Capitulo 6 Suelo

Proy.Docencia FDDE01-05

6.

Apunte Mecánica de Suelos I

EXPLORACIÓN DEL SUBSUELO

Fundaciones de puentes, muros de contención, carreteras y prácticamente cualquier obra de ingeniería pueden ser diseñadas adecuadamente solo si el ingeniero tiene un adecuado conocimiento de las propiedades físicas del suelo de fundación. Es por esto que es necesario investigar las condiciones del subsuelo del sitio propuesto para determinar si es adecuado y establecer su capacidad para soportar la estructura propuesta evitando esfuerzos y deformaciones indebidos.

6.1

PROPOSITO DE LA EXPLORACION DEL SUBSUELO El propósito de una exploración del subsuelo es determinar las propiedades ingenieriles y

condiciones que existen bajo la superficie.

En Estados Unidos, por ejemplo, sobre el 40% de los costos de la construcción de una autopista esta dirigido a la preparación del terreno y fundaciones. Además, una gran cantidad de lo restante es gastado en ítems como por ejemplo, drenaje, pavimento y estructuras, los cuales dependen directamente de las características del suelo. Por lo tanto, para lograr una construcción y mantenimiento económicos, para minimizar los costos de las fallas, un diseño basado en una adecuada investigación es necesario.

Para el ingeniero, el suelo se refiere al material orgánico e inorgánico que yace sobre la roca. Con la adecuada información del subsuelo, el ingeniero debiera realizar diseños considerando el mejor uso de materiales locales, minimizando así los gastos excesivos.

Se debe reconocer que puede existir un gran número de condiciones de subsuelos y por lo tanto aunque se realicen investigaciones exhaustivas, siempre se pueden generar condiciones críticas. La experiencia juega por lo tanto un rol importante en minimizar la posibilidad de errores debido a condiciones imprevistas. imprevistas. En las siguientes figuras figuras se pueden observar ejemplos ejemplos de fallas debidos a condiciones pobres de subsuelos.

Ing.Civil Carmen Gloria González

Depto.Ingeniería Civil - Mayo de 2007.



Pavimentos dañados producto de asentamientos del subsuelo

Movimientos de un estribo de un puente




6.2


ALCANCES DE LA EXPLORACION Cuando se esta considerando la necesidad de la investigación del subsuelo, el primer paso es

determinar el alcance del trabajo. En este caso, alcance se refiere simplemente al tipo y a la cantidad de trabajo envuelto. Por ejemplo, el alcance podría estar relacionado con la exploración de las condiciones del subsuelo para un proyecto de una carretera, incluyendo puentes, alcantarillados, etc. Por otro lado, puede ser simplemente una modificación de un camino sobre un área que se sabe que el subsuelo presenta buenas condiciones. En el primer caso, el alcance debería ser tan completo como sea posible ; para el segundo caso, el trabajo puede requerir quizás de un solo hombre, un pala y un equipo de perforación manual.

En la preparación del alcance el ingeniero debe considerar la minuciosidad requerida para la investigación. El grado de sub-diseño, el cual debe ser justificado, será uno de los primeros factores a considerar. Algunas situaciones justificarán el sub-diseño, por ejemplo, un camino rural que es utilizado por un volumen de trafico menor. El alcance de esta investigación puede ser por lo tanto bastante reducido. Por otra parte, en áreas sujetas a condiciones de riesgo, por ejemplo, terremotos, el alcance debe ser lo suficientemente completo para asegurar que las condiciones del subsuelo serán descritas adecuadamente para evitar pérdidas de estructuras y proporcionar seguridad.

6.3 OBJETIVOS DE LA EXPLORACION Una vez que se ha establecido el alcance de la exploración, es necesario establecer un set específico de objetivos.

Los objetivos principales de la investigación del subsuelo son :

• establecer el perfil del suelo, determinando la secuencia de los estratos en función de la

profundidad y su profundidad; la continuidad lateral de cada estrato y la profundidad del lecho rocoso, si es necesario. • obtener información con respecto a las características del nivel freático.





