UNIDAD I. EXPLORACIÓN Y MUESTREO

El muestreo en suelos implica la aplicación de los diferentes métodos usados para investigar las características de un sitio mediante la extracción de muestras alteradas e inalteradas. Las muestras sirven posteriormente para realizar las pruebas necesarias de laboratorio con el fin de definir la estratigrafía y propiedades de los suelos y rocas.

I.1 Distintos tipos de muestras

Para la clasificación preliminar de un suelo, ó para determinar sus propiedades en el laboratorio, es necesario contar con porciones ó muestras del mismo. En cuanto al propósito con el que se toman las muestras, éstas se clasifican en muestras de inspección y de laboratorio. De las primeras sólo se requiere que sean representativas; en cambio, las muestras destinadas a estudios de laboratorio deben llenar una serie de requisitos sobre tamaño, método de obtención, embarque, etc.

Tanto las muestras de inspección como de laboratorio pueden ser inalteradas, cuando se toman todas las precauciones para procurar que la muestra esté en las mismas condiciones en que se encuentra en el terreno del cual procede y alteradas en caso contrario.

En la construcción de cortinas de presas y, en general, en las diferentes estructuras de tierra que integran los distritos de riego, el estudio de los materiales provenientes de bancos de préstamo se hace con base en muestras alteradas.

El estudio de los problemas de cimentación de las anteriores estructuras requiere, por lo contrario, muestras inalteradas. Conviene observar que la palabra inalterada no debe interpretarse en su sentido literal. Es imposible evitar que la muestra sufra cierto grado de alteración durante el muestreo y después de él.

I.1.1 Tamaño y protección de la muestra

La cantidad de suelo que hay que enviar al laboratorio depende del programa de pruebas, y debe ser suficiente para repetir los ensayes cuyos resultados se juzguen incorrectos ó dudosos. Las muestras alteradas usuales en estudios de materiales provenientes de un banco de préstamo pueden constar de 50 a 60 kg de material.

La Figura 1 da una idea de la forma en la que se reparte una muestra de este tipo en el laboratorio y de las cantidades que se necesitan para cada

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prueba; para estudios especiales el laboratorio indicará las cantidades necesarias.

Figura 1. Repartición de una muestra en el laboratorio, según la prueba.

Si el material contiene grava, estas cantidades deben incrementarse; cuando el porcentaje de grava sea del 40% o mayor, estas cantidades deben duplicarse.

Cuando el contenido de agua natural del material no tiene importancia, por ejemplo, si se trata de un material superficial sometido a grandes variaciones climáticas, o de un material con finos arcillosos, las muestras pueden ser enviadas al laboratorio en costales de malla cerrada o en cajones de madera. En caso contrario, es importante enviar, por lo menos, una porción representativa de la muestra con su contenido de agua natural en un frasco de vidrio con tapa hermética o en una bolsa de plástico perfectamente bien cerrada y colocarla en el cuarto húmedo para que se conserve en estado natural.

Las muestras inalteradas deben protegerse recubriéndolas con parafina y brea con una proporción del 80% de parafina y 20% de brea, sujetándolas con vendas de manta, siguiendo las instrucciones que se mencionan mas adelante.

I.1.2 Muestreo superficial

El muestreo a cielo abierto debe considerarse como el más satisfactorio para conocer las condiciones del subsuelo. Los bancos de préstamo se muestran, generalmente, abriendo pozos o zanjas con pico y pala o con la ayuda de medios mecánicos y labrando calas en las paredes o en el fondo de

50 o 60 kg

COMPRESIÓN TRIAXIAL

PROCTOR14 kg 4 kg

PERMEABILIDADANÁLISIS GRANULOMÉTRICO

10 kg 3 kg

LÍMITES DE CONSISTENCIA

2 kgDENSIDA

D

1 kg

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CONSOLIDACI1 kg

la excavación. Las palas de postear y las posteadoras mecánicas permiten obtener muestras alteradas representativas del suelo sin hacer grandes excavaciones. Se describen a continuación los principales procedimientos de muestreo superficial, cuyos principios se aplican, fácilmente, a métodos de muestreo por medios mecánicos. Independientemente del método empleado, es importante anotar todas las observaciones realizadas sobre el material “In situ” en un registro de campo, Formato I.

REGISTRO DE EXPLORACIÓN SUPERFICIAL

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I.1.3 Equipo

Para pozos a cielo abierto.

Pico y pala. Hachuela (piolet) Bote de lámina, 18 litros Costales o cajones Hoja de lámina ó lona de 1.50 x 1.50 m aproximadamente Etiquetas

Para sondeos con pala de postear.

Pala de postear, con extensiones. Pala de mano Hoja de lámina ó lona de 1.50 x 1.50 aproximadamente Costales o cajones Etiquetas

Para muestras inalteradas en suelos blandos:

Tubo muestreador de lámina negra de 1.59 mm (1/16”) de espesor, 12.8 (5”) de diámetro y 25 cm de longitud con filo en la boca.

