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Capítulo II - Exploración en Campo de Los Suelos
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MECANICA DE SUELOS
“EXPLORACION EN CAMPO DE LOS SUELOS”
Que presenta el Ingeniero CivilMS.c. CORONADO ZULOETA OMAR
CAPITULO II
ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL
RECONOCIMIENTO DEL TERRENO
CONTENIDO
1.- Introducción2.- Técnicas de Exploración de Suelos3.- Definición de Calicatas4.- Perforaciones Profundas5.- Toma de Muestras – Uso de Posteadora6.- Muestreo de los Suelos7.- Perfil Estratigráfico
INTRODUCCIÓN
Lo primero que hay que consignar en la obtención de una muestra es que ésta sea representativa del terreno. Un muestreo adecuado y representativo es de primordial importancia, pues tiene el mismo valor que el de los ensayos en sí. A menos que la muestra obtenida sea verdaderamente representativa de los materiales que se pretende usar, cualquier análisis de la muestra solo será aplicable a la propia muestra y no al material del cual procede, de ahí la necesidad de que el muestreo sea efectuado por personal conocedor de su trabajo.
PROPOSITO DE LA EXPLORACIÓN DEL SUELO
Seleccionar el tipo y profundidad de cimentación Evaluar la capacidad de carga de cimentación Estimar el asentamiento Detectar problemas Determinar la localización del N.F Predecir el empuje lateral Establecer métodos construcción
Programa de Exploración de Subsuelo
Recolección de Inf. Preliminar
Recolección de Inf. Preliminar ReconocimientoReconocimiento Investigación del
sitio
Investigación del sitio
- Mapas de levanta mientos geológicos- Reportes de Suelos- Mapas agronómicos- Información Hidrológica.-Manuales sobre suelos
- Mapas de levanta mientos geológicos- Reportes de Suelos- Mapas agronómicos- Información Hidrológica.-Manuales sobre suelos
-Topografía- Estratificación- Tipo de vegetación- Huellas de Niveles altos de agua- Niveles de agua Freática - Tipos de construcciones
-Topografía- Estratificación- Tipo de vegetación- Huellas de Niveles altos de agua- Niveles de agua Freática - Tipos de construcciones
PERFORACIONES
SUPERFICIALES Calicatas Y Zanjones PROFUNDAS
Muestreadores Tubulares abiertos, de testigo de corona y sondeos de penetración
Muestra perturbadas Se obtienen en general de las paredes de los pozos y
comprometen estratos determinados o bien la suma de algunos de ellos, como es el caso de la investigación de yacimientos. Estas muestras deben guardarse en bolsas impermeables y de resistencia adecuada. Cada bolsa debe identificarse clara e indeleblemente.
Muestras en bolsas: Las muestras en bolsas se toman con pala, barreta o cualquier otra herramienta de mano conveniente y se colocan en bolsas sin tratar de mantener al suelo en forma inalterada, estas muestras se usan para:
Análisis granulométrico. Ensayos de plasticidad. Ensayos de compactación – humedad óptima. Ensayos de compactación CBR en laboratorio.
Muestra sin perturbar Este tipo de muestra se recorta de las paredes de los pozos y
compromete estratos bien definidos. Después de cortadas deben revestirse con una capa de parafina sólida aplicada con brocha.
Es conveniente agregar alrededor de un 30% de cera virgen a la parafina sólida con el fin de que la capa protectora sea menos rígida. Si la consistencia de la muestra es relativamente blanda, debe rodearse de grasa y recubrir una vez mas con parafina sólida y cera. Una vez dado el tratamiento anterior, debe colocarse en cajas de madera con aserrín u otro producto que actúe como amortiguador de golpes.
Las muestras sin perturbar deberán tomarse apenas excavadas las calicatas, en especial cuando se trate de suelos cuya estructura se ve afectada por los cambios de humedad. En todo caso, al tomar una muestra no perturbada, debe elegirse la pared de la calicata menos expuesta al sol y debe excavarse el espesor superficial que haya sido afectado por los cambios de humedad.