• determinar las propiedades necesarias para la identificación, descripción y clasificación de los

diferentes estratos y obtener los parámetros necesarios para el diseño.

Cuando los objetivos están determinados se debe preparar un programa de exploración del subsuelo, observaciones del nivel freático, recuperación de muestras para su estudio mediante ensayes de laboratorio, y en algunos casos una serie de ensayos in situ.

6.4 PLANIFICACION DE LA EXPLORACION DEL SUBSUELO Antes que cualquier exploración del subsuelo es planeada e implementada, se debe revisar información de reportes y datos oficiales de agencias publicas o privadas.

Fuentes típicas de información disponible son :

• mapas topográficos • mapas geológicos • fotografías aéreas • Informes asociados con estructuras existentes

Durante la planeación inicial se debe obtener tanta información como sea posible.

Muchos proyectos requieren por lo menos dos etapas :

• Etapa preliminar o de reconocimiento. • Etapa de diseño o de viabilidad.





6.4.1 Etapa de Reconocimiento Durante la etapa de reconocimiento todo la información obtenida debe ser usada en el diseño preliminar, evaluando las posibilidades de ingeniería y económicas del proyecto. La etapa de reconocimiento debería incluir lo siguiente :

• Revisión de planos • Revisión de datos de archivos, reportes, fotografías, etc. • Inspección visual del lugar, preferentemente a pie. • Identificación de aspectos geológicos, forma del terreno y tipos de suelo. Los aspectos

geológicos pueden ser usualmente estimados a través de mapas geológicos. La forma del terreno (topografía) puede ser identificada en terreno y con la ayuda de mapas topográficos y fotos aéreas. • Cortes existentes y taludes naturales deben ser estudiados. Tal información puede ser útil en

la identificación de tipos de suelo. • Revisar antiguos y/o existentes problemas de ingeniería con personal de terreno capacitado o

hablar con pobladores.

6.4.2 Etapa de Diseño y Viabilidad La etapa de diseño y viabilidad ampliara y confirmara información obtenida en la etapa de reconocimiento. El ingeniero debería por lo menos :

• Revisar resultados de la etapa de reconocimiento. • Identificar posibles problemas de ingeniería, por ejemplo si están planificados cortes

profundos en un proyecto vial, es importante localizar posibles planos de deslizamiento, localizando además materiales con baja resistencia al corte. • Incluir los siguientes ítems en la investigación de campo. • localizar calicatas y sondajes. • orden en que se deben realizar las calicatas y sondajes. • profundidad a la cual se deben extender las calicatas y sondajes.





• tipos de muestras requeridas. • Reunir toda la información obtenida.

6.5 EXPLORACION DEL SUBSUELO La exploración del subsuelo se hace por lo general mediante pozos de inspección (calicatas) o sondajes (perforaciones). La localización y el espaciamiento entre los pozos o sondajes debe permitir destacar las condiciones geotécnicas de los puntos de importancia ingenieril, además de aportar información general sobre las condiciones geotécnicas del terreno como un todo. A veces es necesario modificar el programa de exploración inicial, en función de los resultados que se vayan obteniendo. La profundidad de exploración depende del tamaño y del tipo de la obra que se desea construir, pero en general, la exploración deberá realizarse hasta una profundidad donde el incremento de esfuerzos deje de ser significativo y la presencia de un suelo compresible no contribuya de manera significativa al asentamiento de la obra propuesta. En caso de encontrar roca, se aconseja penetrar por lo menos 3 metros en más de una perforación para establecer si corresponde a un verdadero lecho rocoso y que no se trata de una roca aislada.

6.5.1 Pozos o Calicatas Son hoyos o excavaciones, dentro de las cuales se puede ver la estratigrafía (sentido vertical y horizontal), y proveen el acceso directo para tomar muestras y/o realizar ensayos in situ. Las muestras pueden ser alteradas o inalteradas.

Los pozos se pueden excavar con pala y picota o con la ayuda de una retroexcavadora. La profundidad que se puede alcanzar depende principalmente del costo. En suelos granulares sin cohesión, el problema es el soporte de las paredes de la excavación. Si además agregamos el problema de excavar por debajo del nivel freático en estratos permeables, la profundidad a la cual se pueden hacer pozos de inspección de una manera económica se limita a unos 5 metros.