Espátula de abanico y cuchillo Vendas de manta. Hachuela Barreta

Para empacar muestras inalteradas

Cajón con tapa Aserrín, viruta o paja Estufa de gasolina Brochas Vendas de manta Charola con parafina y brea (Una parte de brea y cuatro de parafina)

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I.1.4 Muestras alteradas

El muestreo debe realizarse por capas si la explotación se piensa hacer con escrepas; en caso de utilizarse palas mecánicas o dragas, el muestreo debe ser integral, o sea, abarcando todo el espesor de material utilizable.

a) Pozo a cielo abierto: Se abren pozos de 1 m por 1.50 o 2 m hasta una profundidad de 5 m o hasta encontrar material no excavable, con pico y pala, o agua freática. En una de las paredes del pozo se va abriendo una ranura vertical de sección uniforme de 20 cm de ancho por 15 de profundidad. El material excavado se recibe en un bote de lámina, si el muestreo es integral; en caso contrario, debe recogerse, por separado, el producto de cada una de las capas donde cambie el material.

Muestreo por capas: La muestra de cada capa se vacía en cajón protegido interiormente con forro de papel, o en un costal de malla cerrada para evitar pérdidas de material fino; al cajón deberán sujetarse dos etiquetas de identificación, una dentro y otra fuera, con los datos que se muestran a continuación:

ITCH Identificación de la muestra:INGENIERÍA CIVIL  

Obra:   Procedimiento de perforación:

Sondeo:    Operador:   Profundida

d:  Clasificación

SUCS:   Fecha:  

Muestreo integral: El producto de varías capas debe colocarse en un solo envase, con tarjetas de identificación. Cuando la cantidad del material extraído sea grande, puede cuartearse y envasarse solo una parte.

b) Sondeos con pala de postear: Si el terreno lo permite, puede usarse la pala de postear para obtener muestras por capas o de todo el espesor que se va a explotar en la construcción. La pala de postear es uno de los métodos manuales de perforación (como el anterior), con que se pueden obtener muestras alteradas hasta una profundidad de 10 m. Se introduce la pala de postear con movimiento, de rotación; una vez llena, se saca y se deposita el material sobre una superficie limpia. Esta operación se repite hasta llegar a la profundidad deseada, el producto de cada palada se deposita formando hileras de pequeños montículos de material. Las

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profundidades y espesores de cada capa se pueden medir con la misma pala.

Muestreo por capas: Los montones que representan una capa deben reunirse en un solo envase, con sus respectivas tarjetas de identificación.

Muestreo integral: Se mezcla el material de todos los montones y se deposita en un solo envase con sus correspondientes tarjetas de investigación. Si el volumen total del material es grande, se puede cuartear y envasar una parte.

c) Cuarteo: Es el proceso de reducir una muestra de material al tamaño conveniente, y se aplica frecuentemente en el campo cuando el volumen del material que se obtiene al muestrear un pozo sobre pasa a la cantidad que se necesita remitir al laboratorio. Los pasos a seguir son los siguientes:

1. Sobre una superficie limpia se revuelve, varias veces, el material para obtener una mezcla uniforme; se amontona formando un cono.

2. Con la pala, se extiende el material hasta formar una capa de espesor uniforme y contorno más o menos regular; se divide, en 4 parte iguales, por medio de dos diámetros a 90°.

3. Se toma el material de dos cuartos opuestos y se desechan los restantes. Estas operaciones reducen la muestra a la mitad, y pueden repetirse tantas veces como sea necesario para obtener la cantidad deseada.

4. Una vez reducida la muestra al tamaño requerido, se envasa con sus respectivas tarjetas de identificación.

I.1.5 Muestras inalteradas

Los objetivos que se buscan con un sondeo inalterado son: definir la estratigrafía del sitio y obtener muestras que conservan la estructura del suelo (muestra inalterada), para realizar con ellas pruebas mecánicas que permitan interpretar su comportamiento bajo las condiciones de trabajo que se impondrán.

La extracción de muestras inalteradas se puede hacer con métodos manuales poco muestreadores adecuados a las diferentes condiciones que pueden presentarse.

Las muestras inalteradas deben conservar las condiciones del suelo en su estado natural, por lo que su obtención, empaque y transporte requieren de cuidados especiales a fin de no alterarlas.

a) Suelos cohesivos duros: Para obtener muestra de este tipo de suelos, se procede de la siguiente manera:

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1. Se limpia y nivela el terreno, y se traza un cuadro de 30 cm. de lado.2. Se excava, cuidadosamente, al rededor del perímetro marcado hasta

una profundidad un poco mayor que la altura que se quiera dar a la muestra, labrando, al mismo tiempo, las cinco caras descubiertas. Para obtener la muestra de una pared, se excava alrededor, como se indicó anteriormente, conservando la cara inferior.

3. Con cuidado, se recorta la base de la muestra, para poder desprenderla. Debe marcarse con una S la cara superior, a fin de darle, cuando se ensaye una posición similar a la que tenía en el terreno. Además, debe indicarse, en caso necesario, la dirección en que fluye el agua.

