MANUAL · """' DE DISENO GEOTECNICO
V0LUMEN 1 1 Estudios. geotécnicos 2 .Diseño del Metro en cajón
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MANUAL DE DISEÑO GEOTECNJCO
VOLUMEN 1 1 ESTUDIOS GEOTECNICOS 2 DISEÑO DEL METRO EN CAJON
COORD INADORES:
JOSE MARIA RIOBOO CONSTANClO RODRIGUEZ
AUTORES:
ENRIQUE TAMEZ ENRIQUE SANTOYO FEDERICO MOOSER CARLOS E GUTIERREZ
COMISION DE VIALIDAD Y TRANSPORTE URBANO
MEXICO AGOSTO DE 1987
,--
1
MANUAL DE DISEÑO GEOTECNICO VOL
1
1
l_
CAPITULOS 1 ESTUDIOS GEOTECNICOS 2 DISEÑO DEL METRO EN CAJON
2
3 DISEÑO DEL METRO EN TU NEL
3
4 DISEÑO DEL METRO ELEVADO
4
5 PROCEDIMIENTOS DE CONSTRUCCION
CONTENIDO DEL VOLUMEN 1
• PRES!:NTACION • ESTRUCTURA DEL MANUAL
CAPITULO 1 ESTUDIOS GEOTECNICOS A 8 C O
INTROLJUCCION ANTECEDENTES GEOLOGICOS EXPLORACION GEOTECNICA ANTECEDENTES GEOTECNICOS
CAPITULO 2 DISEÑO DEL METRO EN CAJON A INTRODUCCION 8 DISEÑO GEOTECNICO C RECOMENDACIONES GEOTECNICAS O SUPERVISION GEOTECNICA E_ INSTRUMENTACION DE CAMPO
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INDICE DEL VOLUMEN 1 PRESENTACJON . . . . . . . . . . . . . . .. .. . . . ... ... ....... .. ....... . ...... 1 ESTRUCTURA DEL MANUAL . .. . ...... . . .. ... . ..... ... ...... . .... . . .. .. 2
CAPITULO 1 ESTUDIOS GEOTECNICOS A INTRODUCCJON
...... ..... ...... .. . .... ... . .. . ... . .............. 3
B ANTECEDENTES GEOLOGICOS
1. CARACTERIS TI CAS GEOLOGICAS Y GEOTECNICAS . .. ..... ... .......... . 5
1 . 1 GENERALIDADES . . . . . . . . .. . . . . . . . . . .... .. . . .... . .. . .... 1. 1 . 1 Marco geológico general . . . . . . . . . . ... .. . . .... . . . . . . . . . . . 1. 1 . 2 Marco paleoclimático ..... . .. . . . . . . . .. . . . . . .. . . . . . . . . . . 1. 1 .3 Marco vulcanológico . . . . . . . . . . ..... . . . . . . . . .. . ... . . .... 1. 1 . 4 Estratigrafía general . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . ..
.. ... . ..... 5 .. . . . . . . . . . 5 . ......... . 6 . . . . . . . . .. . 7 . . .. . . ..... 8
1 . 2 DEPOSITOS DEL LAGO 1 . 2 . 1 Proceso de formación de los suelos ..... .. .. . . . . . . . . . . . . . . ..... . ... .... 9 1 . 2. 2 Evolución de las propiedades mecánicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .... .... . . 1 O 1 . 2 . 3 Características estratigráficas . . . . . . . . . ... . . . . . . . . . . ... .. ...... . . . .. 1 2
1.3 DEPOSITOS DE TRANSICION 1.3.1 Características generales ... .. .... . .. ... .. . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . .. ... 14 1. 3 . 2 Condición interestratificada del poniente . . . . . . . .. .. .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 4 1. 3 . 3 Condición abrupta cercana a los cerros .. . .. . . ... . . . .... . . ... . .. . . . . . . . . 1 4
1 . 4 DEPOSITOS DE LAS LOMAS 1 . 4 . 1 Características generales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. .. . ... 1 5 1 .4 . 2 Zona pon1ente . . . . . . . . . .. ..... . . . . . . . .. ... .. . ..... ...... . . . . . . . 1 5 1.4 .3 Zona norte . . . . . . . . . . . . . . . . . ..... . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . 1 6
2. ZO NI FICACION GEOTECNICA ...... . . .... . .... .. .... ......... . ...... 17 ,
2 . 1 ZONA DEL LAGO . . . . . . . . . . . . . . . . . 2. 1 . 1 Lago Virgen . . . . . . . . ... . . . . . . 2. 1 . 2LagoCen tro l . . ... . . .... . .... . 2. 1 .3 Lago Cen tro 11 . . . . . . . . . .. ... ..
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ........... 17 ... .. . .... . . . . . . . .. . .... . . .. .. ... 1 8 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . ... 18 . . ... . .. . .. . . . . . . . .. . ... .. .. .. .. . 18
...
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2 . 2 ZONA DE TRANS ICION 2 . 2 . 1 lnterestra!lflcada del poniente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 2. 2 . 2 Abrupta cerca na a los cerros . . . . . . . ... . . . . . . .. .... .... . . . . . . ... ... 20
2 .3 ZONA DE LOMAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .... . .... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3 REFERENCIAS . .. .. ... .............. ... . ... . ... . ..... . .. . ... .. . .. 23 C EXPLORACION GEOTECNICA
FEG-0 1 RECONOCIMIENTO GEOLOGICO ... . .. .. .. .. ....... . ... ... .... .. 25 FEG-02 METODO GEOFISICO DE REFRACCION SISMICA .................... 26 FEG-03 METODO GEOFISICO DE RESISTIVIDAD ELECTRICA ... .. .. . . .. . ..... 29 FEG-04 POZO A CIELO ABIERTO . . . .................... . .. .. ...... ... 33 FEG-05 PRUEBA DE CONO ELECTRICO ... . ........ .............. .... ... 35 FEG-06 PRUEBA DE CONO MECANICO ........ . ... ... ......... .. . . ..... 40 FEG-07 PRUEBA DE PENETRACION ESTANDAR . . . .. . . . . .. ... . . ... ... . . . . 44 FEG-08 TECNICAS DE PERFORACION .......... ... . ............ . ... ... . 5 2 FEG-09 DETECCION DE CAVERNAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . 59 FEG-1 O BROCAS PARA PERFORACION DE SUELOS ... . .... . .... ......... .. 60 O ANTECEDENTES GEOTECNICOS
FAG-01 FAG-02 FAG-03 FAG-04
MUESTREO CON TUBO DE PARED DELGADA .. . ......... ... .. . ... . 6 9 M UESTREO CON TUBO DENTADO . . .... . .. . . .. ... ... . .......... 71 MUESTREO CON BARRIL DENISON . ................ . ........... 73 CONTROL Y PROTECCION DE LAS MUESTRAS INALTERADAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . .. .. ... . ....... . ... . 76 FAG-05 CONTENIDO DE AGUA .... . ... . . ..... ... . .......... .... . ... . . 7 9 FAG-06 LIMITE LIQUIDO ....... .... .. .. ......... . ...... . ........ . . . . 81 FAG-07 LIMITE PLASTICO . .. ... . .... . . . .. ...... . . . .. . . . . .......... .. 84 FAG-08 PRUEBA DE TORCOMETRO ...... . . ....... . ... .. . .. .... . ....... 85 FAG-09 PRUEBAS DE RESISTENCIA AL CORTE UU .. ... . . ... . . . .. .. ...... . 87 1 FAG-1 O PRUEBAS DE RESISTE NCIA AL CORTE CU .............. .. .... . ... 91 FAG-11 PRUEBA DE COMPRESIBILIDAD .......... . .. . . .. .. .. ... . .... . .. 94 FAG-1 2 PRUEBAS DE EXPANSIVIDAD .... ... ..... .. .. .. .... . . .. .. .. .... 99 FAG- 1 3 PRESENTACION DE LA INFORMACION GEOTECNICA ........... ..... ........... . ... . ....... 101 (ZONA DEL LAGO) FAG -1 4 SONDEOS DE CORRELACION .... : ..... ............ . .......... 104
CAPITULO 2 DISEÑO DEL METRO EN CAJON
A INTRODUCCION B DISEÑO GEOTECNICO
FDG -0 1 SOLUCIONES ESTRUCTURALES FACTIBLES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . FDG-02 INFORMACION GEOTECNICA DI SPONIBLE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . FDG -03 EMPUJES HORIZON-;"ALES, ZO NAS DEL LAGO Y TRANSICION .. ..... FDG-04 EMPUJES HORIZONTALeS, ZONA DE LOMAS . . . . . . . . . . . . . . .....
111 112 11 5 116
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111
FDG-05 ESTABI LI DAD DE LA EXCAVACION, ZONAS DEL LAGO Y DE TRANSICION 1 18 FDG -06 ESTABILIDAD DE LA EXCAVACION , ZONA DE LOMAS ..... .. 123 FDG -07 ANALI SIS DE LA SOBRECOMPENSACION Y FLOTACION . . . . . . . .. 1 26 FDG -08 ANALISIS DE EXPANSIONES Y ASENTAMIENTOS, ZONA DEL LAGO Y TRANSICION . . . . . . . . . . . . . ..... 127 FDG-09 RECO MENDACIONES PARA EL SISTEMA DE BOMBEO POR GRAVEDAD . 131 FDG-1 O ESTABILI ZACION DE EX CAVACIONES CON ABATIMIEN TO ELECTROSMOTICO . . . . . . . . . . .. . . . ..... ... .... .... 132 FDG - 1 1 PROGRAMA DE INS TRUMEN TAC ION . . . . . ...... ....... 135
C RECOMENDACIONES GEOTECNICAS
1 . ANTECEDENTES . . . . . . . . . . .
. . . ' .... .... ' .... . ..... .. 139
2 . ZONA DEL LAGO 2. 1 EXPLORACION GEOTECNICA 2 . 1 . 1 Campa ña de exp loración . . 2 . 1. 2 Condiciones estrat igráficas .. : .
. ... .. . ... ' ' ' ' ' ... ' . . . . . . . . . . . . 139 . ..... . .... ... ....... . . ... . . 139
2 . 2 DISEÑO GEOTECNICO PRELIMINAR 2. 2 . 1 Definición del problema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 1 2 . 2. 2 Soluciones factibles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 4 1
2.3 INFORMACION GEOTECNI CA DE DETALLE 2. 3. 1 Instrumen tación de exploración . . . . . ... . ... . . ... .. . . . . . . . . . . . . .. .. 1 4 1 2.3 .2 M uestreo inalterado .. .... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ... ..... . . . . . . . ... . 1 4 1 2. 3 . 3 . Pruebas d e laboratorio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ... . .. . . . . . . . . ... 1 4 1
2.4 DISEÑO GEOTECNICO DEFIN ITIVO 2 . 4 . 1 Perfiles y cortes geotécnicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .... .... . . . . . . . . 1 4 2 2 .4 .2 Empujes horizontales . . . . . . . . . . . . . . . .. ... . . . . . . . . . . . . . . .. ... .. . 142 2. 4. 3 Estabilidad de la excavación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 2 2 .4.4 Análisis de la sobrecompe nsac1ón y de flotación . . . . . . . . ..... . . . . . . . . . ... . 1 43 2 . 4 . 5 Aná lisis de expansiones y asentamientos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ... ... . ... 1 44
2. 5 RECOMENDACIONES PARA CONSTRUCCION 2 . 5 . 1 Trabajos preliminares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . ... .. . .. 144 2. 5. 2 lntrumentación para control de la excavación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .... . . 1 44 2.5.3Abatimientodelnivel freá tico . . . . . . . . . . . ... . . . .. . . ... . .. . . .... .. . 1 44 2. 5. 4 Procedimiento de excavación . . . . . . . . . . . .. . . . ... .. . . . . .. .. .. ... .. . 1 4 4 . ... . . . . . . . . . . . . . . .. . .... . . . . 144 2. 5.5Rellenosy terraplenes. . . .. .
2.6 COMPORTAM IENTO DE LA ESTRUCTURA 2. 6 . 1 Instrumen tación de compor tam1ento . . ... . . . .. . . . . .. . . ... ... . . . .. . . . 1 4 4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144 2 . 6. 2 Observaciones a corto plazo . . . . 2. 6 . 3 Observaciones a largo plazo .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ... . . . . . . . . . ... . 1 4 5
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3 ZONA DE TRANSICION o
3 1 EXPLORACION GEOTECNICA 3 o1 o1 Campaña de exploración o o o o o o o • o o o o o o o • o • o o o o o o o o o o o o o o o o o • o o o o o 1 4 5 3 o1 o2 Condiciones estratigráficas o o o • o o o o o o o o o o o o o o o • o o o • o o o o o o o • o o o o o • o o 1 4 6 o
3 2 DISEÑO GEOTECNICO PRELIMINAR 3 o2 o1 Definición del problema o o o o o o o o • o ooo o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o • o • o • o o o 1 4 6 302.2 Soluciones factibles o o o o o o o o o o o o o o o o o o • o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o 146 o
3 03 INFORMACION GEOTECNICA DE DETALLE 3030 1 Instrumentación de exploraéión o o o o o o o o o o o o o o o o o •• o o o o o • o o o o o o o o • o o o 1 46 3 . 3 o2 Muestreo inalterado o o o o o o o o o o • o o o o o o o • o • o o o o o o o • o o o o • o o o o • o o o o o 1 4 6 3 o3 o3 Pruebas de laboratorio o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o • o o o o o • o o o o o o • o o • o o o o o 1 4 6 3.4 DISEÑO GEOTECNICO DEFINITIVO 3 o4 o1 Perfil geotécnico o • o o o o o o o o o o o o o o o o o o o •0 o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o 1 4 3 o4 o2 Empujes horizontales o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o 1 4 3 o4 o3 Estabilidad de la excavación o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o • o o • o • o o o o o o o o o o o o o 1 4 3 o4.4 Anál isis de la sobrecompensación y de flotación o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o • o o o o o 1 4 3 o4 o5 Análisis de expansiones v asentamientos o o o o o o o • o o o o o o o • o o o o o o o o o o o o o o o 1 4
7 7 7 7
3 o5 RECOMENDACIONES PARA CONSTRUCCION o o o o o • o o o o o o o o o o o o o o o o o o • o o o 1 4 3 o5o 1 Traba jos preliminares o o o o o o o o o o o o .. o o o . • o o o •. o o . o .. o • . o o .• o • . o . o 1 4 3 o5 o2 Instrumentación para control de la excavación o o o o o o o o o . o o o o o o o o o o o o o o o o o 1 4 3 o5 o3 Abatimiento del nivel freático o o o o .. . o o o .. o • o o o . . o o . o . . o o o o o . • o • . . . o 1 4 3 o5.4 Procedimiento de excavación o . o o o o o . o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o 1 4
7 7 7 7 7
6
3 06 COMPORTAMIENTO DE LA ESTRUCTURA 3 o6 o1 Instrumentación de comportamiento o o . o o . o o . o o . o . .. o . . o o .. o o o . o .. o . o 1 4 7 3 . 6 o2 Observaciones a corto y largo plazo o o o o o, o o o o o o . o o o o • o o o o o o o o • o o • . • o o o 1 4 8
4 ZONA DE LOMAS o
4 01 EXPLORACION GEOTECNICA 4 01 01 Campaña de exploración o o o o . o o . o • o . • o • o o o o o o o o o . o o . • o . o • . o o . . o . o 148 4.1.2 Condiciones estratigráficas o o o o o o . o . o o o .. o . o o . . o . . . o . o o . o o . o o o o . o . o 148
4 02 DISEÑO GEOTECNICO PRELIMINAR 4 o2. 1 Definición del problema o . . o o o o o o • o o o •• o o o o o • o o o • . o o . o o o o o . o o o o • o o 1 4 8 4 o2 o2 Soluciones factibl8~ o o o . o o o • o o . o .. o o • o o o o o . . o o o • o o o o . o o . o o o • o . . o 1 4 8
4 03 INFORMACION GEOTECNICA DE DETALLE 4o3.1 Instrumentación de exploración . o .. o . o o .. o o • o o o . o o . .• o o o • . . . . .• o o o . 148 4 o3.2 Muestreo inalterado o o o o o o . . o .. • . . . o . o o o o o o o .. o o o o o . o o . o o . • . o o . 148 4 03 03 Pruebas de laboratorio o o o o o o o o o o o o o •. o o o o o o o o o o o o . o o o . o o o o o o • o o o 148 4 04 DISEÑO GEOTECNICO DEFINITIVO 4 o4 o1 Perfil geotécnico o o o o o o o o o o o • o o o o . o • o 4.4 o2 Empujes horizontales o o o o o o . o . o o o .. o o . 4.4.3 Estabilidad de la excavación o . . o o . o .. o o o . 4 o4 o4 Análisis de la sobrecompensación y de flotación
. o o o
o o oo o o oo .. o o •. o o o o o o . o .. o . o .• o o o
oo• oo o• ooo oo. oo oo. o•
o •• o. . . oo ooo
oo o• oo oo
••. .. . oo. . o.
o o o o1 4 9 o o o o1 4 9 o o . . 149 o o . o 1 50
1
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V
4 . 5 RECOMENDACIONES PARA CONSTRUCCION
150 .
4 . 6 COMPORTAMIENTO DE LA ESTRUCTURA .
150
O SUPERVISION GEOTECNICA
1. TRABAJOS DE CAMPO
1 . 1 OBJETIVOS . . . .
. . . .
. .. _ . . _ ... ... _ .. . .. _ . . _ ... .. . __ . ... _ . 1 51
1 . 2 RECONOCIM IENTO GENERAL _
. _ . . . . . . . . .... _ . . . . . . . . . _ . . . . . . . 1 51
1 .3 PROGRAMA DE SONDEOS DE EXPLORAC ION . .. . ..... .. .. . .. ... . _ . _ ... _ . _ . 151
1 _4 TECNICAS DE EXPLORACION 1 . 4 _1 Métodos geofísicos _ . . . 1 .4. 2 Cono eléctrico .. _ . _ . . . . . 1 . 4 . 3 Cono mecánico _ . . . 1 . 4 . 4 Penetración estándar . -1 .4 . 5 C1iteno de selección . --
. . . . . . . . . . - .. - . . . . . . . - - .. . . - . - . . - - 1 51 .. . . . . .. . . . . . ..... - .. - ... - . . .... . 1 51 . . ..... .. . . . . . . . . . - ..... . . - . - - . - . 1 51 . . . .... - . - .... - - . .... - .. . . - . - . ... 1 51 . - . . . . - - - . - .. - .. . . . . . . . . . . - ....... 1 5 1
1 . 5 PROGRAMA DE SONDEOS CON MUESTREO INALTERADO . . . . .... ..... _ . .. _ . .. 1 51 1 . 6 TECNICAS DE MUESTREO INALTERADO 1. 6 . 1 Tubodepareddelgada . . . . . . .... ____ . _ .. __ .. . .. _ . _ . . . . ... . _ ... 1 .6.2 Tubo dentado . _ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ... . .. . . .... .. ... _ .. .. __ .. 1 _6. 3 Barril Denison . __ .... _ _ . . . . . . ... _ . . . _ .. . _ . _.. __ _ _ _ .. _ .. _ _ . . . . . . 1 . 6. 4 Muestras cúbicas . . . . . . _ . , . . . . . . .. .. . .. .. . _ .. _ .. . ... . .. . . . . . . . . 1. 6 .5 Criterio de selección . _ . __ _ . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . ___
152 1 52 1 52 1 52 152
1 . 7 TECNICAS DE PERFORACION 1 . 7. 1 Lavado y percusión .. . . . . . . . . . . . __ . . ___ . . . . . . . . . . . . . __ . . . . . . . . . 1 52 1. 7 . 2 Cuchara de impacto . _ .. _ .. ... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ... ... . . . . . . . _ . 1 52 1 . 7.3Barrenaoademehelicoidad . _. _ . . . . . . . _ . . . . . . . . . . . . . . . __ ..... _ .... 152 1 . 7 . 4 Posteadora-rimadora .... .... . . ... .... . ..... . . . .. . _ . . . . . . . . . . ... 1 52 1 . 7 . 5Pozoacieloabierto _ . . . . . ___ . . ... ____ . . . . . . __ . . . . . . . . . . . _. _ .. _ . 152 1 . 7 .6 Criterio de selección . . .. . ..... . _ . . ·: _ _ . . ... -. . .. ... _ .. . _ . . . . . . . . _. 1 52
1 . 8 PROGRAMA DE INSTRUMENTACION . . _ . . .
_ ___ . . . . . _ . . . . . . . . . _ _ . . .
. . . 152
1 .9 INSTALACION Y OPERACION DE INSTRUMENTOS 1 . 9 . 1 Piezómetros abiertos . . . . . . . . . ... . _ .. . . __ . . . ... . .. . . . . . . . _ . _ .... 1 52 1 . 9 . 2 Piezómetros neumáticos . _ ... ___ . _ .. _ . . . . . . . .... ... __ .. _ .. . _ . _ . _1 52 1 . 9. 3 Referencias superficiales . . . . . . . .. . _ .. _ . . _ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ... 1 53 1. 9. 4 Bancos de n ivel profundos _ . _ .. . . . . . . ... .. . . . . . . __ . _ . . . . . . . . . . . . - . 1 53 1 . 9 . 5 lnclinómetros . . . . ___ . _ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ..... - .. .. . . - . - - 1 53
1 . 1O CONTROL DE LOS TRABAJOS DE CAMPO 1 . 1 O. 1 Información complementana . .. . . . _ . ... _ _ . . . . . . . . . . . . . - . . . . . . . . _ . 1 54 1 . 1 0 . 2Visitasdesupervisión .. _ . . . . . . . . . . . . . . - . . . . . . . .... - ... - ..... -. 154 1 . 1 0 .3 Calidad del trabajo .. . .. . _ __ . . . . . . . . . . . . . - .. - . ... . - . . . . . .... . 155
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VI
2. TRABAJOS DE LABORATORIO
2 . 1 OBJETIVOS .
. . . . . . . . . . . . . . .