Bulbo de presiones





Se denomina así a un cierto volumen de suelo que se ve significativamente sobrecargado al aplicar una sobrecarga en una determinada superficie (ej. fundaciones). Zapata de fundación

q s

ISOBARA

B

2 ⋅ B

0,1 ⋅ qs

Para casas de 1 a 3 pisos, calicatas de 2 a 2,5 metros suelen ser suficientes y aún sobredimensionadas.

0,8 m

1,8 m

0,5 m 1,0 m

Para edificios (suelos residuales) se hacen calicatas de hasta 5 - 7 metros (Obs : se han hecho de 12 [m]). En suelos sedimentarios, la profundidad de las calicatas se puede determinar en terreno a medida que se va excavando, según las características del suelo.





6.5.2 Sondajes Son pozos o agujeros de pequeño diámetros que se realizan para registrar la compacidad (suelos granulares) o consistencia (suelos finos) del macizo atravesado. En algunos sondajes se extraen muestras y en otros no. Se realizan mediante diferentes técnicas de perforación, la cual depende del diámetro de la perforación, de la profundidad de la exploración y de la ubicación del sitio.

a) Barreno manual es una herramienta de perforación portátil a la cual pueden adaptársele diferentes cucharas hasta un diámetro de 20 cm, y pueden utilizarse hasta una profundidad de 5 metros en estratos de paredes estables y no presentan gravas o partículas de mayor tamaño. Esta técnica se utiliza con frecuencia durante la etapa preliminar del estudio del terreno.

barreno de cuchara

barreno helicoidal

b) Barreno mecánico Los barrenos mecánicos por lo general están dotados de una barrena con cuchilla helicoidal montada sobre un eje central, que se introduce por rotación dentro del terreno y remueve el





material desplazándolo hasta la superficie. Las ventajas de este método son la velocidad y la movilidad. No se requiere fluido en la ejecución. Cuando la punta del barreno es equipado con herramientas especiales, es posible perforar gravas y rocas débiles. Por lo general, este método no puede ser usado bajo el nivel freático, a menos que se instalen aparatos especiales para contener el suelo.

La parte central del barreno puede ser hueca o sólida. Los barrenos de trayectoria continua con frecuencia tienen un eje hueco que se cierra en el extremo a medida que avanza la perforación. A la profundidad que se desee puede retirarse la tubería central para permitir el acceso de una herramienta para la toma de muestras inalteradas o realizar ensayos in situ.

En arcillas duras puede utilizarse un barreno con eje macizo, ya que la arcilla se sostiene sin revestimiento cuando se retira el barreno para tomar muestra o realizar ensayos in situ. Como alternativa, puede utilizarse un barreno de trayectoria corta, el cual debe retirarse de la perforación una vez que se llena para limpiarlo.





Barreno de Trayectoria continua

Muestreo a través del orificio del eje

Barreno de trayectoria continua

barreno de trayectoria corta

Estos barrenos pueden llegar hasta profundidades de 50 metros y usualmente tienen diámetros que varían de 75 mm a 300 mm aunque pueden llegar hasta 1 metro.

c) Sondaje de cono dinámico Consiste en hacer penetrar, a golpes de martinete, una punta cónica (la más usada en Chile tiene 2’’ de diámetro y 60º de conocida) en el suelo contando el número de golpes necesarios para avanzar tramos de 30 [cm]. La masa del martinete es de 63,5 [Kg] y la altura de caída es de 76 [cm]. En este tipo de penetraciones no se recuperan los conos.





Cable Masa Barra Guía Motor

Trípode 60º Barras

Cono ∅2”

Se correlaciona el nº de golpes para cada 30 [cm] de penetración, con la compacidad y/o consistencia del suelo. Este sondaje no extrae muestras, razón por la cual, la estratigrafía debe conocerse por otro medio.

El costo por metro lineal (hoy) es de aproximadamente $15.000 a $20.000. La profundidad máxima aceptable para correlaciones es de 10 - 12 [m]. Existe el inconveniente de no existir correlaciones comprobadas de resistencia con valores obtenidos por otros métodos de eficacia más confiables.

