4. MÉTODOS PARA ESTUDIOS DE SUPERFICIE Los métodos más usados para los estudios de superficie que conducen al reconocimiento del perfil estratigráfico son: Las calicatas Los sondeos 4.1 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 bao. Es necesario registrar la ubicación y elevación de cada po!o, los que son numerados según la ubicación. "i un po!o programado no se eecuta, es preferible mantener el número del po!o en el registro como #no reali!ado# en ve! de volver a usar el número en otro lugar, para eliminar confusiones. La profundidad está determinada por las exigencias de la investigación pero es dada, generalmente, por el nivel freático. La sección m$nima recomendada es de %,&% m por ',%% m, a fin de permitir una adecuada inspección de las paredes. El material excavado deberá depositarse en la superficie en forma ordenada separado de acuerdo a la profundidad y (ori!onte correspondiente. )ebe desec(arse todo el material contaminado con suelos de estratos diferentes. "e dearán plataformas o escalones de %,*% a %,+% metros al cambio de estrato, reduciéndose la excavación. Esto permite una superficie para efectuar la determinación de la densidad del terreno. "e deberá dear al menos una de las paredes lo menos remoldeada y contaminada posible, de modo que representen fielmente el perfil estratigráfico del po!o. En cada calicata se deberá reali!ar una descripción descripción visual o registro de estratigraf$a comprometida.
igura -o. "$mbolos /ráficos para "uelos El laboratorista deberá registrar claramente el espesor de cada estrato y efectuar una descripción del mismo mediante identificación visual basado en la pauta que se indica. En los suelos es posible agruparlos en tres grupos primarios, sin embargo, en la naturale!a se encuentran compuestos, pero es posible discernir el componente predominante y asimilar la muestra a ese grupo. La principal distinción distinción se (ace sobre la base del tama0o. Las part$culas individuales visibles forman la fracción gruesa y las demasiado peque0as para ser individuali!adas componen la fracción fina. Los componentes orgánicos del suelo consisten en materia vegetal descompuesta o en proceso de descomposición, descomposición, lo que le impone al suelo una estructura fibrosa. 1ueden ser identificados por sus colores oscuros y el olor distintivo. 4.1.1 Tamaño Los suelos gruesos son aquellos en que más de la mitad de las part$culas son visibles. En esta estimación se excluyen las part$culas gruesas mayores a &% mm 2*#34 sin embargo, tal fracción debe ser estimada visualmente y el porcentae indicado independientemente del material inferior inferior a &% mm. La fracción gruesa comprende los tama0os de gravas y arenas, y la fracción fina los limos y arcillas. En caso de suelos mixtos, la muestra se identificará sobre la base de la fracción predominante usando los siguientes adetivos, según la proporción de la fracción menos representativa4 indicios: %5'%6, poco: '%5%6, algo: %5*764 y abundante: *757%6. 4.1.! Colo" "e debe indicar el color predominante.
4.1.# Olo" Las muestras recientes de suelos orgánicos tienen un olor distintivo que ayuda a su identificación. El olor puede (acerse manifiesto calentando una muestra (úmeda. 4.1.4 $%medad: En las muestras recientes deberá registrarse la (umedad. Los materiales secos necesitan una cantidad considerable de agua para obtener un óptimo de compactación. Los materiales (úmedos están cerca del contenido óptimo. Los moados necesitan secarse para llegar al óptimo, y los saturados son los suelos ubicados bao un nivel freático. 4.1.& Est"%ct%"a: "i los materiales presentan capas alternadas de varios tipos o colores se denominará estratificado4 si las capas o colores son delgados, inferior a 8 mm, será descrito como laminado4 fisurado si presenta grietas definidas4 lenticular si presenta inclusión de suelos de textura diferente. 4.1.' Cementaci(n: 9lgunos suelos muestran definida evidencia de cementación en estado inalterado. Esto debe destacarse e indicar el grado de cementación, descrito como débil o fuerte. erificando con ácido clor($drico si es debida a carbonatos y su intensidad como ninguna, débil o fuerte.
