayos de carga de placa, Decurt (1999) observ que en tales ensayos la falla no era nunca alcanzada. Otra evidencia de que no existe una definicin clara de falla es la existencia de una gran cantidad de criterios de falla reportados a lo largo del tiempo por distintos autores tales como: Vesic (1975), Fellenius (1980), etc. Es as, que debido a estas razones, De Beer (1988) propone dos conceptos de falla: Falla convencional, ucQ .- Se definecomola carga correspondiente a un asentamiento igual al 10% del dimetro del pilote, para pilotes, y a un asentamiento igual al 25 a 30% del ancho de la fundacin para fundaciones superficiales. Fallafsica, uuQ .-Sedefinecomolafallaalcanzadacuandoelincrementodecarga tiende a infinito( ) AQy por tanto el asentamiento producido tiende de igual manera a un valor infinito( ) S , es decir, la falla fsica es alcanzada cuando el valor de la rigidez se hace igual a cero. Delasdefinicionesanteriorespuedeobservarsequelafallafsicaenfundaciones superficiales no es nunca alcanzada, debido fundamentalmente a que se halla asociada a un valor de asentamiento infinito. Por tanto, la nica manera de determinar uuQes a travs de un procedimiento de extrapolacin, el cual, debe ser realizado en la grfica de rigidez vs. carga. Esta grfica tiene la forma de una lnea recta en el caso de pilotes, mientras que para fundacionessuperficialesest representadaporunacurvaquepermaneceasintticaaleje horizontal, por tanto, en este tipo de fundaciones nunca se alcanza el valor de rigidez igual a cero. ElprocedimientodeDcourtfuedesarrolladoconelobjetivodeoptimizarla interpretacin de los resultados obtenidos a partir de ensayos de carga de placa, realizados por Lopez et al (1998) en una zapata cuadrada de 1.2 m de ancho. Mecnica de Suelos. L.M. Salinas & A. Aranibar 378 Los pasos a seguir son los siguientes: 1. Graficar los resultados por medio de una curva carga asentamiento. 2.La curva carga asentamiento, Fig. 8.15, es dividida en dos partes. Una parte inicial quecorrespondealapartepre-esforzadaoenelcasodesueloscementados correspondeaesfuerzosmsbajosqueelesfuerzodecedencia 'c ,quees representadaporunalnearecta.Laotraparte,enlaqueseobserva,quepara esfuerzos ms altos el comportamiento carga-asentamiento se representa por medio deunacurvaparablica.Luego,ambaspartessongraficadasenunaescala logartmica. 3.Paralagrficalogartmica,realizarunaregresinestadstica,considerando inicialmente solamente los tres ltimos puntos. Dicho de otra manera, para: ( ) ( ) s B A q log log + =Calcular 2R . A continuacin realizar regresiones sucesivas que consideren los cuatro ltimos puntos, los cinco ltimos puntos y as sucesivamente hasta abarcar todos los puntos;existiendodoscriteriosparaconsiderarlacalidaddelacorrelacin considerada: el valor del coeficiente de correlacin 2Ry el nmero de puntos que toma en cuenta la correlacin. 4. Elegir la mejor correlacin. Esta eleccin depender fundamentalmente del criterio del ingeniero, teniendo que cuenta que idealmenteel valor de 2Rdebera ser ms alto que999 . 0y en ningn caso inferior a99 . 0 . 5.Elegidalamejorcorrelacin,establecerlaecuacindelacurvayestimara continuacinelvalordelesfuerzodefallaconvencional, 'ucq .Paraesto,basta ingresar en la ecuacin de la correlacin con un valor de asentamiento igual al 10% del ancho de la fundacin. Cuando la fundacin no es cuadrada ingresar con un valor de asentamiento igual al 10% del ancho equivalente eqB , siendo este igual a la raz cuadrada del reaA Beq= . 