Muestreo inalterado de suelos duros

Divisin Ciencias de la

Salud e Ingenieras

Morales Tamayo Ricardo

Cano Aboytes Luis Jess

Solrzano Martnez Octavio

Prez Garca Eduardo Daniel

Gonzlez Marduk

Carrera: Ingeniera Civil

Materia: Transporte II

MUESTREO

Para conocer las propiedades ndice, mecnicas e hidrulicas de los materiales del subsuelo (suelos y

rocas), es necesario obtener muestras durante los trabajos de exploracin, estas pueden ser alteradas e

inalteradas en algunos casos integrales. El muestreo se debe realizar de acuerdo a la metodologa

establecida apoyndose en los mtodos descritos a continuacin.

Muestras inalteradas.

Son aquellas cuya estructura no es afectada significativamente por el muestreo; se utilizan para

clasificar los suelos y hacer determinaciones de propiedades ndice, mecnicas e hidrulicas.

Porcin de suelo extrado con fines de estudio de laboratorio en donde requiera que se conserve en

estado real natural, para realizarle pruebas especiales y determinar las propiedades mecnicas de

dicho estrato.

Propiedades

A. Determinacin de lmites de consistencia y

contraccin lineal

B. Anlisis granulomtrico

C. Contenido natural de agua

D. Prdida por lavado, % de finos

E. Clasificacin de suelos segn el Sistema nico de

Clasificacin de Suelos (SUCS).

F. Permeabilidad bajo carga constante

G. Permeabilidad bajo carga variable

H. Peso volumtrico

I. Deformabilidad

J. Resistencia al esfuerzo cortante.

Pruebas de campo.

Son aquellas que se realizan in situ para

medir directamente propiedades mecnicas

e hidrulicas del suelo

La resistencia al esfuerzo cortante se

obtiene a partir de pruebas de corte directo.

REQUERIMIENTOS DE ESTUDIOS GEOTECNICOS EN ALGUNAS OBRAS

DE INFRAESTRUCTURA

Cimentaciones superficiales:

A. Tipo de suelo

B. Tipo de cimentacin

C. Profundidad de desplante

D. Capacidad de carga admisible

E. Asentamientos totales y diferenciales.

F. Anlisis de deformaciones

Cimentaciones profundas:

A. Tipo de suelo

B. Tipo de cimentacin

C. Profundidad de desplante

D. Capacidad de carga axial admisible

E. Capacidad de carga lateral

F. Anlisis de deformaciones

G. Proceso constructivo recomendable

H. Nivel fretico en presencia de agua

REQUERIMIENTOS DE ESTUDIOS GEOTECNICOS EN ALGUNAS OBRAS

DE INFRAESTRUCTURA

Excavaciones en suelo duro roca:

A. Anlisis de estabilidad

B. Recomendacin de taludes estables

C. Proceso constructivo recomendable

D. Control de voladuras y explosivos

Estructuras de retencin:

A. Tipo de material de relleno

B. Consideraciones de empujes de tierra

C. Diagramas de empuje de tierras, considerando en su

caso efectos hidrodinmicos y ssmicos

D. Condiciones de drenaje de las estructuras de retencin

y recomendaciones constructivas correspondientes

E. Recomendaciones de compactacin de los rellenos por

utilizar

F. Proceso constructivo recomendable

Pozo a cielo abierto

Son sin duda la tcnica de perforacin ms confiable que se puede adoptar, por que permite:

Observar directamente la estratigrafa del sitio.

Rescatar muestras casi inalteradas de los estratos principales.

Es particularmente recomendable en suelos secos y duros, aunque no es prctico, es obligado

instalar un sistema de bombeo para los suelos bajo el nivel fritico

Puede escavarse con seccin cuadrada o circular, la cuadrada requiere de una estabilizacin

estructural compleja y costosa; en cambio la forma circular es ms conveniente porque sus

paredes se estabilizan con malla de acero y concreto.

El equipo que se requiere es herramienta manual, aunque se puede recurrir a mquinas

perforadoras capaces de abrir pozos de por lo menos 80 cm de dimetro.

Excavacin manual

El equipo se integra por: picos,

palas, cable de manila, botes, un

malacate mecnico para 250 kg

(0.25 KN), escaleras.

Adems, si el nivel fretico est

cercano a la superficie, puede

requerirse una bomba elctrica o

puntas eyectoras, es factible que

tambin se necesiten martillos

elctricos o neumticos para

atravesar suelos muy duros, as

como algunas tobas.