4. Una vez extraída la muestra debe ser inmediata y cuidadosamente protegida con vendas de manta impregnadas de parafina y brea; de ser posible, esta protección deberá iniciarse “in situ” al ir descubriendo cada cara, para lo cual se procederá en la forma siguiente: se calienta la mezcla de parafina y brea hasta que se haya derretido completamente y con una brocha se extiende la mezcla caliente sobre el vendaje de manta hasta que cubra perfectamente la muestra. Una vez frió este vendaje, se aplica otro semejante, o bien se extiende sobre el primero una capa gruesa de parafina y brea.

5. Se coloca la muestra en un cajón de mayores dimensiones que ella, a fin de poder empacarla con aserrín, papel o paja, de manera que quede protegida contra golpes o choques durante su transporte. Una de las tarjetas de identificación se adhiere a la muestra y la otra a la parte exterior del cajón.

b) Suelos suaves: En suelos suaves, generalmente cohesivos y sin grava, las muestras inalteradas se obtienen utilizando un tubo muestreador de lamina con filo en una de sus bocas. El proceso es el siguiente:

1. Después de limpiar y nivelar el terreno, se introduce el tubo muestreador hasta donde la resistencia del terreno lo permita.

2. Si con la simple presión no se logra introducir todo el tubo muestreador, se excava a su alrededor para eliminar la fricción en la cara exterior del mismo.

3. Después de haberlo introducido, se recorta la muestra por su base y se enrasa al tamaño del tubo.

4. Se protegen las bases de la muestra con vendas de manta impregnadas con parafina y brea, y se empaca en un cajón con aserrín para evitar que se rompan durante el transporte.

c) Arenas: La extracción de muestras inalteradas de arenas es sumamente difícil; se puede seguir el procedimiento indicado para el caso anterior, cuando el material es coherente. En estado incoherente, es difícil evitar alteraciones de la estructura. Es preferible determinar la relación de vacíos de la arena “in situ”, y con la muestra alterada reproducir en el laboratorio ese mismo estado. La obtención de muestras de arena debajo del NAF se discute más adelante.

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I.1.6 Muestreo profundo

Para el estudio de problemas de cimentación en una estructura de tierra o cualquier otra de grandes proporciones, es necesario tener muestras a profundidades importantes. El programa de muestreo debe definirse tomando en cuenta las condiciones locales, la naturaleza de la obra y consideraciones económicas relacionadas con lo anterior. No existen técnicas establecidas para realizar muestreos profundos, y es común que se desarrollen equipos especiales para un tipo de suelo o estudio particular. Los procedimientos que se mencionan brevemente más adelante, deben, por tanto adaptarse a las peculiaridades de cada proyecto.

La realización práctica de un muestreo profundo presenta dos problemas principales; el muestreo mismo y la técnica de avance de la perforación.

I.2 Métodos de perforación

La obtención de muestra del subsuelo requiere la realización de perforaciones para introducir los muestreadores hasta la profundidad deseada; generalmente las perforaciones son verticales, ocasionalmente inclinadas y raramente horizontales. Las perforaciones para geotecnia pueden hacerse con máquina perforadoras obteniéndose perforaciones de diámetro no mayor de 15 cm.

En la tabla 1, se presenta en resumen, los métodos aplicables a la exploración geotécnica en general.

Tabla 1. Métodos de perforación

Método Suelos en que se aplican

SUELOS

Pozos a cielo abierto Todos tiposLavado con agua o lodo Cohesivos, blandos, muy adecuados en

arenas con poca gravaEn seco Cohesivos blandos a duros, arriba del

nivel freáticoRotación con agua o

lodo Todos tiposMixto Todos tipos

ROCA

Relación con agua o lodo.

Suelos muy duros, y rocas blandas a duras.

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Las perforaciones profundas se realizan, generalmente, por percusión o rotación con circulación de agua o lodo, en seco por medio de barrenos helicoidales. La circulación de agua o de lodo altera el contenido de agua de los suelos; siempre será preferible operar en seco, o con lodo muy viscoso si el muestreo debe realizarse arriba del nivel freático. Independientemente del método empleado, es importante anotar toda información obtenida durante la perforación en un registro de campo, Formato 2.

I.2.1 Método de percusión y lavado

Este procedimiento económico permite un avance rápido de la perforación. El equipo necesario incluye un trípode con polea, barras de perforación, trépanos, una bomba con presión de 5 kg/cm2 y gasto mínimo de 45 lt/ min, un malacate con cables de acero de 500 kg y cabeza de fricción para cable manila y, de ser necesario un martinete de 140 kg y tramos de ademe. El tipo del trépano empleado depende del material con que se trabaja; generalmente, se emplea el trépano de punta en suelos suaves, el de tipo cincel para suelos duros, y el de cruz para gravas y cantos rodados. El trépano se pone en la parte inferior de las barras de perforación. Se inyecta agua a presión por las barras de perforación; el agua regresa por el espacio comprendido entre la tubería y las paredes del pozo, generalmente protegidas contra la erosión por un ademe. La acción combinada de percusión y de chiflón permite cortar el material que es llevado a la superficie por el flujo de perforación.