. . . .... . . . .. . . . . . . . . . ... . . . . . . . . . . 1 55
2. 2 REGIST~O DE CAMPO ... . .... . .... . .... . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 55 2 .3 REVISION DE MUESTRAS . . . . . . .. . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . .. .. ... . . . . . . . . 155 2.4 EXTRACCION Y SELECCION DE MUESTRAS ... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 56 2 . 5 PROGRAMA DE PRUEBAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 56 2.6 CONSERVACION DE MUESTRAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . 156 2 . 7 PRUEBAS INDICE . . . . . . . . . . . . . . . . .. .... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ...... 1 57 2 . 7. 1 Clasificación de suelos ... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 57 2 . 7. 2 Contenido natural de agua . . . . . . . . . . . . .... . .. . . . . . . . . . . . . . . .. . .... 1 57 2 . 7 . 3 Límites de consistencia ... ..... . . ... . . . . . . . . . . .... ... ... . . . . . . . . . 1 57 2 . 7. 4 Pesos volumétros húmedo y seco .. . . .. . ... .. .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 57 2. 7. 5 Densidad de sólidos . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . ... .. .. .. ..... . ... 1 57 2 . 7. 6 Porcentaje de finos . . . . . . . . ·. . . . . . . . . . . . . . . . . ... .... . . . . . . . ... ... 1 57 2 .7. 7Torcómetro . . . .. . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . ..... .. . . . . . . . . . . . . . . . . 157
2 . 8 PRUEBAS DE RESISTENCIA Y DEFORMABILIDAD 2 . 8 . 1 Comprensión simple . .... .. ... . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 58 2 .8 . 2 Triaxial rápida IUUl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158 2 .8 .3 Triaxial consolidada rápida ICUI . ... . ... . .. . .. . .. . . . . . . . . . .. . .. .... . . 1 59 2 .8 .4 Triaxial consolidada drenada ICDI .... .. . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. .. 159 2. 8 . 5 Consolidación unidimensional . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 59
2 .9 PRESENTACION DE RESULTADOS . . . . . . . . . . ... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . 160
3. PROCESO CONSTRUCTIVO 3 . 1 OBJETIVOS . . . . . . . . . ... ... .. .. . . ..... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160 3.2 SUPERVISION TECNICA .... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ... .. .. .. . .. . . . . . . . . . 160 3. 3 PROGRAMA DE SUPER VIS ION TECNICA . .. ... .. .... . . ... .. ... . . . . . . . . . .. . 1 61 3 . 3. 1 Reconocimiento de la línea ..... .... .. .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 61 3.3.21ns trumentacióndecampo . .. .... .... . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161 3 .3 .3 Cons trucción de muros milán . . . . . . . . . .·. . . ... . . . . . . . . . . . . . . . . . .... 161 3 . 3 . 4 Control del nivel freático . . . . . . . . . . . .. . . ..... . . . . . . . . . . . . . . . .. .... 1 61 3 . 3 . 5 Excavación y apuntalamiento ..... .. . . . ... . . .... .. ... .. . . . . . . . . . . . . 1 61 3 .3 .6 Estabilización de taludes . . . . . . . . . . . . . . .... ... . ... . ... . . . . . . . . . . . 162 3 . 3 . 7 Estructuras afectables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 2
3 . 4 MODIFICACIONES A LOS PROCEDIMIENTOS DE CONSTRUCCION 3 . 4 . 1 Origen del problema . . . . . . . . . . . . ... . . . . . . . .... ... . .. ...... 1 6 2 3.4 . 2 Pla nos definitivos de cons trucción . . ... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 6 3
3 . 5 TRAMOS EXPERIMENTALES DE CONSTRUCCION 3 . 5 . 1 Objetivos ·. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 6 3 3 . 5 . 2 Diseño y evaluación de los experi mentos . . . . . . . . .. ... . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 6 3
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4. COMPORTAMIENTO DE LA ESTRU CTURA 4 . 1 OBJETIVOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . 163
4 . 2 OBSERVACION ES A CORTO Y A LARGO PLAZO .. . . . .... . ... . . . . . . . . . . . . . . . . 1 6 3 4 .3 RECOPILACION DE LA INFORMACION TECNICA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 6 4 4 .4 PLANTEAMIENTO DE NUEVAS ALTERNAT IVAS . . .
. . . . . . . . . . . . . . . ... . . . . . . 1 6-4
E INSTRUMENTACION DE CAMPO FIC-01 PIEZOMETRO ABIERTO EN PERFORACION PREVIA .. . . .. .. .. .. ...... 165 FIC-02 PIEZOMETRO ABIERTO HINCADO .. ... .. .. . .... . ... ...... . .. . . . 171 FIC-03 PIEZOMETRO NEUMATICO ... . .... . .. . ... .... ........... . .. . .. 174 FIC-04 TUBO DE OBSERVACION DEL NIVEL FREATICO . . .. . . . ....... . . . ... 176 FIC-05 REFERENCIAS SUPERFICIALES ....... . .. .. .. .. .......... . .... . . 1 77 FIC-06 BANCO DE NIVEL PROFUNDO ... . . . . . . .. ..... . ................ 18 1 FIC-07 CELDA HIDRAULICA DE CARGA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ......... 1 83 FIC-08 INCLINOMETRO ............... . . . . . . ... . .......... ..... .. .. 185 FIC-09 BANCO DE NIVEL FLOTANTE . . .. . . . . .. . .. . .............. .. . . .. 189
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PRESENTACION
En el diseño y construcciÓn de l as líneas del Hetro intervienen especialistas de diversos campos de la ingeniería civil , cuya interac ciÓn ha generado la necesidad de di sponer de un f'lanuaf de D..Ueño (jeot.écn i co que: a ) faci l ite la identificaciÓn de los problemas del subsuelo , b) con t enga una me t odología de diseño geotécnico , racional y sencilla, e ) no rme e l alcance de l a s e t apas del diseño . geotécnico, d) logre la uniformidad de criterios , téc.n icas e instrumentos y e ) descr iba la información básica, que los ingenieros civiles no especialistas en geotecnia pudie ran requerir. con el propósito de alcanzar estos objetivos se ha diseñado el presente Manual, e n el q u e , entre otros aspectos , se describe la aplicación de los conceptos y técnicas que han demostrado ma yor confi abilidad para e l diseño y construcción de lÍneas del Metro , tanto terminadas como en construcciÓn . El capÍtu lo de recomendaciones precisa l as obligaciones que deberán satisfacer los estudios geotécnicos; por su parte , en el capítulo de supervi sión geotécnica se indica cómo realizar los diferentes aspectos de esta actividad . El Manual incluye un capítulo de antecedentes geolÓg i cos , enfocado a describi r de manera actua l izada la zoni/.icaci6n del. h u8.huel.o d ef. va{C e de 1'/ é x: ic o , con base e n la in terpretación más reciente de su geología; con esta información se puede e ntender c l aramente e 1 orden preciso de l a secuencia estratigráfica de los depÓsitos la cust r es de l a llamada z ~ na d eC { u go , a s í como advert i r que la s ~ t na• de l~a n 4 ici 6 n también cump l e n regionalmente con cierto orde n estratigráfico , aún insuficientemente incanprendido y que sólo podrá aclararse d e spués de un esfuerzo técnico, como e l realizado por Marsal y Mazarí (ref 1) para los suelos del lago . En cuanto a l a zo na d e Coma• , se describe con detal l e la naturaleza de los depÓsitos por los fenóme no s geolÓgicos que han actuado en esa parte del valle . La metodolog í a que se propone en este Manual para la exploración de l os suelos, así como para la determinación de sus propiedades mecánicas , se debe a Terzaghi (ref 2 ); consiste en conocer primero la geolog í a del sitio , después su est ratigrafía en d eta l le y con base en el l o proponer e l programa de muestreo Y pruebas de laboratorio med iante las té cn icas más adecuadas a esos suelos ; de esta forma se intenta evitar lo que Terzaghi ll ama los /.alaf.e h mal.oh juicioh de las condiciones del su bsuelo, y que divide e n tres categorías (ref 3 ) :
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1. Influencia de la al teración de las muestras en los resultados de labo ratorio, así como las diferencias significativas .entre las condiciones de las pr u ebas de labora torio y las solicitaciones que se le impo nen a l suelo . 2 . Incapacidad para reconocer o ju z gar confiab l emente las co ndiciones más desfavorables del subsuelo , compatibles con la in formación de campo . 3. Comun icación inadecuada entre los grupos de diseño y de construcción ; esta si tua ción fácilmente conduce a e rrores provoca dos por div ergenci as en las condici o nes inferidas del subsuelo y en l os proced imientos de construcción especificados. Aplicando esta metodología se demuestra q u e la hipót esis de que ya con o cemo h hu/.icienle menle ef. hu8.huef.o de f.a Ciudad d e f'léx: ic o es falsa; más aún , lleva a adm i tir que los notab l es h u ndimientos regionales provocados por e l bombeo profundo y los rellenos superficia les implican una evolución constante de las propiedades mecánicas de los suel os . Las lÍneas del Metro deberán diseñarse y cons truirse para adaptarse a este complejo proce so evolutivo de la s propiedades de los suel os que adiciona l mente es variable a lo l argo de una cierta línea del Metro . La utilidad de este Manua l Únicamente podrá mantenerse si se actualiza periÓdicamente , aprovech ando la experiencia que se adqu iera durante el proceso de construcción de las nuevas lÍneas de l ~letra, sobre todo si se evalúa n con rigor los tramos experimenta les donde se aplicaron distintos procedimientos cons tructivos, calificando cu idadosame nte la confiabilidad de los es tudios geotécnicos rea l izados con técnicas adecuadas de campo y laboratorio . Las modificaciones q u e se le haga n a este Manual fácilmente podrán ser integradas , ya que su formato ha sido diseñado para permitir esa necesaria evolución técnica . REFERENC I AS ~larsal,
R J y Mazari, !>1 ., "{_f. huO.. hu e flo de f.a Ciudad de f'léx: i co *, Instituto de Ingeniería, UNAM (1959). 2 . Bjerrum, L, *Some noie h on 7e~z aghi'h melhod o/. wo~king*, en From theory to practice in soil mechanics, John Wiley and Sons , Nu eva York ( 1 960) . 3 . Te r zaghi , K y Peck , R 8 1 "Soif. mechanich in enginee ~ ing p~aci ic e* , John Wiley and Sons, Nueva York (1 967) . 1.
2
ESTRUCTURA DEL MANUAL
l.
GENERALIDADES
El Manual de Diseño Geotécnico es una recopilación de información técnica que facilitará la labor de los ingenieros proyectistas y constructores de las lineas del Metro; su contenido no constituye un conjunto de especificacione s, por lo que debe utilizarse solo co1o ayuda de diseño y construcción. Lof capitules principales que cubre este nual en sus 4 volúmenes son:
2.
1
ESTUDIOS GEOTECNICOS
2
DISE~O
3
DISE~O
DEL METRO EN CAJON DEL METRO EN TUNEL
4
DISE~O
DEL l>tETRO ELEVADO
5
PROCEDIMIENTOS DE CONSTRUCC ION
Ma-
ESTUDIOS GEOTECNICOS
Este capitulo se inicia con una breve desc ripción de las caracteristicas geológi cas y geotécnicas del s ubsuelo de la ciud ad de México; continúa con la descripción de las técnicas de exploración previa, muestreo inalterado y pruebas de laboratorio, en forma de fichas técnicas que facilitan su consulta . En cuanto a la programación de las campañas de exploración, se encuentran en los capitules correspondientes al diseño del Metro en cajón, en túnel y elevado . 3.
DISE~O
DEL t-1t:TRO
En tres capitules independientes se describen l os criterios de diseño de las alternativas estructurales de las lineas del Metro (cajón, tún~l y elevado); cada capitulo integra procedimientos detallados de diseño, de metodologias de cálculo , ayudas de diseño y recomendaciones para definir la instrumentaciór de campo . Esta información se presenta er descripciones convencionales y en fichas técnicas .
4.
PROCEDIMIENTOS DE
CONSTRU~CION
En este capitulo se detallan los procedimientos c onstructivos geotécnicos de las lineas
del Metro, particularmente de muros milán, excavac io nes a cielo abierto, excavación de túneles e hincado de pilotes. 5.
¡· .
FICHAS TECNICAS
Se ha adoptado esta forma de redacción en la oresentación de temas que permiten precisar con detalle l os requisitos minimos para aplicar una técnica de campo, de laboratorio, o efectuar el análisis y diseño geotécnico. Las fichas contienen ción:
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a) Para los trabajos de campo, laboratorio instrumentación:
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Objetivo Equipo necesario Operación del equipo Resultados obtenidos Interpretación de resultados Comentarios Referencias
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b) Para el análisis y diseño geotécnico - Objetivo - Hipótesis de cálculo - Procedimientos de cálculo (incluyen ayudas de diseño) - Presentación de resultados Comentarios - Referencias
En ambos casos se incluyen ejemplos que se ilustran los formatos para la tación de resultados.
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en los presen-
Las f ichas se identifican con tres letras y dos dÍ<¡Jitos; la primer letra es sjempre una F, que significa ficha, la segu~da es la l e tra inicial del tema al q'JP corresDonde, por ejem E de expforación, D de diseño etc. La tercer letra es la G de la palabra gP.otécnia y l os números son consecutivos de cada tema.
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CAPI·TULO 1
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.ESTUDIOS GEOTECNICOS. · A
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INTRODUCCION 8 ANTECEDENTES GEQLOGICOS C EXPLORACION GEOTECNICA. .· O ANTECEDENTES GEdTECNICOS
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A: INTRODUCCION
l. ANTECEDENTES GEOLOGICOS Esta parte está constituida por lo s iguientes dos temas: a)
CMac:.te.Jtb...üc.M ge.ológ.i..c.a.~ Va.Ue. de. Mé.x.i..c.o , haciendo
tj
ge.oté.c.n.i..c.M del.
énfasis en procesos de formación de los suelos.
b)
2.
los
zo,ú6.ic.au6n ge.oté.c.n<.c.a. Se presenta un plano actualizado de la zonificación geotécnica de la Ciudad, y una descripción de las implicaciones prácticas asociadas a cada zona . ESTUDIOS GEOTECNICOS
Se describen aqu1 las técnicas de exploración y perforación aplicables al subsuelo de la Ciudad de México , en forma de fichas técnicas (FEC - Fichas de Exploración Geotécnica) que precisan las ventajas y limitaciones de cada una de las técnicas descritas . 3 . ANTECEDENTES GEOTECNICOS En esta parte se presentan en forma de fichas técnicas (FAG) los siguientes temas: Muestras inalteradas. Se describen con detalle l as técnicas que actualmente se están aplicando para obtener muestras "inalteradas" de los suelos; aunque se reconoce la necesidad de mejorarlas, adoptando muestreadores de pistón para los suelos blandos, as1 como de sarrollar muestreadores adecuados para los s uelos secos y duros. La selección de los muestreadores disponibles para cada suelo se precisa en el Capitulo de Supervisión Geotécnica. Pruebas de laboratorio. Se describen únicamente las pruebas en las que ac l aran detalles de los procedimientos de ejecución para los suelos de la Ciudad de México; o se proponen equipos de diseño reciente que mejoran y facilitan la ejecuc i on de l as pruebas. como referencia general para las pruebas de laboratorio se recomienda consultar el Manual de Mecánica de Suelos, SRH, Ed ición 1970.
----------
8: ANTECEDENTES GEOLOGICOS· • DESCRIPCION DE LA GEOLOGIA DE LA CUENCA Y ZONIFICACION DEL SUBSUELO
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8: ANTECEDENTES GEOLOGICOS
1. CARACTERISTICAS GEOLOGICAS Y GEOTECNICAS La información estratigráfica del subs~elo de la Ciudad de México que aquí se presenta está fundamentada en todas las publicaciones disponibles sobre ese tema y en la rlerivada de los estudios geotécnicos que se han realizado para las distintas líneas del Metro. En la zonificación del subsuelo se observa cómo se ha podido precisar la compleja estratigrafía de la zona poniente de la Ciudad gracias a los sondeos y experiencia de cons trucción de la Línea-7. En cuanto a las zonas del lago y transición, la exploración del subsuelo con el cono eléctrico y muestreo inalterado selectivo ha permitido la definición de perfiles estratigráficC?s más precisos , demostrando con ello que esta metodologÍa de exploración es una técnica muy efi ciente y economía para los estudios del subsuelo de esas zonas. :'n relación con las propiedades mecánicas de los suelos, particularmente en las zonas del lago y transición, ocurre una constante evolución, observándose una disminución de la compresibilidad y un aumento de la resistencia al corte, fenómenos que ocurren en pocos años y cún en meses a consecuencia de : a) el bombeo profundo para el abastecimiento de agua potable , b) el efecto de sobrecarga de antiguos rellenos superficiales, e) el peso de las estructuras, y d) el abatimiento del nivel freático por bombeo superficial para la constru c ción de cimentaciones y mantenimiento de sótanos . Todo ésto hace que la información previa sobre las propiedades
mecan1cas de los s u elos únicamente deba tomarse como una guía , y que siempre será nece sario actualizar el conocimiento del subsue l o mediante estudios geotécnicos confiables. El conocimiento del subsue l o de la Ciudad de !·léxico evolucionará sólo si se mejoran l as técnicas de campo , de laboratorio y de instrumentación ; por tanto , los aspectos que por su importancia deben desarro l larse a corto plazo son: a) definir la estratigrafía y propiedades mecánicas de la costra superficia l, b) mejorar la técnica del cono eléctrico , e) reducir el remoldeo y fisu r ación de las muestras inalteradas de suelos blandos, d) muestrear en seco los suelos de bajo contenido de agua, y e) disminuir el costo de la instrumentación del campo . 1 . 1 GENERALIDADES
Para comprender la naturaleza geolÓgica de los depósitos sobre l os que se edifica la Ciudad de México , es necesario considerar los siguientes tres marcos de referencia : el geolÓgico general , el paleoclimático y el vulcanolÓgico. 1 . 1 . 1 Marco geolÓgico general
La cuenca de México asemeja una enorme presa azolvada: la cortina , si t uada en el sur está representada por los basal tos de la sierra del Chichinautzin , mientras que los rellenos del vaso están constituidos en su parte superior por arcillas lacustres y en su parte inferior por elásticos derivados de la acciÓn de ríos , arroyos , glaciares y volcanes (figB- 1) . El conjunto de rellenos contiene
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Arcillas lacustres
FIG 81 . 1
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Depá.itos elásticos
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Sierro del Chichinoutzin
ESQUEMA GEOLOGICO GENERAL DEL VALLE DE MEXICO
........ 6 además capas de cenizas y estr,at_o s de pómez producto de las erupci~nes volca n1 cas _me~or e s y mayores durante e l ultimo med1o m1llon de años o sea en el Pleistoceno Superior, que es aproximadamente el lapso transcurrido a partir del inicio del cierre de la cuenca. También se reconoce n en el citado relleno numerosos suelos , producto de la meteorización de los depÓsitos volcánicos, fluviales, aluviales y glaciales; estos suelos, hoy transformados en paleosuelos o tobas, llevan el sello del clima en el que fueron formados, siendo a veces amarillos, producto de ambientes fríos, y otras veces cafés y hasta rojizos, producto de ambientes moderados a subtropicales.
Sobre este complejo relleno ha crecido la Ciudad de México. Desde la fundación de Tenochti tlán, hará 600 años, los pobladores del lugar han tenido que enfrentarse a las características difÍciles del relleno;/ hacia la mi tad de este siglo, sus edificios y obras se fueron desplantando sobre los rellenos correspondientes a l borde de la planicie, compuestos de sedimentos transicionales (figs B-2 y B-3), y en lo que va de la segunda mitad je la centuria, la urbe se ha extendido aún 11ás, rebasando los lÍmites de la planicie y subiendo a los extensos flancos occidentales je la cuenca, espacio cubierto por los abani::os volcánicos de la sierra de las Cruces, ::onocido como Las Lomas . Sus depósitos elást icos difieren en mucho de los depÓsitos ~rcillosos superficiales del centro de la ::uenca. DepÓsitos
L omos
frot~slclonolu
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1.1 . 2 Marco paleoclimático
El c lima uniformemente cálido y a menudo desértico del Plioceno, en l as latitudes de la Meseta Central Mexicana, cediÓ a climas cambiantes y extremosos del Pleistoceno. Las causas de esta mutación, que a fectó a toda la Tierra hace dos millones de años, aún se desconocen. PrincipiÓ el cambio con ligeras oscilaciones de períodos calurosos a fríos , los que se fueron acentuando hasta hace un millÓn de años ( f ig B-4), cuando se inició una primera gran glaciación (Nebraska), con una duración aproximada de 100 000 años. Siguió un lapso de clima caluroso, el cual cediÓ renovadamente a un segundo período de glaciación prolongada (Kansas). Entonces se produjo un lapso extenso de c-lima caliente de unos 200 000 años. Este intervalo se denomina en Norteamérica el Ya~moulh o el 9~an Inte~gla cJ..al ; imperó hace 400 000 a 600 •) 0 0 años en todo el orbe. oños ontes de hoy
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~Arcillas lacustres del Holoceno 0::1 Suelos neoroallmo-orcillosoa ~del Plelatoceno, mdx 5 m
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. --:J Formación Taranoo FIG B2.
ESQUEMA GEOLOGICO GENERAL OE LA TRANSICION LOMAS-PLANICIE DE UN "DELTA" ALUVIAL
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- 3 km
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FIG B3.
-
ESQUEMA GEOLOGICO GENERAL DE LA TRANSICION L0~1AS-PLANICI E FUERA DE UN "DELTA" ALUVIAL
FIG B4.
Reciente
Glaciacidn : Wisconsin 3 Avances Interglacial Sangamon Glaciación : Illinois 2 Avances Gran Interglacial: Yarmouth Glaciación : Kansas I nterglaciol : Glaciación: Nebraska
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PERIODOS GLACIALES E INTERGLACIALES
1
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SiguiÓ un tercer período glacial (Illinois), para el cual se han podido determinar dos avances separados por un periodo con clima moderado. Esta tercera glaciación terminó al desarrollarse d e nuevo un clima relativamente cál ido a lo largo de 100 000 a 80 0 0 0 años; se le conoce como el 7 e~ce ,¡ In t e ty l.acJ..aP. o Sangam on en Norteamérica. De nuevo se fue enfriando el clima, imponiéndose la cuarta glaciación (Wisconsin), caracterizada por tres oscilaciones y dos estadiales de clima moderado; terminÓ hace 1 O 000 ?.ños aproximadamente. Es entonces que principiÓ el Ho P. o ceno o Reciente, períono climático mo-
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lo anterior se deriva que la cuenc a de desde su c ierre en e l su r po r los basaltos de la siPrra del Chichinautzin , ha pasado por dos pe rÍ o dos de glaciación , el l{Cin t i -1 y el ¡,¡ ¡ >e' n \ 11! y dos interglaciales , el !/a :mc,u t 1¡ y el Sunqumc n , tal como se describe en la fig B-4 . ~léxico ,
Investigaciones recientes (ref 1) han permitido comprobar en el espacio de Las Lomas , depósitos formad os por glac iales perte nec ien tes al It.f.i.n o i ,-, . Debajo de las cutcna 1 az uCe,-, , de Santa Fe, especialmente en la mina Totolapa , se descubrieron restos inconfundibles de depÓsitos morrénicos , además de superficies pulidas en roca atribuibles exclu sivamente a la acción glacial , en pequeños domos formados en el Pleistoceno Med io . Estos indicios de glaciación son anteriores a 170 000 años ( 1/!.t.in oi\ ln.Le~i o~ ). AÚn más, arriba de las mismas a ~en a 1 azu (e 1 hay otras morrenas más jÓvenes que se asignan al avance del lll!.in o id Supe~icz . Las profundas barrancas de la ~lagdal en a, de Santa Rosa y de la Cañada, caracterizadas por su secc ión clásica en U, s e han podido identificar como productos de erosión glacial. Representan estas tres barrancas avances del ll linci1 7u~d l o , pues sus depósitos morrénicos y los pulimentos y es tr ías en sus pa r edes aparecen cu bi e rtos localmente por suelos rojizos a r c i llosos , at ribu idos al 7e~ce ~ Intez gfac i at o sea el Sa ngamon .