Picos y Palas

Excavacin pozo cuadradoCables y

cubeta

Excavacin pozo circular

El procedimiento consiste en excavar el

pozo con un dimetro de 1 a 1.5 m, en

cuyas paredes se fija una malla de acero

electro-soldada, separada por lo menos

2cm de la pared, se fija con anclas

cortas de varilla corrugada hincadas a

percusin, y despus se aplica

manualmente el mortero con un espesor

mnimo de 5 cm.

Labrado de la muestra

Se limpia un rea de unos 50cm de

dimetro; a continuacin se maraca

la seccin deseada y se labran los

lados del cubo de suelo,

posteriormente, la muestra se

envuelve con manta de cielo, que

se impregna con una mezcla

caliente de parafina y brea

mediante una brocha.

En la parte superior de la muestra

se coloca una etiqueta de

identificacin

Excavacin con maquinaria

Se puede utilizar una mquina perforadora a rotacin del tipo de la que se emplea para la

construccin de pilas de cimentacin. La seleccin de la maquina quedara condicionada por

la profundidad que se requiera alcanzar, como gua, puede decirse que perforando en seco

suelos duros:

Las ms ligeras pueden perforar hasta unos 25mts en dimetros de 0.8 m.

Y las ms pesadas, hasta unos 30mts de profundidad, con dimetros de 1.0 a 1.5 m.

Si la perforacin presenta paredes inestables, se deber perforar en tramos cortos y

proceder a estabilizarlos con de malla de acero y mortero

Tubo dentado simple

En esencia es un muestreador que penetra a rotacin y presin, sin recurrir al empleo de agua o

lodo de perforacin.

Se ha demostrado ser adecuado para muestra de los suelos duros, aunque tiene el riesgo de inducir

remoldeado cuando se le opera sin habilidad.

Permite obtener muestras de arcillas duras y limos compactos o cementados con un mnimo de

alteracin, en estos materiales presenta claras ventajas de operatividad y costo sobre

muestreadores de barril doble.

Descripcin del equipo

Lo constituye un tubo de pared delgada de

lmina de 10cm de dimetro y su longitud de

100cm, cuya parte inferior tiene 8,16 y 32

dientes los cuales su tamao se decide en

funcin de la dureza del suelo, entre 5 y 10 mm;

para suelos muy duros lo usual son 16 dientes de

0.5cm de altura.

La geometra de los dientes es igual que una

sierra para cortar madera, se alteran, un diente

es ligeramente doblado al interior y el siguiente

doblado 2mm al exterior.

Tubo dentado con vlvula esfrica de pieLa cabeza tiene perforaciones

laterales y una vlvula esfrica

de pie que se abre durante la

etapa de muestreo para permitir

el alivio de la presin del interior

del tubo.

Posteriormente se cierra para

proteger a la muestra de las

presiones hidrodinmicas que se

generan durante extraccin.

Tubo dentado con vlvula deslizante

Se sustituye la vlvula esfrica por

un mecanismo que se acopla de la

unin a la columna de barras de

perforacin, tiene un tramo

cuadrado al que se enrosca una

barra circular que termina en una

ampliacin con un aro-sello, sobre

esta barra se desliza la pieza, a la

que se fija el tubo muestreador y

que tiene horadaciones para la

extraccin del fluido de

perforacin del interior del tubo.

Operacin del equipo Se hinca operndolo a rotacin con velocidades menores de 100 RPM y presin vertical para que

avance con velocidad constante de 1 cm/s, hasta penetrar 75 cm; de esta manera queda sin

muestra una longitud mnima de 15 cm donde se alojan los azolves que pudieran haber quedado

dentro del tubo.

Despus del hincado se deja el muestreador en reposo unos 5 minutos a fin de que la muestra se

expanda en su interior y aumente su adherencia contra las paredes del tubo.

Enseguida se corta la base del espcimen, girando dos vueltas el muestreador y se procede a

sacarlo al exterior, donde se limpian sus extremos y se identifica.

Las muestras obtenidas con esta tcnica presentan alteracin en un anillo perimetral de 2 a 4 mm

de espesor.