4.1.) Densi*icaci(n La compacidad o densidad relativa de suelos sin co(esión puede ser descrita como suelta o densa, dependiendo de la dificultad que oponga a la penetración de una cu0a de madera. 4.1.+ Clasi*icaci(n: "e debe indicar además la clasificación probable. 1ueden usarse clasificaciones dobles cuando un suelo no pertenece claramente a uno de los grupos, pero tiene fuertes caracter$sticas de ambos grupos. )eben colocarse entre paréntesis para indicar que (an sido estimadas. 4.1., -om"e local El uso de nombres t$picos tales como calic(e, maicillo, pumicita, cancagua, andesita, etc., además de su designación según el sistema de clasificación de suelo, ayuda a identificar sus condiciones naturales. La descripción de suelos, en especial su clasificación, está basada en examen visual y ensayos manuales, y no debe contener refinamientos que sólo pueden determinarse con equipo de laboratorio, aunque éstos sean contradictorios. ;casionalmente los suelos son descritos con tal cantidad de detalles que el cuadro presentado es más confuso que esclarecedor4 sin embargo, es meor errar por el lado del exceso de detalles, que pueden seleccionarse, que presentar descripciones incompletas. En todo caso se estima recomendable utili!ar corno pauta las definiciones y recomendaciones contenidas en la norma <.-.. E5'%, denominada #)escripción e identificación de suelos# 2procedimiento isual5 =anual3. Estas descripciones visuales deberán contener como m$nimo los siguientes antecedentes: o
o o o o
o o
ilometrae del ee o sus coordenadas, nombre las laboratorista y fec(a de la inspección. 1rofundidad total. 1rofundidad de la capa de agua, referida al nivel del terreno natural y fec(a de observación. 1rofundidad de los diferentes estratos por describir, referidas al nivel del terreno natural. )escripción del suelo empleando la terminolog$a que se entrega en la figuras ' y , según se trate de suelos gruesos o finos, respectivamente. ?antidad y tipo de las muestras tomadas en la calicata. ;bservaciones y otras caracter$sticas relevantes.
)esde las paredes y piso de las calicatas se deben obtener las muestras que serán llevadas a laboratorio. @odas las muestras que se obtengan deberán ser perfectamente identificadas, incluyendo a lo menos los siguientes items: identificación de la calicata4 profundidad a la que fue tomada4 nombre de la persona que la tomo y fec(a de obtención. "e distinguen dos tipos de muestras que se pueden obtener: 4.1.1/ M%est"a 0e"t%"adas "e obtienen en general de las paredes de los po!os y comprometen estratos determinados o bien la suma de algunos de ellos, como es el caso de la investigación de yacimientos. Estas muestras deben guardarse en bolsas impermeables y de resistencia adecuada. ?ada bolsa debe identificarse clara e indeleblemente. 4.1.11 M%est"as en olsas Las muestras en bolsas se toman con pala, barreta o cualquier otra (erramienta de mano conveniente y se colocan en bolsas sin tratar de mantener al suelo en forma inalterada, estas muestras se usan para: 9nálisis granulométrico. Ensayos de plasticidad. Ensayos de compactación A (umedad óptima. Ensayos de compactación ?BC en laboratorio D ensayo en el que mide la resistencia al corte.
4.1.1! M%est"a sin 0e"t%"a" Este tipo de muestra se recorta de las paredes de los po!os y compromete estratos bien definidos. )espués de cortadas deben revestirse con una capa de parafina sólida aplicada con broc(a. Es conveniente agregar alrededor de un *%6 de cera virgen a la parafina sólida con el fin de que la capa protectora sea menos r$gida. "i la consistencia de la muestra es relativamente blanda, debe rodearse de grasa y recubrir una ve! mas con parafina sólida y cera. Fna ve! dado el tratamiento anterior, debe colocarse en caas de madera con aserr$n u otro producto que actúe como amortiguador de golpes. Las muestras sin perturbar deberán tomarse apenas excavadas las calicatas, en especial cuando se trate de suelos cuya estructura se ve afectada por los cambios de (umedad. En todo caso, al tomar una muestra no perturbada, debe elegirse la pared de la calicata menos expuesta al sol y debe excavarse el espesor superficial que (aya sido afectado por los cambios de (umedad. -o deben escatimarse esfuer!os en el embalae adecuado de las muestras, ya que el grado de perturbación que se le ocasione a una muestra no perturbada es irrecuperable y lleva a resultados erróneos. En las calicatas, es posible reali!ar ensayos en sitio tales como las pruebas de carga con placas, ?BC, permeabilidades, medidas de densidad, etc. Las pruebas de carga pueden reali!arse contra el fondo de la perforación o las paredes de la misma.
