EXPLORACION Y MUESTRO DE SUELOS

En el diseño y la construcción de una edificación es necesario realizar la exploración del lugar seleccionado.

Del tamaño dependerá el programa de la exploración. Sin embargo siempre es necesario llevarla a cabo aun cuando la obra sea pequeña.

OBJETIVOS

Los objetivos de la exploración de campo son:

a) Evaluar la conveniencia general del lugar

b) Permitir la preparación de un diseño adecuado y económico.

c) Planear el método de construcción, predecir y contrarrestar las dificultades que pueden surgir durante la construcción.

d) Determinar las variaciones de las condiciones del terreno

ETAPAS

Las etapas de exploración de campo son:

a) Estudio de gabinete, es la reunión de información del lugar como mapas y dibujos.

b) Reconocimiento del lugar por geólogos, topógrafos, ingenieros de mecánica de suelos, hidrólogos, etc.

Se debe reunir información acerca de la topografía y geología básica

Se debe examinar las condiciones locales como: clima, corrientes de agua, condiciones de agua subterránea

Se debe realizar registros fotográficos.

c) Exploración detallada del sitio y muestreo: investigación de la geología en detalle y condiciones superficiales del suelo, usando pozos de prueba, galerías, perforaciones, ensayos de penetración, métodos geofísicos, estudios de las condiciones de agua subterránea (incluso después de terminar la obra); examen de las estructuras existentes y adyacentes para detectar grietas y asentamientos, localizados de estructuras subterráneas o cavidades, tubos enterrados, ductos de servicio, etc., toma de muestras para exámenes más detallados y ensayos de laboratorio.

d) Prueba de laboratorio con las muestras: ensayos con muestras alteradas y no alterada elegida por el grupo de exploración. Ensayos estándar de suelos para fines de clasificación y ensayos especiales para determinar su comportamiento mecánico de resistencia, compresibilidad y permeabilidad: resistencia al corte, consolidación, permeabilidad, etc.

e) Ensayos in situ: Ensayos llevados a cabo en el propio lugar, ya sea antes o durante el proceso de construcción; pruebas en el suelo talos como veleta de corte, penetración cónica de caña partida, pruebas de placa de cargas directa, pruebas de colapso, etc.

f) Reporte de resultados: detalles de estudio geológico, incluyendo estructuras, estratigrafía y mapeado, resultados de perforaciones, resultados de las pruebas de laboratorio, incluyendo los registros de excavaciones, referencias de muestras e interpretaciones estratigráficas, recomendaciones para investigación complementarias y ensayos adicionales, sistemas de monitoreo de la construcción y de la post-construcción.

POZOS DE PRUEBAS O CALICATAS

En los suelos cohesivos y rocas blandas por encima del nivel freático, las calicatas suelen ser preferibles a las perforaciones, se logran con facilidad con una excavadora mecánica o incluso a mano y tienen la ventaja de que exponen la sucesión de estratos para facilitar su inspección visual.

La principal desventaja es que están limitados a profundidades de 2m a 3m, o quizás un poco mas con excavación manual adicional.

Las paredes laterales de los pozos deben soportarse de manera adecuada, aun cuando solo vayan a quedar abiertas por periodos cortos, también puede ser necesario instalar algún equipo de bombeo de agua, en especial cuando se trata de rocas y suelos permeables. Las muestras pueden tomarse manualmente del fondo y de las paredes laterales del foso. Los pozos de prueba resultan muy útiles en los suelos que contienen cantos o guijarros, para observaciones del agua subterránea.

Pozos de Prueba o calicatas

POSTEADORAS MANUALES

El barreador manual (posteadora o Iwan Auger) es una herramienta manual muy simple que se usa para perforaciones o sondajes en suelos blandos hasta una profundidad de 5m a 6m.

La forma usual es un barrenador semicilíndrica de 10cm de diámetro, unido por medio de una serie de varillas de extensión de 1m a un mango en forma de cruceta que se hace girar manualmente desde la superficie.

Las cucharas acopladas en el extremo para extraer muestras tienen diseño especial cuando se trate de suelos puramente cohesivos (arcillas) o friccionantes (arenas).

PRUEBA DE PENETRACION ESTANDAR (SPT) ASTM -1586

El ensayo de Penetración Estándar (S.P.T.) consiste en contabilizar el N (Número de golpes) necesarios para ser penetrar un tubo o cuchara de caña partida de f = 2” de diámetro interior en un total de 45 cm, utilizando un martillo de 140 lb de peso, dejado caer desde 30” (0.76 cm de altura). El valor de N de ensayo de penetración, corresponde para los 30 últimos centímetros de penetración.

A partir de los resultados del ensayo SPT se pueden obtener parámetros de resistencia cortante para suelos arcillosos saturados y arenas utilizando correlaciones empíricas

PERFORACION MEDIANTE LAVADO

Un método alternativo son las denominadas perforaciones mediante lavado denominados «wash boring» utilizados en Norteamérica. Sin embargo el grado de disturbancia es mayor.

En este sistema la perforación se conecta una pequeña bomba de agua que inyecta un chorro continuo de agua a las varillas de extensión que son huecas y acaba en taladro, puntero o cincel con orificios laterales por donde el agua sale a presión. Conforme se va percutando o rotando contra el fondo de la perforación el agua a presión va lavando y expulsando las partículas de suelo.

Los suelos finos con baja humedad sufren mayores alteraciones sobre todo en suelos de estructura porosa y colapsable. En suelos arenosos con gravas, existe posibilidad que las gravas no pueden ser extraídas mediante flujo de agua y distorsionen los resultados de los ensayos de penetración.