son tambtén la ~, lava s , brec~ a s, te z ont le s y cenizas de l Penan del Marques , así como las de la sierra de Santa Ca tar i na , con su hi l e ra de conos escoreác eos j uve ni les rodeados de lavas Y las coladas recientes del Pedregal de Sa n Angel originadas en el Xi tl e . Los produc tos de estos der rames volcánicos meno res no c om ~iten en variedad y vol umen con 1 0 s d7 un volean g rande, como lo es el cerro San M;g';lel , que se eleva al SW de la Ciudad de ~IE;xll;:o . Este complejo volcá n con ca l deras mu lt1 ples, estuvo activo desde finales del Plioceno hasta h ará algo má s de 1 00 000 años habiendo produc ido en un lapso de dos a tre~ ~iliones de año ~ erupci?nes puTÍ ticas de gra n volumen y energ1 a , var1os ki l ometros c uadrados de lavas , además de extensos lahares calientes y fríos, avalanchas ardientes y otros numerosos tipos de piroclásticos , que han contr i buido a los extensos abanicos volcáni cos que s e conoce n como Zona de Lomas. Entr e sus erupciones má s espectacula res , ocu rridas en el Pleistoceno Su perior, destacan l as conocidas arenas azules que irrump ie ron al formarse la caldera del cerro San t-liguel hará 170 000 años , es decir, a mediados de la Tercera Glaciac i ón. Al precipitarse los piroclásticos sobre las s uperficies glacia les en las cumbres del vo l cán , el v a por producido generó lahares ca lien tes que descendieron con velocidades extraordi n arias, avanzando has ta di stancias de 20 km del cráte r, para termina r en l as barrancas de Tarango, Tacubaya y San Angel . As Í como se produ j eron laha r es calien t e s hubo las que en el curso de l a actividad volcánica r esul ta ron lahares fr íos ( corri entes de lodo) , arrastrando ex traordinarios bloques de roca en una matriz are no-lodosa . Ef ect ivamen t e , supe r pues to a los depÓsitos de morrenas en Tacubaya y Tarango, se reconoce un po t e n te lahar ciclópeo q ue debe haber descendido de l a región de Cuaj i malpa a finales del avance glaciar del lf. f. in o i -1 Inte~ i o ~ , antes de la e rupciÓn de l as ar enas azules . ~ambién ocasiones en
Hay que señalar que todas las manifestaciones glaciales descritas sobreyacen a secuencias de suelos rojos del tipo Interglac i al o sea el !/a ~ mouth . Este horizonte indicador pal eoc limático define los f enóme nos de origen gla cia l como pertenecientes a la Tercera Glaciación . Uno de l os productos tÍpicos acampanado de la existencia de glaciares son los sue l os eól i cos . Las llamadas brisas de l valle y montaña que se desarrollan hoy en dÍa en la cue nca, deben haber se acentuado ext r aord inariamente durante los climas glaciales, transformándose en vendavales. Es casi seguro que estos fuertes vientos acarreaban importantes volúmenes de partícu l as finas de polvo volcá nico alte r ado a l Valle . Al precipitarse este p o lvo llamado loess en el Lago, se hidrataba fácilmente crea ndo las conoc idas arcillas lacustres del valle; co n este mecanismo se int e rpret a hoy que las arcillas son prod u cto principal de la alteració n fÍ sico-quÍmica de l oess glacial . 1.1 . 3 Marco vulcanolÓgico Todo material contenido en l os depÓsitos d e l a cuenca del Valle de !>léxico es directa o indirectamente de origen volcánico . De origen volcáni co directo son , por ejemplo , las l avas de los domos pliocénicos del cerro de Chapul t epec y del cerro de l Te peyac . Lo 1
l
En el renglón de depÓsitos volcánicos indirectos se d eben menciona r l as acumulaci ones de polvo eó li co . La s regiones vo l cánicas de por sí abundan en detr itos f inos d erivados de ce ni zas volcán icas . El v i ento levanta este pol vo y lo tra n sporta a veces a grandes distancias; si el vie n to l os deposi t a en l ade ra s durante períodos de c l ima · frío , se tra nsforma e n suelos inmaduros que con el transcurso d e l ti em po se convierten en toba s a marillas que tanto abunda n en las Lomas . Sin embargo , si se depositan en un lago , como e n e l antiguo vaso de Texcoco , sus part í cula s s e hidratan transformándose en arcillas . Por otra parte , si s e asientan durante un ínte rg l acia l, o sea cuando impera un cl ima relati vame nt e ca li ente , se prod u cen suel os con coloides debido a la act i vidad fi tolÓgica más intensa ; es tos s u e .\ Os con e l tiempo se trans forman en tobas r ojizas arci llosas . Los s uelos r o jos , r i cos en coloides , son caracte rís ti cos de l Sangamon .
8
primera interpretación de la secuencia estratigráfica de los depÓsitos lacustres . Mooser ( ref 1 ) ha adicionado información reciente, fundamentalmente sobre la inter pretación de edades geolÓgicas y las correlaciones estratigráf i cas establecidas ent re las Lomas y la p lanicie¡ en es ta in terpretación estratigráfica de la planicie ya no se habla de formaciones Tacubaya, Becerra y Tarango, ya que estas unidades litolÓgicas , con excepción de la Ta rango, no se prolongan de las Lo mas al relleno lacustre aluvial.
Relacionados con los períodos g lac}ales , · almente a finale s de el l os . , es tan los d s hielos por los cual es crec~eron a rroyos y e ríos c~udalosos. Los deshielos generaron potentes depÓsi t os fluviales que se reconoce~ hoy en numerosos puntos de Las Lomas , as~ como a l pie de e lla s en la transición a la pla ni cie central, formando abanicos a luvia les . espec~
1.1 . 4 Estratigrafía general ,. a) Depósi tos d el lago Los depÓsitos de la planicie del Valle de M¡xico son los que com~nmente se conocen como depÓsitos del lago . Hay que señalar que ello solamente es válido y correcto para ciertos tiempos geolÓgicos c on condiciones climáticas que propiciaban la existencia de un lago. En la c uenca cerrada podía existir un lago cuando las lluvias superaban a la evapo-transpiración, el que desaparecía c uand o ¡sta superaba a las lluvias. Obviamente, el factor que dominaba di c ho equilibrio era la temperatura ambien t a l: si el clima s e enfriaba , se formaba un lago¡ si se calentaba, el lago disminuía y hasta desaparecía .
En l a fig s:..s se presenta en forma sintética la interpretación de la estratigra fía propuesta por Mooser . NÓtese que las erupciones de arenas azules , ocu r ~idas hace 170 000 años, representan lo que antes se definía como Formación Tarango (re f 2). b)
Como consec uencia de lo anterior, se presentaron transgresiones y regresiones lacu str e s. El resultado prácti co de e s ta alternancia fue la deposi tación de arcil l a s o formación de sue l os . El lago subs istía durante l as épocas de ca l o r (sequÍa) en la s partes centra les de l a cuenca , continuando aqu í la depositación de arcillas (lacustres)¡ en l as partes margi na l es (transición) ocurría lo con trario , donde e n t r e arci lla s l acustres se intercalaban frecuentemente sue los secos . Teniendo en mente los conceptos geolÓgi cos , litolÓgicos y de temperatura expuestos, es relativamente sencillo interpretar la secuencia de los llamados depÓsitos l acustres , a la luz de l os cambi os climá ticos del Último medio millÓn de años. En ese l apso , que corresponde al Pleistoceno Superior , se han desarrollado en el Hemisferio Norte dos glaciaciones (clima frÍo ) con t r es perÍodos interg l aciares (clima moderado a ca li e nte) . El clima de la cuenca d e Méx i co ha sido una funció n directa de dichos cambios , razón por la cua l se puede reconocer en la secuencia estratigráfica de los depÓsitos del lago las grandes variaciones c limát icas . Esta ci r custancia , combinada con un análisis minucioso de las erupciones vo l cánicas , de las c uales ha sido posible fechar algunas, ha · llevado a u na geol.o gl.. a cl..i.máL i.ca de los depÓsitos del lago ( ref 1 ) . Además se ha l ograd o estab lecer una correlación estratigrá fi ca de dichos depósitos con las secuencias volcánicas de l as Lomas al poniente de la ciudad . zeevaert
presentó
en
1953
(ref
2)
la
Depó~ito de L~an~ición. Los depÓsi t os l acus tres del centro de la cuenca van cambiando a medida que se acercan al pie de Las Lomas lo que ocurre es que entre l as arc illas lacustres van interca lándose capas de suelos limosos, c uerpos de arenas fluvial es y, en ciertos casos, en l a desembocadura de arroyos y ríos, importantes depósitos de gravas y boleos. Obv i amente, las aportaciones fluviales de Las Lomas al gran vaso de sedimentac~o n, que es la plani cie , se depositan especialmente en el quiebre morfolÓgico Loma s-P l anicie (fig 8-6).
El l ago central nunca fue profundo, de a hí que los arroyos que bajaban por las barrancas y desembocaban en la planicie no l ograron formar deltas extensos que se introdujeran mucho a dic ho lago. Los e l ásticos fluviales y aluviales se acumu l aban consecuentemente Pn el q uiebre morfolÓg i co y se interestratificaban localmente con la serie arcillosa lacustre inferior, las aportaciones de los glaciares que bajaron en el Illin oi. ~ I nte~i.o ~ hasta RÍo Hondo, Virreyes , Tacubaya , Barranca de l Muerto y San Angel, depos itando morrenas con fuer t es volúmenes de elás ti cos y bolees , lograron formar acumulaciones aluviales extensas que parten del pie de Las Lomas y se adentran en l a planicie a luvial . En la f ig B-6 se reproduce este hecho en el corte geolÓgico , que muestra l a estra tigrafía de l a zona de transición . e)
D epó~ito~ de La ~ Lo ma ~ . En la secuenc i a estratigráfica de Las Lomas se identifi c an c~atro fenómenos geol Ógicos : - La erosiÓn subsecuente de estos depÓsitos, formándose profundas barrancas .
El depÓsito en las barrancas de morre nas , y - El rel leno parcial de esas barrancas con los productos r.l~sticos de nuevas
9
-, Suelos hÚmicos del Holoceno _ Coliche Pdmez t r ipartito Pómez can andesita Cenizo basdltica -
- - - -- .P!Etsente HOLOCENO - - _: ¡O 000 años - 1 1 OO Oanos
Reciente
-15 000 años
Arcilla Suelo
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Arcillo
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Serie lacustre superior: arcillas poco consolidados
Suelo duro
11)
Arcilla
----------80000 Capa duro Arcilla
3.er lnterolaclaf : S A N GAMO N
- - ---- -- --100 000
Erupcion de pÓmez
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50
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Arcilla Arenas
y oravas: d eslaves de glaciares de I llinois Superior Arcilla Erupción
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90
Erup ción de arenas azules y deslaves de 1 Ilinois Inferior (arenas y gravas)
ESTRATIGRAFIA DE LA PLANICIE LACUSTRE, CIUDAD DE MEXICO
erupciones . Las anteriores unidades quedan separadas unas de otras por suelos rojos, amarillos o ca f és segú n el clima que rigiÓ después de su emplazamiento . En la fig B-7 se muestra esa estratigrafía, que se extiende sobre un intervalo que cubre el Úl timo medio millón de años. 1.2 DEPOSITOS DEL LAGO 1 .2.1 Proceso de formación de los suelos Los suelos arcillosos blandos son la cuencia del proceso de depósito y de ción fisicoquímica de los materiales les y de las c eni zas volcánica!; en el
JL
- 170 000 o1'1os
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FIG 85.
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Serie lacustre inferior : arcillas muy consolidados .
consealteraaluviaambien-
te lacustre, donde exist ían abundantes colonias de microrganismos y vegetación acuática; el proceso sufrió larga3 interrupciones durante los períodos de intensa sequía, en los que el nivel del lago bajó y se formaron costras endurecida s por deshidratación o por secado solar . Otras breves interrupciones fueron provocadas por violentas etapas de actividad volcánica, que cubrieron toda la cuenca con mantos de arenas basálticas o pumíticas; eventualmente, en l os períodos de sequía ocurría también una erupciÓn volcá ni ca , formándose costras duras cubiertas por arenas volcánicas El proceso descrito formó una secuencia orde nada de estra t os de arcilla blanda separados por lentes duros de limos y arcillas aren0 -
10
P lan icie
/ /
/
/ /
Suelos del Holoceno 2
3) 4 5 6 7 8 9
Suelos Intercalo do• al bojar ellooo Copo duro ( 3er. lnteroloclol - Sonoomon) Gro vos y oren os del Illinols Superior Erupción de arenas azules Grovos y arenas de fl no las da 1 Illinoie Inferior Morrenas del Illlnois Inferior Material morr4nlco redepoaltodo
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FIG 86.
ESTRAT IGRAFIA DE LA ZONA DE TRANSICION
sas , por las costras secas y por arenas basál tica s o pumíticas producto de las emisiones volcánicas . Los espesor es d e l as cos tras duras por desh i dratación so lar t ienen cambios g r aduales debido a l as condiciones topográ fi cas de l fondo del l ago ¡ alcanzan su mayor espesor hacia l as orillas del vaso y pierden importancia y, aún llegan a desaparecer , al cen tro del mismo . Esto Último se obse r va en el vaso del antiguo l ago Texcoco , mostrando que esta regiÓ n del lago tuvo escasos y breves períodos de sequ í a . 1.2.2 Evo l ució n de las propiedades mecánicas a ) Con solidación natural . El proceso de f ormación de los suelos implicÓ que se consolidaran bajo su propio peso, excepto en las costras duras , que se p re consolidaron fuertemente por deshidra tación o secado solar y que en s u parte inferior f o r maron una zona ligeramente preconsolidada . Considerando que l a masa de suelo predominant e era muy blanda y normalmente consoli dada, la variación de su resistencia a l corte con l a profundidad debiÓ ser lineal y seguramente muy simi l ar e n cualqvier punto del lago . Es factible q u e en e l lago Texcoco , que prácticamen te no s ufri ó etapas de sequía , y donde e l cont e ni do salino de s u s ag uas era más alto , las ar -
- - ---- -- ---- - - - - - -- - -
cillas fueran algo más blandas y compren s ibl es q u e eP e l resto de la c ue nca. b) Consolidación ind ucida . E! desarrollo uL bano e n la zona lacustre de la cuenca de ~léxico ha ocasionado un complejo proceso de consolidación , en e l que se distinguen los sigui e ntes factores de i nf luencia: - La co l ocac ión de rellenos desde l a época precortesiana , necesar i os para l a cons trucción de viviendas y pirámides , as í como para el d e sarrollo de zonas ag tÍ col as . - La apert u ra de tajos y túneles para el drenaj e de aguas pluviales y negras, que provocó el abatimiento del nivel freático , lo que a su vez incrementó el espesor de l a costra superficial y consolidÓ l a pa rte superior de l a masa de arcilla. - La extracción de agua del s ubsuelo , que ha ven ido consolidando progre sivamente a las arcillas , desde l os estratos más profundos a l os superficiales. - La co nstrucciÓn de estructuras que ha propiciado e l reciente crecimiento urbano .
11
S ue los residuales r.ecienl es
lacioción Wiscons i n
lnter Glacial Sangomon
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Morrenas Lo Marqueia
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Morrena& La Marquesa
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Morrenas Lo Marquesa! Suelos residuales rojos Cuajimolpa
-;:r;:¡:;:~~:_--= Pómez Suelos residuales rojos-amarillos Totolapa Morrenas Totolapa Superior
GlaciaciÓn Il llnois Superior
Erupciones del horizonte Pingo Su elos residuales café -amarillos Arenas azules, erupción hace 170 000 años
Suelos residuales Lohares ciclópeos Morrenas Totolapa In ferlor
Glocioclo'n Jlllnois rnterlor
Suelos residuales pumiticos amarillos
E
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ErupciÓn de ar .. r. as blancos de andesita de hornablenda (hoce 430 años)
Emisión del domo de Totolapa Tobas pum(tlcas amarlllasysuelosrojos
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Tres grandes erupciones de pómez, suelos restduoles rojos
Gro n lnterglaclal Yar mou1h
500000 ai{os antes de hoy Flujos de plrocl6stlcos de la erupcl6n Coquito
FI G B7 .
ESTRAT IGRAF IA DE LAS LOMAS
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Nivel f redtico Inicial Nivel fred tlco abolido Resiste ncia de punta de cono Suelo normalmente consolidado Lentes duros Costra seco por exposición ol sol
FIG 88.
Formación del relleno artificial
d¡ RA Q
lll PCS PCP
Aplicación de sobrecargo
0
Efec to del bombeo profundo
Espesor de un estrato de arcillo Relleno ar tlficial Sobrecorooa superficiales Diferencias de nivel por asentamientos y rellenos Suelo preconaoiidodo superficial Suelo preconsolidodo profundo
EVOLUCION DE lA RESISTENC IA AL CORTE
e) Resistencia al corte. Las etapas del proceso de consolidación implican l a evolución de la resistencia al corte de los sueloE descrita esquemáticamente en la fig B- 8 . 1 .2.3 Caracter í sticas estratigráficas a) Costra superficial (CS) . Este estrato está in tegrado por tres subes tratos , que constituyen una secuencia de mater i ales naturales cubiertos con un relleno art i ficial heterogéneo , a sab~r: - Relleno artificial (RA) . Se trata de restos de construcción y relleno arqueolÓgico , cuyo espesor varía ent re 1 y 7 m. -Suelo blando (SB). Se le puede describir como una serie de depósitos aluvia les blandos con lentes de material eÓlico inte rcalados.
Estratos principa l es Estratigrafía entre la superficie y la capa dura
@)
[ Estratos secundarios
-Costra seca ( SS) . Se formó como consecuencia de un abatimiento del nive l del lago , quedando expuestas algunas zonas del fondo a l os rayos solares . b) Serie arcillosa lacustre superior . El perfil estratigráfico de los suelos del lago , entre la superfic i e y la llamada Capa Dura , es muy uniforme ; se pueden identificar cuatro e~t4ato~ p4¡nc¡pale~ , acordes con su origen geolÓgico y con los efectos de l a consolidación inducida por sobrecargas supe r fic i ales y bombeo profundo; estos estratos tienen intercalados lentes duros que se pueden conside r ar como e -} L II.a t o~ ~ec un da11.¡o~ . A esta parte se le identificará como serie arci llosa lacustre superior y tiene un espesor que varía entre 25 y 50 m aproximadamente . La estratigrafía anterior se r e sume a continuación .
Costra superficial Arc i llas preconsolidadas superficialer { Arci l las normalmente consolidadas Arcillas preconsolidadas profundas
{
Capas de secado solar Lentes de arena volcánica Lentes de vidrio volcánico
1
13 Res1stenc io de punto del cono electrice qc {kg/cm 2 )
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10
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® PCS 20
25
4
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30
NC o)
Si t io liger amente preconsolidodo
CS
Cos tr a s uperf icial
b) Sitio preconsolidado RA Relleno o rt i f icial
PCS Suelo preconsolidodo superf iciol
SB Sue lo
NC
SS Castro seco por secado solar
Suelo normalmente consolidado
j
blondo
LO Lentes duros
FIG B9.
PERF ILE S TIPO DE LOS SUELOS DE LA ZONA DEL LAGO, EN FUNCION DE LA RES ISTENC IA AL CORTE DETERMINADA CON CONO
En la fig B-9 se ilustran dos ejemplos de estos estratos , excepto los preconsolidados profundos , en dos si tios con diferente nivel de preconsolidación . A contin uación se describen brevemen te las caracter f sti cas de los estratos qu e integran esta serie arci llosa : -Arcil l a preconsol idada s uperficia l (PCS ) . En este es trat o su perficia l , las sobre cargas y rellenos provocaron un proceso de cons o l idación que transformó a los suelos normalmente conso lidados, l ocalizados por debajo de la costra superficia l es , en arci llas preconsolidadas . - Arcil l a normalmente consolidada (NC). Se localiza por deba jo de la prof und idad hasta la que afectan las sobrecargas super f iciales y por arriba d e l os s uelos preconsolidados por e l bombeo profundo , abajo. mencionados . Es important e aclarar que estos sue l os se han identifi cado como normalmente con so lidados para la s
sobrecargas actuales 1 porque a ún estas arcil l as han sufrido un proceso de consolidación a partir de su condición inicial . -Arcil l a preconsolidada profunda (PCP). El bombeo para abastecer a Ja ciudad d e agua potabl e ha 9enerado un fenómeno de consolidac i ón , mas significativo en las arci lla s profundas que en las superf iciales. - Lentes duros (LD ). Los estratos de arci lla están interrumpidos por lentes duros que pueden ser costras de secad o sol ar , arena o vidrio ( pÓmez ) volcánicos; ~stos lentes se utilizan como marcadores de l a estratigraff a . e ) Capa d u ra . La capa dura es un d e pósito he terogéneo en el que predomina material limo arenoso con algo de arcilla y ocas ionales gravas , tiene una cementación muy variable¡ su espesor es variabl e , desde
14
casi imperceptib~e en l a zona central del lago que no llego a s ecarse, has~a alcanzar unos 5 m en l o que f ueron or1ll~s . del lago. Desde el pu nto de ~ista geo l o g; c o , este estrato se de sa rr o llo e n el per 1odo interglacial Sangamon . d) serie arcillosa l a cu s tre i nferi o r. Es una secuencia de estratos d e arcilla s e parados por lentes duros, en un arregl~ semejante al de la serie arc i llosa super1or; el espesor de este estrato e s de unos 1 5 m al centro del lago y prict i camente d esa pa r e c e en unas orillas. La información disponible de este estrato es muy reducida, como para intentar una descripción mis completa.
d epÓs it os c aóti cos gl a ciales, laháricos y fl u v iog l a c i ales c ara c t e rizados por enormes bloqu e s depositados en la boca de las barrancas de San Angel , del Muerto, Mixcoac , Tacubaya, Ta r a ngo y RÍo Hondo (fig B-10). Por otra pa r te , los depÓsitos aluviales puede n ser recientes , y entonces sobreyacen a l os depÓ s it o s lacustre s , como lo muestra la fig B-3; tal e s el caso de la cubierta de suelos negr o s , orgánicos , arenosos y limoarcillosos del Holoceno, que se extienden desde el pie de Las Lomas sobre 2 o 3 km, al oriente formando la s riberas del l ago histórico de los toltecas y mexicas . Otra zona de transición int e restratificada ancha se extiende del valle de Cuautepec hacia el sur ( fig B-11).
1 .3.1 Características generales
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Los depÓsitos de transición forman una fr a nja que divide los suelos lacustres de las sierras que rodean al valle y de los aparatos volcinicos que sobresalen en la zona del lago . Estos materiales de origen aluvial se clasifican de acuerdo al volumen de clisticos que fueron arrastrados por las corrientes hacia el lago y la frecuencia de los depÓsitos; así se generaron d o"> tipos de transiciones : interestratificada y abrupta ; ambas cond i ciones se describen a continuación. interestratificada
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1 .3 DEPOSITOS DE TRANSICION
1 . 3 .2 Condición
/
/
e) DepÓsitos profundos. Es una serie de a re nas y gravas aluviales limosas, cemen t adas con arcillas duras y carbonatos de cal c io, la parte superior de estos depÓsitos , de uno a 5 m, esti más e ndurecida , a baj o de la cual se encuentran e strato s meno s cementados y hasta arcillas preconsolidadas .
del
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PLANTA
A
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CORTE
niente Esta condición se presenta en los suelos que se originaron al pie de barrancas, donde se acumularon los acarreos fluviales que descendieron de las lomas a la planic ie; estos depÓsitos tienen semejanza con deltas, solame nte que se extendieron hasta la arcilla del antiguo lago Texcoco, formindose intercalac iones de arcillas lacustres con arenas y gravas de río (figs B-2 y B-3). En el proceso de formación de los suelos, el ancho de la franj a de estos depósitos transicionales interestratificados variÓ según el clima prevaleciente en cada época geolÓgica; así, cuando l o s glaciare s en las barrancas de Las Lomas se derritieron , a finales de la Tercera Glaciación , los depÓsitos fluviales correspondientes (formados al pie de los abanicos volcánicos) resultaron mucho más poten tes y extenso s que los originados a finales de la Cuarta Glaciación , con mucho menor espesor de las cubiertas de hielo . Consecuentemente, y generalizanco, puede hablarse de una zo n a de i 4 an4i ci{:· inie4e4 t 4a ti/i c a da t ~ml i ant e y an c ha al pie de Las Lomas ¡ esta a, 0a contiene en sus partes mis profundas , debajo de la llamada Capa Dura,
-
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F!G BlO. TRANSIC!ON INTERESTRATIFICADA ANCHA Cerro de lztopolopo
E:ZLJ Arcillo lacustre 1; ~ /' ~1 Basaltos y lopillis
c=:=J Suelos aluviales FIG Bl l. TRANS ICION INTERESTRATIFICADA ANGOSTA 1 .3.3 Condición abrupta cercana a
los cerros
Esta condición se identifica en el contacto entre los rellenos de la cuenca y los cerros que sobresalen de ijicho relle no, a manera de islotes; en este caso , los depÓsitos fluviales al pie de los cerros son prácticamente nulos, lo cual origina que las arcillas lacustres estén en contacto con la roca (f ig
15
B-12) . Esta transición abruota se prc sen t .l en el Peñón de Los Baños , e l. Peñón del ~\.H· qués , el cerro de la Estrella y el cerro el" 1_ Tepeyac ; la estratigrafía típica de estas zonas está integrada ror la serie arcillosa lacustre, in terr umpida por numerosos lentes duros, de los materiales erosionados de los cerros vecinos.