6.Para la estimacin del esfuerzo correspondiente a la capacidad de carga convencional, ucq ,Dcourtproponequeunavezestablecidoelvalorde 'ucqusandotodoslos resultadosobtenidosapartirdelaregresin,entonces,borrarlosresultados correspondientesalosvaloresmsaltosdeesfuerzoyasentamiento,yvolvera estimar 'ucq . De esta manera se obtienen muchos valores de 'ucq . Establecer nuevamente otra correlacinlog log , entre el valor de 'ucqy el valor de maxq , siendo este ltimo igual al valor ms alto de esfuerzo considerado en cada caso. El procedimiento consiste entonces, en extrapolar 'ucq , hasta hallar un punto en el que 'ucqse hace igual a maxq . Determinado este punto, el valor de 'ucqes igual al esfuerzo de falla convencional, es decir, uc ucq q ='. 7.Normalizarlacurvacarga-asentamiento.Unavezqueelvalorde ucqhasido determinado, realizar la grfica normalizada de eq ucB s q q / vs / , siendo la ecuacin de esta curva: ( ) ( )eq ucB s B A q q / log / log + =CAPITULO 8 Exploracin del subsuelo 379 Idealmente, en la ecuacin anterior el valor de A debera ser igual al valor de B. De esta manera, se introduce un nuevo valor de C, que se define como: 2 / ) ( B A C + =Donde C se define como el Coeficiente de Compresibilidad Intrnseca. Entonces, la forma final de la ecuacin es: ( ) ( )eq ucB s C C q q / log / log + =El coeficiente de compresibilidad intrnseca depende de las caractersticas intrnsecas de los granos del suelo tales como: la distribucin del tamao de partculas, forma de los granos, angularidad, superficie rugosa y de la composicin mineral del material. A partir de la investigacin realizada, el valor de C depende del tipo de suelo y puede adquirir los siguientes valores: Para todos los suelos brasileros y la mayora de los suelos extranjeros: 50 . 0 30 . 0 s s CPara dunas de arena de Labenne: 63 . 0 38 . 0 s s CPara arenas de Quipu: 65 . 0 36 . 0 s s CPara arenas de Kuwait, los cuales son intrnsicamente mucho ms compresibles: 83 . 0 60 . 0 s s CFinalmente,unvalorconservativodeCparapropsitosdediseo,segnDcourt (1998), podra ser: | | MPa q Cuc24 . 0 30 . 0 + =8. Verificar si el postulado de la no existencia de falla fsica uuQ(punto de rigidez igual a cero) asumido para el ensayo analizado, es correcto. Para esto, realizar la grfica logartmica de la rigidezR vs. carga Q. Parafundacionessuperficiales,estegrficoestrepresentadoporunacurvaque permanece asinttica al eje horizontal. Luego, debido a que el anlisis de regresin llevado a cabo es logartmico, no es posible introducir un valor de regresin igual a cero. Para salvar este aspecto, Dcourt afirma que es aceptable asumir en lugar de rigidez cero, un valor de rigidez igual a un dcimo del valor de rigidez correspondiente a la fallaconvencional,esdecir, uc uuR R 1 . 0 = .Deestemodoelvalorde uuQes determinado. Como conclusin se puede afirmar, que el mtodo propuesto por Dcourt es un mtodo totalmente independiente a todas las teoras tradicionales existentes a cerca de los criterios de fallas establecidos por distintos autores anteriormente. 6. Ensayo de penetracin del cono (Cone Penetration Test, CPT). ElCPTesunensayosimple,queenlaactualidadestsiendoampliamenteusadoyva reemplazando poco a poco alensayo de penetracinestndar (SPT). Esteensayo produce muy buenos resultados para arcillas blandas, limos blandos y para arenas finas a medias. Mecnica de Suelos. L.M. Salinas & A. Aranibar 380 El CPT ha sido estandarizado segn norma ASTM D-3441, y consiste de un cono de 60 que es empujado hidrulicamente, a partir de la superficie hasta la profundidad requerida, a una velocidad constante des cm/ 5 . 