ESTUDIO DE MECNICA DE SUELOS

EXPLORACIN GEOTCNICA

Dr. ZENON AGUILAR BARDALES

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIAUNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIAFacultad de IngenierFacultad de Ingeniera Civila Civil

CENTRO PERUANO JAPONCENTRO PERUANO JAPONS DE INVESTIGACIONESS DE INVESTIGACIONESSSSMICAS Y MITIGACISMICAS Y MITIGACIN DE DESASTRES N DE DESASTRES -- CISMIDCISMID

1CONTENIDO

INTRODUCCIN GENERAL

METODOLOGA DE UN ESTUDIO GEOTCNICO

EXPLORACIN DIRECTA DE CAMPO

EXPLORACIN INDIRECTA A TRAVS DE PROSPECCIN SSMICA

ENSAYOS DE LABORATORIO

CONCLUSIONES

2

3

4

5

6

2. METODOLOGA DE UN ESTUDIO GEOTCNICO

- Reconocimiento geolgico y de sitio: interpretacin del origen y formacin de suelos, evaluacin geolgica, interpretacin de posibles condiciones del subsuelo.

- Planificacin de la exploracin y muestreo: permite ubicar y cuantificar el nmero de sondajes y optimizar el muestreo.

- Recopilacin de informacin: hidrologa, geologa, sismicidad, topografa, etc.

- Ejecucin de ensayos de laboratorio: para la determinacin de los parmetros de los materiales.

- Ejecucin de la exploracin y muestreo: ejecucin de sondajes y obtencin de muestras disturbadas e inalteradas.

- Interpretacin de la investigacin geotcnica: evaluacin de los datos de campo y laboratorio.

- Anlisis y diseo geotcnico

3. EXPLORACIN DIRECTA DE CAMPO

Exploracin a travs de pozos abiertos y posteadora

Exploracin con ensayos de penetracin estndar (SPT)

Exploracin con ensayos de penetracin cono holands (CPT)

EXPLORACIEXPLORACIN DE CAMPO CON N DE CAMPO CON CALICATAS Y POSTEADORACALICATAS Y POSTEADORA

- Excavacin manual con pico y lampa

- Excavacin con equipo mecnico

EXPLORACIN DIRECTA CON CALICATAS

Desventaja:

- Profundidad limitada

- Paredes inestables ante la presencia de agua

Ventaja:

- Extraccin de muestras disturbadas e inalteradas

- Visualizacin directa de la estratigrafia

- Posteadora manual

- Posteadora mecnica

EXPLORACIN DIRECTA CON POSTEADORA

Equipo:Tubera, una T y en su parte inferior una mecha

Ventaja:- Auscultacin rpida del terreno

Desventaja:- No se extraen muestras inalteradas

- Imposible de realizar en arenas limpias secas o saturadas

10 cm

Extensin

POSTEADORO 3" - 8"

Post hole Digger

O 2" - 3 1/2"

O 2" - 3 1/2" O 2" - 5 1/2"

EXPLORACIEXPLORACIN DE CAMPO CON N DE CAMPO CON ENSAYOS DE PENETRACIENSAYOS DE PENETRACIN N

ESTESTNDAR NDAR -- (SPT)(SPT)

A) GENERALIDADES

Procedimiento ampliamente utilizado para determinar caractersticas de resistencia y compresibilidad de suelos.