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FIG 812 . TRANSICION ABRUPTA DE ISLOTE A DEPOS ITOS LACUSTRES
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1.4 DEPOS ITOS DE LAS LOMAS
1 .4.2 Zona poniente
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1 . 4 . 1 Características genera le s La zon a de Las Lomas está formada por las serranías que limitan a la cuenca al poniente y al norte , además de los derrames de l Xitle a l SSE; en las sierras predominan tobas compactas de cementación variable , depÓsitos de origen glacial y a luviones . Por su parte, en el Pedregal del Xitle , los basaltos sobreyacen a las tobas y depÓsitos f lu vioglaciales y glaciales más antiguos .
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Es interesante mencionar que en la cercanía ~el Peñón de los Baños se encuentran intercalaciones de le n tes delgados de travertino silicificado , producto de l as emanaciones de aguas termales; lo anterior se ilustra con el sondeo de cono eléctrico que se presenta en la fig B- 1 3 .
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FIG 813. SONDEO DE CONO ELE CTRICO CERCANO AL LOS SAfiOS
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a) Sierra de las Cruces d<' ettupci.one) pumU. ica -) , correspondientes a la actividad vo l cánica de mayor violencia y que se depositaron como lluvia , en capas de gran uniformidad hasta lugares muy distantes del c~áter .
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Está constituida por los abanicos volcánicos , caracterizándose superficialmente por la acumulación de materiales piroclásticos durante su actividad explosiva (principa lmente en el Plioceno Inferior) y que fueron retransportados por agua y hielo en épocas posteriores. En la formación de Las Lomas se observan los siguientes elementos litolÓgicos, producto de erupciones de grandes volcanes andesíti cos estratificados : -
Hottizonte~> de ceniza~> uofcánica~> de granulometría var iable , producidos por erupciones violentas que formaron tobas cementadas depositadas a decenas de kilÓmetros de distancia del cráter .
1, definidos como acumulaciones caóticas de material piroclástico arrastrado lentamente en corrientes l ubrica das por agua , generadas por lluvia torrencial inmediata a la erupción.
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cafienteh , correspondientes a corrientes impulsadas y lubricadas por gases calient~ ; son las me nos frecuentes ya que están asociadas a erupciones paroxísmicas de extraordinaria violencia; las arenas y gravas azules son las más representativas de estos depósitos .
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FIG B14. GEOLOGIA DEL PEDREGAL XITLE - Dep&h¡Loh /fuu¡ogfac¡aleh, producto del arrastre del agua que se derrite y sale del glacial; se distinguen por su ligera estratificación. - Dep6hitoh /fuu¡afe h , correlacionables con la formación elástica aluvial del relleno de la cuenca de México. - Suefoh, pro9ucto de la alteraciÓn de lahares y cenizas, de color rojo y gris asociados a climas hÚmedos y áridos, respectivamente.
Por otra parte , los depÓsitos más antiguos presentan fra cturamiento y fal lamiento tectónico dirigidos principalmente al NE , dirección que mantiene la mayoría de las barrancas de la zona. b) Pedregal del Xitle Del cerro del Xitle descendiÓ, hace unos 2000 años, una extensa colada de lavas basálticas ; sus numerosos flujos cubrieron las lomas al pie del volcán Aj~sco y avanzaron en sus frentes hasta la planicie lacustre entre Tlalpan y San Angel. Las lavas descendieron sepultando dos importantes valles antiguos: uno en e l Sur, que se dirigía anteriormente a las fuentes brotan tes de Tlalpan; otro en el Norte, el mayor, que se extendía entre el cerro Zacaltepetl y las lomas de Tarango. Este Último va lle contaba con dos cabeceras: una en los flancos o rientales de l cerro de la Palma y la otra en la barranca de La Magdalena Contreras ( fig B-1 4). A la zona cubierta por lava se le identificaba como los pedrega les de: San Ange l, San Francisco, Santa Ursula , Carrasco y Padierna.
Por otra parte, aebe haber existido otro importan te valle aún más al Sur , entre las fuentes brotantes de Tlalpan y la sierra de Xochitepec; este va ll e tuvo su cabecera en Monte Alegre . Este afluente debe haber sido sepultado durante la erupción del Ajusco , en el Cuaternario Superior. Muy anteriormente a la erupción del Xitle, en el I fti n o i h (hace 200 000 años) avanzaron grandes cuerpos de hielo ; estos g laciares fluyeron de la barranca de La Magdalena Contreras hasta las LJartes bajas de la antigua planicie lacustre, acercándose a lo que hoy es San Angel. Indicios de morrenas con mult i tud de bloques grandes se han encon t rado en San Angel, así como en las Fu~ntes Brotantes; por consiguiente , debajo de las lavas del Pedregal de San Angel deben existir importantes acumulaciones de morrenas y secuencias fluvioglaciales derivadas de su erosión . Por otra parte, también puede asegurarse que antes de que las lavas del Xitle cubrieran el sitio, este valle fue inundado por otras coladas lávicas; en el corte geolÓgicos de la fig B-15 se ilustra esquemáticamente la estratigrafÍa descri ta. 1 • 4. 3 · 7.ona norte Esta regiÓn corresponde a la sierra de Guadalupe, se integra principalmente por rocas volcánicas dacíticas y andesí ticas, en forma de un conjunto de elevaciones dÓmicas . que se extienden desde el Tepeyac, en el SE de la sierra, hasta la zona de Barrientos, en e! NW. En su parte central, esta sierra esta afectada por su graben que se extiende al NNE, formando el valle de Cuautepec ; en el
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FIG 815. SECCION CHICH INAUTZIN-LOMAS CORTANDO El PEDREGAL DE SAN ANGEL ext remo septentrional de dicho graben y genéticamente ligado a él, se eleva un volcán, cuyas cumbres erosionadas co nst ituyen las porc iones más altas de la sierra de Guadalupe y se denomina el cerro Tres Padres. El tectonismo que ha regido el vulcanismo de la sierra de Guadalupe se remonta al Mioceno Medio; consiste de fracturas y fallaa.dirigidas al ESE. El graben de Cuautepec,' como se dijo, obedece a un tectonismo dirigido al NNE ocurrido en el Mioceno Superior. Finalmente, un tectonismo orientado hacia el ENE, y coincidiendo en dirección con el alineamiento de la sierra de Santa Catarina, afecta a la totalidad de la sierra de Guadalupe en el Plioceno Superior y Pleistoceno. Una característica de la sierra de Guadalupe son los potentes depÓsitos de tobas amarillas que cubren los pies de sus numerosas elevaciones en forma de abanicos aluviales. Estas tobas consisten de estratos de vidrio pumÍtico fino a grueso; son los productos de las erupciones violentas que generaron la sierra de las Cruces durante el Mioceno y Pleistoceno Inferior. Durante el Pleistoceno Medio y Superior, las oscilaciones cl imáti cas produjeron períodos glaciales e interglaciales, que sometieron a la sierra de Guadalupe a ciclos de erosión pluvial y eÓl ica , formándose pequeños depÓsitos de aluviones y loess. Finalmente, al azolvarse la cuenca de México a consecuenc ia de la formación de la sierra de Chichinautzin, la sierra de Guadalupe fue rodeada por depósitos aluviales y lacustres en el Sur, Este y Norte; de estos depÓsitos emerge esta sierra hoy como ¡hla.
2. ZONIFICACION GEOTECNICA En este capítulo se presenta la zonificación del área urbana basada en las propiedades de compresibilidad y resistencia de los depÓsitos característicos de la cuenca: lacustres,
aluvia les y volcánicos; en el fig B-16 se presenta una zonificación actualizada que sigue los lineamientos presentados por Marsal y Mazari en 1959 (ref 3). Durante el estudio de una lÍnea específica del Metro, esta zonificación debe consultarse para definir en forma preliminar 12s problemas geotécnicos que se pueden anticipar relacionados con el diseño y construcción de las estaciones y tra mos intermedios. La zonificación se complementa con información estratigráfica típica , la cua l permitirá desarrollar las siguientes e tapas iniciales del estudio : - Realizar un análisis preliminar de las con diciones de estabilidad y comportam i e nto de la estructura durante la construcción y funcionamiento de la línea, así podrán identificarse las alternativas de solución factibl es a estudiar durante el diseño de· finitivo. Planear la campaña de exploración, identi ficando los sitios donde eventualmente puedan presentarse condiciones estratigráficas complejas. - Establecer las técnicas de exploración y muestreo aplicables en cada tramo de la lÍnea.
2.1 ZONA DEL LAGO Esta zona se caracteriza por los grandes es pesores de arci llas blandas de alta compresib i lidad (fig B-17), que subyacen a una costra endurecida superficial de espesor variable en cada sitio, dependiendo de la localización e historia de cargas. Por ello, la zona del lago se ha dividido en tres subzonas aten diendo a la i mportancia relativa de dos fac tores independientes: a) el espesor y propiedades de la costra superficial; y b) la consolidación induci~ en cada sitio.
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2.1.3 Lago Centro II Esta subzona corresponde con la antigua traza de la c iuda d, donde la historia de cargas aplicadas en la superficie ha sido muy varia ble; esta situación ha p r ovocado que en esta subzona se encuentren las siguientes condi ciones extremas: a) arcillas fuertemente consolidadas por efecto de rellenos y grandes sobrecargas de construcciones aztecas y coloniales , b ) arcillas blandas, asociadas a lugares que han alojado plazas y jardines durante largos períodos de tiempo, y e) arcillas muy blandas en los crueces de antiguos canales . Asimismo, el intenso bombeo para surtir de agua a la ciudad se refleja en el aumento general de la resistencia de los ~s tratos de arcilla por efecto de la consolidación inducida, como se observa en la fig B-20, que conviene comparar con las figs B-18 y B-19; en la tabla 3 s& resume la estratigrafía caracte'rística de esta subzona. 2 . 2 ZONA DE TRANSICION
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estratigrafia típica de la subzona Lago Vi.11.ge.n arriba de la Capa Dura sé ilustra con
2.1 .2 Lago Centro I
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de la ciudad, esti incrementando las sobrecargas en la superficie y el bombeo profundo.
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RESISTENCIA DE PUNTA
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FIG Bl7. SONDEO ZONA DEL LAGO
2 .1 .1 Lago Virgen Corresponde al sector oriente del lago, cuyos suelos prácticamente han mantenido sus propiedades mecánicas desde su formación; sin embargo, el recien~e desarrollo de esta zona
2.2.1 Interestratificada del poniente En la franja comprendida entre las zonas del Lago y las Lomas¡ deposi.t ados en esta zona se alternan estratos arcilloso s en un ambiente lacustre con suelos gruesos de origen aluvial , dependiendo sus espesores de las transgresiones y regresiones que experimentaba el antiguo lago. La frontera entre las zonas de Transición y · del ~ago se definió donde desaparece la serie arcillosa inferior, que corresponde aproximadamente con la curva de nivel donde la Capa Dura está a 20 m de profundidad respecto al nivel medio de la planicie. Conviene dividir esta transición en subzonas , en función de la cercanía a las lomas y sobre todo del espesor de suelos relativamente blandos; se identifican así las transiciones alta y baja, que se describen a continuación.
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FIG 818. SONDEO DE CONO ELECTRICO EN LA SU8ZONA DEL lAGO VIRGEN
a) Transición Alta Es la subzona de transición más prÓxima a Las Lomas , presenta irregularidades estra t igráficas producto de los depósitos a luviales cruzados; la frecuencia y di sposición de estos depÓsitos depende de la Cercanía a antiguas barrancas . Bajo estos materiales se encuentran estratos arcillosos que sobreyacen a los depósitos propios de Las Lomas (fig B-21).
La estratig r af ía com6nmente encontrada tiene las características anotadas en la tabla 4 (fig B-22) . b) Transición Baja Corresponde a la transición vecina a la zona del Lago; aquí se encuentra la serie arcillosa superior con intercalaciones de es tratos limoarenosos de origen aluvial, que se depositaran du'rante las regresiones del antiguo lago. Este proceso diÓ origen a una estratigrafía compleja , donde l os espesores y propiedad es de los materiales pueden tener variacio nes importantes en cortas distancias, depend i endo de la ubicación de l sitio en estudio respecto a las corrientes de an ti guos ríos y barrancas.
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FIG 819. SONDEO CON CONO ELECTRICO EN LA SU8ZONA LAGO CENTRO I
Por lo anterior, puede decirse q ue las características estratigrá fi cas de la parte superi or de la transición baja son simi l ares a la subzona de Lago Centro I o Centro II, teniendo en c uenta que : a) la costra superficial está formada esencial mente por depÓsitos aluviales de capacidad de carga no uni forme , b) los materiales compresibles se extienden Únicamente a profundidades máximas de orden de 20 m, e) existe interestratificación de arcillas y suel os limoarenosos, y d) se presentan mantos colgados . En la fig B-23 se muestran l os resultados de un sondeo de cono car~::;terístico de esta subzona . 2 . 2 . 2 Abrupta cercana a los cerros Es la transición entre las zonas del lago y cerros aislados como el del Peñón de los Baños , en la que arcil las lacustres está n interca l adas con numerosos lentes de materiales erosionados de los cerros y hasta lentes delgados de t ravertino si lic ificado. La fig B-13 ilustra la complejidad estrati gráfica de una de estas transiciones.
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FIG B23. SONDEO DE CONO ELECTRICO EN LA SUBZONA TRANSICION BAJA
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FIG B22. SONDEO DE CONO ELECTRICO EN LA SUBZONA TRANSIC ION ALTA
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y depd-~.>J..to-~.> glacJ..aEstos depÓsitos presentan una compacidad y cementación muy errática, por lo que la erosión progresiva de origen eÓlico y fluvial tiende a generar _depÓsitos de talud crecientes, que sólo detienen su avance cuando alcanzan el ángulo de reposo del suelo granular en estado suelto .
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compactado-~.>
le-~.> y /.luuJ..oglacJ..ale-~.>,
de l á a l teración de las superficies de fracturamiento , al estar sometidos a un humedecimiento producto de la infiltración de escur rimientos no controlodados. En algunos casos, las fallas locales en la superficie del corte podrían generar taludes invertidos de es tabilidad precaria . Un aspecto significativo de las tobas, es que algunas de ellas son muy resistentes al intemperismo y que incluso endurcen al exponerse al ambiente, mientras que otras son fácilmente degradables y erosionables. Depó-~.>J..to-~.>
pumitJ..ca-~.> y lahan.e-~.> de Estos sue l os están en estado semicompacto y se mantienen en taludes verticales debido principalmente a la cohesión aparente generada por la tensión superficial asociada a su bajo contenido de agua; por tanto, el humedecimiento o secado de estos materiales puede provocar la falla de los cortes.
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an.ena-~.> azule-~.> .
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De la descripción anterior se concluye que los principales agentes de activación son el agua y el viento, por lo cual es necesario proteger estos materiales contra un intemperismo prolongado. Ba-~.>alto-~.>. Son los pedregales generados por el Xitle (fig B-16), formados por coladas lávicas que presentan discontinuidades como fracturas y cavernas, eventualmente rellenas de escoria. La estabil idad de excavaciones en estos basaltos debe analizarse en función de los planos principales, de fracturamiento y no de la resistencia intrínseca de la roca; en el caso de cavernas grandes debe estudiarse la estabilidad de los techos . En la exploración geotécnica de esta zona tiene más valor el reconocimiento geolÓgico detallado
23 y la perforación controlada con martillos neumáticos en mayor número de puntos, que la obtenciÓn de muestras con barriles de diamante y máquinas rotatorias. 3. REFERENCIAS
l
l.
1
1. Hooser F . ( 1 985) Estudio geolÓgico del valle de México , trabajo no publicado.
2. Zeevaert L. (1953) Outline of the stratigraphical and mechanical characteristics of the unconsolidated sedimentary deposits in the basin of the valley of Mexico . IV Congress INQUIA, Roma. 3. Marsal R.J. y Mazari M. (1959) El subsuelo de la Ciudad de México, Facultad de Ingenier!a, UNAM.
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·e: EXPLORACION GEOTECNICA • PROCEDIMIENTOS PARA LA DETERMINACION DE LA ESTRATIGRAFIA DE UN SITIO
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C: EXPLORACION GEOTECNICA
FEG-0 1 Reconocimiento geológico 1 . OBJETIVOS
tios en los que pudieran d esarro lla rse condi ciones de inestabilidad en cortes y taludes.
El recono cimiento a l o largo de líneas del Metro l ocalizadas en las zonas de lomas y de transición alta, ob servando pozos a cielo abierto excavados para este objetivo y para el muestreo inalterado , permitirá obtener la informaciÓn geolÓgica significativa para el diseño geotécnico que se describe a con tinuación. Por su parte , para las lÍneas ubicadas en las zonas de l lago y transición baja se hará el reconocimiento geotécnico descrito en el Capítulo de Supervisión de los Trabajos de Campo . 2. INFORMACION GEOLOGICA l~L~at¿g~at¡a , Se determinará el espesor , caracterí st icas y origen de los estratos sign ificativos del s ubsuelo; es importante definir el espesor de rellenos a rtificia les y su compacidad. D¡~cont¿nu¡dadeh . Las toba s de Las Lomas están afectadas por fracturamientos que pueden generar superficies de falla y bloques inestables . Debe inves tiga rs e con detalle la existencia de cavidades artificiales , túneles y ga l erías de antiguas minas, que también causan c o nd ic iones de ines tabil idad (fi c ha FEG-09) .
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{jeomo~/.of.og¡a, La evol ución geolÓgica de cauces y barrancas ha formado divers a s condic iones de l s ubsuelo a l pie de la zona de l oma s , encontrándose desd e suelos arci llosos blandos hasta aluvión suelto , lahares y aún morrenas; el r e conocimiento geolÓgico debe advertir sobre estas condiciones estratigráficas. H¡d~olog ¡ a , Conviene estudiar las condiciones de flu jo superficial y subterráneo, comprobando la e xiste ncia de man tos freáticos colgados .
Cond¡c¡oneh
¡ne~t a iUe ~.
Identificar
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si-
Este fe nómeno podría es t ar asociado a la pérdida de humedad en los cortes expuestos, as í como a la disminución de resistencia al corte por h umedecimiento de los suelos. 3. EXPLORACION GEOLOGICA Con base en la información del re conocimiento superficial , un ingeniero geólogo deberá pro poner (o revisar) el programa de exp lorac ión de la zona de lomas , el cual podrá estar integrado por las sigu ientes e tapas : 3. 1 Levanta miento geolÓgico Es un levantami e nto detallado , en el q ue se reg istrarán minuc iosamente l as barrancas , prestando especia l c uidado a l a presencia de cavid&des (ficha FEG-09) . El estudio de fotografías aéreas a ntiguas es siempre de mu c h a utilidad . 3 . 2 ExploraciÓn geofí sica La experiencia en la zona d e l omas demu es t ra que los métodos geofÍ s i cos comunes (fichas FEG- 02 y 03) son poco con fi ables para detec tar los diferentes estratos y para ide ntif i ca r cavernas ( ficha FEG - 09) ; sin e mbargo , la constante evolución instrumental de estas téc nica s podrá eventualmente incrementar s u utilidad. 3.3 Explo r ac ión con sondeos El procedimiento de e xploración más adecua do para los suelos de lomas y de tran sición a lta es e l de pozos a cielo ab i erto (FEG-04 ), porque actualmente no se dispone d e técni cas de mu estreo con f i a bles para esos s u e los secos y duros; a dicionalmente, estos pozos permite n l a observación directa de los materia l es de l si tio .
26
FEG-02 Método geofísico de refracción sísmica 1. OBJETIVOS Deducir las posibles características estratigráficas de un sitio y las propiedades mecánicas de los suelos, a partir de la interpretación de los tiempos de a rribo de ondas refractadas ¿n los estratos de mayor densidad. 2. EQUIPO DE MEDICION Está integrado por tres unidades básicas: el mecanismo de generación de la onda, el con junto de geÓfonos captadores y el aparato registrador. 2 .1 Mecanismo de generación de la onda El más simple es un martillo pesado equipado con un micro-interruptor montado en un mango, que al golpear una placa metálica asentada en la superficie genera la onda y simultáneamente opera al microinterruptor que a su vez activa al aparato registrador para indicar el inicio de la prueba. El martillo se usa para estudios someros (10 m); para los de mayor profundidad, la onda se genera con la explosión de una pequeña carga de dinamita colocada en una perforación de menos de 1 m de hondo, mediante un detonador eléctrico instantáneo . 2.2 Geófonos Son dispositivos electromagnéticos que captan las oscilaciones del sue lo y las transforman en señales eléctricas . Los geÓfonos comunes Únicamente registran la compone nte . vertical
TABLA E2-l
Perturbación provocada con
Martillo
Registro
-
Digital
del movimiento y su sensibilidad varía entre 5 y 100 c ps; su construcción es robusta y en el eje vertical tienen una punta para hincarse en el suelo. 2.3 Aparato registrador Es un oscilÓgrafo cuyos elementos sensibles (canales) son de 2 a 12 pequeños galvanómetros que vibran al recibir la señal de los geÓfonos. Los galvanómetros ll e van adheridos pequeños espejos , en los que inciden rayos de una fuente luminosa fija y l os reflejan a papel fotosensible con una escala de tiempo, registrándose así el arrivo de las ondas. Además de los anteriores, existen oscilÓgrafos que registran el fenómeno ya sea en cinta magnética, en pantalla luminosa o digitalmente. Las características más importantes de los oscilÓgrafos para exploración geotécnica se resumen en la tabla E2-1. 3 . PROCEDIMIENTO DE PRUEBA En una lÍnea de medición usualmente se colocan de 6 a 12 geofÓnos alineados , en un extremo se ubica el aparato que genera la onda y en el opuesto se coloca el oscilÓgrafo . La longitud total de la lÍn ea de geÓfono s (L) se condiciona a 3 veces la profundidad ( D) a la cual interese hacer la exploraciÓn; los geÓfonos se ubican equidistantes entre s í, o bien, más cercanos en el extremo en el que <>e genera la onda (pero a no menos de 2 m) y a distancias mayores en la parte más aleja-
CARACTERISTICAS DE LOS OSCILOGRAFOS PORTATILES
Fuente de poder
NGmero de canales
Intervalo de Tiempos ms
Pilas
1 a 2
0-10
2 a 12
Peso , P.n kg
Capacidad, Prof. e n m
5
10
O-lOO
10
100
0-1000
30
lOO
-Pantalla luminos a
Explosivos
-
-
Pape l foto-
Bater1a
sens i ble
recargable
Cinta magnét i ca
ms - milisegundos
12 o
m~s
27 da (pero a no más de 20m). :re en tr -
.es ~e
los los /OS
1an ! ffi\S •
:a .n-
tl-
.os se
En cond iciones estratigráfic~s simples , en que las fr o nt eras entre estratos sean parale: las a la sup0rt icie, una sola prueba podra dar información suficiente; pe r o por lo genera l, es neces~rio realizar una segu nd a prueba, 51enerando l a onda en el otro extre mo de 1a l1nea . Los aparatos de dos cana}es, que sólo re~ibe~ señales de uno o dos geofonos , se neces;tara colocarlos en puntos a lo largo de la l1nea , para hacer una medic ió n equivalente a un a p a rato de 12 canales de medición. Se han desarrollado otras técnicas de esta prueba (refs 1 y 2 ); por ejemplo , para dete c tar una zona de menor velocidad se recomienda disponer los geófonos en forma semicircular alreded~r del punto de tiro, de tal manera que las dl sta ncias sean constantes y pueda registrarse re traso en algunos geÓfonos. Para determinar las dimensiones y pro fundidad de la anomalía se hace variar el radio y/o la posición del punto de tiro . Estas anomalías pueden co rresponde r a zonas de baja resistencia, muy sueltas o con cavernas (fig E2-1 ).