0 2 . El cono consta de dos partes: el cono propiamente dicho y un mango cilndrico o fuste que se encuentra sobre el cono. El cono tiene una dimensin de 35.7 mmde dimetro con su respectiva rea proyectada de 10 cm2; mientras que el mango cilndrico tiene tambin un dimetro de 35.7 mmy una altura de 133.7 mm. El rea del mango es de 150 cm2. El procedimiento del ensayo consta bsicamente de ir introduciendo el cono en el suelo a velocidad constante, al mismo tiempo que se van registrando la resistencia a la penetracin, cq , y la resistencia a la friccin producida entre el mango del cono y el suelo, cf . Existen dos tipos de conos: el cono mecnico y el cono elctrico. En el cono mecnico, Fig. 8.17, la punta del instrumento est conectada a un conjunto de barras internas. La punta es primero empujada aproximadamente 40 mm, obtenindose as el valor de la resistencia del cono. Luego, mediante un empuje adicional la punta acciona la friccin en el mango. En este tipo de cono, conforme la barra que se encuentra en el interior de este avanza, la fuerzaenlabarraesigualalasumadelafuerzaverticalsobreelconoyelmango.La resistencia lateral se obtiene restando a la fuerza anterior la fuerza sobre el cono. 15 mm15 mm12.5 mm52.5 mm11.5 mm25 mm33.5 mm146 mm30 mm35 mm266 mm45 mm35.7 mm30 mm de dimetro187 mm20 mm de dimetro37.5 mm47 mm133.5 mm69 mm387 mm23 mm de dimetro32.5 mm de dimetro35.7 mm de dimetro60 Figura 8.17. Penetrmetro de cono de friccin mecnico (Das, 2001). CAPITULO 8 Exploracin del subsuelo 381 2278653432135.6mm1 Punta cnica (10 cm )2 Celda de carga3 Extensimetros4 Manguito de friccin (150 cm )5 Anillo de ajuste6 Buje impermeable7 Cable8 Conexin con barras Figura 8.18. Penetrmetro de cono de friccin elctrico (Das, 2001). En el conoelctrico, Fig. 8.18, la punta est unida a un grupo de barras de acero que permitenqueestaseaempujadaenelterrenoarazndes cm/ 2 .Losalambresdelos transductores que pasan por el centro de las varillas registran en forma continua la resistencia del cono y la resistencia lateral. LasFiguras8.19(a)y8.19(b)muestranlosresultadosobtenidosdepruebasCPT realizadas en un perfil de suelo por medio de un conomecnico y por medio de un cono elctrico, respectivamente. Laprincipaldiferenciaentrelosdostiposdeconosesqueelconomecnicorealiza medicionesde cfy cqaintervalosdeaproximadamente20cm.,mientrasqueelcono elctricorealizamedicionescontinuasde cfy cqatravsdetodalaprofundidad. Adicionalmente el cono elctrico presenta las siguientes ventajas: -Mejoralaaproximacinylarepetitividadobtenida,particularmenteensuelos dbiles. -Mejor delineacin de estratos delgados. -Velocidad ms rpida de operacin. -Posibilidad de aadir un mayor nmero de sensores al cono. ElCPTatravsdeltiempohasidoobjetodeextensivasinvestigacionese implementaciones (Robertson y Campanella, 1983). Estas implementaciones han dado lugar a un tipo de cono equipado con un transductor de presin de poros que tiene el objeto de medir el exceso de presin de poros que se genera durante el ensayo. Este tipo de cono se denomina piezocono, mientras que el ensayo realizado con ste se denominar CPTu. Mecnica de Suelos. L.M. Salinas & A. Aranibar 382 2.5 0 1000 2000 2.5 0 1000 2000510152025 252015105Profundidad en metrosProfundidad en