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ESTUDIO DE MECÁNICA DE SUELOS EXPLORACIÓN GEOTÉCNICA UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA Facultad de Ingeniería Civil

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ESTUDIO DE MECÁNICA DE SUELOS

EXPLORACIÓN GEOTÉCNICA

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA

Facultad de Ingeniería Civil

Mecánica de Suelos II Dr. Ing. Zenón Aguilar Bardales

1

CONTENIDO

INTRODUCCIÓN GENERAL

METODOLOGÍA DE UN ESTUDIO GEOTÉCNICO

EXPLORACIÓN DIRECTA DE CAMPO

EXPLORACIÓN INDIRECTA A TRAVÉS DE

MÉTODOS GEOFÍSICOS

ENSAYOS DE LABORATORIO

CONCLUSIONES

2

3

4

5

6

Mecánica de Suelos II Dr. Ing. Zenón Aguilar Bardales

2. METODOLOGÍA DE UN ESTUDIO GEOTÉCNICO

- Reconocimiento geológico y de sitio:

interpretación del origen y formación

de suelos, evaluación geológica,

interpretación de posibles

condiciones del subsuelo.

- Planificación de la exploración y muestreo:

permite ubicar y cuantificar el número

de sondajes y optimizar el muestreo.

- Recopilación de información:

hidrología, geología, sismicidad,

topografía, etc.

Mecánica de Suelos II Dr. Ing. Zenón Aguilar Bardales

- Ejecución de ensayos de laboratorio:

para la determinación de los

parámetros de los materiales.

- Ejecución de la exploración y muestreo:

ejecución de sondajes y obtención de

muestras disturbadas e inalteradas.

- Interpretación de la investigación

geotécnica: evaluación de los datos de

campo y laboratorio.

- Análisis y diseño geotécnico

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3. EXPLORACIÓN DIRECTA DE

CAMPO

Exploración a través de pozos abiertos y

posteadora

Exploración con ensayos de penetración

estándar (SPT)

Exploración con ensayos de penetración cono

holandés (CPT)

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EXPLORACIÓN DE CAMPO CON

CALICATAS Y POSTEADORA

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- Excavación manual con pico y lampa

- Excavación con equipo mecánico

EXPLORACIÓN DIRECTA CON CALICATAS

Desventaja:

- Profundidad limitada

- Paredes inestables ante la presencia de agua

Ventaja:

- Extracción de muestras disturbadas e inalteradas

- Visualización directa de la estratigrafía

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- Posteadora manual

- Posteadora mecánica

EXPLORACIÓN DIRECTA CON POSTEADORA

Equipo:

Tubería, una T y en su parte inferior una mecha

Ventaja:

- Auscultación rápida del terreno

Desventaja:

- No se extraen muestras inalteradas

- Imposible de realizar en arenas limpias secas o saturadas

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10 cm

Extensión

POSTEADOR

Ø 3" - 8"

Post hole Digger

O 2" - 3 1/2"

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

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EXPLORACIÓN DE CAMPO CON

ENSAYOS DE PENETRACIÓN

ESTÁNDAR - (SPT)

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A) GENERALIDADES

Procedimiento ampliamente utilizado para determinar

características de resistencia y compresibilidad de suelos.

B) PROCEDIMIENTO PARA REALIZAR EL ENSAYO

Ejecución de la perforación

- Con barrenos (posteadora)

- A rotación

- Por lavado “wash boring”

Ejecución del muestreo

Se realiza con un muestreador de Caña Partida

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Trípode de tubos

f 2 1/2”

Manguera

Mango para rotación

parcial de la barra

Terreno

Natural

Soga f 1 ”

Depósito de

agua de lavado

Barra de

perforación

Cincel

Motor con caja

reductora Forro

Bomba

Polea para la soga

Elevador

CINCEL

RECTO

BARRA CON

UNION

CINCEL DE

CRUZ

SOSTENEDOR DE

BARRAS

ELEVADOR

PERFORACIÓN POR LAVADO “WASH BORING”

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Martillo

Guía de

hinca

Cabezal de

hinca

Trípode de Tubo de

diámetro f 2 1/2”

F 1 1/2”

Cuchara

Cadena de

fierro

Guía

CUCHARA

F 2” - 4 1/2”

MARTILLO

ENSAYO DE PENETRACIÓN ESTÁNDAR - SPT

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C) REGISTRO DE PENETRACIÓN

Resistencia a la penetración: golpes necesarios para hincar

los últimos 30 cm de un total de 45 cm. Se cuenta el número

de golpes cada 15 cm.