T e
Medio 1
Medio 2
FIG E2-2 GRAFICA DI STANCIA-TIEMPO PARA EL CASO DE DOS CAPAS PARALELAS A LA SUPERFICIE DEL TERRENO h
do
( E2-1
2
Donde do es la distanc ia horizontal aparent E entre el origen y el cambio de velocidad ( fi ~ E2-2). Para el caso de tres est rat os paralel os , ~ V 3 > V2 > V 1 t los espesores se obtiene n me · di ante
OX-
da o.
Variación de ~ 1Tiempo dt relroao
L) D)
hl
1
VI
!~ + V ] 2
hl
do 1 [ 2
(E2-2 )
V
1
os ~
l,
ue m) a-
Troz o oporantt lo caverna
d~·
''
h2
l;
• o
•
2
do 1 y do 2 son las distancias aparente ~ al cambio de velocidad 1 f 1c E2-2)
Todo• loa puntos caen sobre lo curvo,uctpto loa Indicados upresom tntt
'O
i=
P h 1 + do 2 [ V l E 2- 3 l 2 lVj+g
donde:
o
a.
J(
h2
3
·~
e
V2
'
Curvo 'normal'
p
Distancio o los QtÓfonot
FIG E2-l DISPOSICION DE TENDIDOS PARA LOCALIZAR UNA ANOI~ALIA
es el factor de co rr ecc1 o n ; para cá lculos aproximados ~~ igual a 0 . 8
'
Para casos con mayor número de estratos, ~ 1 pas inclinadas o velocidades menores er. •):;tratos subyacentes, consultar l a referen c 11 3.
4. RESULTADOS Las velocidades de propagaciÓn de la s ondas se grafican conforme la figura E2-2. 5. INTERPRETACION DE LOS RESULTADOS 5.1 Estratigraf!a Se basa en la ley de refracciÓn de las ondas en medios elásticos , de la cual se deducen las siguientes expresiones. Para el ca so de dos capas paralelas, v 2 > v 1 , el espesor h será (fig E2-2) :
y
5.2 Identificación de suelos La identificación de los suelos y r oca s se hace comparando las velocidades de pr opa r¡a ción de ondas longitudinales con las co rre s pondientes a casos conocidos. En la tabla E2-2 se muestra una recopilación de va 1 or es ( ref 2) . 5.2 MÓdulo dinámico Se calcula considerando un valor probahle de la relaciÓn de Poisson para aplicar la c e E2-4. Si se realizan determinaciones de \,;¡
28
D
g n t
f
2 E
m j
TABLA E2-2
g
INTERVALO APROXIMADO DE LA VELOCIDAD DE ONDA LONGITUDINAL PARA DIVERSOS MATERIALES REPRESENTATIVOS (ref 2)
2 E
e <;
Material
e lT
Sue lo orgánico
Velocidad, en m/s 170 a
500
a e
Arc illa
1000 a 2800
~
Arcilla limosa
975 a 1100 1160 a 1280
y
e
Arcilla arenosa
e
Limo Arena seca
r t
760 300
Are na Mimeda
610 a 1830
Aluvión
5 50 a 1000
Aluvión (terciario) Aluvión profundo Depósito glaciar Basalto
800 a 1500 1000 a 2360 490 a 1700 2000 a 4000
Agua (dependiendo de la tempe ratur a y contenido d e sa les)
1430 a 1 680
29 'd d de propagac 1 on de las ondas transveloc lt a o de corte , con las ecs E2- 4 y E2-5 ed s tleducir e l modulo • · e ¡a' s t 1' co Y lu rev ersa se p~e dee Poi s son ,_·o rr e s pond l e nte. l JCt OO . - -- - .
''L
/:~in p
fdin p
VT
----
ü
1 - I.J + I.J ) ( 1
-
2 ¡.J)
1
2 ( 1 +I.Jl
( E2-4i
(E2-5)
donde : velocidad de las ondas longitudinales, en m/s velocidad de las ondas tran sversales, en m/s relaciÓn de Poisson módulo de elast icidad diná mico del Edin medio , e n ton /m z p
6.
densidad del material, en ton s 2 /m'
CO~IENTARIOS
La principal aplicación de este método puede ser la de determinar la profundidad de la
~ oca bajo un de pósit o al uv ial d e ploración directa .
~ ifl cil
ex-
La t nterpretaci ón de la prueba debe necesariamente co rre lacionars e con la informaciÓn de los sondeos c onvencionales, porque tiene la limitación de no detec t ar la presenc i a de estratos blandos que subyacen a otros duros , debido a l as condiciones de refracción que se desarrolla n. Es necesario también efectuar para c ada lÍnea de registro dos pruebas, una generando la onda en un extremo de la lÍnea y lá otra generando la onda en el con trario . La detección de cavernas, aún con el procedimiento descrito, es poco confiable .
7 . REFERENCIAS 1. Dobrin, ~1, "Introduction to geophysical prospec t ing" , ~1cGraw Hill Book, Co ., Nueva York (1961) 2. Pe tróleos Mex icanos , PEMEX , "Exploración y muestreo de suelos para proyecto de cimentaciones", Normas 2 . 214.05 (1975) 3. Grant, F y West, G, "Interpretación Th eory in applied geophysics", Me Graw Hill Book, Co., Nueva York (1965)
FEG-03 Método geofísico de resistividad eléctrica 1 . OBJETIVOS Deducir l as posibles caract e rísticas estrati gráficas de un s itio y la posición del nivel f r eático , a partir de la interpretación de las res1stividades med i as en los s uel os .
zado por ~u simplicidad. Tiene dos t écnicas de operación: ">ondeo ei.éci ll..i..co , que estudia la estrat igrafía segÚ n una vertical , y : ,, 1 t ~~.eo eléct~~.ico , que lo ha ce conforme u na horizontal a cierta profundidad; combinand c ambas técnicas se p u ede tener una idea clara de las condiciones del subsuelo del sitio .
2 . EQUIPO DE MEDICION Está compuesto por una fu e nte de poder, un voltímetro, un ampe rímetro, cuatro electrodos y cabl es c onductore s ; los equipos comerciales integran la fuente de poder con e l voltímetro y e l amperímetro en una unidad compacta . En la tabla E3 .1 se p r esentan las características d e los equipos portátiles . Los electrodos son varillas u sualmente de bro nce de 2 cm de diámetro y 50 cm de longitud, co n un extremo e n punta para hincarse en el terreno . Los cables de conexión son de cobre con f o rro de neopreno. 3 . PROCEDIMIENTO DE LA PRUEBA Para la e xploración ~eoeléct rica se han desarrollado diversos metodos ( refs 1 y 2) ; el denominado arreglo d e Wenner es el mas utili-
El c ampo eléctrico se i ndu ce al terreno con dos e l ect r odos, denominado s de corrien t e, que se hin can y conecta n mediante el cab l e a la fuent e de poder y el amperímetro; entre est os electrodos s e hincan dos de potencial conec tados al voltímetro. Con el amper í metro se mide la intensidad de la corriente induc 1da al terreno y con el voltímetro la dife rencio de potencial e nt re los e lectrodos centrales. Las distancias entre electrodos puede variar se dando lugar a diferentes arreglos; en el más usual, conocido como Wenner, los electrodos se instalan alineados con s epara c i Ón equidistante h; con este arreglo la medic t Ón hecha es representativa del material a la profundidad h. El ,-,ondeo ei.écill..i..co se realiza manten i
30 tando la s eparac ión h; en cambio en el ~a~ t~eo eLéct~¡co Únicamente se cambia de lugar el arreglo (de igual h) sobre una re t§cula tra zada en la superficie. Se combinaran el sondeo y el r astreo para definir las condicione s geolÓgicas de lugar. Ambas técnicas deben iniciarse determinando la resistividad del es trato má s superficial, colocando l os electrodos con una separ aciÓn menor que el espesor del primer estrato . El arreglo de l os electrodos se muestra en la fig E3-1 .
donde: resistividad aparente a la didad h, e n ohms-m V
diferencia d e
I
intensidad amperes
h
distancia
potencial,
de
la
entre
profunen vo lts
corriente, electrodos,
en en m
Cuando se usan equipos portátiles que miden la resistencia, s e puede sustituir la relac ión V/I por R, resistencia en ohrns. 5.2 Estratigrafía a) EIKlrodod~ El~clrodo
de
polt~
corritnle
h
"
"
i
J
Sondeo eléctrico. La . interpretación d el sondeo eléctrico se realiza con el procedimiento de cál cul o d e Hummel (ref 3) , quien dedujo la expresión de la resistividad a parente para e l caso de u na capa d e resistividad p sobreyaciendo un es trato infinito de re~istividad p 1 •
'f
Pa =PI+ 4 p¡ n=l
Kn
/ 1+(2nH/h )
2
-
Kn
FIG E3-l ARREGLO WENNER
/ 4+ (2nH /h)2
donde:
(E3-2)
n = 1, 2, 3, ... oo
.4. RESULTADOS Los d atos de resistividad pueden interpretarse cua l itativamente construyendo diagramas de isorresistividades aparentes (fig E3-2). S. INTERPRETACION DE LOS RESULTADOS 5 .1 Resistividad aparente El arreglo l~enner genera un campo e l éct ri co con profundidad h, ancho 0.75 h y longi tud 4.5 h . De l a prueba se o btie ne l a dife rencia de potencial V y la intensidad d e l a corrient e I; la resistividad aparente se obtiene mediante
2
1T
h
V
-I-
(E3 -1 )
H
e spesor de la capa , en m
equidista ncia entre electrodos , en m p 1 - p2 K = (E3-3) p 1 + p2 Mooney y Wetzel (ref 4) ob tuvieron l a familia de c urvas derivadas de la ecuac~on anter i o r para simplificar e l cá l culo de P2 y H (fig E3- 3 ) . h
La forma de utilizar esta g ráfica es la siguie nte: para determinar l a resistividad P¡ del es trato super fi c i a l se utiliza alguna medición realizada con una e quidistancia h, me no r que e l espesor de l a capa, aplicando la fórmula de la resistividad a parente; c uando
Dietan e 1 a
m
FIG E3-2 DIAGRAMA REPRESENTANDO CURVAS DE ISORRESISTIVI DADES
31
g lo , contra r e sisti vidades aparentes; las r esistiv i dades reales en cada zona a la profundidad h serán l as que estén l ocal izadas fuera de las zonas de transición (fig E3 - 5) . .s :n
m
d
h
11
i:>a ;t-
2)
m
i.a )r Lg
FIG E3-3 CURVAS DE RESI STIVIDAD APARENTE PARA EL CASO DE UNA CAPA MEDIANTE EL ARRE.GLO 1.4ENNER ( REF 4) se tenga duda de este valor se recomienda hacer una gráfica de v a riación de la e quidistan cia h co n la resistividad aparente; extrapolando se puede determinar p 1 como el valor de p cuando h tiende a cero . Conocidas P 1 y P 2 p~ra un valor de h se traza en la g r áfica una ho rizonta l para Pa /P 1 y se obtiene una serie de valores de k y h/H; de este conjunto de va lores se dibuja la variación de K V6 H, ya que h es constante para c ada medición. Se dibujan las curvas de K V6 H para los diferentes valores de h; si las curvas se cruzan en un punto (H,K) (fig E3-4), se tiene el caso de una capa sobreyaciendo un estrato infinito. En caso de no cruzarse en un punto , se compa ra la curva Pa v 6 h con curvas teóricas para diferentes configuraciones de estratificación, que han sido preparadas por investiagdores como Mooney y Wetzel (ref 4) .
L-
PI
FIG E3-5 GRAFICA TIPICA DE RESISTI VIDADES PARA EL CASO DE UN CONTACTO 5 . 3 Clasificación de sue l os La clasificación tentativa de los material e s s e hac e por comparación de la resistividad eléctrica con valores típicos, como los de la tab.la E3-2. La posición del nivel freátic o se detecta fácilmente en la sección de isorresistividades. 6. COMENTARIOS La precisión de este método para predecir la estratigrafía de un sitio es generalmente me nor que la de refracción sísmica y por el l o se utiliza menos; sin embargo, es más co n fia ble para determinar la posición del ni vel freático y detectar estratos blandos. En la búsqueda de cavernas con esta técnica se incurre en errores, porque las anomalí ~ s que producen zonas con diferente contenido de agua pueden fácilmente interpretarse c omo cavernas .
a o
7. REFERENCIAS l. Dobrin. M, "Introduction to geophysical prospecting", McGraw Hill Book Co ., Nueva York (1961)
Espesor de lo copo H,en m
FIG E3-4 GRAFICA H vs. K PARA EL CASO DE UNA CAPA En general, el número de capas involucradas en una prueba se puede detectar en la curva Pa V6 h mediante el número de cambios de pendiente. b)
Rastreo eléctrico. Para interpretar la prueba se hace una gráfica de distancias, de origen arbitrario al centro del arre-
2. Grant, F y West, G, "Interpretation theo ry in applied geophysics" , McGraw Hil l Boo k Co., Nueva York (1965) 3. Hummel, J N, "A theoretical study of apparent resistivity in surface potent La 1" Geophysical Prospecting 1932, Trans. American Institute of Mining and Metalurgical Engineers, Vol 97, EUA (1932) 4 . Mooney, H y Wet_¡el, W, "The potent ia ls about a point electrode and apparent resistivity curves for a two, three, and four-layered earth", Universidad de Minnesota, EUA (1956)
32
TABLA E3-1.
CARACTERISTICAS DE ALGUNOS EQUIPOS PORTATILES USADOS EN EL METODO DE
Fuente de
Capacidad, en
poder
m
ELECTRICA
Intensidad de
Intervalo de
corriente, en mA*
mediciones
0.1
a 1 000 f!
20
Baterias
20
50
0.1
a 1000 f!
15
recargables
300
lOO a 150
0.002
a
10 f!
60
0 .00 02 a
100 f!
75
o
a 1000
miliamperes
1
TABLA E3-2.
RESISTIVIDAD ELECTRICA DE DISTINTOS TIPOS DE ROCA Y SUELOS
e Ul ~j
n H
;t
~
1
e
l ·.
en l
20
*mA:
ie
Peso total ,
30
200
2
~ESISTIVIDAD
Material
Resistividad, en ohm-m
suelos finos
1
a 10
Arenas
2.2 a
Dep6sito glacial
S
X
10 2
4
X
10 ~
X
10 2
-
33
FEG-04 Pozo a cielo abierto 1 . OBJETIVOS El ~o zo a cielo ab i erto p:rm~te : a) obs~ rv~r directamente las caracter1s t1 cas estrat~gra ficas del suelo, y b) r escatar muestras 1nalteradas de los est ra tos p r incipa l es. Esta técnica de exp l o ración y muestreo e s particularmen·t e re c omenda ble en sue~o~ secos y dur os, como los de la costra superf 1c1al de la zo na de l l ago y los depósitos de l omas y de algu nás transiciones. 2. EQUIPO NECESARIO
estabilizan sus paredes con tubo de lámina corru g ada o con f erro-cemen to . Esta última solución se ha veni do empleando con mucha f r ecuenc i a por su senc illez y bajo costo 1· esencialmente consiste en colocar anillos de malla elec tr oso lda da (4, 4-10 , 10} separados por lo menos 2 cm de la pared de excavación. La malla se fija con anclas c ortas de varilla corrugada hincadas a percusió n , y después se aplica manualmente el mortero con un espesor mínimo de 4 c m. Los a n illos genera l mente e mpleados son de 1 m de altu r a ¡ si el terreno es esta ble, este va l or puede incrementarse .
se requiere equipo para la excavación del po zo y labrado de l as muestras inalteradas; la excavación puede hacerse con herrami e nt a ma nual o con máquinas perforadoras capaces de abrir e n seco pozos de por lo menos 80 c m de diámetro. El labrado de las mues tras se real iza con herramient as manua le s .
2.1 Ex cavac ión IDanual El equ ipo se i ntegra p or picos, pa las , cable de manila, botes, un ma l acate mecá ni co para 250 kg, escaleras y herramienta para ca rpin tería y a lbañielría. Además , si el nivel freáti~o está cercano a l a superficie, puede requerirse una bomba eléctrica con puntas eyecto ras, es fact ible que también se nec e siten martillo s eléctricos o neumát i cos para atravesar suelos muy duros, así c omo a lgunas t o bas. 2.2 Excavación con máquina Se puede u tilizar una máquina perforadora a rotación del tipo de la que se emplea para la construcción de pilas de cimentación . La selecció n de l a máquina quedará condicionada por la profundidad que se requiera alcanzar; c omo guía, puede decirse que per for ando en seco sue l os duros , las más ligeras (tipo Cadweld) puede n perforar hasta 15 m en diámetros áe 0 . 8 m y las más pesadas (tipo Watson o Soilmec) , aproximadame nte 30 m, con diámetros de 1.0 a 1. 5 m. 2.3 Herramientas y materiales para el muestreo Para el labrado y protección de l as muestras cincel , inalteradas se requi eren espátulas , martillo, brochas, estufa , manta de cielo , parafina y brea.
ri"A
V'
~Pi e
Esquiroer o"
Lorc;¡uero
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~v
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p.
IOx 20
F
j.~o2.0m
V
@
Se decremento con lo profundidad}
..
[\
t\ f-- Cul'ias· donde
Tob Iones/ ¡... ~
~
se requiero oju s tor
1
0
COR TE
A- A
FIG E4-l ADEMAOO p,;RA UN POZO A C1ELO AB 1ERTO
3 , DESARROLLO DEL TRABAJO
3 .1 Excavación ma nual
3 .2 Excavación con máquina
El pozo puede excavarse co n sección cuadrada o circular, la form a se elig irá en razón a la técni ca de estabilización de las paredes de la excavación . Si se utilizan tablones y mar cos e structurales, la forma cuadrada es la má s adecuada; en la fig E4-l se muestra cómo se adema un pozo . Por o tra parte, la forma de pozo circular es la co nveniente cuando se
La perforación mediante máquina rotatoria también puede presentar paredes inestables, en esos casos, el problema deberá resolverse per forando tramo s aortos y estabilizándolos con anillos de malla de ace r o y mortero . Las zonas de tobas duras, donde las perforaciones pierden velocidad de avance , se acos-
r 34
tumbra atravesarlas agregando agua para a.btand~ los materiales; esta práctica es inadecuada porque altera las propiedades de los suelos. 3.3 Labrado de las muestras inalteradas En la excavación se deja un escalón (fig E4-2), en el cual se limpia un área de unos 50 cm de diámetro; a continuación se marca la sección deseada y se labran los lados del cubo de suelo (de 25 x 25 cm). Posteriormente, la muestra se envuelve con manta de cielo, que se impregna con una mezcla caliente de parafina y brea mediante una brocha. En la parte superior de la muestra se coloca una etiqueta de identificación (fi9 E4-3).
tarios relativos al procedimiento de excavación y ademe utilizados. Asimismo, conviene registrar los valores de resistencia al corte determinados en las paredes y fondo del pozo con torcómetro y penetrómetro p o rtátil. Etiqueto
25
25 cm
Covitur Línea 1
1 Sondeo
~ad.
~vlasificación
1 ProyecciÓn del corte
A- A
1
~
Muestra Profundidad Operador Fecha
FIG E4-3 IDENTIFICACION DE MUESTRAS ......... ... 1
A
~
:
1
l
1
~---'
~
A
• V
FIG E4-2 LABRADO DE MUESTRAS
5. COMENTARIOS El pozo a cielo abierto es una técnica de exploración y muestreo que puede clasificarse como excelente; en suelos secos es la un~ca confiable, ya que los métodos de perforación y muestreo convencionales que emplean agua o lodo como fluido de perforación pueden provocar cambio de sus propiedades mecánicas.
4. REGISTRO DE CAMPO Conforme avanza la excavación del pozo se lleva un registro (fig E4-4) donde se anota la descripción y clasificación de los estratos, indicando gráficamente la profundidad de las muestras; en el registro se incluirán comen-
Los factores que deben tomarse en cuenta para la selección del pozo a cielo abierto como técnica de muestreo en un caso particular son: a) la profundidad máxima que pueda alcanzarse, b) el tiempo y costo de ejecución y e) que el nivel freático sea profundo .
35 SONDEO______________ (2\LANTA
V)( Prof, en m.
Tipo
Muestra
COMENTARIOS
El pozo se
odemó con ferro- cemento PENETROMETRO DE BOLSILLO e, en kq/cm 2
de suelo
o 2 .5
Ltmo arcilloso con lentes de arena
1 OMI-1
2.0 >3.0
2 OMI - 2
)3 .0
Areno limoso pumÍI1co
-----
1.9
3 O MI - 3
2 .3 L1mo arcilloso
>3.0
4 OMI-4
>3 .0
O MI - 5
>5 .0
5
1'-----
Morenol muy duro, se requ irió ··p1SIOIJ neumÓIICO poro su- -----
G lnMI · 6
e~COVOCIÓO
Sondeo COVITUR
)5.0
jReohzó
Locolizoc 1Ón
SupervisÓ Fecha
FIG E4-4 PERFIL ESTRATIGRAFICO
FEG-05 Prueba de cono eléctrico 1,
OBJETI VO
Determinar las variaciones con la profundidad de las resistencias a l a penetración de punta y fricción del cono; la interpretación de estos parámetros permite definir con precisión cambios en las condiciones est r atigráfica s del sitio y estimar l a resistencia al corte de los suelos med i ante correlaciones empfri cas.
Como se observa en la fig ES-1 , la fuerza que se desarrolla en la punta cónica (1) se mide en la celda inferior (2) , y la que se desarrolla en la funda de fricción (3) se mide en la celda superior (4).
2.
EQUIPO
La señal de salida de l cono se transmite con cables a la superfic i e, la recibe un aparato receptor y la transforma en señal digital, impresión numérica o directamente en una gráfica.
2.1
Cono eléctrico
2.2
Es una celda de carga con dos unidades sensibles instrumentadas con deformómetros eléctricos ( &.tllo..üt go.gu) , (re f 1) ; usualmente tiene 2 ton de capacidad de carga y resolución de ± 1 kg, pero en el caso de suelos duros podrá alca n zar una capacidad de 5 ton y resolución de ± 2 kg; en la fig ES-1 se muestra esquemáticamente dicho instrumento; generalmente tienen 3.6 cm de diámetro exterior , aunque para suelos blandos se han utilizado hasta de 7. O cm.