metrosq[kN/m ]c2 2sf[kN/m ] f[kN/m ]s2 2cq[kN/m ] (a) (b) Figura8.19.Pruebasconpenetrmetroconmedicionesdelafriccin(a)Cono mecnico, lecturas discontinuas (b) Cono elctrico, registro continuo (segn Ruiter, 1971). Elpiezoconoconstadeunelementoporosoqueesincluidoenelinteriordelcono juntamenteconuntransductorelectrnicodepresindeporos,Fig.8.20.Lasmayores aplicaciones del piezocono son las siguientes: -Determinacindel perfildel suelo, debido a que la inclusindel elemento poroso permitedetectarlapresenciadeestratosgranularesdelgadossituadosdentrode depsitos cohesivos blandos. La presencia de estos estratos llega a ser determinante al hallar la razn de consolidacin de depsitos de arcilla blanda. -La identificacin del tipo de suelo, debido a que la razn entre el exceso de presin de poros y la resistencia neta del cono provee una gua para esta. -Determinacin de la presin esttica de poros por medio de la medida de la presin esttica de poros que puede ser realizada en suelos granulares o puede ser estimada ensuelosarcillosos.Estamedidapuedeserrealizadaenelmomentoenquese detiene el ensayo para aadir barras al cono o una vez que se completa el ensayo, esperar la disipacin completa del exceso de presin de poros. -Determinacin de las caractersticas de consolidacin de arcillas in situ a travs de la determinacin del coeficiente de consolidacin horizontal vcque es hallado cuando sedetieneelconoysemideladisipacindelexcesodelapresindeporosen funcin del tiempo. Figura 8.20. Tipos de piezocono con la piedra porosa en diferentes posiciones. CAPITULO 8 Exploracin del subsuelo 383 6.1 Correlaciones a partir de ensayos CPT. Las medidas bsicas realizadas por el cono son: -La fuerza axial necesaria para introducir el cono a velocidad constante. -La fuerza axial generada por la adhesin o friccin del mango del cono. -Parapiezoconos,lamedidaprincipaleselexcesodepresindeporosgenerado durante el ensayo. La resistencia a la penetracin de la punta del cono cq es: cccAFq = [8.31] Donde: =cF Fuerza requerida para empujar el cono dentro del terreno. =cA rea plana del cono 210cm = La friccin producida en el mango del cono es: sssAFf = [8.32] Donde: =sF Fuerza cortante producida por la friccin en el mango. =sA rea del mango 2150cm = La razn de friccin( ) %fR , puede ser calculada como: csfqfR = [8.33] Para suelos granulares, el ngulo de friccin interna puede ser hallado en funcin de 'vy cq , por medio de la expresin propuesta por Kulhawy & Mayne (1990): (((

||.|

\|+ ='1log 38 . 0 1 . 0 tanvcq [8.34] Donde: ='v Esfuerzo efectivo vertical. =cq Resistencia en la punta del cono. La Figura 8.21 muestra la relacin emprica entre el esfuerzo efectivo vertical 'vy la compacidad relativa rC propuesta por Robertson & Campanella, (1983). Las ecuaciones empricas determinadas para la estimacin de la densidad relativa a partir de ensayos CPTu, se presentan a continuacin: ' 18 . 0100315v ccrOCR QqD = [8.35] Mecnica de Suelos. L.M. Salinas & A. Aranibar 384 Donde: =cQ Factor de compresibilidad. Para arenas de alta compresibilidad: 91 . 0 =cQPara arenas de compresibilidad moderada: 00 . 1 =cQPara arenas ligeramente compresibles: 09 . 1 =cQ=cq Resistencia en la punta del cono. ='v Esfuerzo efectivo vertical. Paradeterminar rDenarenasnormalmenteconsolidadas,Lancelotta(1983)y J amiolkowski et al (1985) proponen la siguiente ecuacin: ||.|