TECNICAS DE EXPLORACION DE SUELOS
METODOS INDIRECTOS
DEFINICIÓN DE CALICATAS
Las calicatas permiten la inspección directa del suelo que se desea estudiar y, por lo tanto, es el método de exploración que normalmente entrega la información más confiable y completa. En suelos con grava, la calicata es el único medio de exploración que puede entregar información confiable, y es un medio muy efectivo para exploración y muestreo de suelos de fundación y materiales de construcción a un costo relativamente bajo.
CALICATAS
CALICATAS
- Excavación manual con pico y lampa
- Excavación con equipo mecánico
Desventaja:
- Profundidad limitada
- Paredes inestables ante la presencia de agua
Ventaja:
- Extracción de muestras disturbadas e inalteradas
- Visualización directa de la estratigrafía
CALICATAS
POSTEADORA
- Posteadora manual
- Posteadora mecánica
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
POSTEADORA
10 cm
Extensión
POSTEADORO 3" - 8"
Post hole Digger
O 2" - 3 1/2" O 2" - 3 1/2" O 2" - 5 1/2"
Sondaje por Percusión Eficiente en suelos
granulares medios a finos y menos en suelos blandos
libres de piedras o rocas. El método consiste en
introducir mediante un martinete, un conjunto de barras con un muestreador en la punta
Se obtienen muestras o testigos alterados
La obtención de muestras inalteradas es con muestreadores cilíndricos del tipo Shelby
Sondaje por Rotación Utilizado en rocas y suelos duros Obtiene muestras inalteradas,
mediante rotación, empuje vertical y lavado.
El muestreador emplea en la punta, un material más duro que el que se quiere penetrar, del tipo corona diamantada.
Necesidad de un líquido lubricante, agua a presión controlada
La calidad de la roca se puede medir relacionando el n de trozos menores de 10 cm, con el largo total: Indice de Recuperación o RQD
EXPLORACIÓNEXPLORACIÓNGEOFÍSICAGEOFÍSICA
GRAVIMÉTRICOGRAVIMÉTRICO
MAGNETOMÉTRICOMAGNETOMÉTRICO
SISMOLÓGICOSISMOLÓGICO
ELÉCTRICOELÉCTRICO
GEOTÉRMICOGEOTÉRMICO
RADIOACTIVORADIOACTIVO
DIRECTA
REFLEJADA
V1
V2
i r
REFRACTADA
icic
REFLEXIÓN SÍSMICA
REFRACCIÓN SÍSMICA
Métodos Geofísicos SísmicosMétodos Geofísicos Sísmicos
Ensayos de Reflexión y Refracción SísmicaEnsayos de Reflexión y Refracción Sísmica
Ensayos downhole, uphole y crossholeEnsayos downhole, uphole y crosshole
Ensayos de vibración superficial (ondas Rayleigh)Ensayos de vibración superficial (ondas Rayleigh)
Ensayo con el Cono SísmicoEnsayo con el Cono Sísmico
Ensayo con la Sonda de SuspensiónEnsayo con la Sonda de Suspensión
Medición de MicrotrepidacionesMedición de Microtrepidaciones
MÉTODO DE REFRACCIÓNMÉTODO DE REFRACCIÓNSÍSMICASÍSMICA
ENSAYO DE REFRACCIÓN SÍSMICAENSAYO DE REFRACCIÓN SÍSMICA
• Determinación de Perfiles Sísmicos del SubsueloDeterminación de Perfiles Sísmicos del Subsuelo
• Medición de Velocidades de Propagación de las Medición de Velocidades de Propagación de las
Ondas P y en algunos casos de las Ondas S.Ondas P y en algunos casos de las Ondas S.