D) INTERPRETACIÓN DE RESULTADOS

La resistencia a la penetración es un indicador de la

compacidad de suelos arenosos y un indicador de la

consistencia y resistencia de suelos cohesivos.

Mecánica de Suelos II Dr. Ing. Zenón Aguilar Bardales

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Mecánica de Suelos II Dr. Ing. Zenón Aguilar Bardales

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Compacidad Relativa de Arenas

Número de Golpes

Compacidad Relativa

0 – 4 Muy suelta

5 - 10 Suelta

11 - 30 Medianamente Compacta

31 - 50 Compacta

> 50 Muy Compacta

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Consistencia y Resistencia de Suelos Cohesivos

Número de Golpes

Consistencia Resistencia a la

Compresión Simple, qu (kg/cm2)

< 2 Muy Blanda < 0.25

2 - 4 Blanda 0.25 - 0.50

4 - 8 Media 0.50 - 1.00

8 - 15 Firme 1.00 - 2.00

15 - 30 Muy Firme 2.00 - 4.00

> 30 Dura > 4.00

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Correlación de N (SPT) con la resistencia cortante no drenada

(Su) de suelos cohesivos de diferentes plasticidades (ref. NAVFAC, 1971)

Su (tsf)

25

20

15

10

5

1.0

27

0 1.5 2.0 2.5 3.0 4.0 0.5 3.5

TERZAGHI

y PECK

Arcilla de

plasticidad media

Arcilla de

alta plasticidad

SOWERS

arcilla de

baja plasticidad

NSPT Rígida

30

16

2

32

8

4

Dura

Muy Blanda

Firme

Blanda

Muy

Dura

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EXPLORACIÓN DE CAMPO CON

ENSAYOS DE PENETRACIÓN CONO

HOLANDÉS - (CPT)

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A) GENERALIDADES

- Usado en Europa desde 1920

- En Estados Unidos desde 1960

- En el Perú desde 1984

B) DESCRIPCIÓN DEL EQUIPO

- Equipo de penetración estática

- Tubería de acero de 1 m y barras sólidas interiores

concéntricas (fext=3.6 cm y f int= 1.6 cm)

- Punta Cónica

Se transmite la fuerza a través de las barras interiores y

esta al cono, midiendo cada 20 cm la resistencia por punta

y/o fricción.

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C) PUNTA DE PENETRACIÓN

Punta DELFT

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

- Se encuentra montada en el extremo inferior de una

funda deslizante de 9.9 cm de longitud

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

- Se mide la presión que transmite en la punta

Punta BEGEMANN

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

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

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

- Se mide la presión por punta y fricción

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3

Punta Cónica Copla

Funda cilíndrica Barra sólida

Funda de fricción

2

3 4 5

B

1

F 35.7 m m

60°

F 23 m m F 20 m m

F15

133 m m 47 m m

F12.5 m m

F 30 m m

A

F 32.5 m m

B

1

5

4 POSICION CERRADA

POSICION EXTENDIDA

A

F 36

265 m m

69 m m

2

ENSAYO DE PENETRACIÓN CONO HOLANDÉS

Esquema de Punta Cónica

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D) DETERMINACIÓN LA RESISTENCIA

qc =

donde :

Qc = fuerza para hincar el cono en kg

Ac = área transversal del cono

qc = resistencia de la punta

QC

Ac

FC

Ac

fs =

donde :

Fc = fuerza para hincar el cono y la funda en kg

AS = área lateral de la funda

fS = resistencia por fricción

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GRÁFICA DE PENETRACIÓN ESTÁTICA