Mecanismo de carga
El cono se hinca en el suelo empujándolo con una columna de barras de acero, usualmente de 3.6 c m de diámetro exterior, por c uyo interior sale el cable que lleva la señal a la superficie, La fuerza necesaria para el hincado se genera con un sistema hidráulico con velocidad de penet:ación control ada.
3.
OPERACION DEL EQUIPO
La velocidad de h incado del cono es usualmen-
36 ~e de 2 cm/s; sin embar~o, en la norma l~nta tiva (ASTM D3441-75T para operación del cono eléctrico) se propone de 1 a 2 cm/ s ± 25%. Para las arcillds de la Ciudad de México se ha adoptado 1 cm/s porque asi se controla meior la prueba; sin e mbargo, es admisible operar con 2 cm/s, sabiendo que se obtienen valores ligeramente más altos (ref 2); sin embargo, es muy importante que durante la prueba la velocidad de penetración se mantenga constante, ya que es inevitable que en las - capas duras el cono pierda velocidad de penetración y que al pasarlas se acelere.
o) Conjunto
4.
RESULTADOS
La prueba de penetración estática de cono permite definir las var iaciones de las resistencias de punta y fricción con la profundidad; la fig E5-2 muestra un ejemplo en un sondeo en el centro de la Ciudad; no se presenta la gráfica de la fricción porque en los suelos blandos su medición es incierta (ref 3 ) .
Cortes AA y 88
o
5 98..5
10 E N
""'o
:= 1 5
""'e
::J
o ~
20
b) Elemento sensible
2
1 Cono (60°,036mm,l0.18cm ) 2 Celda de punto 3 Fundo de fricción (036mm,l47.02cm 4 Celda de fricción 5 Elemento sensible (bronce SAE -64) 6 7 8 9 10 11 12 13
Pieza de empuje Perno de sujeción (3
25
30
5
1\
Res is tencio de punto t!;c 1Kg /c~ 10
e
2
0
~ <
\t
~
~
~.(t
V ce U t
"\
re
~
S. m;
\~,
r. e St 51
e: Sl
dt
FIG E5-2 VARIACION DE LA RESISTENCIA DE PUNTA CON LA PROFUNDIDAD
f
i; S
Acotaciones , en mm.
FIG E5-l CORTE TRANSVERSAL DEL PENETROMETRO ELECTRICO
5.
INTERPRETACION DE RESULTADOS
5.1
Estratigrafía
El penetr6metro eléctrico
permite
a
detectar
f Para determinar el valor del ángulo de fricción interna, $ ',usualmen te se u til izan las fórmulas de capacidad de car ga , empleando como datos la cap acidad de ca r ga última y la estimación del peso volumé trico; en la fig ES-6 se presenta una so lución gráfica para dete r minar e l va l o r de $' en función de qc y de 0 0 ' , donde o 0 ' es el esfuerzo vertical efectivo.
z1
zl
N e y Nq
profu ndidades d e med i c ión coe ficientes de capacidad de carga
(\j
E
~ 300~----~----Tr-----r------~----~--~
·""'u
e) Suelos cohesivo-friccionantes . Este caso se resuelve considerando dos valores de la resistencia de punta cercanos, que corresponden a un• mismo estrato (qcl y qc 2 l. Asf se pueden plantear dos ·expresiones de la capacidad de carga última, que al considerarlas simultáneamente resultan:
r::r
E
e: a.
200~----~~~L----4----~~---4----~
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100~--~~--~~---4----~~~
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(ES-2)
41
a::
Frlccíón local fs, kg/cm2
e =
(qc 1 +qc 2 )-YNg(l+tan $ ) (z 1 +z 2 ) 2 Ne O + Nq/Nc)
(ES-3)
donde parámetros de la corte
e Y cp
resistencia
o
al
§
30~~~~~~~-----+.~~~---+--------,
a. 41
qc 1 Y q c 2 valores de la resistencia de punta (qc2 > qc1)
"O
20~~~~~----~--~~~--~~~----~
o ·e:;
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1o f-+.h~""?L-!1---:::::-==--t---------+--------,
"'
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200~-T-------r-----------------------,
t>
a::
!Compacto cementado! Mezclas limo-
-----
100 (\j
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E e: a.
111
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Areno
o
e:
----
c::r
!Suelto!
....
"O
FIG E5-4b CLASIFICACION DE SUELOS CON PENETROMETRO ESTATICO (REF 5)
o
u e: o u e: o u
... r:T
Fricción local fs, kg/cm2
.. ~
.. a::
Y(l + tan $ )
...., Muy duras
.........
.............
---.../
t>
Vi ·¡¡;
..... ....,Duros
10
-..!A.!dias
---i
5
Blondas
·7 /
2
/Arcillas orgánicas y mezclas de suelos
3
6.
Relación de fricción, fs!
FIG E5-4a CLASIFICACION DE SUELOS CON PENETROMETRO ESTATICO (REF 4)
7
(z 2
-
(ES-4)
z 1)
Para determinar el va lor de cp se deben resolver por aproximaciones suce s ivas las ecuaciones implícitas ES-2 y 4; para ello, primero se supone un v alor de cp para calcular Nq (ES-4) y con el valor obtenido calc ular cp (ec ES-2) ; este último se toma como valor inicial y se repite el cálculo que converge en dos o tr e s iteraciones.
/
Muy blondos 20
2.0
1.5
1.0
COMENTARIOS
La prueba de penetración con c ono es la técnica de exploración de suelos más eficiente y económica de que se dispone actualmente . Cuando se trata de suelos blandos, eléctrico tiene mayor precisi6n que mecánico.
el el
cono cono
J
37
o
5
Res1stenc1u de punto dtl cono eléctrico qc (kg/cm 2 ) 15
10
o
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PCS
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1
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1
1
PCS
NC Secado solo'r
1
':=========j0 Vidrio volcánico
25
30
...._________ _ _______~@ V1dno volcómco NC o)
Sitio ligerame nte preconsolidodo
b)
CS
Cas tro superficial
RA Relleno arti f icio l
PCS Suelo prec onsolidodo NC
supe rf icial
SB Suelo
Suelo normalmente consolidado
SS
l
Sitio preconsol id odo blondo
Costra seco por secado sola r
LO Lentes duros
FIG E5-3 TIPOS DE VARIACION DE RESISTENCIA DE PUNTA
1
con precisión los cambios e stratig ráficos , utilizando como indicador la variación d e la resistencia de punta (fig ES-3) . 5. 2
Cuu'
Identificación indirecta d e los sue los donde
La identificación de los s uelos se hace de manera indirecta ffiediante co rrelacion es empírica s como l as de las fig s ES-4 a y b, una e labor ada po r Sanglerat y la otra por Schmertmann (re fs 4 y 5) . En e l caso del subsuelo d e la Ciudad de Mé xico, particularmente en la Zona d e l Lago, la identificación de los suelos se puede hacer comparando la variación de l a resistencia de punta con la estratigra fía definida mediante sondeos con muest reo inal terado continuo . 5.3
resiste n c ia al corte no drenada, en , t / m2 · resistencia de punta kg/cm 2
NK
de
co no,
en
c o e ficient e d e correla c ión
Los v a lore s d e l coeficiente NK, determinados para sue los de la Ciudad de México, aparecen en l a tabla ES-l.
Parámetros de resistencia de los suelos
a) Suelos cohesivos. La resistencia al corte de suelos cohe s ivos e n c ondiciones no drenadas se puede ob tener aproximadamente con la expresión.
b) Suelos friccionantes. La correlación entre la resistencia de punta del c ono y la compacidad relativa de arenas finas se muestra en l a fig ES-5.
1--------- - -------:---
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de los dolos coen entre estas líneas
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20
30
40 !10
60 70 80 90 100
2
1!10
200
Resistencia de punto qc, en kg/cm o ton/pie2
FI G E5-5 CORRELACION ENTRE LA RESISTENCIA DE PUNTA Y LA COMPAC IDAD RELATIVA DE ARENAS FINAS (REFS 4 Y 5)
Compacidad relativo Muy suelto 1
Suelta
Densa
Medio
Muy denso
400
qc a;,' o
300
/_
200
~=(1 +ton 0')ton2(45°+~ )e7Tion °'~ o;;'
100
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1 ~u
40
Angulo de fricción interno, fl'
FIG E5-6 CORRELACION DE LA RESISTENCIA DE PUNTA Y EL ANGULO DE ARENAS
)-----
~·
1 . 2~0
40 TABLA ES -l. VALORES DEL COEFICIENTE DE CORRELAC ION NK PARA LA CD . DE HEXICO (ref 2)
p r u e b a
Tipo de suelo
qc
Torcómetro
Triaxial
Compresión
uu
simple
Lab
Campo
Penetr6metro de bolsillo
5 < qc < 10
qc / 14
qc/20
-
-
-
Arcillas blandas
qc > 5
qc/13
qc/16
qc/12
qc/14
-
Limos arcillosos duros
qc > 10
qc/24
qc/54
-
-
Costra seca
qc/29
qc resistencia de punta en kg/cm 2 Los coeficientes de correlación Nq entre las mediciones con cono y la resistencia al corte no drenada de los suelos , están basados en un número reducido de sondeos inalterados; por ello deben utilizarse con reserva y de preferencia ratificarse · con sondeos de correlación, para asegurarse de su validez.
2.
Santoyo , E, "Empleo del cono estático en un tünel de la Ciudad da Héxico", Hemorias X Reunión Nacional de la Sociedad Mexicana de Mecánica de Suelos, SI>11>1S, t-torelia (1980)
3.
De Rutier, J, "Current penetrometer pract ice" , Proceedings ASCE Convention, Ses sien 35, Cone Penetration-Testing and Experience, St Louis (1981)
4.
Sanglerat, G, "The penetrometer and soil exploration", Elsevier Scientific Publish ing Co . , Nueva York (1972 )
5.
Schmertmann, J H, "Guide lines for CPT performance and design", Federal Highway Administration HDV, 22, EUA (1977)
El cono deberá c alibrarse después de cada diez sondeos a fin de comprobar su confiabilidad. 7. l.
REFERENCIAS Santoyo , E y Olivares, A, "Penetrómetro estático para suelos blandos y sueltos ", Series del Instituto de Ingeniería No. 435, UNAM (1981)
FEG-06 Prueba de cono mecánico l .
OBJETIVO
Determinar las variaciones con la profundidad de las resistencias de punta y fricción del cono; la interpretación de estos parámetros pe rmite definir con precisión las condiciones estratigráficas del sitio y estimar la resistencia a l co rte de los suelos. En gene ral la operac ión del cono mecán ico es más confiable que la del eléctrico, porque las fallas de trabajo son poco frecuentes; en cambio, su sensibi l idad y precisión son menores que l as del cono eléctrico. 2.
EQUIPO
El penetrómetro
mecánico c onsta esenc ialmen-
te de una tubería de acero,con barras sólidas concéntricas, la tubería tiene 3.6 cm de diámetro exterior y 1 . 6 cm de interior, en tramos de 1 m de longi tud, unidos con cuerdas cónicas; la barra sólida interior es también de l m de longitud y 1.5 cm de diámetro. Las barras interiores se apoyan simplemente a tope para transmitir l a fuerza vertical d escendente, con la que se hinca la punta cónica mediante un mecanismo hidráu l ico. 2.1
Cono mecánico
La punta del cono puede ser de dos tipos: a) la Delft, que ünicamente permite determina r la resistenc ia de punta, y b) la Begemann que sirve para determinar las resistencias de punta y fricción (refs 1 y 2); ambos tipos se
-
41
Cerrado ~15
(!)
Cono
®
Funda
®
Barra sólida
@
Copie
JI S mm
FIG E6-1
PUNTA DELFT
d escriben brevemente a continuación .
2. 2
a ) P1111 ta De.e6,t. En l a fig E6 - l se muestra esta punta, que co n sta del cono (1) de 3.6 cm de d i áme tro (10.0 c m1 de área ), montado en el ex tremo inferior de una funda deslizante (2 ) de 9.9 cm de l ongitud , cuya for ma ~ó ni ca lo hace poco sensible a la fricc ión del suelo co n f in ante ; el cono penetra gracias a la f u e r za axia l que le transmite el vástago (3), roscado al cono y pro t eg ido por el cople conector ( 4) .
En l a fig E6-3 se muestra n dos mecanismos de car ga , uno mecánico y otro hidráulico con ca pacidades de 250 a 10 000 kg , respectivamente; sus elementos princ i pa l es son : 1) el sis tema de carga axial de 1 m de ca rr era, igual que l a longitud de las bar r as, genera la carga med iante engranes y crema llera o una bomba h i d r á ul ica , 2) l a pieza d e cerrojo, que p uede apli c ar carga select i vame nte a la columna de barras c en trales , a las barras huecas o s imul táneame nte a ambas, 3 ) los manómetros de alta y baja presión, que determinan la pre sió n de la c elda hidráulica hermética en la que se apoya el dispositivo de ce rrojo , 4 ) e l sistema de a ncl a je, res uel t o median te cuatro barras helicoida les, que se hincan e n e l s ue lo a rotación.
b) Pw1-ta Begema1111 . Di señada pa r a medir las re s is tencias de punta y fri cción (fig E6 - 2 ). Consi s te del cono (1) de 3 . 57 c m de diámetro (10.0 cm 2 de área ), montado en una pie za c ilínd ric a d es li zante ( 2 ) de 11 . 1 c m de longitud y 3 . 25 cm de d i ámetro, q u e su forma la hace poco sens ible a la fricción con el sue lo c o nfin a n te; más atrás va l a funda de fricción ( 3 ), de 13.3 c m de longitud y 3.6 c m de diámetro (150 . 4 cm 2 de área), es- . ta funda también e s una pieza deslizante . El vástago (4) es t á enroscado al cono y ti ene una ampliació n para ja lar a la f unda de fricción; finalmente, el cople conect o r ( 5) .
He canismo de carga axia l
3.
OPERACION DEL EQUIPO
3 .1
Punta Delft
El procedimiento convenc ional d e operación d el cono Delft co nsiste en obtener lecturas cada 20 cm; para ello se hinca el co no un máximo ~e 7 cm; por medio de las barr as centrales,
r
42 Cerrado ~1.Smm
juntos, completándose de esta manera un ciclo de medición.
Extendido ~J6mm
3.2
Punta Begemann
El procedimiento convencional se realiza con mediciones de la resis te ncia del suelo cada 20 cm, determinando primero la fuerza de punta (Qc) para hincar el cono de las barras ce ntrales un incremen to de 3.5 cm; con c luido ese movimiento, l a ampliación del vástago hace co ntacto con la funda de fricción, as! al continuar empujando la ba rra central otros 3.5 cm so hinca el cono y simultáneamente se arrastra la funda, registrando los manómetros la presión debida a las fuerzas de punta y fricción (Qc + Fs) . La condición extendida del cono se muestra en la fig E6-2; a c ontinuación se hincan las barras exteriores 20 cm; con ello se cierra el mecanismo l os 7 cm que se abrió, y la punta llega a la siguiente posición donde se iniciará otro c iclo de medición. 4.
IJ1Jmm
;».S mm
RESULTADOS OBTENIDOS
Los resultados que se obtienen son similare~ a los descritos para el cono eléctrico, aunque la falta de sensibilidad y precisión de los manómetros afecta a las mediciones. En la fig E6-4 se muestran dos sondeos, uno con cono mecánico y otro eléctrico; se adiverte en el mecánico, que muchos tramos aparecen verticales, como de igual resistencia, dando una falsa impre s ión de estratificación, que no ocurre en el sondeo con cono eléctrico . En la zona de menor resistencia el c ono mecáni co determina re s i stencias de la mitad del co no eléctrico; este es un error debido a que no se puede controlar el peso de las barras centrales, que por estar simplemente apoyadas permanentemente gravitan sobre e l cono, hac i e ndo poco confiable a este tipo de cono c uando se sondean suelos blandos.
S.
INTERPRETACION DE RESULTADOS
5.1
Determinación de las resiste ncias
Con las presiones medidas en los manómetros y conoc iendo e l área de la ce lda hidráulica, se pueden determinar l a fuerza mecánica para hincar el cono y para el cono y funda simultáneamente; a continuación se aplican las s ig ui entes expresiones: (E6-1)
FIG E6-2 PUNTA BEGEMANN
donde
Oc observando en los manómetros la presión desarrollada durante e l hincado; la condición final del cono (extendido) se muestra en la fig E6 -l. A continuación se hinca la columna de barras exteriores 20 cm; en l os primeros ocho, e l cono.--debe recuperar la condición inicial (cerrada) y e n los 13 cm restantes, el cono, las barras centrales y las exteriores penetran
fuerza necesaria para hincar el no, kg
co-
área transversal del cono , 10 cm 2 resistencia de punta, kg/cm 2 (E6-2)
44 Resistencia de punto ~ , kg /cm2 o 5 10 15 or---------=F======~--T----------.·
6.
COMENTARIOS
La principal ventaja del cono mecánico sobre el eléctrico es su simplicidad, que permite fácilmente mantenerlo y repararlo; en cambio, el mantenimiento del cono eléctrico requiere personal y equipo especializado. Las desventajas del cono mecánico son: a) se desconoce la magnitud de la fricción que se desarrolla entre las barras interiores y exteriores; esto puede ser particularmente significati v o en los suelos blandos , y b) la deformación elástica y pandeo de las barras interiores dificulta el control de la penetración de suelos duros . La resistencia de punta de suelos blandos se tiende a subvaluar cuando se utiliza el cono mecánico, como se muestra en la fig E6-4.
10
E "O
eléc trie o mecánico
o "O 'ii
e:
::J
....o
ll.
7.
REFERENCIAS
l.
Sanglerat, G, "Penetrometer and soil exploration", Elsevier Scientific Publishlng Co., Nueva York (1972)
2.
Schmertmann, J H, "Guidelines for cone penetration. Test, performance and design", informe FHWA-TS-78-209, Department of Transport, EUA (1978)
15
25~-----------L--------~~~----------~
1
FIG E6-4 GRAFICA RESISTENCIA DE PUNTA-PROFUNDIDAD CON CONO MECANICO EN SUELOS BLANDOS
FEG-07 Prueba de penetración estándar l .
OBJETIVOS
La prueba de penetración estándar (SPT por sus siglas en inglés) permite estimar la resis tencia al esfuerzo cortante del suelo, mediánte el número de golpes necesario para hincar el penetrómetro estándar, y obtener muestras alteradas para identificar los suelos del sitio. Con estas pruebas se pueden c onocer las condiciones estratigráfic a s del s itio, aprovechando las muestras alteradas para determinar las propiedades índice; usualmente el contenido natural de agua y los lfmitea de consistencia y estimando la resistencia al corte, mediante correlaciones empfricas con el número de golpes. Esta técnic a de exploración es útil en suelos
granulares, e n los que e l muestreo i nalterado es casi impos ible; en suelos cohesivos blandos, como los de la Ciudad de México no es recome ndable , porque las correlaciones con el número de golpes son poco co nfiables. 2.
EQUIPO
2. 1
Penetr6metro estándar
Es un tubo de ace ro con un extremo afilado, cuyas dimensiones se mue stran en la fig E7-l (ref 1); el tubo debe es tar cortado longitudinalmente para facilitar la observación de la muestra . La vá l v ula__en la cabeza del muestreador permite la sa~ida de azolve y evita que la muestra se salga f ácilmente del tubo; una válvula q u e se introduce desde la super-
4~
b) 2 5 Okg de capacidad
F:..o~H--- cremallera
gato rudrÓulico
manómetro
FIG E6-3 MECANISMO DE CARGA AXIAL
donde
5.2
siendo fuerza necesaria para hincar el cono y la funda, en kg
Fs
fricción lateral local en deslizante, en kg
re-
(EG-3)
Rt - Q e
Rt
Correlaciones con los parámetros de sistencia
la
funda
área lateral de la funda, 150 cm 2
En la ficha del cono eléctrico (FEG-05) se describen las correlaciones que se han logrado establecer para los suelos de la zona del lago; desafortunadamente, en la literatura técnica (refs 1 y 2) se reconoce que las diferencias en la forma de los conos eléctrico y mecánico afecta estas correlaciones . En conclusión , para adoptar el cono mecánico en los suelos de la Ciuda~ de México, se requiere obtener los factores de correlación con las pruebas de laboratorio convencionales .
45 Cabezo
Zapato Tubo part ido
152 . 4
1----------- 685.8 - - - - - - - - - 1 ¡--76 . 2 -+--4 57 . 2 -------l 1.5
1 T
r.:~,\'
"1,' (\.'\
r--v:·,
. 7l
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adecuado ¡_-A juste 4 012.7mm (min) ,~ ·
1'
22.2I
(¿{
T
34 . 19 j_
V! //IJJ/If/
\_Esfera de acero 0 25 . 4
-lr---
19.0
T
0 50. 8
1
Acotaciones en mm
NOTAS : _ El tubo partido puede ser de 38.1 mm de diámetro interior paro introducir un forro de 1.5 mm de espesor - se permite el uso de trompos de poso ( canastillos) _ Los aristas en "A" deben estor ligeramente redondeados
FIG E7-l PENETROMETRO ESTANDAR
1
f
ficie, una vez hincado el muestreador, se presenta en la fig E7-2. Este segundo tipo de válvula pe ~ mite utilizar ~1 penetrómetro como herramienta de lavado para eliminar los azolves , lográndose asi un muestreo más limpio. Otra alternativa es un tubo cerrado con funda de polietileno, aunque es poco aconsejable , porque no puede observarse la muestra en el campo. 2.2
Equipo auxiliar
a) Co.i.umna. de. baJlJI.M . El penetrómetro se coloca en e l ex tre mo inferior de una colwnna d e barras de acero de perforación, de diámetro AW o BW. Ambos tipos son equivalentes porque tienen un peso semejante; sin embargo, son preferibles las BW porque sufren menos pandeo al someterlas a los impactos. b) MaA-t;,¿ne:te. gotpe.a.dOJt.. El penetrómetro se hinca con los impactos del martinete de 64 kg y 75 cm de caida (trabajo= 4800 kg-cm); en la fig E7-3 se muestran e l martinete y la cabeza de golpeo en el arreglo más convencional. Se ha extendido el uso de los llamados martinetes de seguridad (fig E7-4), que controlan con mayor precisión la altu. .. ra de caida (ref 2).
Cuerdo BW
0 3.90 ~ 0 2. 24 H
T
o l.0 1.30
5.85
t
010*
T
1.00 Vólvulo esférico
4 .90
1
01.00
H0 1.30
~r-1
To
71.00
---1 1-1.50 Vólvulo de varilla
L
FIG E7-3 PRUEBA DE PENETRACION ESTANDAR 0
.49
~05.06
0 5.08
0 4 .65
1----1
,
1 3 3.
4
0{'
3.4 ..L.
t---i 0 3.49
...............
~}I-s
Trompo de poso
1.95
T
Acotaciones en cm
FIG E7-2 PENETROMETRO ESTANDAR
Aristas ligeramente redondeados
e) Ca.be.za. de. gtúo. Es un malacate de fricción que levanta el martinete a la altura d e caida con un cable de manila de 3/4 pulg.; para sostener el cabl~, se requiere un tripié o una torre equ1pados con una polea . 3.
~~
OPERACION DEL EQUIPO
La prueba de penetración estándar consiste en hincar el penetrómetro 45 cm con la masa de
46 En la operación del martinete debe vigilarse que su altura de ca!da sea constante y que el cable de manila tenga un máximo de dos vueltas en la cabeza de gato, para lograr el efecto de ca!da libre sin fricción.
