capítulo ii - exploración en campo de los suelos

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