?ada ve! que sea necesario reali!ar un ensayo en sitio en una calicata, la excavación deberá reali!arse considerando este (ec(o, dado que este tipo de prueba obliga a tomar medidas especiales que determinan la forma de excavación. Es as$ como la toma de densidades obliga a reali!ar éstas a medida que la excavación se reali!a, o bien es necesario dear bancos intermedios. El muestreo es tan importante como el ensayo y se deben tomar las precauciones para obtener muestras que ex(iban la naturale!a real y condiciones de los suelos que se representan. 9 cada calicata se le deberá reali!ar un registro adecuado que pasara a formar parte del análisis respectivo. La descripción visual de los diferentes estratos deberá contener, como m$nimo: G -ombre del proyecto G "ectorHtramo G -I de po!o G Fbicación respecto a un ee de referencia G ?ota G ec(a de la inspección G
+. ";-)E;" E- "FEL; Este método de exploración debe usarse en aquellos casos en que el reconocimiento del perfil estratigráfico necesario que se deberá estudiar, no pueda ser reali!ado mediante calicatas, ya sea porque se requiere reconocer el perfil en una profundidad importante, o bien por presencia de agua. Los suelos finos, exentos de gravas, pueden ser bien estudiados mediante sondeo. La información que puede obtenerse de sondeos efectuados en suelos con gravas es generalmente incompleta y deficiente, pero en determinados casos resulta ser la única posible de reali!ar. +..' @ipos )e "ondeos: Los tipos principales de sondeos que se usan en mecánica de suelos para fines de muestreo y reconocimiento del subsuelo, en general, son los siguientes: +..'.' =étodos )e Exploración )e ?arácter 1reliminar G 1o!os a cielo abierto, con muestreo alterado o inalterado. G 1erforaciones con posteadora, barrenos (elicoidales o métodos similares. G =étodos de lavado G =étodos de penetración estándar. G =étodo de penetración cónica. G 1erforaciones en boleos y gravas 2con barretones, etc.3 +... =étodos )e "ondeo )efinitivo. G 1o!os a cielo abierto con muestreo inalterado. G =étodos con tubo de pared delgada. G =étodos rotatorios para roca. +...* =étodos /eof$sicos. G "$smico. G )e resistencia eléctrica. G =agnético y gravimétrico. 7. -F=EC; @<1; O 1C;F-)<)9) )E L;" ";-)E;" El número, tipo y profundidad de los sondeos que deban eecutarse en un programa de exploración de suelos depende fundamentalmente del tipo de subsuelo y de la importancia de la obra. En ocasiones, se cuenta con estudios anteriores cercanos al lugar, que permite tener una idea siquiera aproximada de las condiciones del subsuelo y este conocimiento permite fiar el programa de exploración con mayor seguridad y eficacia. ;tras veces, ese conocimiento aprior$stico indispensable sobre las condiciones predominantes en el subsuelo (a 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 peque0as, posiblemente tales sondeos
tendrán carácter definitivo, por lo que es conveniente reali!arlos por los procedimientos más informativos, tales como la prueba de penetración estándar, por eemplo. Fn 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 dearse sentir en todas las fases del éxito o fracaso de una obra de ingenier$a. En general, los puntos básicos que la mecánica de suelos debe cuidar en un caso dado se refieren a la posibilidad y cálculo de asentamientos y a determinaciones de resistencia de los suelos. 1ara fines de cimentación, (a sido frecuente la recomendación práctica de explorar una profundidad comprendida entre ',7B y *B, siendo B el anc(o de la estructura por cimentar. /eneralmente es suficiente detener la exploración al llegar a la roca basal, si ésta aparece en la profundidad estudiada4 sin embargo, en casos especiales se (ará necesario continuar el sondeo dentro de la roca por métodos rotatorios4 por eemplo, en cimentaciones de presas ser$a necesario verificar que la roca no presente condiciones peligrosas desde el punto de vista de infiltraciones de agua.