En arcillas la penetración dinámica tiene características peligrosas al no existir correlación digna de crédito si se tiene en cuenta que la resistencia de esos materiales a las cargas estáticas a que estarán sujetos en la obra, puede ser mal cuantificada a partir de una prueba dinámica, en la que la arcilla puede exhibir unas características totalmente diferentes.

En cambio en suelos granulares arenosos, estos sondajes son bastantes útiles ya que existen buenas correlaciones con otros ensayos. En suelos muy firmes o en gravas o en suelos con bolones no es posible realizar este tipo de sondaje.





Presentación Profundidad (m)

NCPT

Z 0

0 - 0,30

-

0,30

0,30 – 0,60

2

0,60

0,60 – 0,90

10

0,90

0,90 – 1,20

15

1,20

1,20 – 1,50

20

1,50

1,50 – 1,80

25

1,80

10

20

40

30

50 NCPT

• •

• • •

Mínimo aceptable en fundaciones 20 NCPT 1 2 3 4

Profundidad de fundación = 4,0 (m)

d) Sondaje estático (de penetración cónica) Consiste en hundir a ‘’presión estática’’ un conjunto de barras terminadas en una punta cónica más un conjunto de revestimiento. Se registra en forma continua la presión, primero para hundir las barras centrales (Rp =resistencia de punta) y segundo, para hundir el conjunto de revestimiento más las barras centrales.





Viga W

Masa W

Anclaje

Anclaje

Este método es apropiado solamente para suelos cohesivos blandos y/o granulares sueltos o poco compactos.

En este sondaje la punta se hinca a presión estática, usando un gato hidráulico apoyado en un marco fijo de carga. La velocidad de penetración puede ser constante y del orden de 1 [cm/seg]. Una forma de graficar los resultados es : anotar la presión que haya sido necesaria para lograr una cierta penetración (por ejemplo 50 [cm]) versus la profundidad.

En ensayos profundos la resistencia de punta varía fuertemente con cambios moderados de las propiedades del suelo, esto hace detectar pequeñas variaciones que pueden ser desventajosas si lo que se buscan son indicadores preliminares de las propiedades promedios de los estratos. Esto tiende a confundir si no se tiene información anterior que permita subdividir en capas para promediar las propiedades. La penetración dinámica, al absorber gran parte de las pequeñas variaciones locales, puede resultar útil como primer paso en una exploración del

subsuelo.

Una penetración dinámica sería recomendable también antes de efectuar sondajes tendientes a obtener muestras inalteradas.





Presentación Presión

1

2

3

4

Rm: Resistencia de Manto

5 R m = R total -R p

6

Z R p

R Total

Si este se lleva a la resistencia a la penetración de un pilote se tiene.

Pp = área punta x Rp Pm = desarrollo área manto x Rm

Pad

pilote

=

1 ( P p + P m) 3





Resumiendo, las pruebas de penetración cónica, estáticas o dinámicas, son útiles en zonas cuya estratigrafía sea ampliamente conocida con anterioridad, pero son pruebas de muy problemática interpretación en lugares no conocidos.

e) Sondaje de penetración standard ‘’Standard Penetration Test’’ Este sondaje conocido mundialmente como SPT, consiste al igual que el sondaje de cono dinámico, en hundir una serie de barras de acero terminadas en un cilindro hueco muestreador denominado ‘’muestreador Terzaghi’’ o ‘’cuchara normal’’ dentro del suelo mediante golpes repetidos de una masa de 63,5 [Kg] cayendo de 76 [cm] de altura. Las grandes diferencias con el cono dinámico son :

• Usualmente se entuba el hoyo para evitar que colapse y evitar el roce de la pared del suelo

con las barras. • Saca muestras, normalmente deformadas, metro a metro de penetración.

Para sacar muestras indeformadas se utilizan cilindros o cucharas muestreadoras especiales (‘’Shelby’’ para suelos finos y ‘’Denisson’’ para suelos granulares arenosos).