• Determinación de los Parámetros Dinámicos del SueloDeterminación de los Parámetros Dinámicos del Suelo
Ensayo de refracción sísmica
Unidad de Adquisición y Procesamiento de Datos (Ensamblado final)
Geófono vertical y cable conductor de señales para realizar ensayos de refracción sísmica y ensayos en pozo abierto de poca profundidad
FUNDAMENTOFUNDAMENTOTEÓRICOTEÓRICO
Disparo
Frente deOndas
t1t2
t3t4
t5t6t7t8
Xc
Posiciones del Frente de Ondas en un Medio de Dos Estratos a tiempos t1, t2,...
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.
Refracción de Trayectoria de los Rayos a Través de una Frontera entre Dos Medios Elásticos
Estrato 1
Velocidad = V1
Velocidad = V2
Estrato 2
Angulo Críticode Incidencia
r
Fuente
90°
i
sen i V1sen r V2
=
DIRECTA
REFLEJADA
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
PROCEDIMIENTOPROCEDIMIENTODEL DEL
ENSAYOENSAYO
ENSAYO DE REFRACCIÓN SISMICAENSAYO DE REFRACCIÓN SISMICA
PLANEACIÓN
OPERACIÓN YOBSERVACIÓN
DE CAMPOPREPARACIONDE LOS DATOS
INTERPRETACION DE RESULTADOS
OPERACIÓN Y OBSERVACIÓN DE CAMPO
DETERMINACIÓN DE LA LONGITUD DE TENDIDO
DETERMINACION DE LA GEOMETRÍA DE LOS PUNTOS DE IMPACTO
L
hL > 4h - 3h
1
s hot s hot s hot s hot s hots hot
L/2 L/2 L/2 L/2
L
e : esp aciam ien to en t re g eó fo n os
s hot
2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 1 1 1 2 1 3 1 4 1 5 1 6 1 7 1 8 1 9 2 0 2 1 2 2 2 3 2 4
INTERPRETACIÓNINTERPRETACIÓNDE DE
RESULTADOSRESULTADOS
Caso Simple de Dos Estratos con Límites Planos y Paralelos Curva Tiempo - Distancia Correspondiente
D1
=XC
2
2V 1V-
V2V + 1
DISTANCIA
TIE
MPO
TIEMPO DEINTERSECCION,
DISTANCIA CRITICA, X C
v1
1
2v
1
Ti
DISPARO
E
F G
H
D 1
SIN = v1
2v(
1v
2v
t
X
APLICACIONESAPLICACIONES
Determinación de la superficie de deslizamiento
PERFIL ESTRATIGRAFICOPuente 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)
Cot
a (m
.s.n
.m) shot
terreno
estrato 1
estrato 2
0102
03 07 0406 05
roca poco alterada
roca fracturada o muy alterada
material aluvional
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.
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
METODOS DIRECTOS
EXPLORACIÓN DE CAMPO CON EXPLORACIÓN DE CAMPO CON
ENSAYOS DE PENETRACIÓN ENSAYOS DE PENETRACIÓN
ESTÁNDAR - (SPT)ESTÁNDAR - (SPT)
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
Trípode de tubos
2 1/2”
Manguera
Mango para rotaciónparcial de la barra
Terreno Natural
Soga ”
Depósito de agua de lavado
Barra deperforación
Cincel
Motor con cajareductora
Forro
Bomba
Polea para la soga
Elevador
CINCEL RECTO
BARRA CONUNION
CINCEL DE CRUZ
SOSTENEDOR DE BARRAS
ELEVADOR
PERFORACIÓN POR LAVADO “WASH BORING”
Martillo
Guía de hinca
Cabezal de hinca
Trípode de Tubo de diámetro 2 1/2”
1/2”
Cuchara
Cadena de fierro
Guía
CUCHARA2” - 4 1/2”
MARTILLO
ENSAYO DE PENETRACIÓN ESTÁNDAR - SPT
C) REGISTRO DE PENETRACIÓN
Resistencia a la penetración: golpes necesarios para hincar los últimos 30 cm de un total de 45 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.
