ACADEMIA DE MECÁNICA DE SUELOS TV UNIDAD V EXPLORACIÓN Y MUESTREO DEL SUBSUELO

Apuntes de Mecánica de Suelos I Ing. Miguel Castillo Cruz

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I N S T I T U T O P O L I T É C N I C O N A C I O N A L

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA

INGENIERÍA CIVIL

ACADEMIA DE MECÁNICA DE SUELOS TV

MECÁNICA DE SUELOS I

GEOIV2304

UNIDAD V EXPLORACIÓN Y MUESTREO

DEL SUBSUELO

APUNTES DE CLASE

CUARTO SEMESTRE

ING. MIGUEL CASTILLO CRUZ

FEBRERO DE 2016


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UNIDAD 5 EXPLORACIÓN Y MUESTREO DEL SUBSUELO.

Objetivo Particular de la Unidad El alumno obtendrá a partir de los datos de campo y mediante correlaciones las propiedades índice y mecánicas del material.

Introducción Los trabajos de campo constituyen el inicio de todo estudio geotécnico en el cual se requiere

conocer la estratigrafía y las propiedades mecánicas de los suelos y rocas del sitio. Este

conocimiento se obtiene mediante trabajos de exploración geológica superficial

complementados por la obtención de muestras representativas de los diferentes estratos

de suelos y rocas que forman el subsuelo del lugar.

Debe entenderse que el concepto de calidad de la información geotécnica de campo

comprende no solamente la confiabilidad de los datos obtenidos, sino también la amplitud

y profundidad del estudio, que deben ser suficientes para definir con claridad los problemas

a resolver y para cuantificar, con precisión adecuada, las alternativas de soluciones

prácticas aplicables a cada problema identificado en el estudio.

El profesor Arthur Casagrande dijo una vez “La calidad de las conclusiones prácticas

de un estudio geotécnico no podrá ser nunca mejor que la calidad de las muestras

de suelos o rocas y de la información obtenida de los estudios de campo en que se

basa”.

Con trabajos de campo de calidad se logrará la inspección y clasificación de las muestras

para definir la secuencia que guardan dichos estratos y su espesor (estratigrafía). El análisis

cualitativo y cuantitativo de las muestras en el laboratorio, suministra la información

necesaria para definir las propiedades índice: granulometría, plasticidad, contenido de

humedad, densidad de sólidos, peso volumétrico natural, etc; así como las propiedades

mecánicas: resistencia al corte, compresibilidad y permeabilidad de cada estrato. En

conjunto, esta información constituye la base de los análisis geotécnicos que fundamentan

las decisiones prácticas del ingeniero para el diseño geotécnico.

Generalmente, el monto de los estudios de campo representa una proporción importante

del costo total de un estudio geotécnico y, lógicamente, es la primera en ser sacrificada en

aras de una oferta más atractiva. Esta natural actitud conduce, frecuentemente, a una

información geotécnica inadecuada e insuficiente y, por lo tanto, a un inevitable sacrificio

de la calidad de las conclusiones prácticas del estudio, que se traduce, finalmente, en

soluciones de diseño y construcción conservadoras, en el mejor de los casos, o inseguras

en el peor, pero que en cualquiera de los casos implican para la obra un costo adicional

escondido, a menudo muchas veces mayor que el ahorro obtenido en un estudio geotécnico

inadecuado e insuficiente.


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Esto implica, necesariamente, que se realice una cantidad mínima indispensable de

información pertinente y detallada de alta confiabilidad, lo que conlleva la necesidad de que

los trabajos de muestreo sean siempre realizados por personal competente y bajo la

supervisión responsable de un Ingeniero Geotécnico. El Reglamento de Construcciones del

Distrito Federal fija los criterios para realizar las investigaciones mínimas del subsuelo.

5.1.- Datos para realizar la exploración del suelo En el capítulo 2.3 Exploraciones del Reglamento de Construcciones del Distrito Federal (RCDF) señala que las investigaciones mínimas del subsuelo a realizar serán las que se indican en la tabla 2.1.