\| + ='log 66 98ocrqD[8.36] Las unidades de cqy 'odeben ser [ton/m2]. 0 10 20 30 40 500100200300400500Resistencia de punta de cono, q[MN/m]c2Esfuerzo vertical efectivo, ' [kN/m ]vor90% 80% 70% 60% 50% D= 40% Figura8.21. Variacin de cq , 'vy rDpara arena de cuarzo normalmente consolidada (Robertson y Campanella, 1983). CAPITULO 8 Exploracin del subsuelo 385 FinalmentelaFigura8.22permiteladeterminacinde rDenfuncinde cqy 'va partir de ensayos CPTu. Existen por otra parte relaciones para la determinacin del mdulo de deformacinEa partir de la clasificacin del suelo. Estas se presentan en la Tabla 8.11. Tabla 8.11. Relaciones para el mdulo de deformacin a partir del tipo de suelo. Tipo de sueloE/qcArena cuarzosa joven normalmente consolidada 2,5-3,5Arena cuarzosa antigua normalmente consolidada 3,5-6,0Arena cuarsoza sobreconsolidada 6,0-10,0Arena arcillosa o limosa normalmente consolidada 1,5Arena arcillosa o limosa sobreconsolidada 3 0 10 20 30 40 50 60 70050100150200250300350400Esfuerzo vertical efectivo, ' [kN/m ]ov2Resistencia de punta de cono, q[MN/m]2crD=40%20%60% 80% 90% 100%Densidad relativa, D % r Figura8.22.Relacin de la densidad relativa del suelo con los valores obtenidos en el ensayo CPTu. As mismo, para suelos cohesivos, Mayne y Kemper (1988) proponen que la cohesin no drenada ucsea determinada mediante la siguiente ecuacin: K vv cvuNq c 1' ' ||.|

\| =||.|

\| Kv cuNqc = [8.37] Mecnica de Suelos. L.M. Salinas & A. Aranibar 386 Donde: =KN Factor de capacidad de carga Para cono elctrico15 =KNPara cono mecnico20 =KN La presin de preconsolidacin 'ces determinada a partir de la siguiente ecuacin: ( )96 . 0 '243 . 0c cq = [8.38] Donde: ='c Presin de preconsolidacin [MN/m2] =cq Resistencia en la punta del cono [MN/m2] Para determinar la razn de sobreconsolidacin se dispone de la siguiente ecuacin: 01 . 1'37 . 0||.|

\| =vv cqOCR [8.39] Donde: = OCR Razn de sobreconsolidacin. =',v v Esfuerzo vertical total y efectivo respectivamente. Finalmente,enlaFigura8.23seobservaunbacopropuestoporRobertson& Campanella, (1983) para la clasificacin del tipo de suelo a partir de ensayos CPTu. Arena gravosaa arenaArena a arena arcillosa( Sobreconsolidada o cementada )o cementada )( Sobreconsolidada Grano fino muy rgido DRENADANO DRENADAArcillaOrgnicoGrano finoSensitivaArenaArena a arena limosaArena limosaa limo arenosoPARCIALMENTEDRENADOLimo arenosoa limo arcillosoLimo arcillosoa arcilla limosaArcilla limosa a arcilla0 1 2 3 4 5 6 7 80,1110100cResistencia de punta de cono, q [MN/m ]2Razn de friccin, R[%]f Figura8.23.bacodeclasificacindesuelosapartirdelosdatosdelCPTu,segn Robertson y Campanella (1983). CAPITULO 8 Exploracin del subsuelo 387 Finalmente en la Figura 8.24 se observa el baco para la clasificacin de suelos propuesto Meigh (1987). Este baco est siendo muy utilizado en los ltimos tiempos. 6.2 Valores de capacidad de carga en arenas a partir de ensayos CPT. Meyerhof (1956) prepar tambin relaciones para la capacidad de carga neta admisible en funcin de la resistencia a la penetracin del cono, considerando de igual manera que en el SPT un asentamiento tolerable de 25.4 mm. 15) (cn aqq = Para ( ) . 22 . 1 m B s ,[8.40] 2) (28 . 31 28 . 325|.|