Tubo dentado con camisa exterior La caracterstica ms significativa de este muestreador es que puede operar en seco; esto es, para hincarlo

no se requiere utilizar agua o lodo como con el Denison o Pitcher. El ejemplo de fluidos altera drsticamente

a los suelos secos con materiales arenosos de bajo contenido de agua. Con este muestreador se pueden

recuperar muestras de suelos duros, que incluso con el tubo dentado simple no se pueden recuperar.

El tubo exterior de acero tiene soldada una helicoide que se encarga de rezagar el material cortado por la

punta para reducir la presin necesaria de hincado y evitar que la temperatura se incremente.

En su interior se encuentra la camisa de aluminio anodizado para contener las muestras, esta segmentada en

tramos de 20cm para facilitar la extraccin de la muestra; su zapata es dentada, revestida con granulado de

tungsteno.

La vlvula es una esfera de hule de menor densidad que el agua, que sella con ayuda de una barra de acero

introducida desde la superficie a travs de las barras, lo cual se hace al finalizar una toma de muestra.

Barril Denison

Este muestreador opera a rotacin y presin, permite recuperar muestras con poca

alteracin, en arcillas duras, limos compactos y limos cementados con pocas gravas, abajo

del nivel fretico; las muestras recuperadas son de 7.5 y 10 cm de dimetro.

El barril Denison es el mejor muestreador para las tobas duras, si se muestrea arriba del

nivel fretico, se debe utilizar aire como fluido de perforacin. En ambos extremos de

cada muestra inalterada se deben realizar pruebas de resistencia con torcmetro y

penetrmetro de bolsillo. Esta doble determinacin de resistencia se efecta

inmediatamente antes de proceder a sellar muestras.

El sellado tiene por objeto proteger las muestras contra las vibraciones y la prdida de

contenido natural de agua, usando para ello papel de estao y una mezcla de brea y

parafina.

Caractersticas de operacin:

Velocidad 50rpm para suelos blandos y 200rpm para

suelos duros

Dimetro de barril de 60 a 150mm

Profundidad de penetracin de 2-5 ft.

Muestreador Pitcher.

Es similar al Denison, excepto porque la posicin

del tubo interior se regula con un resorte axial;

mientras que el exterior, con la broca de corte en

su extremo, gira y corta el suelo alrededor . Es de

gran utilidad en suelos de diferentes durezas y

espesores, pues en suelos blandos funciona como

un tubo Shelby y en suelo duros como un

muestreador Denison con lo que logra buena

calidad de muestras.

El caso mas simple corresponde al de cortar un

determinado trozo del suelo deseado cubrindolo

con parafina para evitar perdidas de humedad y

empacndolo debidamente para enviarlo al

laboratorio.

Muestreador Pitcher.

El proceso para obtener este tipo de muestras es el siguiente:

* Se limpia y pule la superficie del terreno y se marca el contorno del trozo.

* Se excava una zanja alrededor del trozo deseado.

Se ahonda la excavacin y se cortan los lados del trozo empleando un cuchillo de hoja delgada.

Una vez tallada la muestra, de corta el trozo y se retira del hoyo. La cara del trozo que

corresponda al nivel del terreno se marca con una seal cualquiera para conocer la posicin que

ocupaba en el terreno. Luego se aplican dos o tres capas de parafina caliente, se rotula y se

enva al laboratorio.

Muestreador Pitcher.

Si la muestra no va a ser usada pronto, necesita una proteccin adicional adems de las capas de

parafina. Esta proteccin consiste en envolver la muestra en una tela blanda, amarrndola con un cordel,

hecho esto se sumerge la muestra entera en parafina en repetidas ocasiones, de tal manera que se

alcance un espesor mnimo de 3 mm, suficiente para garantizar su impermeabilidad.

En algunas ocasiones es conveniente adems, empacar la muestra en una caja de madera para

transportarla al laboratorio.

En algunas ocasiones es conveniente adems, empacar la muestra en una caja de madera para

transportarla al laboratorio.

Muestreador Pitcher.

El tubo Pitcher se puede utilizar para obtener una calidad excelente de muestras de una gran

variedad de condiciones del suelo.

Es adecuado cuando se presentan intercalados estratos delgados de materiales blandos y duros.

Es de gran utilidad en suelos de diferentes durezas y espesores, pues en suelos blandos funciona

como un tubo shelby y en suelos duros como un muestreador Denison con los que logra buena

calidad de muestras.

Fue diseado especficamente para recuperar muestras que son demasiado difciles de obtener

usando el tubo shelby de pared delgada.