igura * 1rofundidad de sondaes para edificios de ' a '8 pisos
&.1 METODOS DE EPLORACIO- DE CAR2CTER PRELIMI-AR &.1.1 Po3os a cielo aie"to o calicatas ?uando este método sea practicable debe considerársele como el más satisfactorio para conocer las condiciones del subsuelo, ya que consiste en excavar un po!o de dimensiones suficientes para que un técnico pueda directamente baar y examinar los diferentes estratos de suelo en su estado natural, as$ como darse cuenta de las condiciones precisas referentes al agua contenida en el suelo. )esgraciadamente este tipo de excavación no puede llevarse a grandes profundidades a causa, sobre todo, de la dificultad de controlar el fluo de agua bao el nivel freático, naturalmente que el tipo de suelo de los diferentes estratos atravesados también influye grandemente en los alcances del método e n s$. )eben cuidarse especialmente los criterios para distinguir la naturale!a del suelo. En efecto, una arcilla dura puede, con el tiempo, aparecer como suave y esponosa a causa del fluo de agua (acia la trinc(era de excavación4 análogamente, una arena compacta puede presentarse como semifluida y suelta por el mismo motivo. "e recomienda que siempre que se (aga un po!o a cielo abierto se lleve un registro completo de las condiciones del subsuelo durante la excavación. En estos po!os se pueden tomar muestras alteradas o inalteradas de los diferentes estratos que se (ayan encontrado. 1erforaciones con posteadoras, barrenos (elicoidales o métodos similares: En estos sondeos exploratorios la muestra de suelo obtenida es completamente alterada, pero suele ser representativa del suelo en lo referente a contenido de agua, por lo menos en suelo muy plástico. Los barrenos (elicoidales pueden ser de diferentes tipos no sólo dependiendo del suelo por atacar, sino de acuerdo con la preferencia particular de cada persona que realice la perforación. Fn factor importante es el paso de la (élice que debe ser muy cerrado para suelos arenosos y muc(o más abierto para el muestreo en suelos plásticos. 1osiblemente más usadas que los barrenos son las posteadoras a las que se (ace penetrar en el terreno eerciendo un giro sobre el mineral adaptado al extremo superior de la tuber$a de perforación. Las (erramientas se conectan al extremo de una tuber$a de perforación, formada por secciones de igual longitud, que se van a0adiendo según a umenta la profundidad del sondeo. En arenas colocadas bao el nivel de aguas freáticas estas (erramientas no suelen poder extraer muestras y en esos casos es preferible recurrir al uso de cuc(aras especiales, de las que también (ay gran variedad de tipos. Las muestras de cuc(ara son generalmente más alteradas todav$a que las obtenidas con barrenos (elicoidales y posteadoras4 la ra!ón es el efecto del agua que entra en la cuc(ara unto con el suelo, formando en el interior una suspensión parcial del mismo. Es claro que en todos estos casos las muestras son cuando muc(o apropiadas solamente para pruebas de clasificación y, en general, para aquellas pruebas que no requieran muestra inalterada. El contenido de agua de las muestras de barreno suele ser mayor del real, por lo que el método no excluye la obtención de muestras más apropiadas, por lo menos cada ve! que se alcan!a un nuevo estrato. recuentemente es necesario ademar o revestir el po!o de sondeo, lo cual se reali!a con tuber$a de (ierro, (incada a golpes, de diámetro suficiente para permitir el paso de las (erramientas de muestreo. En la parte inferior una !apata afilada facilita la penetración. 9 veces, la tuber$a tiene secciones de diámetros decrecientes, de modo que las secciones de menor diámetro vayan entrando en las de mayor. Los diferentes segmentos se retiran al fin del trabao usando gatos apropiados. 1ara el maneo de los segmentos de tuber$a de perforación se usa un tr$pode provisto de una polea, a una altura que permita las manipulaciones necesarias. Los segmentos maneados se suetan a través de la polea con cable de manila o cable metálico inclusive: los operadores pueden intervenir manualmente en las operaciones, guiando y suetando los segmentos de tuber$a de perforación por medio de llaves de dise0o especial propias para esas maniobras y para (acer expedita la operación del atornillado de los segmentos. Fn inconveniente serio de la perforación con barrenos se tiene cuando la secuencia estratigráfica del suelo es tal que a un estrato firme sigue uno blando. En estos casos es muy frecuente que se pierda la frontera entre ambos o aun la misma presencia del blando.