El ademe se hinca con un martinete conforme avanza la perforación si es metálico, ya que puede ser también lodo. Este método de perforación por lavado es el que se usa con más frecuencia en la exploración de suelos ya que el equipo empleado es ligero y puede transportarse a sitios de difícil acceso. Este proceso de perforación es aplicable en arenas con pocas gravas y en suelos cohesivos abajo del nivel freático.

Este método se combina con un muestreo intermitente con tubo partido o liso, mientras las características de la suspensión no cambien, es suficiente obtener una muestra cada 1.50 m aproximadamente, colocando el muestreador al extremo de la tubería en el lugar del trépano. Si se observa un cambio en la suspensión, debe procederse de inmediato a un nuevo muestreo.

Al detener las operaciones de perforación para un muestreo, debe permitirse que el agua alcance en el pozo su nivel de equilibrio, que corresponde al nivel piezométrico de la capa atravesada. La altura final debe registrarse cuidadosamente. La suspensión que sale del pozo se deja decantar en un recipiente en el que se puede analizar el sedimento. La muestra así obtenida no puede considerarse como representativa del material, pero permite observar las variaciones de la estratigrafía con la profundidad.

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I.2.2 Método de percusión con barretón

Este método consiste en levantar y dejar caer un barretón de 150 kg a razón de 30 golpes por minuto, aproximadamente. Se agrega agua a la perforación, la cual forma una suspensión con el material desprendido. La perforación se limpia por medio de una cuchara. Este procedimiento puede usarse como auxiliar de avance al encontrar capas de boleo o grava durante una perforación realizada por otro método.

I.2.3 Perforación a rotación en seco:

Consiste en perforar con barras helicoidales que transportan el material cortado a la superficie mediante la misma hélice. En suelos inestables, desde la superficie se pone lodo en pasta en las barras helicoidales y girando estas en sentido contrario se puede estabilizar la perforación ya que el lodo suministrado es lanzado por las barras y se adhiere a las paredes. La columna de barras helicoidales, formada por tramos que se unen con pasadores, lleva en la parte inferior un gavilán que permite cortar el material. Existe una variante de estas barras, que es el ademe espiral. Funciona de igual forma que las barras helicoidales pero la columna se forma con tubos que permiten introducir muestreadores como el penetrómetro estándar, el tubo Shelby o el tubo rotatorio dentado. Generalmente en la etapa de perforación, el ademe espiral lleva en el interior una varilla central que en su parte inferior tiene una cabeza de corte; al llegar a la profundidad de muestreo se retira la varilla y se introduce el muestreador. El ademe espiral puede usarse con otro procedimiento de operación que se describe en el método de perforación mixta. Para realizar la perforación se requiere una maquina perforadora para suelos que generalmente va montada en un camión.

Con el barreno helicoidal existen dos tipos de perforación: la intermitente y la continua. La primera consiste en hacer penetrar el barreno en el suelo, a poca profundidad, y sacarlo con el material adherido a la herramienta. Así se obtiene una muestra muy alterada del subsuelo, la cual se puede usar para fines de clasificación. El proceso se repite hasta alcanzar la profundidad deseada. Este método se emplea cuando se requieren pozos anchos, de escasa profundidad o para reconocimiento superficial. La perforación continua se emplea para realizar pozos de diámetro comprendido entre 5 y 30 cm hasta profundidades que pueden alcanzar 30 m. Con esta finalidad se emplean secciones de barrenos helicoidales, que se van uniendo hasta alcanzar la profundidad deseada. Este método presenta ventaja al no requerir lavado de de la perforación, lo que evita cambios en el contenido de agua de las muestras obtenidas arriba del nivel freático; debajo de este nivel puede usarse agua o lodo según sea la condición de estabilidad de las paredes. Para suministrar el fluido de perforación se utilizan bombas; para

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hacer una selección adecuada de estas se recomienda recurrir a las indicaciones del fabricante. Este método es aplicable a todo tipo de suelo; en los granulares se utilizan lodos densos.

I.2.4 Perforación mixta:

Consiste en perforar con el ademe helicoidal, ya descrito, arriba del nivel freático y luego usando el método de lavado o rotación, por debajo del nivel freático sin retirar el ademe helicoidal, es decir, introduciendo los tubos de perforación y la herramienta de corte, una vez que se ha sacado la varilla central con la cabeza de corte del ademe helicoidal. Si la parte de la excavación hecha con lavado o rotación es inestable, se baja el ademe espiral y se prosigue la perforación. Alcanzando el nivel de muestreo, se saca la herramienta de corte y se introduce en su lugar el muestreador adecuado. Este procedimiento de perforación es el más eficiente. Se requieren, para hacer la perforación, una maquina perforada para suelos y una bomba.

I.2.5 Perforación en rocas:

En la exploración geotécnica generalmente no se profundizan las perforaciones en roca o son de poco espesor, por tanto, es común realizar la perforación y muestreo simultáneamente usando barriles. Para realizar la perforación se requieren una bomba y una maquina de perforación cuya velocidad de rotación sea mayor que la de las usadas en suelos (500 a 3000 rpm.), barras de perforación y ademes.