• La profundidad del alcance puede ser muy grande, por ejemplo 300 [m] (Cerca del Congreso

Nacional en Valparaíso se hizo un sondaje hasta 67 [m], alcanzando la roca.

Es normal en obras, tener sondajes de 10-15-20 [m] y hasta 40 [m].





En suelos puramente friccionantes, la prueba permite conocer la compacidad de los mantos que es la característica fundamental respecto a su comportamiento mecánico.

En suelos plásticos, la prueba permite adquirir una idea tosca de la resistencia a la compresión simple. La resistencia a la penetración de la cuchara en suelos homogéneos y puramente cohesivos ha sido aceptada como una función simple de la resistencia drenada respectiva.

En la figura anterior también se observan algunos muestreadores. El muestreador para arcilla (fig. b) se utiliza en suelos cohesivos y esta constituido por un tubo de acero abierto en el extremo que tiene un borde afilado en la punta, con el cual corta un cilindro de arcilla cuando se deja caer desde una altura de 1 [m] a 2 [m].





El muestreador de tubo abierto (fig. c) esta formado por un tubo de acero que tiene una válvula de retención por encima del borde cortante y se utiliza en suelos sin cohesión. Cuando el muestreador contiene una cantidad razonable de material se retira y se extrae la muestra. El cortador (fig. d) es una herramienta muy sólida y pesada que tiene un borde cortante muy duro y se utiliza para romper estratos de suelos densos o duros o rocas blandas, cuyos fragmentos pueden extraerse con el muestreador de tubo abierto.

Muestreador para arcilla.

El procedimiento de avance es el siguiente ; se avanza 55 [cm] bajando el conjunto de barras, la cuchara normal y el revestimiento mediante ‘’lavado’’ o inyección de agua a presión por dentro de las barras. Se suspende el lavado y se comienza a dar golpes al conjunto de barras sin hundir el revestimiento. Se cuenta el número de golpes N1, N2 y N3 para cada 15 [cm] de avance o hundimiento. Se considera N = N SPT = N2 + N3.





Presentación

Observaciones :

• Son los sondajes más conocidos y empleados. • Su costo es cercano a los $60.000 a $80.000 por metro lineal, debido a que se debe sacar la

cuchara y barras metro a metro, y además se debe incluir la clasificación de todos los estratos del suelo. • Se suspende el sondaje cuando a lo menos tres veces seguidas se registra

N SPT ≥ 80 ó 100

[golpes / 30 cm]. • Existen normas sobre este ensayo (ASTM). • En suelos con gravas gruesas, bolones o maicillo firme no penetran las barras. • En casos en que se encuentran bolones, se cambia la cuchara por una corona de diamantes y

por rotación y lavado se traspasa el obstáculo (a esto se le llama sondaje mixto). • En general, cuando se desea saber la profundidad de la roca bajo el estrato de suelo, al

alcanzar la roca se cambia de percusión a rotación y se usa una corona.





f) Perforación por rotación Esta técnica se utiliza tradicionalmente para perforar rocas (también puede utilizarse en arcillas duras).Se puede utilizar trepano para triturar la roca o la técnica de perforación con toma de muestras, en la que se utiliza un muestreador anular que corta el material en forma continua para su recuperación. En rocas blandas o fragmentadas se utiliza la primera técnica, mientras que la perforación con tomas de muestras se utiliza en rocas sanas y en arcillas duras. Los diámetros más comunes son de 54 [mm] a 76 [mm].

Espaciamiento y profundidad de sondajes (sondajes y/o calicatas)

Espaciamiento

Estructura Carreteras Represas Zanjas y/o excavaciones profundas


Distancia entre sondajes [m] 300 - 600 30 - 60 30 - 120




Edificios en altura Industrias en altura

15 - 30 30 - 100

Profundidad de exploración [m]

a) Edificios

número de pisos ancho o lado menor

1

2

4

8

16

30 [m] 60 [m] 120 [m]

3 - 4 [m] 3,5 - 4 [m] 4 [m]

4 - 6 [m] 4 - 7 [m] 8 [m]

10 - 12 [m] 15 [m] 16 [m]

17 [m] 23 [m] 26 [m]

25 [m] 35 [m] 45 [m]

b) Hospitales y edificios públicos (oficinas)

Edificios livianos

z = 3 N 0,7 [m]

Edificios pesados

z = 6 N 0,7 [m]

z = profundidad de exploración N = número de pisos del edificio

c) Regla General

Se calcula z al punto o nivel donde Δσ ' = 0,1 q S , siendo q S la presión o incremento de presión efectiva a nivel de cota probable de sello de fundación.