\| +=BB qqcn aPara ( ) . 22 . 1 m B > ,[8.41] ArenalimosaArenaMezcla de arena,limo y arcillalimosaArcillaArcillaarenosaArcilla inorgnicainsensitivaDuraMuy rgidaRgidaFirmeSuaveMuy suaveArcillaorgnicaTurbaSuelosmuy limososGrano gruesoIncremento de densidadResistencia de punta de cono, q [kN/m ]c21004020106420.60.20 1 2 3 4 5 6 7 81fRazn de friccin, R[%] Figura8.24. baco para la clasificacin de suelos a partir de los datos del CPTu, segn Meigh (1987). 6.3 Valores equivalentes con el ensayo SPT. AunqueelCPTtienemuchasventajassobreelSPT,existenalmenostresimportantes desventajas: -No se puede obtener muestra del suelo, de esta manera no se tiene la oportunidad de observar visualmente el suelo. -El ensayo no da buenos resultados para suelos con contenido significante de grava. Mecnica de Suelos. L.M. Salinas & A. Aranibar 388 -Aunqueel costo de penetracindel conoesmenorqueeldela perforacin, para realizar el ensayo CPT es necesario movilizar equipos especiales. Debido a estas razones, a travs de estudios realizados a lo largo del tiempo se ha logrado establecer una relacin grfica entre los valores de cq , el nmero de golpes del ensayo SPT corregidos para una energa del 60%, 60N yel tamao promedio delas partculas enmm, 50D . La Figura8.25muestralagrficadondeseobservaelrangogeneraldevariacinde 60/ N qc para varios tipos de suelos. 0.001 0.01 0.1 1.001002003004005006007008009001000ArcillaLimo arenoso yarcilla limosa y limoLimo arenoso Arena limosa Arena Rango de resultados deRobertson y Campanella(1982)Promedio de Robertson y Campanella (1983)D [mm]q / Nc 6050 Figura8.25. RelacindelosvaloresobtenidosdelCPTuconlosobtenidosdelSPT (Robertson y Campanella, 1983). 7. Ensayo del dilatmetro (Dilatometer Marchetti Test, DMT). A partir de los ensayos de penetracin, tales como el SPT y el CPT, es posible obtener las caractersticas del suelomediante correlaciones con resistencias delmismo,medidas todas ellas en condicin de falla. Sin embargo, existen otros procedimientos de investigacin in situ que permiten medir la resistencia a la deformacin del suelo, y de este modo determinar con mayor detallevarias propiedades fsicas del suelo. Entreestos ltimosensayos se tiene al ensayo del dilatmetro. El ensayo del dilatmetro es uno de los ltimos ensayos in situ desarrollados. Este fue concebido a fines delos 70 porSilvano Marchetti, por tal razn, es tambindenominado ensayo del dilatmetro de Marchetti. El dilatmetro, Fig. 8.26, consiste de una hoja plana de acero inoxidable de 15 mmde espesor, 96 mmde ancho y 150 mm de largo. Su lado inferior posee un filo cortante agudo en V, con un ngulo aproximado de 10. Lleva una membrana flexible de acero inoxidable de 60 mm de dimetro, centrada en la hoja plana y situada al ras con una de sus caras. CAPITULO 8 Exploracin del subsuelo 389 El dilatmetro se conecta a una cadena de barras de perforacin y se presiona o a veces se hinca, en el terreno a ensayar. Desde una caja de instrumentos situados en la superficie del terreno, un solo cable compuesto de alambre elctrico y tubo para gas a presin va a travs de las barras de perforacin hasta la hoja plana. El procedimiento a seguir para la realizacin del ensayo es el siguiente (Schmertmann, 1986): 1. Presionar el dilatmetro en el terreno a la profundidad deseada, utilizando el equipo del CPT o algn otro equipo disponible. 2. Aplicar presin de gas nitrgeno a la membrana de tal modo que esta se mueva hacia fuera. Registrar las siguientes presiones: -PresinA.-Presinnecesariaparainiciarelmovimiento,esdecir,presin necesaria para mover el centro de la membrana 0.05 mmhacia el terreno. -Presin B.- Presin necesaria para producir una deflexin de 1.1 mmdel centro de la membrana. 