REGISTRO DE EXPLORACIÓN PROFUNDA

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I.3 Muestreadores

La información proporcionada por las muestras alteradas, obtenidas durante la perforación, no es, generalmente, suficiente para el proyectista. Es preferible obtener muestra parcial o prácticamente inalteradas para conocer con precisión la estratigrafía del subsuelo y las propiedades de los distintos suelos que la componen. Para lograr este fin, se recurre a muestreadores profundos, de los cuales existe una extensa variedad.

Desde luego, de ningún modo y bajo ninguna circunstancia puede obtenerse una muestra de suelo que pueda ser rigurosamente inalterada; siempre será necesario extraer al suelo de un lugar con alguna herramienta que inevitablemente alterara las condiciones de esfuerzo en su alrededor; además, no se ha encontrado hasta hoy un método que proporcione a la muestra los mismos esfuerzos que tenia “in situ”, sobre todo en su cara superior e inferior.

Por lo anterior cuando se habla de muestra inalterada se debe entender en realidad un tipo de muestra obtenida por cierto procedimiento que trata de hacer mínimos los cambios en las condiciones de la muestra “in situ”, sin interpretar la palabra en su sentido literal.

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Tabla 2. Muestreadores profundos de uso más efectivo.

I.3.1 Tubo partido

Este muestreador es el de uso más extenso; sus características le permiten trabajar en una amplia variedad de suelos. El muestreador se constituye esencialmente, por dos partes de un tubo de acero cortado longitudinalmente y mantenidas en sus extremos por una cabeza y una zapata. Para unir el muestreador a las barras de perforación se usa la cabeza; la zapata de borde cortante facilita el hincado. La cabeza contiene un dispositivo obturador para evitar que la muestra se deslice cuando se recupera el muestreador.

Durante el muestreo, la muestra comprime el aire encerrado en el tubo, la presión levanta el obturador, y permite la salida del aire. Una vez terminado el muestreo, el obturador vuelve a sellar la salida, y el vacío que se genera en la parte superior del tubo se opone a todo movimiento de la muestra. Las dimensiones comerciales del tubo partido se dan a continuación:

Diámetroexterior

5.08 cm(2")

6.35 cm(2 1/2")

7.62 cm(3")

8.89 cm(3 1/2")

Diámetrointerior

3.81 cm(1 1/2")

5.08 cm(2")

6.35 cm(3 1/2")

7.62 cm(3")

MUESTREADOR

TIPO DEMUESTR

AMODO DE

OPERACIÓN TIPO DE SUELO

Tubo partido. Alterada. Percusión. Todos los suelos que no contengan mucha grava.

Tubo liso. Alterada. Percusión. Suelos finos.Tubo Shelby. Inalterad

a.Presión Arcillas y limos con poco

material granular.Tubo de pistón.

Inalterada.

Presión. Arcillas y limos con poco material granular.

Denison. * Rotación y presión.

Arcillas y limos sin grava abajo del N.A.F.

T.A.M.S. * Rotación y presión.

Arcillas y limos sin gravas.

Wire Line * Rotación y presión.

Todo tipo de material.

Barriles. Inalterada.

Rotación y presión.

Gravas con cantos rodados. Rocas.

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Para mantener la muestra en el tubo cuando el material es suelto, se puede agregar una trampa de hojas de lámina a la parte inferior del tubo, la cual no se opone a la entrada de la muestra, pero si a su salida. El muestreo con el tubo partido puede ser continuo o intermitente. El muestreador continuo es más seguro, y no requiere mucho más tiempo que el intermitente. Al hincar el tubo partido, se realiza la llamada “Prueba de Penetración Estándar”, la cual debe efectuarse con tubo partido estándar.

El tubo partido se hinca primeramente 15 cm en el fondo de la perforación, luego con un martinete que pese 63.5 kg (140 lb) que cae libremente de una altura de 76 cm (30”). Se cuenta el número de golpes necesarios para que penetre 30 cm más, los primeros 15 cm que se penetró no se consideran. El número de golpes permite estimar la compacidad de los estratos arenosos y burdamente, la resistencia a la compresión simple de las arcillas. Es común realizar esta prueba con un tubo partido de dimensiones diferentes de las del tubo partido estándar; los resultados pueden correlacionarse mediante la ecuación:

donde:B= Número de golpes equivalente a los del tubo estándarDe= Diámetro exteriorDi= Diámetro interiorP= Peso del martineteN= Número de golpes para 30 cm de penetración con el muestreador usado.E= Energía, Phh= Altura de caída del martinete.

De acuerdo con investigación, se dice que la cuenta de golpes en un terreno arenoso, uniforme y homogéneo, aumenta con la profundidad. En otras palabras, para hacer que penetre el tubo 30 cm en el terreno se necesita más energía a profundidad mayor que cerca de la superficie. En efecto, el ensaye de penetración es básicamente un ensaye de resistencia al esfuerzo cortante, y esta resistencia es un depósito de arena uniforme, depende del peso del recubrimiento o de la sobrecarga, es decir, de la profundidad desde la superficie.