7.'. =étodo de lavado: Este método constituye un procedimiento económico y rápido para conocer aproximadamente la estratigraf$a del subsuelo. El método se usa también en ocasiones como auxiliar de avance rápido en otros métodos de exploración. Las muestras obtenidas en lavado son tan alteradas que prácticamente no deben ser consideradas como suficientemente representativas para reali!ar ninguna prueba de laboratorio. El equipo necesario para reali!ar la perforación incluye un tr$pode con polea y martinete suspendido, de &% a '7% Pg de peso, cuya función es (incar en el suelo a golpes el ademe necesario para la operación Dademe: cubierta de madera con que se aseguran los pilares en los trabaos subterráneos. Este ademe debe ser de mayor diámetro que la tuber$a que vaya a usarse para la inyección del agua. En el extremo inferior de la tuber$a de inyección debe ir un trépano D de acero Dtrepano: (erramienta de rotación cuya dure!a permite perforar terrenos duros, perforado, para permitir el paso del agua a presión. El agua se impulsa dentro de la tuber$a por medio de una bomba. La operación consiste en inyectar agua en la perforación, una ve! (incado el ademe, la cual forma una suspensión con el suelo en el fondo del po!o y sale al exterior a través del espacio comprendido entre el ademe y la tuber$a de inyección4 una ve! fuera es recogida en un recipiente en el cual se puede anali!ar el sedimento. El procedimiento debe ir complementado en todos los casos por un muestreo con una cuc(ara del trépano4 mientras las caracter$sticas del suelo no cambien será suficiente obtener una muestra cada ',7% m aproximadamente, pero al notar un cambio en el agua eyectada debe procederse de inmediato a un nuevo muestreo. 9l detener las operaciones para un muestreo debe permitirse que el agua alcance en el po!o un nivel de equilibrio, que corresponde al nivel freático 2que debe registrarse3. ?ualquier alteración de dic(o nivel que sea observada en los diferentes muestreos debe reportarse especialmente. 7.'.* =étodo de penetración estándar: Este procedimiento es, entre todos los exploratorios preliminares, qui!á el que rinde meores resultados en la práctica y proporciona más útil información en torno al subsuelo y no sólo en lo referente a descripción. En suelos puramente friccionantes la prueba permite conocer la compacidad de los mantos que es la caracter$stica fundamental respecto a su comportamiento mecánico. En suelos plásticos la prueba permite adquirir una idea, si bien tosca, de la resistencia a la compresión simple. 9demás el método lleva impl$cito un muestreo, que proporciona muestras alteradas representativas del suelo en estudio. El equipo necesario para aplicar el procedimiento consta de un muestreador es normal que el penetrómetro sea de media ca0a, para facilitar la extracción de la muestra. La utilidad e importancia mayor de la prueba de penetración estándar radica en las correlaciones reali!adas en el campo y en el laboratorio en diversos suelos, sobre todo arenas, que permiten relacionar aproximadamente la compacidad, el ángulo de fricción interna en arenas y el valor de la resistencia a la compresión simple en arcillas, con el número de golpes necesarios en ese suelo para que el penetrómetro estándar logre entrar los *% cm especificados. &.1.4 Mtodo de 0enet"aci(n c(nica Estos métodos consisten en (acer penetrar una punta cónica en el suelo y medir la resistencia que el suelo ofrece. Existen diversos tipos de conos. )ependiendo del procedimiento para (incar los conos en el terreno, estos métodos se dividen en estáticos y dinámicos. En los primeros la (erramienta se (inca a presión, medida en la superficie con un gato apropiado4 en los segundos el (incado se logra a golpes dados con un peso que cae. En la prueba dinámica puede usarse un penetrómetro atornillando al extremo de la tuber$a de perforación, que se golpea en su parte superior de un modo análogo al descrito para la