B) PROCEDIMIENTO PARA REALIZAR EL ENSAYO

Ejecucin de la perforacin

- con barrenos (posteadora)

- a rotacin

- por lavado wash boring

Ejecucin del muestreo

Se realiza con un muestreador de Caa Partida

Trpode de tubos 2 1/2

Manguera

Mango para rotacinparcial de la barra

Terreno Natural

Soga 1

Depsito de agua de lavado

Barra deperforacin

Cincel

Motor con cajareductora Forro

Bomba

Polea para la soga

Elevador

CINCEL RECTO

BARRA CONUNION

CINCEL DE CRUZ

SOSTENEDOR DE BARRAS

ELEVADOR

PERFORACIN POR LAVADO WASH BORING

MartilloGua de hinca

Cabezal de hinca

Trpode de Tubo de dimetro 2 1/2

1 1/2

Cuchara

Cadena de fierro

Gua

CUCHARA 2 - 4 1/2

MARTILLO

ENSAYO DE PENETRACIN ESTNDAR - SPT

C) REGISTRO DE PENETRACIN

Resistencia a la penetracin: golpes necesarios para hincar los ltimos 30 cm de un total de 45 cm.

D) INTERPRETACIN DE RESULTADOS

La resistencia a la penetracin es un indicador de la compacidad de suelos arenosos y un indicador de la consistencia y resistencia de suelos cohesivos.

Compacidad Relativa de Arenas

Nmero 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

Nmero deGolpes Consistencia

Resistencia a laCompresin

Simple, 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

1.00 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

27

Correlacin de N (SPT) con la resistencia cortante no drenada (Su) de suelos cohesivos de diferentes plasticidades(ref. NAVFAC, 1971)

Rgida

30

16

2

32

8

4

Dura

Muy Blanda

Firme

Blanda

MuyDura

EXPLORACIEXPLORACIN DE CAMPO CON N DE CAMPO CON ENSAYOS DE PENETRACIENSAYOS DE PENETRACIN CONO N CONO

HOLANDHOLANDS S -- (CPT)(CPT)

A) GENERALIDADES

- Usado en Europa desde 1920

- En Estados Unidos desde 1960

- En el Per desde 1984

B) DESCRIPCIN DEL EQUIPO

- Equipo de penetracin esttica

- Tubera de acero de 1 m y barras slidas interiores concntricas (ext=3.6 cm y int= 1.6 cm)

- Punta Cnica

Se transmite la fuerza a travs de las barras interiores y esta al cono, midiendo cada 20 cm la resistencia por punta y/o friccin.

C) PUNTA DE PENETRACIN

Punta DELFT

- Punta cnica de 3.6 cm de dimetro y 10 cm2 de rea

- 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 vstago

- Se mide la presin que transmite en la punta

Punta BEGEMANN- Punta cnica de 3.57 cm. de dimetro y 10 cm2 de rea

- Se encuentra montado en un pieza cilndrica deslizante de 11.1 cm

- Posee una funda de 13.3 cm de longitud y 3.6 cm de dimetro

- Se mide la presin por punta y friccin

3Punta Cnica Copla

Funda cilndrica Barra slida

Funda de friccin

23 4 5

B

1

35.7 m m

60

23 m m 20 m m

15

133 m m 47 m m

12.5 m m

30 m m

A

32.5 m m

B

1

5

4 POSICION CERRADA

POSICION EXTENDIDA

A

36

265 m m

69 m m

2

ENSAYO DE PENETRACIN CONO HOLANDSEsquema de Punta Cnica

D) DETERMINACIN LA RESISTENCIA

qc =

donde :Qc = fuerza para hincar el cono en kgAc = rea transversal del conoqc = resistencia de la punta

QC

c

FC

cfs =

donde :Fc = fuerza para hincar el cono y la funda en kgAS = rea lateral de la fundafS = resistencia por friccin

qs

fs

20 30 5010 60400

3

5

1

6

70.6

4

1.20.2 0.4 0.80 1.0

2

P

r

o

f

u

n

d

i

d

a

d

,

m

GRFICA DE PENETRACIN ESTTICA

Resistencia de punta qc, kg/cm2

Resistencia de friccin fs, kg/cm2

E) CORRELACION CON EL ENSAYOS DE PENETRACION ESTANDAR

Tipos de Suelos qc/N

Limos, limos arenosos, mezclas de limoarena-arena ligeramente cohesiva

2.0

Arenas limpias a medias y arenasligeramente limosa

3.5

Arenas gruesas y arenas con algo degrava

5

Gravas arenosas y gruesas 6

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIAFACULTAD DE INGENIERIA CIVIL

CISMID - LABORATORIO GEOTECNICOREGISTRO DE SONDAJES

SolicitadoProyectoUbicacin Cota Superficial

Operador

Revisado

Fecha Profundidad N.F.(m)Profundidad Total (m)

Ensayo de Penetracin

Grfica de N

Estndar

N golpes/30 cm.