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No obstante, no es limitativa y no libera al Director Responsable de Obra de la obligación de realizar todos los estudios adicionales necesarios para definir adecuadamente las condiciones del subsuelo. En el caso de problemas especiales, y especialmente en terrenos afectados por irregularidades, los trabajos de campo deberán ser muy superiores a los indicados en la tabla 2.1. El RCDF señala que los datos principales para programar una exploración de campo son:

El peso unitario de la estructura a desplantar W, que se entiende como la suma de la carga muerta y de la carga viva con intensidad media al nivel de apoyo de la subestructura dividida entre el área de la proyección en planta de dicha subestructura. Para el caso de edificios formados por cuerpos con estructuras desligadas, cada cuerpo deberá considerarse separadamente.

El perímetro P o envolvente de mínima extensión de la superficie cubierta por la construcción.

A partir de ello, especifica que el número mínimo de exploraciones será de 1 por cada 80 m del perímetro de la construcción para las zonas I y II; y, 1 por cada 120 m de dicho perímetro en la zona III. La profundidad de las exploraciones dependerá del tipo de cimentación y de las condiciones del subsuelo pero no será inferior a 2 m bajo el nivel de desplante de la cimentación. Los sondeos que se realicen en las zonas II y III con el propósito de explorar el espesor de los materiales compresibles deberán, además, penetrar en el estrato incompresible al


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menos 3 m y, en su caso, en las capas compresibles subyacentes si se pretende apoyar pilotes o pilas en dicho estrato duro. En edificios formados por cuerpos con estructuras desligadas, y en particular en unidades habitacionales, deberán realizarse exploraciones suficientemente profundas para poder estimar los asentamientos inducidos por la carga combinada del conjunto de las estructuras individuales.

5.2.- Métodos de exploración. Mediante la exploración se deben obtener resultados confiables con un mínimo de costo y tiempo. La confiabilidad del estudio geotécnico depende de los trabajos de exploración, por lo tanto deben realizarse en forma cuidadosa, siguiendo métodos y normas establecidas. En geotecnia los métodos de exploración se dividen en indirectos (geofísicos), semidirectos y directos (sondeos).

5.2.1. Indirectos o Prospección Geofísica Los métodos geofísicos son métodos de exploración que se realizan utilizando fenómenos físicos, tales como la gravedad de la Tierra, ondas sísmicas, resistividad y el magnetismo de la Tierra. Con estos métodos de exploración se realizan mediciones indirectamente de propiedades físicas de los suelos y rocas. Los principales métodos geofísicos son los siguientes:

1. Geosísmico 2. Geoeléctrico. 3. Gravimétrico. 4. Magnetométrico.

5.2.2. Semidirectos Consisten en realizar pruebas de campo para estimar las propiedades físicas y mecánicas de los suelos, a partir de correlaciones empíricas. En algunas técnicas de exploración de este método es factible la recuperación de muestras alteradas representativas. Los principales métodos de exploración semidirectos son:

1. Ensaye de penetración estándar (SPT). 2. Método del cono estático. 3. Método del cono dinámico.

5.2.3. Directos con muestreo En estos métodos de exploración se obtienen muestras alteradas e inalteradas que sirven para conocer las propiedades índice, mecánicas e hidráulicas de los suelos principalmente, mediante pruebas especiales de laboratorio. Entre los métodos directos se cuenta con:


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1. Excavación de pozos a cielo abierto. 2. Perforaciones con posteadora, barrenos helicoidales o métodos similares. 3. Ensaye de penetración estándar SPT. 4. Ensaye en tubo de pared delgada Shelby. 5. Ensaye en tubo dentado. 6. Ensaye con barril Denison. 7. Métodos rotatorios para roca.

Tipos de Muestreo Muestreo en pozos a cielo abierto.- Se pueden obtener muestras alteradas e inalteradas

de los diferentes estratos que se hayan encontrado. Las muestras alteradas son simplemente porciones de suelo que se protegerán contra pérdidas de humedad introduciéndolas en frascos o bolsas de polietileno debidamente identificadas. Las muestras inalteradas deberán extraerse con precauciones, generalmente labrando la muestra en una oquedad que se practique en la pared o labrándola en el piso. Igualmente, la muestra debe protegerse contra pérdida de humedad envolviéndola en una o dos capas de manta de cielo cubierta con brea y parafina.