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
Consistencia y Resistencia de Suelos Cohesivos
Número deGolpes
ConsistenciaResistencia a la
CompresiónSimple, 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
Su (tsf)
25
20
15
10
5
1.0
27
0 1.5 2.0 2.5 3.0 4.00.5 3.5
TERZAGHIy PECK
Arcilla deplasticidad media
Arcilla dealta plasticidad
SOWERSarcilla debaja plasticidad
NSPT
Correlación de N (SPT) con la resistencia cortante no drenada (Su) de suelos cohesivos de diferentes plasticidades(ref. NAVFAC, 1971)
Rígida
30
16
2
32
8
4
Dura
Muy Blanda
Firme
Blanda
MuyDura
EXPLORACIÓN DE CAMPO CON EXPLORACIÓN DE CAMPO CON
ENSAYOS DE PENETRACIÓN CONO ENSAYOS DE PENETRACIÓN CONO
HOLANDÉS - (CPT)HOLANDÉS - (CPT)
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 (ext=3.6 cm y 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.
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
3
Punta Cónica Copla
Funda cilíndrica Barra sólida
Funda de fricción
23 4 5
B
1
35.7 m m
60°
23 m m 20 m m
133 m m 47 m m
12.5 m m
30 m m
A
32.5 m m
B
1
5
4POSICION CERRADA
POSICION EXTENDIDA
A
36
265 m m
69 m m
2
ENSAYO DE PENETRACIÓN CONO HOLANDÉSEsquema de Punta Cónica
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
c
FC
c fs =
donde :
FS = fuerza para hincar el cono y la funda en kg
AS = área lateral de la funda
fS = resistencia por fricción
qs
fs
20
2
30 5010 60400
3
5
1
6
7
0.6
4
1.20.2 0.4 0.80
Pro
fun
did
ad,
m
GRÁFICA DE PENETRACIÓN ESTÁTICA
Resistencia de punta qc, kg/cm2
Resistencia de fricción fs, kg/cm2
1.0
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
ENSAYO ENSAYO DOWN HOLEDOWN HOLE
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
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
2020.320.8
Pro
fun
did
ad (
m)
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
2020.320.8
Pro
fun
did
ad (
m)
(Ondas S)
Registros de Ondas S
Determinación de Propiedades Dinámicas de los Materiales.
Vp
0.25
(Vp /Vs )2 - 2
2 ((Vp /Vs )2 - 1)
Ed = 2 (1 + )G
Gd = Vs 2
Donde:= densidad volumétrica. = relación de Poisson.Gd = módulo de corte.Ed = módulo de Young.
Ejemplo de Prospección de velocidades por el método DownholeEjemplo de Prospección de velocidades por el método Downhole
PROFUNDIDADES DE PERFORACIÓN
PROFUNDIDADES DE PERFORACIÓN
PROFUNDIDADES DE PERFORACIÓN
Para un edificio de ancho 30.5m (100pies) serán aproximadamente las siguientes
Numero de Pisos
Profundidad de Perforación
1 3.5m (11 pies)
2 6.0m (20 pies)
3 10m (33pies)
4 16m (53 pies)
5 24m (79pies)
Para hospitales y edificios de oficinas
concreto de anchos o acero de pesados edificios Para 6D
y
concreto de estrechos o acero de edificios Para 3
7.0b
7.0
S
SDb
- Según American Society of Civil Engineers (1972)
PROFUNDIDADES DE PERFORACIÓN
Para Excavaciones profundas es una profundidad de 1.5 de la excavación.
Para Extracción de núcleos rocosos la profundidad mínima del barrenado es de 3m.
Para estudios se debe asignar entre el 0.1 y 0.5% del costo de la estructura.
A continuación se presenta un cuadro de espaciamiento entre muestras
Tipo de ProyectoEspaciamiento
m pies
Edificio de Varios Pisos 9 - 30 30 -100
Plantas industriales de un piso 20 - 60 60 - 200
Carreteras 250 - 500 800 - 1600
Subdivisiones Residenciales 250 - 500 800 - 1600
Presas y Diques 40 - 80 130 - 260
PERFIL ESTRATIGRAFICO