::::

::

:

:

:

4. MTODOS DE EXPLORACIN GEOFSICA

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIAUNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIAFacultad de IngenierFacultad de Ingeniera Civila Civil

CENTRO PERUANO JAPONCENTRO PERUANO JAPONS DE INVESTIGACIONESS DE INVESTIGACIONESSSSMICAS Y MITIGACISMICAS Y MITIGACIN DE DESASTRES N DE DESASTRES -- CISMIDCISMID

EXPLORACIEXPLORACINNGEOFGEOFSICASICA

GRAVIMGRAVIMTRICOTRICO

MAGNETOMMAGNETOMTRICOTRICO

SISMOLSISMOLGICOGICO

ELELCTRICOCTRICO

GEOTGEOTRMICORMICO

RADIOACTIVORADIOACTIVO

DIRECTA

REFL

EJADA

V1

V2

i r

REFRACTADA

icic

REFLEXIN SSMICA

REFRACCIN SSMICA

MMtodos Geoftodos Geofsicos Ssicos Ssmicossmicos

Ensayos de Ensayos de ReflexiReflexinn y Refracciy Refraccin Sn Ssmicasmica

Ensayos Ensayos downdown holehole, , up up holehole y cross y cross holehole

Ensayos de vibraciEnsayos de vibracin superficial (ondas n superficial (ondas RayleighRayleigh))

Ensayo con el Cono SEnsayo con el Cono Ssmicosmico

Ensayo con la Sonda de SuspensiEnsayo con la Sonda de Suspensinn

MediciMedicin de n de MicrotrepidacionesMicrotrepidaciones

MMTODO DE REFRACCITODO DE REFRACCINNSSSMICASMICA

ENSAYO DE REFRACCIENSAYO DE REFRACCIN SN SSMICASMICA

DeterminaciDeterminacin de Perfiles Sn de Perfiles Ssmicos del Subsuelosmicos del Subsuelo

MediciMedicin de Velocidades de Propagacin de Velocidades de Propagacin de las Ondas n de las Ondas

P y en algunos casos de las Ondas S.P y en algunos casos de las Ondas S.

DeterminaciDeterminacin de los Parn de los Parmetros Dinmetros Dinmicos del Suelomicos del Suelo

Ensayo de refraccin ssmica

Unidad de Adquisicin y Procesamiento de Datos (Ensamblado final)

Gefono vertical y cable conductor de seales para realizar ensayos de refraccin ssmica y ensayos en pozo abierto de poca profundidad

FUNDAMENTOFUNDAMENTOTETERICORICO

DisparoFrente de

Ondast1t2

t3t4

t5t6t7t8

Xc

Posiciones del Frente de Ondas en un Medio de Dos Estratos a tiempos t1, t2,...

Ley de Snell Cuando la onda ssmica alcanza la frontera

entre dos materiales de distinta velocidad ssmica, las ondas se reflejan y se refractan.

Cuando el ngulo de incidencia iguala al ngulo crtico en la frontera, la onda refractada se mueve a lo largo de la frontera entre los dos materiales, transmitiendo energa de nuevo a la superficie.

Esta frontera es llamada un refractor.