3.Despresurizarcuidadosamentelamembranayregistrarlapresinactuanteenla membranacuandoestaretornaasuposicinoriginal.EstaeslapresinCy representa una medida de la presin de poros en el suelo. 4. Presionareldilatmetroenelterrenoconincrementosde15a30cmyrepetirel ensayo. Continuar el ensayo hasta alcanzar la profundidad deseada. 96 mm15 mmTuberaneumticaMembranaflexible1.1 mmflexibleMembranadumetro60 mm depo poAlambre al equipo de toma de datos Figura 8.26. Dilatmetro de Marchetti (segn Marchetti, 1980). Cada una de estas secuencias de ensayo requiere tpicamente de uno a dos minutos. De esta manera un sondeo tpico con este ensayo puede tomar aproximadamente unas dos horas, en contraste, al tiempo requerido para la realizacin del CPT quees por lo general de 30 minutos. Laprincipalventajadeesteensayo,esquepresentalaposibilidaddemedirlas condiciones de esfuerzo lateral adems de la medicin de la compresibilidad del suelo. Estas son medidas a travs de las presiones A, B y C y a travs de los factores de calibracin del equipo, conocidos como ndices DMT. Mecnica de Suelos. L.M. Salinas & A. Aranibar 390 Para la determinacin de los ndices DMT, la correccin de las presionesA yB , segn Schmertmann (1986), es realizada por medio de las siguientes ecuaciones: Esfuerzo de contacto:( ) ( )m m oZ B B Z A A p A + A + = 05 . 0 05 . 1 [8.50] Esfuerzo de expansin:B Z B pmA =1[8.51] Donde: = AA Presinrespectoalvacorequeridaparamantenerlamembranaen contacto con su asiento. = AB Presin del aire requerida dentro la membrana para desviarla hacia fuera una expansin central de 1.1 mm =mZ Desviacin de la presin manomtrica desde cero, cuando est ventilada a la presin atmosfrica. Luego, la determinacin de los tres ndices DMT, es realizada por medio de las siguientes ecuaciones: 1. ndice del material o ooDu pp pI=1 [8.52] 2. ndice del esfuerzo horizontal 'vo oDu pK= [8.53] 3. Mdulo del dilatmetro| | | | | | ( )2 212kN/m kN/m 7 . 34 kN/mo Dp p E = [8.54] Donde: =ou Presin de poros de agua. ='v Esfuerzo efectivo vertical in situ. ApartirdelosndicesDMT,puedendeterminarsemediantecorrelacionesalgunas propiedades del suelo, Tabla 8.12. Tabla 8.12. Determinacin de propiedades a partir del DMT. PropiedadCorrelacin Coeficiente de presin lateral6 . 05 . 147 . 0 |.|

\|=DoKKRazn de sobreconsolidacin( )6 . 15 . 0DK OCR =Cohesin no drenada (Suelo NC)22 . 0'=vuc Cohesin no drenada (Suelo SC)( )25 . 1' '5 . 0DNCvuOCvuKc c||.|

\|=||.|

\| Mdulo de Elasticidad( )DE E21 = La Figura 8.27 presenta una grfica que muestra la correlacin entre el ndice de material DI , con DEjunto con el tipo de suelo, el estado y la consistencia del mismo. 8. Ensayo de refraccin ssmica. CAPITULO 8 Exploracin del subsuelo 391 El mtodo de refraccin ssmica ha sido ampliamente usado para investigar las condiciones del terreno, pudiendo abarcar una profundidad de hasta 300 m. La Figura 8.28 muestra un arreglo tpico del equipo que es instalado en campo con el objeto de investigar un sistema de tres estratos. 