6.5.3 Ensayo de paleta o Vane Test





Se realiza para determinar in situ la resistencia al corte no drenada Su de arcillas intactas saturadas. El ensayo consisten en medir el torque mínimo necesario para hacer girar una paleta, hundida cuidadosamente a presión estática dentro del suelo.

φ = 5; 6,25 o 7,5 [cm]

h = 3 a 5 φ

FO

= S U x área manto

Torque = FO x brazo de palanca

Torque = T (valor registrado)





T = S U 2 π R h H ∴

S U

=

T 2 π R 2 h

6.6 ALGUNAS RELACIONES EMPIRICAS En arenas las penetraciones dinámicas dan toscamente un número de golpes del orden del doble de la que se obtendría en pruebas standard.

N CPT

=

2 N SPT

Esto se debe a la fricción lateral motivada por el no uso de revestimiento. Si se pone revestimiento se pierde la ventaja económica de este método y el método con obtención de muestras sería económicamente competitivo.

a) Resistencia al Corte





Correlaciones N SPT - D.R. y N SPT - φ (Terzaghi - Peck)

Por ejemplo

φ de arena de Viña del Mar = 21,6º + 3,5 N SPT

Compacidad relativa de la arena Resistencia a la Penetración N SPT (golpes/pie) 0–4 4 - 10. 10 - 30. 30 - 50. > 50

Compacidad relativa

Resistencia de la arcilla

Resistencia a la penetración N SPT (golpes/pie) Muy suelta <2 Suelta 2 - 4. Media 4 - 8. Compacta 8 - 15. Muy compacta 15 - 30. > 30

Resistencia a com presión simple < 0,25 0,25 - 0,50 0,50 - 1,00 1,00 - 2,00 2,00 - 4,00 > 4,00

Consistencia Muy blanda Blanda Media Semi-dura Dura Rígida

Correlación de la penetración de la cuchara standard con la resistencia y consistencia del suelo

b) Módulos de elasticidad





en arcillas

:

E = 24 a 36 x N SPT [Kg/cm²]

en arenas finas

:

E = 6,78 N SPT

0,99

[Kg/cm²]

c) Pilotes (Meyerhoff)

Resistencia de ‘’punta’’ :

Resistencia de ‘’manto’’

en arenas

Rp = 4 N SPT [Kg/cm²]

en arcillas

Rp = 2 N SPT [Kg/cm²]

en arenas

Rm = N SPT

50 [Kg/cm²]

en arcillas

Rm = N SPT

100 [Kg/cm²]

Ejercicios 1) Mencione los métodos de exploración del subsuelo que conoce y los recursos necesarios para realizarlos

2) ¿Cuál es la diferencia entre una calicata y un sondaje? 3) A Ud. Se le ha encargado la ingeniaría de suelo para la construcción de una casa de albañilería de 2 pisos. Suponga que una fundación estándar para este tipo de estructuras tiene una base de 60 (cm) y su sello de fundación se ubica 80 (cm) bajo la cota de terreno. ¿Qué técnica de exploración realizaría y hasta que profundidad? Justifique.

4)

¿Qué entiende por Nspt y cual es el mínimo aceptable para un sello de fundación?

5) Se ha realizado una exploración a un suelo mediante el método de penetración estándar, cuyos resultados se presentan en la siguiente tabla. Horizonte (m) 0.15-0.45


Nspt 15




0.45-0.75 0.90-1.20 1.20-1.50 1.65-1.95

18 25 30 33

Calcular el ángulo de fricción interno del suelo a una profundidad de 1.6 (m)



Capitulo 6 Suelo

Recommend Documents