La arena fina es generalmente un terreno excelente para cimentaciones si se evita que puedan fluir de debajo de la fundación o si es ligeramente cohesiva por estar mezclada con algo de arcilla. Sin embargo, la cuenta de golpes en este terreno puede ser baja. A veces por la proximidad del agua freática, se puede explicar un decrecimiento del número de golpes en un terreno aparentemente uniforme. Las arenas finas saturadas de agua pueden aparecer fluidas bajo los golpes del martinete.

Es práctica casi general introducir variantes en la prueba de penetración estándar. Muchos perforistas acostumbran contar el número de golpes

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necesarios para que el tubo penetre de 5 a 10 cm con el fin de observar las variaciones locales de resistencia del material. Si después de 50 golpes el tubo no ha penetrado completamente, se suspende la prueba y se anota la profundidad de penetración.

Después de cada avance de 30 cm se retira el muestreador y se remueve la muestra obtenida, la cual debe protegerse contra las pérdidas de humedad en un frasco hermético. En suelos arcillosos, las muestras conservan algunas de las características del suelo inalterado pero solo pueden usarse para clasificar el material y determinar sus propiedades índices. En suelos no cohesivos el material se compacta durante el hincado, y la compacidad relativa de la muestra no puede considerarse como representativa de la del suelo “in situ”. Este último dato puede estimarse a partir de la prueba de penetración estándar.

Resumiendo, una cuenta elevada de golpes indica buenas características para cimentación en terrenos con una estructura estable principalmente en arenas que sean gruesas. En terrenos de estructura alterable como arcillas, o limos, la cuenta de golpes indica solamente la resistencia al esfuerzo cortante en el momento en que se hizo el ensayo. Con todas sus incertidumbres, el ensayo de penetrabilidad da, de forma rápida y económica, una idea de las condiciones de un terreno para cimentación. Este ensayo se debería efectuar en toda clase de estudios para cimentaciones de suelos, excepto en los casos de terrenos de gravas muy gruesas, gravillas, o fluidos y otros semejantes.

I.3.2 Tubo Liso

Este muestreador es una variante del anterior; tiene las mismas dimensiones, pero es de una sola pieza, lo que lo hace más resistente. En su interior lleva una camisa de polietileno, dentro de la que queda alojada la muestra hasta llegar al laboratorio. Este muestreador es más eficiente en suelos arcillosos que el tradicional tubo con abertura lateral, pero ofrece dificultades de empleo cuando el suelo es muy compacto y contiene arenas o limos arenosos. Conviene observar que la funda de polietileno que protege la muestra no es suficientemente impermeable para impedir completamente la evaporación. Es conveniente no exponer la muestra al aire durante un tiempo excesivo.

I.3.3 Tubo de pared delgada Shelby

Los tubos de pared delgada entre los cuales los del tipo Shelby, que corresponden a una marca de tubos duros estirados sin costura, son los mas usados, permiten obtener muestras inalteradas en suelos blandos.

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Para un diámetro de muestra y un procedimiento de hincada dado, la alteración depende, esencialmente, de la relación de áreas definida en la forma siguiente:

donde:De: Diámetro exterior del tuboDi: Diámetro interior

Se procura que la relación permanezca entre el 10 y 15 % y que, al mismo tiempo, el espesor de las paredes del muestreador quede entre 3 y 4 % del diámetro exterior del tubo.

Antes de bajar el muestreador al pozo, este debe limpiarse del material residual de la perforación; las paredes deben encontrarse perfectamente estabilizadas, con lodo bentonítico y ademe. El muestreador debe hincarse a presión en forma continua, con una velocidad de penetración comprendida entre 15 y 30 cm/seg.

Antes de sacar el tubo del pozo, se hacen girar las barras de perforación para cortar el extremo inferior de la muestra. Se saca entonces el muestreador, se mide la recuperación obtenida, es decir, la relación entre la longitud de la muestra y la profundidad de penetración del muestredor, y se sellan los extremos del tubo con tapones de parafina.

Cada tubo se identifica con una etiqueta con los datos de localización del pozo, profundidad de muestreo, fecha, y toda aquella información que se considere conveniente agregar sobre la operación o el material.

Al realizar el muestreo en suelos muy blandos con alto contenido de agua, el muestreador debe dejarse en reposo durante algún tiempo para que aumente la adherencia entre el material y el tubo. En arenas, especialmente en las situadas bajo el nivel freático, es muy difícil lograr que la muestra permanezca en el muestreador, por lo que se tiene que recurrir a procedimientos más elaborados o a la información indirecta obtenida por la prueba de penetración estándar. A continuación se muestra una tabla con los tubos Shelby más empleados, los cuales se presentan en longitudes de hasta 30” (76.20 cm). Son muy comunes y cómodos los tubos de 3” (7.62 cm) de sección y de 36” (91.44 cm) de longitud, que permiten la extracción de muestras de 30” (76.20 cm).