Equipo Wash Boring

PERFORACION ROTATORIA DIAMANTINA

En suelos duros y rocas se usan perforados con broca de corona con incrustaciones de diamante amorfo accionada a motor que consiste en una barra hueca de diámetro pequeño que cuenta con una broca por su extremo inferior.

La barra gira a velocidad que van de 600 a 1200 rpm haciendo circular agua a presión controlada a través de la broca. Los fragmentos desprendidos por el corte anular se transportan hasta la superficie junto con el agua de circulación.

Por lo general, se lleva a cabo una corrida de perforación de 1m a 3m antes de elevar la sarta y extraer la muestra. Los tamaños comunes más usuales para los barriles muestreadores de campo varían entre 3cm y 10cm, aunque es posible contar con equipos de mayor diámetro para usos especiales.

ENSAYOS DE PENETRACION LIGERA DE CONO, SPL o DPL

Se utiliza el Cono Ligero Alemán de acuerdo a la Norma DIN 4094 incorporada en la Norma Técnica E0.50 de Suelos y Cimentaciones por el Ministerio de Transportes, Comunicaciones, Vivienda y Construcción. Dado que el Cono Alemán transmite la misma cantidad de energía especifica que el Ensayo de Penetración Estándar SPT Norma ASTM 1586 según la Norma DIN no es necesario utilizar correlaciones para la interpretación de los resultados.

El equipo de cono ligero consiste de un cono de punta cónica de 90º y 2.20cm de diámetro.

EL martillo pesa 10kg y la altura de caída es de 50cm

El valor Npsl corresponde al número de golpes para conseguir 10cm de penetración.

El ensayo es continuo y se registra valores cada 10cm.

Por la cantidad de datos de la resistencia a la penetración este ensayo es muy recomendado en cimentaciones.

La principal limitación del ensayo es la presencia de gravas en el subsuelo que alteran los resultados o en el peor de los casos impide el ensayo.

PRUEBA DE VELETA DE CORTE

Con mucha frecuencia los limos y las arcillas blandas y de consistencia media en condición saturada, en especial las de origen aluvial o de aguas poco profundas presentan grandes dificultades para el muestreo debido a la baja consistencia. La prueba de veleta de corte diseñada solamente para medir la resistencia cortante «in situ» no drenado, cuando el suelo esta saturado.

Una veleta de cuatro aspas montada en el extremo de una varilla, se hinca en el suelo y se hace girar a una velocidad constante de entre 6 y 12 grados/min hasta que se produce el corte del cilindro de suelo contenido en las aspas. Se registra la torsión máxima necesaria para permitir el corte rápido (medición de la resistencia en la condición «no drenada»)

Se recomienda que para suelos blandos (Cu < 0.50 kg/cm2), el tamaño del aspa sea de 7.50cm de ancho y 15cm de longitud. Para suelos un poco más resistentes (0.50 < Cu < 1.0 kg/cm2) el tamaño debe ser de 5 x 10cm.

La varilla de la veleta y las extensiones se protegen con una camisa para evitar que se adhiera el suelo durante la aplicación de la torsión. Dependiendo de la naturaleza del suelo, las pruebas de veleta pueden efectuarse a profundidades hasta de 60m a 70m.

ENSAYO DE REFRACCION SISMICA

Cuando es necesario investigar la disposición de la estratigrafía de manera preliminar o complementaria los ensayos de refracción sísmica constituyen un medio rápido y económico.

El ensayo consiste en medir mediante una serie de geófonos, la propagación de las ondas de corte, Vs generadas por una pequeña explosión o golpe de martillo.

Los suelos presentan diferentes valores de velocidades de ondas de corte y mediante correlaciones se determinan el tipo de suelos y la estratigrafía del subsuelo.

NUMERO, TIPO Y PROFUNDIDAD DE LOS SONDEOS.

El número, tipo y profundidad de los sondeos que deban ejecutarse en un programa de exploración de suelos depende fundamentalmente del tipo de subsuelo y de la importancia de la obra. En ocasiones, se cuenta con estudios anteriores cercanos al lugar, que permite tener una idea siquiera aproximada de las condiciones del subsuelo y este conocimiento permite fijar el programa de exploración con mayor seguridad y eficacia. Otras veces, ese conocimiento apriorístico indispensable sobre las condiciones predominantes en el subsuelo ha de ser adquirido con los sondeos de tipo preliminar. El número de estos sondeos exploratorios será el suficiente para dar precisamente ese conocimiento.

En obras chicas posiblemente tales sondeos tendrán carácter definitivo, por lo que es conveniente realizarlos por los procedimientos más informativos, tales como la prueba de penetración estándar, por ejemplo: Un punto que requiere especial cuidado es la determinación de la profundidad a que debe llevarse la exploración del suelo. Este aspecto fundamental, cuyas repercusiones pueden dejarse sentir en todas las fases del éxito o fracaso de una obra ingenieril, tanto técnicas como económicas, está también principalmente definido por las funciones e importancia de la obra y la naturaleza del subsuelo. En general, los puntos básicos que la mecánica de suelos debe cuidar en un caso dado se refieren a la posibilidad y cálculo de asentamientos y a determinaciones de resistencia de los suelos.

Para fines de cimentación, ha sido frecuente la recomendación práctica de explorar una profundidad comprendida entre 1,5B y 3B, siendo B el ancho de la estructura por cimentar.Generalmente es suficiente detener la exploración al llegar a la roca basal, si ésta aparece en la profundidad estudiada; sin embargo, en casos especiales se hará necesario continuar el sondeo dentro de la roca por métodos rotatorios; por ejemplo, en cimentaciones de presas sería necesario verificar que la roca no presente condiciones peligrosas desde el punto de vista de infiltraciones de agua.