Refraccin de Trayectoria de los Rayos a Travs de una Frontera entre Dos Medios Elsticos

Estrato 1

Velocidad = V1

Velocidad = V2Estrato 2

Angulo Crticode Incidencia

r

=

Fuente

90

i

sen i V1sen r V2

=

DIRECTA

REFL

EJADA

V1

V2

i r

REFRACTADA

icic

Parmetros:

- Tiempo de inicio del movimiento ssmico (tiempo cero)

- Distancia entre el punto de impacto y el sensor

- Primer arribo de energa ssmica que llega a los sensores

PROCEDIMIENTOPROCEDIMIENTODEL DEL

ENSAYOENSAYO

ENSAYO DE REFRACCIENSAYO DE REFRACCIN SISMICAN SISMICA

PLANEACIN

OPERACIN YOBSERVACIN

DE CAMPOPREPARACIONDE LOS DATOS

INTERPRETACION DE RESULTADOS

OPERACIN Y OBSERVACIN DE CAMPODETERMINACIN DE LA LONGITUD DE TENDIDO

DETERMINACION DE LA GEOMETRA DE LOS PUNTOS DE IMPACTO

L

hL > 4h - 3h

1

shot shot shot shot shotshot

L/2 L/2 L/2 L/2

L

e : espaciamiento entre gefonos

shot

2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

INTERPRETACIINTERPRETACINNDE DE

RESULTADOSRESULTADOS

Caso Simple de Dos Estratos con Lmites Planos y Paralelos Curva Tiempo - Distancia Correspondiente

D1 =XC2

2V 1V-

V2V + 1

DISTANCIATI

EM

PO

TIEMPO DEINTERSECCION,

DISTANCIA CRITICA, X Cv1

1

2v1

Ti

DISPARO

E

F G

H

D 1

SIN = v12

v(

1v

2v

t

X

APLICACIONESAPLICACIONES

Determinacin de la superficie de deslizamiento

PERFIL ESTRATIGRAFICOPuente Santo Cristo : Lnea 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)

C

o

t

a

(

m

.

s

.

n

.

m

) shot

terreno

estrato 1

estrato 2

01 02 03 07 04 06 05

roca poco alterada

roca fracturada o muy alterada

material aluvional

VENTAJAS

Permite cubrir rpidamente grandes reas a un costocomparativamente bajo.

No altera ni modifica las condiciones y propiedadesnaturales de las rocas y suelos.

El ensayo no es estorbado por boleos, cantos rodadosni gravas gruesas.

VALORES PROMEDIOS DE Vp SEGN LA NORMA ASTM-D5777

Descripcinpie/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 metamrfica

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

ENSAYO ENSAYO DOWN HOLEDOWN HOLE

Esquema del Ensayo Down HoleCILINDRODE GAS

REGULADOR

AMPLIFICADOR

MONITOR

MONITORDE DATOS

CARGA

TABLA

ONDAS S

TRANSDUCTOR DE 3

COMPONENTES

TUBO DECAUCHO

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

P

r

o

f

u

n

d

i

d

a

d

(

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

P

r

o

f

u

n

d

i

d

a

d

(

m

)

(Ondas S)

Registros de Ondas S

Determinacin de Propiedades Dinmicas de los Materiales.

= 0.2 Vp 0.25

= (Vp /Vs )2 - 2

2 ((Vp /Vs )2 - 1)

Ed = 2 (1 + )GGd = Vs 2

Donde: = densidad volumtrica. = relacin de Poisson.Gd = mdulo de corte.Ed = mdulo de Young.

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12Tiempo de Viaje ( x 10 ) sec.-2m Tipode

SueloValor de N

10 20

580 210

100140

120

195

150

155msecVs =

1.35 mm

Vp =1300 msec

1890

Owi IslandN1Tokyo

C2Bay5

10

15

20

Ejemplo de ProspecciEjemplo de Prospeccin de velocidades por el mn de velocidades por el mtodo todo DownholeDownhole

Compacidad Relativa de ArenasConsistencia y Resistencia de Suelos Cohesivos4. MTODOS DE EXPLORACIN GEOFSICA