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Muestreo con posteadora, barrenos helicoidales o métodos similares.- En estos

sondeos exploratorios la muestra de suelo obtenida es completamente alterada y deberá tenerse los cuidados contra pérdida de humedad similares al caso anterior.

Muestreo durante el ensaye de penetración estándar.- Este procedimiento permite

obtener muestras alteradas de suelo a profundidades importantes en tramos de 60 cm, ya que utiliza un muestreador especial o penetrómetro de media caña.

Muestreo con tubo de pared delgada Shelby.- Para recuperar muestras “inalteradas” de

las perforaciones en suelos blandos se utilizan muestreadores de pared delgada, constituidos por un tubo de acero o latón de 1 m de longitud con diámetros comunes de 7.5 a 10 cm, con el extremo inferior afilado que se hinca una longitud de 75 cm, con una velocidad constante entre 15 y 30 cm/seg; se debe permitir que una longitud de 15 cm quede sin muestra, donde se alojarán los azolves. Después del hincado se deja reposar la muestra durante 3 minutos para generar mayor adherencia entre tubo y suelo.

Muestreo con tubo dentado.- En suelos duros y compactos se utiliza el tubo dentado para

obtener muestras con un mínimo de alteración. El tubo muestreador es similar al tubo de pared delgada, excepto que en la parte inferior tiene 8 dientes de corte, dispuestos simétricamente, que miden entre 0.8 y 1.0 cm de altura y 3 cm de base. Su velocidad de hincado es de 1.0 cm/s.

Muestreo con barril Denison.- Este muestreador opera a rotación y presión, permite

recuperar muestras con poca alteración en arcillas duras, limos compactos y limos cementados con pocas gravas, abajo del nivel freático; las muestras recuperadas son de 7.5 y 10 cm de diámetro. El barril Denison es el mejor muestreador para las tobas duras, si se muestrea arriba del nivel freático se utiliza aire como fluido de perforación.

Muestreo en suelos muy duros y rocas.- El muestreo en este tipo de materiales se realiza

con barriles muestreadores, cuyos diámetros varían entre 22 mm (EX) y 54 mm (NX); las brocas tienen insertos de carburo de tugsteno o diamante. Estos barriles pueden ser sencillos, rígidos o doble giratorio. Se recomienda utilizar diámetros NX, NQ para obtener muestras de buena calidad.


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5.3. Programa de exploración del subsuelo El programa de exploración geotécnica deberá proporcionar información sobre las condiciones estratigráficas del sitio en estudio, las condiciones de presión del agua del subsuelo y las propiedades mecánicas de los suelos (resistencia, compresibilidad y permeabilidad), a fin de facilitar el diseño racional de la cimentación de estructuras y la selección del método constructivo adecuado para su ejecución, como se ilustra en la siguiente figura.

Objetivos de la exploración

Etapas de Exploración Geotécnica.- El programa de exploración geotécnica del sitio

donde se construirá una estructura consta de tres etapas:

1. Investigación preliminar.- Deberá permitir una interpretación preliminar de los problemas geotécnicos del sitio;

2. Recopilación de la información disponible.- Lo que servirá para fundamentar la tercera etapa;

3. Investigación de detalle.- que incluye la realización de sondeos y pruebas de campo.

En la siguiente figura se ilustra esquemáticamente el programa de exploración.


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Etapas del programa de exploración geotécnica

Investigación preliminar.- El objetivo de esta etapa de la exploración es el de recopilar

la información geotécnica que exista de un sitio; la información a recopilar es:

1. Origen y clasificación geológica de suelos y rocas. 2. Secuencia de los estratos o capas de suelo o roca (estratigrafía). 3. Clasificación geotécnica de los materiales de cada estrato. 4. Estructura y consistencia natural de los materiales de cada estrato. 5. Posición del nivel freático.