Cable manila
Acot : cm
Una vez terminada una prueba se procede a perforar el tramo muestreado, hasta alcanzar la profundidad a la que se realizará la siguiente prueba; el diámetro de perforación más recomendable es 10 cm, en cuanto a la selección de la t~cnica de perforación más adecuada deberán seguirse las recomendaciones de la ficha FEG-08.
r\4.30
Las muestras deben c·o nservarse en frascos o en bolsas herm6ticas que mantengan constant~ el contenido de agua; los envases se colocarán en un lugar fresco, protegido de los rayos del sol. La informacion u~ campo debe recopilarse en un registro como el de la fig E7-5; si se decide hincar el penetrómetro 60 cm, deber~ agregarse otra columna al registro; las notas aclaratorias tendrán que ser claras y breves.
Mar e o de re ferencio poro altura de caído 12192
18.41 4.44
76.20
Borra guia
<:_.:;!~~;¿_..¡;,¡¡¡--- 6.6 7
Borro AW 6 BW (ver detalle Al golpeador en borro guia
FIG E7-4 MARTINETE DE SEGURIDAD 64 kg, dejada caer desde 75 cm de alturaí durante el hincado se cuenta el nGmero de golpes que corre sponden a cada uno de los tres avances de 15 cm. La resistencia a la penetración estándar se define como el nGmero de golpes, N, para penetrar los Gltimos .30 cm (de 15 a 45 cm); los golpes en los pr~meros 15 cm se desprecian, porque se consideran no representativos por la alteración inducida a causa de la perforación. En caso de que el nGmero de golpes llegue a cincuenta y el muestreador ya no penetre se suspenderá la prueba. Un procedimiento alterno usual consiste en hincar el penetrómetro 15 cm adicionales (60 cm en total); desde luego, el nGmero de golpes, N, se obtiene co~o ya se describió, por lo que la Gnica ventaJa de este procedimiento es que se muestrea un tramo ligeramente mayor; lo cual pe7mite detallar más confiablemente la estratigrafía del sitio.
4.
RESULTADOS
al Muu,.:tlta.6 a.UeJLadcu.. Las muestras rescatadas con el penetrómetro estándar siempre sufren distorsiones geom~tricas que alteran el acomodo estructural de sus partículas; por ello, sólo pueden servir para identificar los suelos y para las pruebas !ndice que no requieran espec!menes inalterados. b) PeJL6.U M.tlta.ti.giU16.i.c.o . La e la s i f icación de campo de ios suelos muestreados permite elaborar la primera ve rsión del perfil estratigráfico del sitio, que posteriormente se precisará y corregirá en el laboratorio. e) Ru,Ls.tenúa a. l.a. pene.tJutc..<.6n. Cada una de las pruebas de penetración se representa gráficamente mediante puntos (valores de N) , que unidos por lineas definen la variación de la resistencia a la penetración estándar con la profundidad. d) Ruu.Uado6 Up.<.c.o6. La fig E7-6 ilustra un caso t!pico de sondeo que corresponde a la zona del lago; como en todos los sondeos que se realizan en esa área de la ciudad, el nGmero de golpes en su mayor!a resulta cero (el muestreador penetra por su propio peso) , mostrando la insensibilidad de la prueba de penetración estándar como t~cnica de medición de la resistencia al corte en estos suelos blandos. La fig E7-7 corresponde a un suelo en la zona de transición en la que predominan los suelos no saturados; en otro sonueo vecino se observó que el estrato arenoso localizado entre 13.2 y 14.0 m de profundidad es un acuífero sin artesianismo; la parte inferior de ese estrato está impermeabilizada con limos y arcillas de alta plasticidad; por su parte, las tobas que aparecen ' desde 17 m se encuentran con muv bajo contenido
f
1
47 SONDEO
NIV FREATICO
HOJA
LOCALIZACION X=
MAQUINA
y:
FECHA ~1
OPERADOR ~ .tt~;.IJ
REGI STRO DE CAMPO OBRA :
M-N
Z=
Pro f .
A
lu, f1
S'ZRVISION
"'~· C?v411.-f
Cla~ificación de Campo
m
No
r-1
Hora
Rec.
15cm 15cm 15cm
/0
/:30
¡:-.z
'f : Od
7"5-1
r·J cf/
"
1/
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NOTAS ___
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FIG E7-5 REGISTRO DE CAMPO
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de agua. La influencia del humedecimiento que generó el lodo de perforación en los valores de la resistencia a la penetración y co ntenido natural de agua , así como e l efecto del chiflón de la broca de perfora ción, pueden advertirse en las incongruencias de la f i g E7-7; por ejemplo , en los tres estratos con material granular (3.6 a 4.8, 9 . 5 a 11.5 y 13.3 a 14.0 m), la resistencia deducida de las pruebas de penetración es t ándar resultaría muy baja y aun menor que la de los estratos arcillosos vecinos. En la fig E7-8 se presenta un buen ejemplo de congruencia de la prueba de penetración estándar, SPT, con las condiciones estratigráficas del sitio oooo consecuencia de que el nivel freático es superficial.
S.
INTERPRETACION DE RESULTADOS
La interpretación de la prueba de penetración estándar se hace siempre a partir de relacio nes empíricas; es conveniente aclarar que nin guna de ellas ha sido comprobada para los sue l os de l a Ciudad de México y que para l os suelos más blandos del lago, en los que el penetrómetro se hinca únicamente por el peso de las barras y martillo , no podrá establecerse ninguna correlación confiable debido a la falta de sensibilidad de esta prueba ante la ba ja resistencia al corte de la arcil la (N = 01 . Por lo anterior, las correlaciones que se describen a continuación deben aplicarse con l a~ debidas reservas, ya que se desconoce su or den de precisión y tampoco se sabe la tenden-
48
PRQF
m
~ESISTENCIA CONTENIDO A LA NATURAL DE AGUA. ~-----------------------------------------t----,--,-----;PENETRAC~ W, % REC ESTANCAR w0 w 1w PERFIL No. DESCRIPCION O 5N 10 p 100 200 300L %
ESTRATIGRAFIA DEL SUELO
MUESTRA
o Relleno:
Arcillo gris verdoso Arcillo café grisáceo, con lentes de vidrio volcánico y flfslles Arcillo gris verdoso oscuro con manchas grises y cafés
POCOS
20
R=Tubo dentado
' / 1/ ( /1
S=Tubo shelby
24
!?
Rec =Recuperación
FIG E7-6 SONDEO DE PENETRACION ESTANDAR (ZONA DEL LAGO) c ia del s igno de cada correlación; por ejemplo podría subestimarse sistemáticamente la resistencia. a ) · CoMe.lau6n de N en ~ue-lo~ c.oh~.i.voó . El número de golpes, N, de la prueba de penetración estándar, SPT, puede interpre tarse con la ay ·da de la tabla E7-2 (ref 3) o de la fig E7 9 (ref 4); con alguno de estos auxilios se leduce el valor de la resistencia a la com~resión simple (q 0 ) y el correspondiente a la resistencia al corte (e = q 0 /2). b)
6.
Cc.!MelaU.on~ de N en 6udo6 gllanulM~. Usualmente se estima l a compac idad relativa con ayuda de la tabla E7-3 (ref 3) .
se para el diseño geotécnico definitivo. En la zona del lago, el penetrómetro se utiliza únicamente para rescatar muestras alteradas de lentes y estratos duros; la información que proporciona de lo s suelos blandos en cuanto a propiedades de resistencia es muy limitada. En este tipo de s ue l os , el cono eléctrico es una técnica de exploración más eficiente y precisa (FEG-0 5) . En la zona de transición, la prueba SPT es muy útil como t écnica de exploración, c uidando de que en las zonas con nivel freático profundo se perfore en seco, con herramientas helicoida les o con aire como fluido de perforación (FEG-08).
COMENTARIOS
La prueba de penetración estándar, SPT, es aplicable sólo e~ la etapa de ex plor ación del s ubsuelo; la información que proporciona car ece de la confiabilidad necesaria para definir con precisión los parámetros de resistencia de l os suelos; · por tanto no debe aplicar-
En la zona de lomas, la prueba SPT no es aplicable, ya que el muestreador sólo penetra unos centímetros y únicamente puede estimarse que la resistencia a la penetración N es ma yor de 50 golpes; en conclusión, no se l o gra definir ningún parámetro de resistencia.
49
!
Di á m ext , en cm
Barra
Al'i* Bl'i
TABLA E7-l.
BARRAS DE PERFORAC I ON
Diám int, en cm
Peso, en kg/m
4.44
3 .09
5.40
4.45
Recomendable en sondeos:
Menores de 15 m Meno r es y mayores de 15 m
6.53 6.22
*Paredes paralelas
TABLA E7 -2.
Consistenc ia
CORRELACI ON ENTRE N, qu Y CONSISTENCIA RELATIVA DE SUELO COHESIVO
Muy blanda
Blanda 2
N
< 2
qu
< 0.25
-
-
8
Muy dura
8 - 15
15 - 30
> 30
1.0-2.0
2 . 0-4.0
>
nümero de golpes en la prueba de penetración estándar
qu
resistencia a la compresión simple , en kg/cm 2
Durfsima
CORRELACION ENTRE COMPACIDAD RELATIVA DE ARENAS Y NUMERO DE GOLPES OBTENIDO EN PRUEBAS DE PENETRACION ESTANDAR
Número de golpes
o-
4
-
10
4
Compacidad relativa Muy suelta suelta
10 .., 30
Media
-
Densa
30
50
> 50
\
4
0.50-1.0
Dura
N
TABLA E7-3.
)~
4
0.25-0.50
Media
-
Muy densa
4.0
50
Columna !Pro f . m IEstot igrófico ISIICS
• lo
Contenido natural de aguo % wp wl 4 8;:> 20 60
o 1 2
3
m
6
7
10 11 12 13 14
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Resistencia o lo pen Estondor (N!. de 11 2) 3;>
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h .3 lon/m2-+F= 45 o;.
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F=% de finos
l >50 golpe s
~
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f: 33 "/.
l
FIG E7-7 SONDEO DE PcNETRACION ESTANDAR (ZONA DE TRANSICION ABRUPTA)
7.
REFERENCIAS
l.
ASTM Designation D 1585-67: "Standard method for penetration test and splitbarrel sampling of soils ", EUA
3.
Terzaghi , K y Peck, B, " Soil mechanics in engineering practice ", John l'liley and Sons, Nueva York (1 967 )
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51 Prot.
LL y LP,
• W,
m
•t.
EST
RAT
IG
R
AFIA
100 200 3 00 400 500
Limo arenoso con ~ascaj o ( r elle no) 'VAVN _imo arenoso gris oscu r o y c:al.te~:-.----------------~-:!~~~ ~~fj ~0n grava ~~~~ Arena limosa gris oscuro :: ~~ ~';¡-"-¡¡p;-;t.¡;=-=-~____:_:...:....::..;._::..____ __ _ __ _ _ _ _ _ _ _ _+i.;~ '·: .:::::~~ N F ~8 52 L~i¡-';;m;;-¡o~v~er~d~e:;r¡:¡n¡:n----------------------b~;::;:-;;:;:_.....::;,..1·. (420ml lvt-1 =L~Im~o~g~n~s~v~e_rd~o~s~a-----------------------+~~~·~ ··'- __ ~7 ~ ~~
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3 .60
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4 .8 0 ..
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)
Limo verde de consistencia muy blanda
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6 .00
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7.20
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13 .2
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4 1 59 CH
3 81
Arena limosa gris ve rd oso de compacidad alto
-~
L imo gri s verd oso-- - - - - - - - - - - - - - - -- - -----+..:::,..._;::;.----' .:.; -:::::::;:;..¡ Ar ci lla volcrín ica ve rde de consistenc ia medio ~
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~.6 ~ ~
~.:: ~::
blondo o medio
?-- -- .....
12.0
H
7·~ y-c-o-:f-:é~d-e-o-:1-t_o_p:-1o-s-1-:-ic-:i:-d-o:-d-y_c_o-ns--:i-s-1e_n_c_i_o_m_u_y-+~ ·;;;.~ ,./:,./ ·.7/hu./.~/:·
Arcilla vo leó nica roj iz o
V"
..-..J
1
Areno limoso negro de compacidad medio
~ .....
9 .60
14 .4
"-"
Arcilla volcánico verde y café de alto plasticidad y co nsistencia muy blondo o medio con lente de areno
Areno limosa·- gris osc uro
~674 ML
5442 4 16.8
Limo aren oso coté de bajo plasti ci dad y de alto o muy alta 5 1 44 5
18 .0 ( 19
compacidad
.2 ){1, o
con gravitas ML
~ 48
\
50 ---Número de Qolpes 1 N 10
20
30
40
Wp Limite plástico 1 % F Porcentaje de finos
W Contenido natural de aguo 1 % WL Limite liquido 1 %
A Porcentaje de areno G Porcentaje de gravo
FIG E7-8 SONDEO DE PENETRACION ESTANDAR (ZONA DE TRANSICION INTERESTRATIFICADA) N
o
20
10
30 Muy
2
blanda
Blanda
5
10
80
Facilmtnlt penetrable ( var i o•
~\
Medi a
\\
Dura
'
-
Facilmtnlt penetrable can ti PUÑO (vari o e ctnt:metrot)
~ ~ra
~
con ti PULGAR
ctnt(metro•)
Putdt ser penetrado con el con un ufutrzo moderado ctntfmetros)
PULGAR (var io s
Facllmtntt marcado con ti PULGAR pero penetrado solo cot~ ~an ttf11eno. Facilmentt marcado UÑA
Of:L
con la
PULGAR
""'Durísima
Marcada UÑA
cot~
DEL
diflcultod POf la PULGAR
lOO q •l. ~ N
u
FIG E7-9 CORRELACION ENTRE N,
qu
Y LA CONSISTENCIA RELATIVA'
FEG-08 Técnicas de perforación 1 . OBJETIVOS La rea lizació n de un sondeo implica la ejecuc ión alternada del muestreo, del avance y rimado de la perforación; por ello, la técnica de perforación que se utilice es una parte fundamental del trabajo de campo que influye en la calidad del muestreo.
l os muestreadores que pu eden pasar a través de ellos; por eso en sondeos en los que se pretenda utilizar mue2treadores de mayor diámetro, queda obligado el uso de l odos de perfora ción que eliminen la necesidad del ademe metálico. B~oca~
de pe~t o~ac¿ón . ficha FEG-10.
Se
mencionan
en
la
2. EQUIPO náquina pe~to~ado~a ~otato~ia. En relaciÓn con estas máquinas debe tenerse en cuenta que se han disefiado para dos objetivos distintos: a) para exploración minera y geológica, en la que predomina la perforación en roca y frecuentemente se realiza desde túneles y galerías; en este campo se requieren máquinas capaces de desplazarse en laderas, con velocidades de rotación mayores de 700 rpm, de preferencia compactas y en las que la longitud de carrera del vás ta go de perforación no tiene mucha importancia (la máquina longyear de la tabla ES-1, es ejemplo típico de esas perforadoras mineras) ; y b) para exploración geotécnica se han desarrollado máquinas montadas en vehículos o remolques de gran movilidad, con velocidades de rotación menores de 800 rpm y longitud del vástago de perforación mayor de 1 . 5 m (sus características se presentan en la tabla E8-1). La diferencia fundamental entre ambos tipos de perforadoras radica en la longitud del vástago de perforación. Advirtiendo que la operac ión de los muestreadores de suelos requiere carreras mÍnimas de 75 cm, resulta entonces que las perforadoras mineras Únicamente pueden hacerlo en dos etapas de avance (carrera de 60 cm); lo que necesariamente induce alteraciÓn y remoldeo en las muestras , como consecuencia de la adherencia que se desarrolla durant~ la interrupción. náquina fe~to~ado~a de pe~cu~>ión. El uso de estas maqui nas debe evitarse en los sondeos geotécnicos , porque alteran significativamente el suelo. Bomaa~>
de p~e~>ión. La bomba para perforac ión debe ser capa z de operar con lodos bentoní ticos. Las bombas más comunes son las de cavidad progresiva descritas en la tabla ES-2 sin embargo , para sondeos poco profundos (h < 50 m) se han venido utilizando bombas centrífugas de alta presión, sabiendo que sus impulsores quedan sujetos a un desgaste importante. Ba~~a~>
y ademe~ . Las dimensiones y pesos de las barras y ademes de perforación apa recen en las tablas ES-3 y 4. Las barras EW se utilizan para la penetraciÓn del cono eléctrico, las AW y BW son las de empleo más general y las NW son poco recomendables para el muestreo de suelos. En cuanto a los ademes, se observa que sus diámetros interiores, de 76 y 101 mm, limitan el diámetro de
3. OPERACION DEL EQUIPO El procedimiento de perforación se debe elegir teniendo presente que en la realizac iÓn de sondeos en la Ciudad de México e xi sten condiciones de subsuelo que varían entre dos extremos: a) los suelos blandos del lago , con nivel freático superficial, y b) los sue los duros y tobas de las zonas de transición y las Lomas, en los que el nivel freático puede ser prof u ndo y los suelos secos . A continuación se hace un análisis de ambos casos. 3.1 Perforación en suelos blandos En estos suelos es fácil inducir fisuramientos y remo ldeo en el fondo de la perforación, lo que hace imposible obtener muest ras ue~dade~amente ¿nalte~ada~>; a continuación se describen esas limitaciones, ilustradas también en la fig ES-1 . Pe~to~ación a ~otación y po~ lavado . Actualmente, la perforación a rotación con broca tricÓnica es la técnica más comú n para la ejecución de sondeos; por su parte, la perforaciÓn por lavado ha caído en desuso. En ambas técnicas se utiliza como fluido de perforación agua o lodo bentoní tico que genera: a) un incremento de presiÓn hidrostática de bido al peso de la columna de fluido comprendido entre el brocal de la perforación y la posición del nivel freático; y b) periodos de presión hidrodinámica, cuya magnitud es función de la capacidad de la bomba utiliza da (f1.g ES-1).
Cuando se perfora con alguna de estas técnicas, se observan frecuentes pérdidas del fluido de perforación, y las muestras que se rescatan de esas profundidades resultan casi siempre fisuradas. Considerando que las brocas tricÓnicas son innecesarias en suelos blandos, principalmente porque tiene n chiflones que afectan e l suelo, se ha ensayado un a broca de aletas ( fig &;8-2), en la que los chiflones de agua inc iden en las aletas y no directamente en el suelo¡ sin embargo, con esta broca también se generan fisuras en la masa de suelo originadas por la presión hi drod i námica (ref 1) como se muestran esquemáticamente en la figura ES-3 ( ref 2). De acuerdo con los volúmenes de fluido que se pierden se estima que esas fisuras llegan a tener espesores hasta de 2 cm y diámetros de 10 m; esto se ha podido comprobar cuando se ~acen sondeos cercanos .
55
TABLA EB-3 .
MEDIDAS DE LAS BARRAS DE PERFORAC ION MAS USUALES
cj) i
'P e
Barra
mm
pulg
mm
34.9
7/8
22.2
pulg 3/ 8
cj)c
mm
Peso, en kg/ml
Cuerdas por pulgada
7/ 16
12.7
4. 6
3
pulg
í\ EW
1
~AW
1 23/32
44.4
1
7/32
30.9
5/8
15 . 9
6.5
3
BW
2
1/8
54.0
1
3/4
44.5
3/4
19.0
6 .2
3
NW
2
5/8
66.7
2
1 /4
57.2
3/8
34.9
B.o
3
1
..
1
Longitud estándar:
3.05 m (10 pies)
TABLA
-Ademe
f - - ··
E8~4 .
cj)e
diáme tro exterior
$1
diámetro interior
$e
diámetro interior del cople
MEDIDAS DE LOS ADEMES MAS USUALES
$1
$e
Peso, en kg/m
mm
NW
3 1/2
88.9
3
76.2
12.8
4
HW
4 1/2
114.3
4
101.6
16 . 8
4
pulg
diámetro exterior
Pe~to~ación con ademe heLi coidaL . Al igual que e l anterior este método se utilizó y abandonó ( ref 3) ; con esta herramienta también se extrae suelo durante el avance y se genera deformación volumétrica cuando se quita el tapón central del ademe (fig EB-1 ).
.
El a deme helicoidal ha funcionado satisfactoriamente en aluviones, pertorando sin el tapÓn central , permitiendo quo la arena y grav a penetren sin presión al interior del ademe y después lavándolo con broca (ref 4) ; en a rcillas blandas no es admisible adoptar este procedimiento, por el remoldeo que induce al s uelo.
mm
Cuerdas por pulgada
pulg
$1
diámetro interior
Pe ~to~ ación con p o ~t eado~a - ~ima d o~a. Las limitaciones de los sistemas de perforación descritos tienen tres características principales: a) el fluido de perforación aplica incrementos o decrementos de presión hidráulica en relación con la posiciÓn del nivel freático, b) el fondo de la perforación sufre la acción del chiflÓn de la broca o de la cuchara de impacto, y e) las herramientas helicoidales extraen el suelo por el efecto de tornillo. ~
La posteadora-rimadora de la fig ES-4 evita todas esas limitaciones, como se observa en la fig ES-S, ya que opera suavemente sin im-
56 Vista
·--·---.
--
Perforación
--·
1
~
--·
--·
1 // 1,/'
/-;-~Muestra
--
. ~ ----;
~.;::;..--
1suro
·---
.-
1
Planta
FIG ES-2
BR~CA
DE ALETAS
Dimensiones usuales e de 1 o 2 cm R de 3 a 5 m h de 1 o 3 m
pactos y los huecos laterales que deja impid e n la succión; además, agregando gradualmente lodo bentonítico y manteniéndolo a la altura del nivel freático, los cambios de esfuerzos son muy pequefios . Con esta técnica se han podido rescatar muestras de excelente calidad y exentas de fisuras ( refs 2 y 5). La utilización de esta herramienta de perforación en sondeos con muestreo selectivo inalterado, debe combinarse con la broca de aletas; la manera de operar sería: a) perforar con broca de aletas hasta una profundi dad de 1 . O m por arriba de la de muestreo , b) perforar con la posteadora-rimadora el tramo faltante de 1.0 m, e) muestrear con el tubo de pared delgada o dentado y e) perforar de nuevo con ·la broca de aletas. 3.2 Suelos duros (~baj~ del nivel freático) En este tipo de suelos se puede recurrir a la perforación a rotación con broca escalonada (tipo dragi y aún a la tricÓnica. Como fluido de perforación se pueden utilizar agua o lodo bentonítico . 3 . 3 Suelos duros (arriba del nivel freático) En estos suelos la perforación debe hacerse sin agua o lodo, porque son susceptibles a sufrir cambios en sus propiedades mecá n icas
FIG ES-3 FISURAMIENTO HIDRAULICO como consecuencia del humedecimiento que sE. les puede inducir . Esta limitación obliga a elegir entre hacer la perforación con barrenas .helicoidale s 0 con aire a presión, como se descnibe a continuación¡ sólo podrá usa.rse· lodo si s e admite cierto nivel de alteración en las muestras, aún extrayéndolas del muestreador inmediatamente y cortándoles el perímetro alterado. Pe~to~ac¡ón con !a~~e~a heL¡co¡daL. Esta técnica puede 'utilizarse libremente para la perforación de suelos secos. Pe~to~ac¡ó n con a¡~e a p~e~¡ón . Puede utilizarse en dos formas diferentes: aj con equi po y herramienta convencionales de la perforación a rotación, rec urriendo al aire como fluido de perforación para enfriar la broca y transportar los del~i.tu~ de perforación a la superficie, y b) mediante martillos neumáticos de fondo . En el segundo caso, la máquina de perforación podrÍa ser también de operac::ión neumática¡ si':l embargo, se puede
:1'
57
c ~tolle
Cor te
f
tambi~n operar con una m~quina r otatoria convencional (fig E8-6a), el martillo neumático Stenuick que se muestra esquemáticamente en la fig E8-6b. Estos ma rtillos generan el impacto en el fondo. de la perforaciÓn cuando el aire acciona al percutor y ~ste a la broca.
del
e·e
10
'
Ventano
Cor te A- A
En la fig E8-6b se muestra la manera de instalar este equipo y en la E8-6c el detal le del ciclón de recuperación de los deL~iiuh de la perforación , que permiten la identificación precisa de los materiales que corta la broca o martillo con que se perfore. Como el tiempo que transcurre entre el corte del material y su tra slado a la bolsa de polieti leno resulta muy breve, se puede admitir que los materiales que se van deposita ndo corresponden exactamente a la profundidad a la que se localiza la broca o martillo. Al ap licar esta técnica de perforación se debe registrar la velocidad de penetraciÓn y la presión aplicada a la broca o ma rtill o , porque son parámetros muy sens ibles para inferir las condici o nes estratigráficas de un sitio; adicionalmente, la vibrac i ó n, y nivel de ruido de la perforaciÓn son también buenos indicadores .