El tubo se fabrica en varios dimetros desde 4 hasta 7 , los cuales toman muestras de 2 y

5 7/8 respectivamente. El tubo ms comercial es el de 4 7/8 que toma muestras de 3, cuenta

con dos largos, 5 ft. Y 3ft.

Obtencin de las muestras

Obtencin de las muestras

Equipo auxiliar para la obtencin de las muestras

Prueba de corte directo

Consiste en inducir dos esfuerzos, uno normal y otro de corte a un bloque de suelo previamente labrado

en el sitio y por arriba del nivel fretico.

Es de gran utilidad en suelos en los que es casi imposible recuperar muestras inalteradas para ensayarse

en el laboratorio o porque las pruebas de campo antes descritas tampoco resultan confiables por la

dificultad de realizar las perforaciones con un remoldeo mnimo.

Se deben hacer en por lo menos tres bloques cercanos para definir la evolvente de falla del material

que se est evaluando, en casos difciles, se recomienda que se hagan hasta 4 pruebas para demostrar

la validez de los parmetros de resistencia al corte, la cohesin y el ngulo de friccin interna.

Lo usual es realizarla en condiciones y sitios como son: taludes, paredes de excavaciones y en el fondo

de pozos a cielo abierto.

Equipo necesario

Herramienta para labrar el bloque

Depender del suelo que se ensaye, ejemplo:

a) En suelos fciles de labrar, bastar con

esptulas, martillo de gomo y sierras de

mano

b) En suelos duros, requerimiento de cinceles,

partillo de mano, neumtico, taladro,

esmeriladora.

Gatos hidrulicos

La capacidad de los gatos se eligen en funcin de

la resistencia esperada y equipados con

manmetros; tanto uno como otro deben estar

previamente calibrados, con una precisin del 2%

de la mxima fuerza alcanzada.

Equipo necesario

Placas para la carga vertical

Son dos placas de acero de 30 x 30 cm y

espesor de 1, entre estas se colocan

varillas redondas de acero cuya funcin es

asegurar que para todo nivel de carga

normal, la resistencia por friccin al

desplazamiento sea menor al 1% de la

fuerza cortante aplicada durante la

prueba.

Placa para la carga de corte

La fuerza de corte se aplica con una

placa de acero de 30 x 20 cm que se

apoya en la cua lateral inclinada de

mortero. Esto para distribuir

uniformemente la fuerza aplicada sobre

la cara del espcimen.

Equipo necesario

Cua de apoyo

Para inducir la carga de corte se adhiere

la cua lateral de mortero con una

inclinacin precisa de 15, la base de esa

cua debe estar sobre dos membranas

gruesas de polietileno con grasa entre

ellas para evitar que se transmita carga a

la superficie externa del bloque.

Micrmetros

La deformaciones se miden con estos equipos,

de una precisin de 0.01 mm con carrera de 5

cm para los de la placa horizontal y de 8cm para

los laterales.

Micrmetros

4 de estos dispositivos de 5cm de

carrera se colocan sobre la placa

superior, uno en cada esquina (n-1 a 4);

2 en la cara vertical opuesta a la fuerza

de corte (T-1 y 2) y otros 2 en la cara

lateral frontal para medir posibles giros

de la muestra (L-1 y 2).

Marco de referencia

Es un marco estructural

apoyado en puntos separados

del bloque por lo menos a una

distancia de 15 cm y en el

cual se fijan los micrmetros.

Preparacin de la prueba

Seleccin del sitio de la prueba

Dentro de una cavidad.

Procedimiento de labrado

Se empieza por excavar alrededor de lo

que ser el bloque, hasta dejar extenso un

tozo grande del suelo, se empieza a

devastar el material para empezar a darle

forma en cortes de 1 a 2 cm de espesor

que se reduce a medida en que se est

llegando a la superficie del cubo, al final

se pule la superficie con una regla.

Preparacin de la prueba

Geometra del bloque

El bloque se describe de 30 cm x 30 cm y 15

cm de altura, puede variar las dimensiones

conservando la relacin de base con la

altura de 2:1.

Proteccin durante el labrado

Se debe de proteger cada una de las caras

con una membrana de polietileno. Tambin

se le puede colocar un recubrimiento de

mortero sobre la pelcula de polietileno,

incluso colocarle una malla de gallinero,

ser de 2cm.