Resistencia de fricción fs, kg/cm2

qs

fs

20

2

30 50 10 60 40 0

3

5

1

6

7

0.6

4

1.2 0.2 0.4 0.8 0

Pro

fun

did

ad

, m

Resistencia de punta qc, kg/cm2

1.0

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E) CORRELACION CON EL ENSAYOS DE PENETRACION

ESTANDAR

Tipos de Suelos qc/N

Limos, limos arenosos, mezclas de limo

arena-arena ligeramente cohesiva 2.0

Arenas limpias a medias y arenas

ligeramente limosa 3.5

Arenas gruesas y arenas con algo de

grava 5

Gravas arenosas y gruesas 6

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA

FACULTAD DE INGENIERIA CIVILCISMID - LABORATORIO GEOTECNICO

REGISTRO DE SONDAJES

SolicitadoProyectoUbicación Cota Superficial

Operador

Revisado

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

Ensayo de Penetración

Gráfica de N

Estándar

N° golpes/30 cm.

::::

::

:

:

:

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4. EXPLORACIÓN INDIRECTA A TRAVÉS DE

MÉTODOS GEOFÍSICOS

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EXPLORACIÓN

GEOFÍSICA

GRAVIMÉTRICO

MAGNETOMÉTRICO

SISMOLÓGICO

ELÉCTRICO

GEOTÉRMICO

RADIOACTIVO

DIRECTA

V1

V2

i r

REFRACTADA

ic ic

REFLEXIÓN

SÍSMICA

REFRACCIÓN

SÍSMICA

Mecánica de Suelos II Dr. Ing. Zenón Aguilar Bardales

Métodos Geofísicos Sísmicos

• Ensayos de Reflexión y Refracción Sísmica

• Ensayos down hole, up hole y cross hole

• Ensayos de vibración superficial (ondas Rayleigh)

• Ensayo con el Cono Sísmico

• Ensayo con la Sonda de Suspensión

• Medición de Microtrepidaciones

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MÉTODO DE REFRACCIÓN SÍSMICA

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ENSAYO DE REFRACCIÓN SÍSMICA

• Determinación de Perfiles Sísmicos del Subsuelo

• Medición de Velocidades de Propagación de las Ondas

P y en algunos casos de las Ondas S.

• Determinación de los Parámetros Dinámicos del Suelo

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Ensayo de refracción sísmica

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Unidad de Adquisición y Procesamiento de Datos

(Ensamblado final)

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Geófono vertical y cable conductor de señales

para realizar ensayos de refracción sísmica y

ensayos en pozo abierto de poca profundidad

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FUNDAMENTO TEÓRICO

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Disparo

Frente de Ondas

t1 t2

t3 t4

t5 t6 t7 t8

Xc

Posiciones del Frente de Ondas en un Medio de

Dos Estratos a tiempos t1, t2,...

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Ley de Snell

• Cuando la onda sísmica alcanza la frontera

entre dos materiales de distinta velocidad

sísmica, las ondas se reflejan y se refractan.

• Cuando el ángulo de incidencia iguala al ángulo

crítico en la frontera, la onda refractada se

mueve a lo largo de la frontera entre los dos

materiales, transmitiendo energía de nuevo a la

superficie.

• Esta frontera es llamada un refractor.

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Refracción de Trayectoria de los Rayos a Través de

una Frontera entre Dos Medios Elásticos

a

Estrato 1

Velocidad = V1

Velocidad = V2

Estrato 2

Angulo Crítico

de Incidencia

r

a =

Fuente

i

sen i V1

sen r V2 =

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DIRECTA

V1

V2

i r

REFRACTADA

ic

ic

• Parámetros:

- Tiempo de inicio del movimiento sísmico (tiempo cero) - Distancia entre el punto de impacto y el sensor - Primer arribo de energía sísmica que llega a los sensores

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PROCEDIMIENTO DEL

ENSAYO

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ENSAYO DE REFRACCIÓN SISMICA

PLANEACIÓN

OPERACIÓN Y

OBSERVACIÓN

DE CAMPO PREPARACION

DE LOS DATOS

INTERPRETACION

DE RESULTADOS

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OPERACIÓN Y OBSERVACIÓN DE CAMPO