Diámetro exterior.

6.35 cm(2 1/2")

7.62 cm(3")

8.89 cm(3")

10.16 cm(4")

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Diámetro interior.

6.03 cm(2 3/5")

7.30 cm (2" 7/8)

8.57 cm (3 3/8")

9.85 cm(3 7/8”)

Los tubos Shelby disponen, en su parte superior, de un sistema obturador similar al del tubo liso. Existe otro diseño, preferible, en el que el sistema obturador mencionado se ha cambiado por un pistón con asiento de hule que sella por el peso propio de la muestra y del tubo. El sello obtenido es muy efectivo. Es recomendable barnizar el interior de los tubos para permitir el almacenamiento prolongado de la muestra sin que se oxide el metal.

I.3.4 Muestreadores de Pistón:

Estos muestreadores son tubos cuyo extremo inferior puede cerrarse por medio de un pistón que se maneja desde la superficie por medio de un vástago. Así se puede clavar en el terreno el tubo con su extremo cerrado, hasta llagar a la profundidad deseada y evitar que el material se azolve entre el tubo antes de llegar al nivel de muestreo. Hay tres clases de muestreadores de pistón:

Estacionario: En este muestreador el vástago del pistón se sujeta al varillaje, de forma que el pistón quede enrasado con el borde cortante del mismo. El pistón llega en esta posición al nivel en que se va a tomar la muestra. En general este nivel es el fondo del revestimiento. Durante toda la toma de muestra el pistón permanece en dicho nivel, para lo que se desconecta el vástago del varillaje y se sujeta al revestimiento o a algún otro objeto fijo en la superficie del terreno. Cuando el tubo esta lleno. Se desconecta de nuevo el vástago y comienza el proceso de extracción hasta que se alcanza la posición. La posibilidad de un movimiento de descenso del tubo durante la extracción se elude por una abrazadera cónica especial.

La recuperación obtenida por este procedimiento está próxima al 100 %. El método presenta, sin embargo algunos inconvenientes, como el manejo de dos juegos de barras que representa una pérdida apreciable de tiempo. Otro inconveniente es que la muestra debe sacarse en el campo para que pueda volver a utilizar el muestreador. Esta última operación se realiza con la ayuda del pisón, e implica alteración de la muestra. Algunos

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muestreadores de pistón fijo llevan una camisa interior en la que queda alojada la muestra.

Una variante interesante de este instrumento es el llamado muestreador Sueco, en el que el Pistón se maneja por medio de un cable, lo que evita el doble juego de barras. Una hoja metálica cubre además, la muestra conforme va penetrando en el muestreador. Se puede obtener en esta forma, muestras muy largas y poco alteradas.

Tráctil: Este muestreador está constituido por un tubo donde se aloja un pistón; ambos se manejan con el mismo juego de barras. En este tipo de muestreador, el pistón se retrae antes de empezar el muestreo.

La forma de operar es la siguiente: Se baja el muestreador hasta el fondo de la perforación con el pistón obturando la entrada del tubo. Se hacen girar las barras hacia la izquierda, a fin de que se suelte el pistón que está fijando al tubo por una flecha con rosca izquierda. Se sube el pistón con las barras de perforación hasta su posición superior, donde se fija haciéndole girar nuevamente hacia la izquierda, sin llegar hasta el topo de la rosca para dejar abiertas las salidas del aire. Una vez girando el pistón, se hinca el tubo y se hacen girar nuevamente las barras hasta cerrar las salidas de aire, haciendo fallar, al mismo tiempo, la sección inferior de la muestra.

Los inconvenientes de este muestreador puede ser, que el tubo puede llenarse de agua al subir el pistón y, si las salidas se obstruyen, el aire a presión que permanece en el tubo puede dificultar el muestreo. A pesar de lo anterior, el pistón tráctil es uno de los más usados en suelos blandos, debido a su sencillez y fácil operación.

Libre: El muestreador de pistón libre, tiene un pistón que se mueve libremente con la parte superior de la muestra. El de pistón estacionario funciona como el de pistón libre si no se sujeta al revestimiento o a la superficie del terreno durante la hinchadura.

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I.3.5 Muestreador Denison:

En suelos duros, los tubos de pared delgada sencillos se doblan y alteran la zona en que se hincan. Se recurre entonces, a muestreadores mas elaborados. Generalmente el muestreador Denison se utiliza para desmenuzables, y también algunos tipos de arenas y limos cohesivos sobre todo si están sobre el nivel hidrostático.