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La información obtenida es la base para realizar una interpretación preliminar de los problemas que podrían presentarse en la cimentación de una estructura de características y requerimientos conocidos, y a partir de ello, plantear alternativas preliminares del diseño y construcción de la cimentación. Esta investigación se divide en 4 pasos:

Recopilación Bibliográfica de la información geológica y geotécnica existente del sitio en estudio, planos topográficos y planos del proyecto preliminar.- Las

instituciones mexicanas que publican y distribuyen información geotécnica son las siguientes:

Sociedad Mexicana de Ingeniería Geotécnica (SMIG).

Instituto Nacional de Estadística, Geografía e Informática (INEGI).

Escuela Superior de Ingeniería y Arquitectura (ESIA)

Institutos Tecnológicos Federales y Descentralizados.

Instituto de Ingeniería de la UNAM.

Instituto de Geología de la UNAM.

Instituto de Geografía de la UNAM

Interpretación de Fotografías Aéreas.- La interpretación geológica de las fotografías

aéreas de un sitio, realizada por un ingeniero geólogo entrenado para ello, permite identificar de manera preliminar las características geológicas del sitio, tales como fallas y fracturas y los fenómenos geodinámicos relacionados con zonas de taludes inestables y zonas erosionables. Con respecto a los suelos, se pueden identificar las características probables de los suelos superficiales e inferir las del subsuelo, así como definir posibles bancos de préstamo.

Recorrido de campo.- El recorrido de campo lo debe de realizar un ingeniero especialista

en geotecnia, acompañado de un ingeniero geólogo; los objetivos serán:

Verificar y ampliar la información preliminar disponible.

Comprobar la interpretación fotogeológica antes descrita, además de identificar y clasificar los suelos superficiales.

Visitar las estructuras construidas en la zona e indagar sobre su comportamiento, así como la presencia de instalaciones públicas que pudieran interferir con la exploración y con la construcción.

Obtener información adicional que permita programar la investigación de detalle.

Planteamiento del programa de trabajos de campo.- Para definir:

La estratigrafía general del sitio. La clasificación geológica y geotécnica de cada estrato de suelo o de roca. En los depósitos de suelo, la compacidad o la consistencia natural de cada estrato. En las rocas, las características de las discontinuidades naturales relativas a

orientación e inclinación de planos de estratificación o de flujo; orientación e inclinación de planos de fisuramiento; apertura de las fisuras y dimensiones de los bloques de roca; presencia de fallas geológicas, de zonas de contacto entre formaciones rocosas, de zonas de alteración de las rocas y de cavernas naturales o artificiales.


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Investigación geotécnica de detalle.- El ingeniero especialista en geotecnia deberá

formular el programa de la investigación de detalle, para lo cual deberá considerar las técnicas de exploración y fundamentar su propuesta en la información de la investigación preliminar. A continuación se describen los trabajos de campo a desarrollar:

Levantamiento Geológico.- Excepcionalmente se realiza este tipo de levantamiento, ya

que usualmente la geología de la región donde se construirá la estructura ha sido estudiada anteriormente o se considera que el recorrido de campo en la etapa de investigación preliminar proporciona la información geológica necesaria y suficiente para el diseño de la cimentación de una estructura. En caso de que se trate de la cimentación de estructuras muy importantes o de desarrollos industriales localizados en áreas poco estudiadas, se justifica realizar el levantamiento geológico de la zona, cuyos objetivos se ilustran gráficamente a continuación:


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Exploración geofísica.- Los métodos de exploración geofísica aplicables en geotecnia se

basan en la medición de la variación de la velocidad de propagación de ondas sísmicas o de la resistividad eléctrica de los suelos, y mediante su interpretación y correlaciones se deducen las características estratigráficas, posición del nivel freático y posibles tipos y propiedades de suelos y rocas. Estos métodos se utilizan para obtener información preliminar del subsuelo para complementar la información geológica y para reducir el número de sondeos. Entre los métodos aplicables se encuentran:

a) Método Geosísmico de refracción total. b) Método de Resistividad Eléctrica c) Método con Radar

Exploración, muestreo y pruebas de campo.-

5.4. Tipo y uso de muestras 5.5. Presentación de resultados de la exploración y muestreo e interpretación

estratigráfica.

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