DETERMINACIÓN DE LA LONGITUD DE TENDIDO

DETERMINACION DE LA GEOMETRÍA DE LOS PUNTOS DE IMPACTO

L

h L > 4h - 3h

1

shot shot shot shot shotshot

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

L

e : espaciamiento entre geófonos

shot

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

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INTERPRETACIÓN DE

RESULTADOS

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Caso Simple de Dos Estratos con Límites Planos y Paralelos

Curva Tiempo - Distancia Correspondiente

D1

=XC

2

2V 1V-

V2V + 1

DISTANCIAT

IEM

PO

TIEMPO DE

INTERSECCION,

DISTANCIA CRITICA, X C

v1

1

2v

1

Ti

DISPARO

E

F G

H

D 1a

SIN = av1

2

v(

1v

2v

t

X

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APLICACIONES

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Determinación de la superficie de deslizamiento

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PERFIL ESTRATIGRAFICO

Puente Santo Cristo : Línea 01-01

1520

1530

1540

1550

1560

1570

1580

1590

1600

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

Distancia (m)

Co

ta (

m.s

.n.m

) shot

terreno

estrato 1

estrato 2

01 02

03 07 04 06 05

roca poco alterada

roca fracturada o muy alterada

material aluvional

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VENTAJAS

• Permite cubrir rápidamente grandes áreas a un costo comparativamente bajo.

• No altera ni modifica las condiciones y propiedades

naturales de las rocas y suelos.

• El ensayo no es estorbado por boleos, cantos rodados

ni gravas gruesas.

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VALORES PROMEDIOS DE Vp SEGÚN LA NORMA ASTM-D5777

Descripción

pie/s m/s

Velocidad Vp

Suelo intemperizado

Grava o arena seca

Arena saturada

Arcilla saturada

Agua

Agua de mar

Arenisca

Esquisto, arcilla esquistosa

Tiza

Caliza

Granito

Roca metamórfica

800 a 2000

1500 a 3000

4000 a 6000

3000 a 9000

4700 a 5500

4800 a 5000

6000 a 13000

9000 a 14000

6000 a 13000

7000 a 20000

15000 a 19000

10000 a 23000

240 a 610

460 a 915

1220 a 1830

910 a 2750

1430 a 1665

1460 a 1525

1830 a 3960

2750 a 4270

1830 a 3960

2134 a 6100

4575 a 5800

3050 a 7000

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ENSAYO DOWN HOLE

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Esquema del Ensayo Down Hole

CILINDRO

DE GAS REGULADOR

AMPLIFICADOR

MONITOR

MONITOR

DE DATOS

CARGA

TABLA

ONDAS S

TRANSDUCTOR DE 3

COMPONENTES

TUBO DE

CAUCHO

ONDAS P

POZO

ESTACA

MARTILLO

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Registros de

Ondas P

Tiempo (Seg.)

(Ondas P)

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

0. 12

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

15

17

18

19

20 20.3 20.8

Pro

fun

did

ad

Mecánica de Suelos II Dr. Ing. Zenón Aguilar Bardales

Tiempo (Seg.)

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

0. 2 4

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

15

17

18

19

20 20.3 20.8

Pro

fun

did

ad

(m

)

(Ondas S)

Registros de

Ondas S

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Determinación de Propiedades Dinámicas

de los Materiales.

r = 0.2 Vp 0.25

n = (Vp /Vs )

2 - 2

2 ((Vp /Vs )2 - 1)

Ed = 2 (1 + n )G

Gd = r Vs 2

Donde:

r = densidad volumétrica.

n = relación de Poisson.

Gd = módulo de corte.

Ed = módulo de Young.

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0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Tiempo de Viaje ( x 10 ) sec.-2m

Tipode

Suelo

Valor de N

10 20

580 210

100

140

120

195

150

155msec

Vs =

1.35 mm

Vp =

1300 msec

1890

Owi IslandN°1Tokyo

C2Bay5

10

15

20

Ejemplo de Prospección de velocidades por el método Downhole