Desarrollo de la prueba

Esta prueba se realiza con un valor preestablecido del esfuerzo normal y como resultado se deduce

el esfuerzo cortante a la falla del bloque; con estos dos factores se define un punto de la envolvente

falla del suelo de ese lugar y se hace necesario determinar por lo menos otros dos puntos para

precisarla.

Ajustes de la prueba

Ya instalado todo se suele aplicar una pequea carga para producir una deformacin de 1mm y se

procede a descargar, de nuevo se ajustan micrmetros y manmetros en ceros para iniciar la prueba.

Desarrollo de la prueba

Aplicacin de carga normal

Esta carga se aumenta gradualmente en un tiempo del orden de 1 min. hasta alcanzar el valor

especificado para la prueba y despus se debe mantener constante. Una vez alcanzada la carga

especificada de inmediato se inicia el registro de las deformaciones detectadas por los 8 micrmetros y

las presiones de los 2 manmetros con la siguiente secuencia de tiempo: 15, 30 s, 1, 2, 4, 12, 15 y 30 min.

La estabilizacin de las deformaciones por la carga normal aplicada se asemeja a un proceso similar al de

consolidacin del bloque.

Desarrollo de la prueba

Desarrollo de prueba

Aplicacin de la carga de corte

Se empieza por hacer una prediccin de la carga de falla que podr soportar el bloque y se procede a

alcanzar esa condicin en por lo menos seis incrementos de carga. El tiempo para aplicar cada incremento

es de 1min. Una vez alcanzada la magnitud del incremento en turno, es esencial que las cargas normal y

de corte, se mantengan constantes.

Etapa de falla

La falla del bloque se alcanza cuando para un cierto incremento de carga de corte, conservando siempre

constante la carga normal, ocurra:

A) El desplazamiento del bloque

B) Que la deformacin est entre 0.02 y 0.2 mm/min en un lapso de 10 min.

Desarrollo de la prueba

Los resultados de cada prueba de corte se evalan en funcin de los esfuerzos desarrollados en el

mximo de la grfica esfuerzo-deformacin. Criterio de falla de Mohr Coulomnb.

Desarrollo de la prueba

Envolvente de falla

Se requiere hacer tres pruebas de

bloques cercanos, para contar

con tres pares de valores de los

esfuerzos normales y cortantes.

Es la tcnica ms confiable para

definir esta falla,

lamentablemente son tardadas y

costosas.

Aplicaciones de los resultados del ensayo a fallas de terreno

Capacidad de carga en bases y fundaciones para estructuras en arcillas

homogneas saturadas, inmediatamente despus de la construccin. El

terreno bajo una fundacin, es presionado por la falla y asume fallar por

corte, en la forma como indica la figura a.

La presin de tierra en el muro de contencin, prevalece inmediatamente

despus de la construccin. Figura b.

Presin de tierra contra la entibacin de una excavacin temporal. Figura c

Prevencin contra el levantamiento de fondo de las excavaciones. Figura d

Estabilidad de los taludes, inmediatamente despus de la excavacin.

Figura e

Estabilidad en diques de tierra, durante perodos cortos de construccin.

Figura f

Prueba de corte directoVentajas La mquina de corte directo es mucho ms adaptable a

los equipos electrnicos de medicin, de forma que no

se requiera la presencia continua de un operario para

efectuar ensayos consolidados- drenados, que puedan

durar varios das.

Se ha encontrado que los parmetros de

suelo t y c obtenidos por el mtodo de corte directo son

casi tan confiable como los valores triaxiales

(probablemente esto se debe ms a problemas del

operador que al hecho de que los equipos tengan igual

capacidad de comportamiento).

El principio puede aplicarse a suelos granulares y otros

materiales que contienen grandes partculas que seran

muy caras de ensayar por otros medios.

Puede medirse el ngulo de friccin entre suelo y roca, o

entre suelo y otros materiales.

Limitaciones

La muestra est obligada a fallar en un plano

predeterminado.

La distribucin de esfuerzos en sta superficie no es

uniforme.

No es posible controlar el drenaje de la muestra, slo se

puede variar la velocidad de desplazamiento.

No puede medirse la presin de poros.

Las deformaciones aplicadas estn limitadas por recorrido

mximo de la caja.

El ensayo usa una muestra muy pequea, con el

consiguiente resultado de que los errores de preparacin

son relativamente importantes.

No es posible determinar el mdulo de elasticidad ni el

de la relacin de Poisson.