200100502010521.210.50.1 0.2 0.3 0.60.8 1.2 1.8 3.3 8ARENALIMOARCILLATURBADuraFirmeMediaBlandaMuy BlandaBajaCompresibleBajaSueltaMediaMuy densaDensaRgidaMediaLimosaArcillosaArenosaLimosaMuy rgidandice del material, IDMdulo del dilatmetro E , MPaD Figura 8.27. Correlacin entre tipo de suelo, DI yDE . Segn Lacasse y Lunne (1986). Elmtodo de refraccin ssmica consisteen enviar ondas ssmicas elsticas al terreno para luego medir el tiempo de llegada de estas en varios puntos. Existen dos tipos de cuerpos de ondas ssmicas: las ondas planas u ondas de compresin denominadas ondas P y las ondas de corte denominadas ondas S, Fig. 8.29. En la Figura 8.28, el punto A es el origen del impulso ssmico, y los puntos G1 a G7 representanlasposicionesdelosgefonos,cuyoespaciamientodependerdeldetalledel estudio requerido y dela profundidad delestrato que est siendo investigado. En general, segn Lowe et al. (1991) el espaciamiento debe ser tal que la distancia de G1 a G7 sea de tres a cuatro veces la profundidad que va a ser investigada. El impacto que genera la onda puede ser producto de un golpe con martillo o producto de pequeas cargas explosivas. Las ondas resultantessonmedidasporlosgefonosalineadosenordenquesehallanasuvez conectados a un sismgrafo. La velocidad de la onda depende de las propiedades fsicas del suelo o roca, tales como la densidad, textura, contenido de humedad, mdulo de elasticidad, porosidad y frecuencia de las discontinuidades. Por ejemplo, rocas densas como el basalto tienen velocidades altas de onda, mientras que las rocas dbiles como las rocas calizas tienen velocidades muy bajas. Es deestemodo,queelmtododerefraccinssmicaconstituyeunmtodomuytilpara estimar el perfil de suelo. Mecnica de Suelos. L.M. Salinas & A. Aranibar 392 trayectoria de onda directaonda refractadatrayectoria de gefonosEstarto AEstrato CEstrato BOrigen de impulso ssmicoA G1 2G3G4G5G6G7GAhBhVAVAVBBVBVBVCVBVVAVAVABVCV (a) XDistanciaTiempoOndas refractadasOnda directaPendiente =1VBV1Pendiente =A1V Pendiente =CTiempos de primeras llegadasiBT (b) Figura 8.28. Mtodo de refraccin ssmica. Entonces, para gefonos que se encuentren cerca al punto de impulso ssmico, la onda directa que viaja a una velocidad AVen el estrato superiorA llega primero. Sin embargo, si lavelocidadenelestratoinferioresmayor,entonces,aalgunadistanciadelpuntode impulso,laondarefractada,viajandoconvelocidad BVenelestratoinferiorBycon velocidad AVen el estrato superior, llegar primero. Los tiempos de primeras llegadas son representados en una grfica tiempo vs. distancia al puntodeimpulso,Fig.8.28(b),obtenindosetreslneasrectasdetiempo/distanciacon pendientes de AV / 1 , BV / 1y CV / 1 respectivamente. Un cambio en la pendiente de las rectas significa un cambio en el tipo se suelo, es decir, el comienzo de un nuevo estrato. Luego, si la interseccindelasdospendientesocurreaunadistanciaX ,puedeobservarsequela profundidad del estratoA est dada por: XV VV VhA BA BA+=21 [8.55] CAPITULO 8 Exploracin del subsuelo 393 El valor deXse obtiene a partir de la Figura 8.28 (b) Para determinar el espesor del segundo estrato, se usa la siguiente ecuacin: 2 22 2221B CB CA CA CA iB BV VV VV VV Vh T h(((

= [8.56] El valor de iBTes determinado como se muestra en la Figura 8.28(b). El detalle de la obtencin de estas ecuaciones se encuentra en Dobrin (1960). Sedebetomarencuentaquelasecuaciones[8.55]y[8.56]sonvlidasparacuando .. < < 10000Granito2000 - 10000Gneis 400 - 6000Basura domstica 12 - 30Escombros y suelo de desecho 200 - 350Desechos industriales (lodos) 40 - 200Chatarra (partes metlicas) 1 - 12Piezas de vidrio roto y porcelana 100 - 550Rastros de arena 400 - 1600Desechos de papel (hmedo) 70 - 180Fuente de contaminacin de basura domstica 1 - 10Aceite usado 150 - 700Alquitrn, brea 300 - 1200Limpieza de ropa y materiales 30 - 200Barniz usado y pintura 200 - 1000Barriles vacos 5 - 20Tipo de material Resistividad OmDpositos de desechos Resistividad Om