prueba de penetración estándar. Es normal usar para esta labor un peso de 8*,7 Pg, con Q8 cm de altura de ca$da, o sea la misma energ$a para la penetración usada en la prueba estándar. @ambién a(ora se cuenta los golpes para *% cm de penetración de la (erramienta. En resumen podr$a decirse que las pruebas de penetración cónica, estática o dinámica, son útiles en !onas cuya estratigraf$a sea ya ampliamente conocida i y cuando se desee simplemente obtener información de sus caracter$sticas en un lugar espec$fico4 pero son pruebas de muy problemática interpretación en lugares no explorados a fondo previamente. La prueba de penetración estándar debe estimarse preferible en todos los casos en que su reali!ación sea posible. 7.'.7 1erforaciones en boleos y gravas: ?on frecuencia es necesario atravesar durante las perforaciones estratos de boleos o gravas que presentan grandes dificultades para ser perforados con las (erramientas (asta aqu$ descritas. En estos casos se (ace necesario el empleo de (erramientas de mayor peso, del tipo de barretones con taladros de acero duro, que se suspenden y dean caer sobre el estrato en cuestión, maneándolos con cables. En ocasiones se (a recurrido, inclusive, al uso locali!ado de explosivos para romper la resistencia de un obstáculo que apare!ca en el sondeo. 7. =R@;);" )E ";-)E; )E<-<@<; &.!.1 Po3os a cielo aie"to con m%est"eo inalte"ado 5?alicata6 Este método de exploración (a sido ya descrito. "in embargo, es conveniente insistir en el (ec(o de cuando es factible, debe considerarse el meor de todos los métodos de exploración a disposición del ingeniero para obtener muestras inalteradas y datos adicionales que permitan un meor proyecto y construcción de una obra. &.!.! M%est"eo con t%os de 0a"ed del7ada )esde luego de ningún modo y bao ninguna circunstancia puede obtenerse una muestra de suelo que pueda ser rigurosamente considerada como inalterada. En efecto, siempre será necesario extraer al suelo de un lugar con alguna (erramienta que inevitablemente alterará las condiciones de esfuer!o de su vecindad4 además, una ve! la muestra dentro del muestreador no se (a encontrado (asta (oy y es dudoso que amás llegue a encontrarse, un método que proporcione a la muestra, sobre todo en su cara superior e inferior los mismos esfuer!os que tenia. Este tipo de muestreadores no es recomendable para suelos muy blandos, con alto contenido de agua y arenas, ya que en ocasiones no logran extraer la muestra, saliendo a la superficie sin ella. &.!.# Mtodos "otato"ios 0a"a "oca ?uando un sondeo alcan!a una capa de roca más o menos firme o cuando en el curso de la perforación las (erramientas (asta aqu$ descritas tropie!an con un bloque grande de naturale!a rocosa, no es posible lograr penetración con los métodos estudiados y (a de recurrirse a un procedimiento diferente. ?uando un gran bloque o un estrato rocoso apare!can en la perforación se (ace indispensable recurrir al empleo de máquinas perforadoras a rotación, con broca de diamantes o del tipo cáli!.
En las primeras, en el extremo de la tuber$a de perforación va colocado un muestreador especial, llamado de #cora!ón#, en cuyo extremo inferior se acopla una broca de a cero duro con incrustaciones de diamante industrial, que facilita la perforación. En las segundas, los muestreadores son de acero duro y la penetración se facilita por medio de municiones de acero que se ec(an a través de la tuber$a (ueca (asta la perforación y que actúan como abrasivo. En roca muy fr acturada puede existir el peligro que las municiones se pierdan. 1erforadoras tipo cáli! se (an construido con diámetros muy grandes, (asta para (acer perforaciones de *m4 en estos casos la máquina penetra en el suelo con la misma broca. )e acuerdo a lo anterior se concluye que el éxito de una maniobra de perforación rotatoria depende fundamentalmente de esos tres factores: G elocidad de rotación. G 1resión de agua. G 1resión sobre la broca.