La presencia de partículas duras, como gravas o fragmentos de roca puede estropear e incluso destruir una muestra de un terreno blando, ya que la corona los tritura contra la muestra al ir avanzando el sondeo. Este muestreador consta de sus tubos concéntricos, el exterior dispone de una zapata dentada que corta el material por rotación. El interior lleva, en su parte inferior, una zapata cortante que sobresale del tubo exterior y está montada en valeros, de tal forma que pueda permanecer fijo al girar el tubo exterior. Dentro del tubo interior, se aloja una camisa donde la muestra

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queda retenida. Una trampa de hojas metálicas dificulta la salida de la muestra una vez que se ha introducido. Opera de la siguiente forma: Se baja el muestreador al fondo de la perforación y se hinca a presión la zapata interior. En esta forma, se protege la muestra contra al erosión, y se evita que gire el tubo interior al hacerlo al exterior. Se da al tubo exterior una velocidad de rotación comprendida entre 50 y 200 rotaciones por minuto, la cual debe elegirse en función de los primeros resultados obtenidos.

Durante toda la operación se aplica presión vertical por medio de un sistema hidráulico y se hace circular agua o lodo de perforación. Una vez lleno el muestreador, se saca y extrae la muestra, y se procede en la forma indicada para tubos de pared delgada.

La distancia que guardan entre si los extremos de las zapatas interior y exterior tiene gran influencia sobre el grado de alteración de la muestra. Esta distancia debe poder modificarse; es importante, para ello, disponer de un juego de zapatas o de muestreador que cuente con un dispositivo de ajuste. En suelos blandos, la distancia debe ser máxima de 1 cm aproximadamente para sustraer la muestra a la erosión del fluido de perforación. En suelos muy duros, esta distancia puede ser nula e inclusive, puede convenir que la zapata interior sea más corta que la exterior. En suelos heterogéneos, se usa una variante del tubo Denison, conocida como “Pitcher Sampler”. Este muestreador lleva, en su parte superior, un resorte que ajusta la distancia arriba mencionada a la dureza del suelo. El empleo de agua o lodo para la perforación limita la aplicación de los tubos Denison al muestreador abajo del nivel freático.

I.3.6 Muestreador T.A.M.S.

El campo de aplicación de este muestreador son los suelos duros localizados arriba del nivel freático. Opera de manera similar a la del tubo denison; sin embargo, no se emplea fluido de perforación, pues el material cortado se elimina por medio d una espiral. Está constituido por dos tubos concéntricos, el interior tiene una zapata lisa, y está montado sobre valeros; el exterior lleva una espiral para desalojar el material cortado por un gavilán colocado en su extremo. La calidad de las muestras obtenidas, esta íntimamente ligada con las condiciones del subsuelo y la velocidad de rotación la cual queda comprendida, generalmente, entre 50 y 10 rpm, y debe fijarse experimentalmente para cada caso particular.

I.3.7 Wire Line

Hasta ahora ha sido esencialmente usado para sondeos petrolíferos, representa una solución práctica al problema de pérdidas de tiempo debidas a operaciones de montaje y desmontaje de las barras de perforación que

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deben realizarse para cada muestreo. El sistema consiste en emplear barras de perforación de gran diámetro que sirvan, al mismo tiempo, como ademe, y que permitan el paso de un muestreador o de una herramienta de ataque, según la operación que se desee realizar. Las barras de perforación pueden llevar una espiral exterior que permita trabajar en seco, arriba del nivel freático.I.3.8 Barriles

Las técnicas de muestreo en rocas se aplican también, en ocasiones, a suelos duros o gravosos. Se usan dos tipos de barriles, el sencillo y el doble. El segundo tipo conocido como barril “Swivel”, es el mejor que protege a la muestra. La herramienta de ataque es por lo general una broca circular cuyas características de dureza deben adaptarse a la roca muestreada. Es común que la broca se diseñe empíricamente para un tipo de roca dada.

I.4 Muestreo abajo del nivel freático Los materiales cohesivos colocados abajo del nivel freático pueden ser muestreados por los métodos antes descritos; las arenas y gravas son, por lo contrario, difíciles de muestrear y generalmente hay que recurrir a equipos complejos y costosos.

Los préstamos de grava y arena se encuentran con frecuencia en el lecho de un río, parcial o totalmente abajo del nivel freático. Para extraer muestras de dichos materiales, es necesario recurrir a cucharas de 60 a 90 cm de diámetro, operadas con equipo rotatorio de baja velocidad. Desgraciadamente los especimenes así obtenidos no son representativos del deposito, ya que se encuentran lavados de fracción fina. La estimación de la permeabilidad de los materiales así muestreados resulta errónea, lo que causa dificultades importantes durante la ejecución del trabajo. A poca profundidad, es posible obtener muestras de arena abajo del nivel freático, se toma la precaución de bajarlo localmente por medio de pozos de bombeo. El nivel del agua debe mantenerse un metro o dos abajo del fondo de la excavación.

El muestreo inalterado en arenas abajo del nivel freático puede hacerse empleando el muestreador “Bishop”, que da una cohesión aparente al material permitiendo el desarrollo de fuerza capilares en la muestra. En el pasado, también se ha recurrido a métodos de inyección de asfalto o de congelación. Los procedimientos son costosos; por lo tanto, en muchos problemas prácticos se recurre a métodos indirectos para estimar las propiedades de las arenas localizadas abajo del nivel freático. La prueba de penetración estándar y las de bombeo son las más usadas para este fin.

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