90
Ventano
1. ISSMFE, "The international manuál for samp l ing of soft soils ", Sub-Committee on Soi l Sampling (1980)
' 1\...
____
1
___..~
Posleadoro
25
3. SOLUH , "Diversos trabajos de exploración en la Ci udad de !>léxico " ( 1962-1967)
1 1--- 11 0 -l
1
Acotaciones, en cm .
FIG E8-4 POSTEADORA-RIMADORA
\ .1
2. Santoyo , E, "Exploración geotécnica de la zona in str umentada cercana a la lumbre ra No. 6", Instituto de Ingeniería, UNAM ( 1 981 )
4. Petróleos f>lexicanos, "ExploraciÓn y muestreo de sue los para proyecto de ci mentaciones ", Normas PEf>IEX 2 . 214.05, H~xico, D. F . (1 967 ) 5. TGC-69 "Informe de la exploración geotécnica del Hetro. Tramo Lagunilla-Fray Servando", México, D.F . (1984)
58
o ~
...._
1 1 Expanalón
1 1
--.J
!
CondiciÓn Inicial.
Muestreo
Dupuis
Perforacl6n
Rimado
Condiclm final ( Inicial).
del muutreo
FIG ES-5 PERFORACION CON LA POSTEADORA-RIMADORA
Botacr~ "'la 11cu 1 dl,......rn-...,r poMetiiiiiO
.
""'"' ""'"'""! ' a). ConJunto perforadore.
•t
Martillo I*NIIÓtlce.
FIG ES-6 MUESTREO A PERCUSION
e) Ciclón de ~uptraclcSn de mu"tro
FEG-09 Detección de cavernas 1 . OBJETIVO
3.1 Fotointerpretación
Localizar las minas subterráneas de la zona poniente de la Ciudad de M~xico debido a que la estabilidad de las estructuras y las soluciones de con s trucción de cimentaciones están regidas por la existencia y ub i cación de dichas discontinuidades.
Como primer paso se deberá efectuar un estu dio de interpretación de fotografías aéreas de la misma zona, tomadas en diversas épo cas, para reconstruir la historia y los procesos de ataque a que pudo haber estado sometido el sitio de inter~s.
2. ZONIFICJ\CION
A pa rtir de una f o tointerpretación, complementada con apoyo terrestre , se pueden definir los accesos a las galerías de antiguas minas, los avances de las explotaciones a cielo abierto y la configuración original de las zonas actualmente rellenadas. Se podr& determinar además, la época en que se suspen diÓ su explotación y los cambios morfolÓgicos asociados a la urbanización de los predios .
En la f ig E9-1 se muestra la zona de lomas donde existen cavidades subterrán.eas; estas zonas minadas se extienden hacia el Estacte de M~xico en colonias como Tecamachalco, La Herradura y Lomas Verdes . Asimismo , en la tabla E9-1 se presenta un resumen de e studios realizados en varias colonias y fraccionamientos ubicados en las zonas minadas, asignándose cuatro categorías e~ o que respecta a su grado de cresg~de falla : alto_, mear:o;:::bajo- y nulo (ref 1).
-
El estudio de fotointerpretación debe complementarse con la inspección fÍsica de las la::leras y con la clasificaciÓn geotécnica y JeolÓgica de los afloramientos.
A OUERETARO (
(
3.2 Reconocimiento superficial
/
,-1
Encuestas; a manera de antecedentes y como información complementaria necesitan recabarse datos entre los habitan tes del lugar acerca de la existencia de minas en el área de estudio, sobre todo con aquéllos que tengan más tiempo viviendo en el sitio y areas cir cunvecinas.
';
___ ,'' \
Recorrido del lugar; se realizará un recorrido del área en cuestión, prestando especial cuidado a las barrancas , cañadas y cortes cercanos, para investigar la existencia de bocas de minas, así como de rellenos, muros y construcciones que pudieran ocultar las. Aunque usualmente las bocaminas son de acceso lateral en laderas, no debe descartarse l a existencia de las de tiro vertical o inclinado en terrenos de superficie más o menos horizontal.
~
ZONAS · MINAOAS
FIG E9-l LOCALIZACION DE LAS ZONAS MINADAS 3. INVESTIGACION DE CAVIDADES A continuaciÓn se establece un orden consecutivo de actividades, basado en el reconocimiento directo o indirecto del sitio que se requiere estudiar. En el momento en que se localizan y definen las caracterÍ!lticas de las minas o se dictamina con certeza su ausencia, la exploración de cavidades podrá considerarse terminada, procediéndose entonces a los estudios de detalle para el diseñe de las estructuras .
Al inspeccionar las laderas de barrancas y cortes se buscará la presencia de capas de arena, · grava y materiales pumíticos que fueron o pudieron haber sido objeto de explotación subterránea, anotando su espesor medio y profundidad aproximada respecto a la superficie del terreno. En caso de encontrar bocas de minas en el área será necesario inspeccionarlas para determinar s u desarrollo ; el recorrido de las minas servirá para conocer su estado y condiciones de acceso , con miras a programar su exploración por métodos directos. Además de la existencia de minas deberá investigarse en el recorrido del lugar la ocurrencia de otros p¡oblemas comúnmente asociados con ellas, como son la presencia de rellenos superficiales , que suelen encontrarse en estado suelto y que pudieran sr¡d produc to de la demolición de bÓveda s de cavidades
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TAFLA E9.1 GRADO DE PELIGRO DE COLONIAS Y PREDIOS UBICADOS EN LAS ZONAS MINADAS Grado de peligro*
Colonia o predio A
M
8
N
~----------------------------------~~----~--~~--·--~--·---l.
2. 3.
4. 5. 6. 7.
8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. 16. 17. 18 . 19. 20. 21. 22. 23.
24 . 25. 26 . 27 . 28. 29. 30 . "31. 32. 33.
34 . 35. 36.
37. 38 . 39.
40. 41.
42. 43. 44. 45. 46 .
Colonia Barrio Norte Colonia Las Butacas Colonia Las Golondrinas Predio Capula Colonia Jalapa Colonia Real del Monte Colonia Las Palmas Fracc. Aguilas Pilares Colonia Santo Domingo Colonia Olivar del Conde Colonia Ampliaci6n Las Aguilas Colonia Lomas de Becerra Fracc. Axomiatla Fracc. Lomas de Tarango Cerro de Sn. Nicolás Contreras Col. Piloto A. L6pez Matees Colonia Garcimarreo Colonia Bel~n de las Flores Fracc. Colinas de Tarango Colonia Angostura Colonia Puerta Grande Fracc. Xocometla Col. Liberaci6n Proletaria Cerro del Peñ6n Colonia Bonanza Fracc. Lomas de las Aguilas Predio El Salitrero Colonia P6lvora Mina de Cristo Mina Palo Alto Colonia Presidentes Conjunto Habitacional FOVISSSTE Colonia Puente Colorado Colonia San Clemente Fracc. Colinas del Sur Predio Planta de Asfalto Predio Rancho Zamora Predio Batal16n de Sn. Patricio Colonia Zen6n Delgado Tercera Ampliaci6n Chapul tepec Predio Av . Centenario Colonia Butacas Colonia Gamites Colonia ' Am~rica Colonia Preconcreto Primera y Segunda Victorias
X X X X
X X X X
xt** X X X
xr** X X X X X X X
X X X
xa** X X X
X
X X X
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X X X X X X
X X
X X
X X X
* A, alto; M, medio; B, bajo; N, Nulo ** a, asentamientos ; r, relleno; t, taludes
l.
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TABLA E9.1 GRADO DE PELIGRO DE COLONIAS Y PREDIOS UBICADOS EN LAS ZONAS HINADAS (CONTINUACION) Colonia o predio
Grado de peligro* A
47. 48. 49.
so . 51. 52. 53. 54. 55 . 56. 57. 58 . 59. 60. 61. 62 . 63 . 64. 65 . 66. 67 . 68. 69. 70. 7 1. 72. 73. 74. 75 . 76. 77. 78. 79. 80. 81. 82. 83 . 84. 85. 86 .
Predio Compañía de Luz y FUe rz a, Belén de las Flores Predio sobre Av . Las Aguilas Fracc. Lo ma s de Guadal u pe Col. Ampliación La Mexicana Predio Ahuatla (El Pirú) Colonia Ampliación Alpes Colonia Estado de Hidalgo Predio junto a l río Becerra Colonia Paraíso Predio Reforma No. 2300 Colonia La Rosi ta Colonia Granada uno· y Dos Fracc. Bosques de las Lomas Predio 198 de la Calle Rosa de Bengala Colonia Daniel Garza Colonia Valle de Luces Predio Ba nco Nacional de Obras Públicas Predio Av. Las Aguilas Predio Av. Vasco de Quiroga Colonia Aju sco Predio La Loma (MArga rita Maza de Juárez) Edificio en condominio e n Av. Las Aguilas Unidad Habit. Sant a Fe Predio Lar e da Grande Instituto Nal. de Fruticultura Colonia El Nopal Colonia Sn . José de l os Cedros Colonia Mo lino de Rosas Rancho Sn . José de l os Cedros Fr ac cionamiento Villa Verdún Predio ubi cado en la Colonia Molino d e Ro sas Unidad Habit. Santo Domingo Predios de la Delegación Villa Alvaro Obregón Colonia Los Olivos Predio La Curva Colonia 12 de Diciembre Colonia El Yaqu i Ampliación El CapuHn Colonia Santa Bárbara Terrenos de antiguas minas, Delegación de Iztapalapa
B
N
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xt** X X X X X X X X X X X X X X X X X X
xr** X X X X X X X X
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* · A, alto; M, medio; B, bajo; N, nulo ** a, asentamientos; r, rellenos; t, taludes
l.
M
X
-
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preexistentes; asimismo, inves tigar la exis tencia de fenómenos de inestabilidad de laderas en barrancas y cortes , que llegan a originarse por la falla de los techos de mi nas que de ellas a~ranquen. Los resultados y observaciones del reconocimiento superficial se presentarán en un informe escrito que incluya un croquis del área de estudio, en el que se marque la posición relativa de barrancas y cortes , bocaminas, zonas de rellenos, hundimientos, ~rie tas, etc . Se incluirá un anexo fotografico en el que se ilustren las condiciones y peculiaridades del área. Cuando del estudio de fotointerpretación y del reconocimiento superficial se concluya categóricamente que no existen minas , la investigación terminará en esta etapa . En caso contrario deberá procederse a una segunda fa se de exploración. · 3.3 Exploración de cavidades Si el reconocimiento superficial previo indi ca la existencia dudósa o comprobada de minas en el área , se llevará a cabo su exploración aplicando los siguientes métodos: M~todos
directos
Se basan en observaciones y mediciones realizadas desde el interior de las cavidades, e bien en excavaciones o perforaciones de tamafio tal que en ellas penetre un hombre. Siempre que en el reconocimiento se descubran bocas o hundimientos accesibles de mi nas en el áre~, o que mediante excavaciones, demoliciones, etc. 1 se logre entrar a ella ~ se procederá a realizar un levantamiento to· pográfico en planta, detallando el contorno de las cavidades y efectuando una nivelación del piso y clave de las galer!as. Este levantamiento deberá ligarse al topográfico superficial del área en estudio . Se inspeccionará de manera minuciosa las caracter~sticas de los materiales explotados en las paredes, bÓveda y piso de las cavidades; asimismo , se definirán cualitativamente las condiciones de alteración y fisuramiento del techo más - elementos de soporte, como son paredes y pilares. L·o s resultados del levantamiento directo se presentarán en un informe escrito, incluyendo los planos de las minas en planta y elevación, as! como secciones t!picas y fotograf!as del sitio. Si el levantamiento total de las minas no fuera posible, o si el reconocimiento previo indicara la posibilidad de otras minas no accesibles, será necesario aplicar los métodos de exploración semidirectos. Las excavaciones o perforaciones de gran diámetro se incluyen en los métodos directos¡ en ellas pueden introducirse un hombre para investigar el espesor y caracter!sticas de rellenos superficiales, o para permitir el acceso a minas e iniciar su levantamiento (FEG- 04).
Métodos semidirectos Consisten en realizar perforaciones de pequefio diámetro desde la superficie del terreno . Se utilizarán en aquellos casos en los que el reconocimiento superficial no haya permi tido asegurar la ausencia de "minas, o cuando las condiciones actuales de éstas no per~i tan su exploración directa. La aplicación de estos métodos puede resultar 4ndicada en los siguientes casos : - En predios con dimensiones reducidas, limitados por colindancias - En terrenos que en la actualidad estén cubiertos totalmente por construcciones - En predios con hundimientos o grietas en la superficie Pe11./.o11.aci6n ~in mue~ i.11.eo. La práctica más com6n ha sido utilizar máquinas de perforación disefiadas para ·el muestreo de rocas , con brocas tricónicas de 7 . 5 a 10 cm de diámetro como herramienta de avance y agua como fluido de perforación. El operador de la máquina percibe la presencia de alguna discontinuidad cuando la columna de barras baja br6scamente y al- mismo tiempo se pierde el agua de perforación.
La necesidad de reducir los costos de la exploración obliga a analizar cr!ticamente estos y otros procedimientos de perforación con muestreo, que se emplean para la exploración de cavernas. Alternativamente, con una máquina de perforación neumática con broca tipo Drag se puede alcanzar una excelente eficiencia y, por tanto , menor costo de perforación ( fig E9-2). \ Con ella se tiene también la opción del uso del martillo neumático de 80 mm, que se muestra en la fig E9-3; con esta herramienta se puede operar en tobas muy duras o bloques de roca. J.Ja acción del martillo se hace con aire a una presión de S kg/cm2 y velocidades de rotacion de 45 rpm. El procedimiento para identificar una caverna consiste en observar el cambio de intensidad del ruido durante la perforac ión y la ausencia de retorno de aire; cuando esto ocurre se debe suspender la inyecciÓn de aire y operar 6nicamente con el mecanismo elevador para determinar la altura de la cavidad . La mayor dificultad que se ha tenido en las pocas experiencias realizadas con esta técnica es la falta de habilidad de los operadores, lo que obliga a mantener una supervisión muy cuidadosa; a6n as!, el rendimiento que se ha logrado en las zonas minadas es hasta de 12 m/h, sin duda muy superior a lo q~e puede alcanzarse con otros métodos de perforación . Peii./.OII.aci ón c on mu e~i.11. e o . Otro aspecto que debe co"n siderarse en la exploración de zonas minadas es la obtenciÓn de mues · - as: en eso s
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Racor amortl&uador
Cuhta
Vílvula de lnmtnlón con muelle
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Manómetros de control
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a 1
n 1 BOmm 1
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FIG E9-2 PERFORADORA NEUMATICA (STENUICK)
FIG E9-3 MARTI LLO NEUMAT ICO
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a e
3
s uelos secos, l a perforación debe hacerse sin agua o lodo, porque son suelos susceptibles a sufrir cambios en sus propiedades mecánicas como consec uencia del humedecimiento que se induce a ellos. Esta limitación para el muestreo obliga a elegir entre la perforación con barre nas helicoidales, o con aire a presión . La perforaciÓn con barrena helicoidal puede utilizarse libre me nte en sue los secos; por s u parte , la perforación con aire a presión puede realizarse en dos formas diferentes: a) empleando mart il-los ne umáticos de fondo como ya se mencionó, y b) con el equipo y herramienta s convencionales de la perforación a rota c ión, recurriendo al ai re para enfriar la broca y transportar los detritus de perforación a la superficie, segÚn se describe en la f icha FEG - 08 (Técn icas de perforaciÓn).
3 )
Se puede también recurrir al muestreo cot barril tipo Denison , manteniendo el aire como fluido de perforaciÓn, para evitar la alteración de la muestra.
Métodos indirectos Dentro de los procedimientos de exploración indirecta pueden distinguirse los métodos geofÍs}cos clásicos, como la magnetometría, los s1s~icos (reflexión y refracciÓn), la gravimetría y los métodos eléctricos . A continuación se comentan a lguna3 de sus limitaciones para la detecciÓn de cavernas . Nétodo~ magnét~co~ . Sus resultados son muy dudosos, ya que las fluctuaciones observadas pueden interpretarse de muchas maneras (variaciones de susceptibilidad magnética entre estratos , v ariaciones del nivel freático, etc.) y no existe una relación casual con las minas. Nétodo~ g4au~méi4~co~. En el caso de cavida des en tobas volcánicas, como sucede en 1<~. zona poniente del Distrito Federal , la utilidad del método es poco aconsejable debido a que el contraste de densidades es mínimo y las cavernas son irregulares y más bien pequeñas. Además, ml!chas veces existen capas superficiales duras , de espesor variable, que no permiten la detección de anomalÍas más profundas.
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Su uso en la det~c~ión de tobas y cenizas volcan~cas es ~~~~ ~ficaz, ya que la necesidad de hace~ un levantamiento detallado de todos los obstaculos e irregularidades del terreno lo, hace económicamente prohibitivo en la mayon.a de los casos. 'l i c -1. ogl!uvimel
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· d des en
t'lé t c d o ~
li ~mi c c l. El método sísmico IJOr refracción no es adecuado para detectar cavidades ocultas de cualquier tamaño; la oquedad subterránea no puede compararse con la superficie continua que limita dos medios de caract e rísticas mecánicas diferentes.
una mina es más equiparable a una variación de compacidad dentro de un mi3mo medio, que 53 ref lei a en un ligero y local retraso er
El empleo del método sísmico de ref~exión a poca profundidad está poco desarrollado para resolver problemas de ingeniería civil. Tratándose de túneles de minas, estos no representan superficies en las cuales se puedan reflejar las ondas sísmicas emitidas desde la superficie, las cuales atraviesan laó oquedades sin alterarse prácticamente en Sl trayecto. ~étodo~ eléct~ic o ~. Dentro de las técnicas que ofrecen los métodos eléctricos, los que interesan para fines de ingeniería civil se reducen prácticamente a dos: el método de caídas de potencial y el de medición de resistividades. Sin embargo , en el caso de la zona poniente de la Ciudad de México, los estudios se realizan en áreas urbanas donde existen lÍneas de alta tensiÓn o duetos enterrados a poca profundidad (obras de drenaje , agua pot-.able, etc . ) y la calidad de la
información es fuertemente alterada por todas estas instalaciones. Asimismo, se tienen otros factores que limitan la aplicación de los métodos geoeléctricos, como son las condiciones topográficas abruptas , el rellene artificial de cavidades y la existencia de estratos que dificultan el flujo de la corriente eléctrica. 4. COMENTARIOS La fotointerpretación y las "ncuestas permiten encauzar eficientemente el reconocimiento superficial del sitio eD el que se investigue la existencia de minas. La exploraciór. subsiguiente debe contemplar el uso de perforadoras neumáticas, que reducen significativamente el tiempo y costo de la ejecución . En caso de requerirse muestreo , éste deberá realizarse sin agua o lodo a fin de evitar la alteración fÍsica del suelo por muestrear; para ello pueden usarse equipos rotatorios convencionales, pero con aire como fluido de perforación. La aplicación de método& yeofÍsicos en la investigación de cavernas ha demostrado ser po~ co confiable; las áreas minadas presentan condiciones que afectan los resultados de los "~iversos métodos y los hacen de difÍcil interpretación; su uso es de poca aplicación y por tanto, no es recomendable.
5. REFERENCIAS 1.
Sociedad Mexicana de Mecánica de Suelos, SMMS, "Simposio sobre Cimentaciones en Zonas Minadas de la Ciudad de México", México, D.F . (1976)
FEG-1 O Brocas para perforación de suelos 1 . GENERALIDADES Las brocas para la perforación de pozos con máquinas de rotación se eligen de acuerdo con la dureza de los materiales que se van a cortar; en la fig E10-1 se muestra el criterio general para la selección de estas herramientas y a continuación se resumen brevemente sus características y la aplicabilidad que se puede dar en las obras del Metro-COVITUR. 2. BROCA TRICONICA De -lul.ipci ón. Consiste en tres conos giratorios embalerados que tienen dientes de abrasión, de forma esférica para rocas duras, y de prismas· agudos para rocas blandas (fig E10-2a). Se fabrican en muy diversos diáme-
------------------
tros (2 7/8", 4", 5", 6", ate.); para enfriar la broca y arrastrar el material cortado a la superficie s:e utiliza un fluido de perforación (lodo , agua o aire) que sale al centro de la broca. AplicaO..il.idad. Esta broca se puede utilizar para perforar desde rocas duras a suelos duros (fig E10-1 ); es inadecuada para perforar suelos blandos , porque los conos difÍcilmente giran e inc~uso se atascan, porque el chiflÓn no limpia eficientemente los dientes de corte. Recomendación . de esta broca aclarando que neumático que
Se propone restringir el uso a los basaltos y tobas duras, en los basaltos, el. martillo corta a roto-percusiÓn es más
Suelos Duros
o
blandas Duros
Blandos
Broca tricónica
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Broca
8.
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Drag
Braco de aletos
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Broca cola de pescado I 1 Resistencia al corte
FIG El0 - 1 CRITERIO DE SELECCION DE UNA BROCA DE PERFORACION PARA SUELOS Y ROCAS
eficier.te y reduce si.,¡nificativamente los costos de perforación; d e ma nera similar, la broca drag es más ef icien t e que la tricÓnica para perforar la s t o bas duras. La tricónicé no debe usar se para perfocar pozos de bombeo y sondeos, porque remo1aea por amasado al suelo , reduciendo su permeabilidad y alterando · su estructura.
3 . BROCA DRAG De -~c11.ipc.i6n. Es una pieza sÓlida que tiene tres planos rad iales de corte, protegidos con pastillas de carburo de tungsteno ( fig E1 0-2b). Se fabrica desde 2" de diámetro; para enfriar l.a broca y arrastrar el material cortado a la superficie se utiliza un fluido de perforaciÓn (lodo, agua o aire), que sale alcentro de la broca.
Apf..icaf..ii..idad . Se puede utilizar en suelos de cons istencia media a b landa . Recomenda c ión . Esta broca es la más adecuada para hacer perforaciones para sondeos e instalació n de pozos de bombeo, porque deja agujeros limpios y poco alterados; adicional mente , tiene las ventajas de ser significativamente más económica que la tricÓnica o la drag, y sobre todo más eficiente. Re~t11.icc.ión .
En la realizació n de sondeos en suelos blandos susceptibles a sufrir fisuramiento hidráulico, que se presenta asociado a la fuga de agua o lodo de perforación , es necesario complementar a la broca de ale tas con la posteadora-rimadora; con esta Úl tima herramienta debe perforarse por lo menos en un metro p o r arriba de la profundidad e n que se obtendrá una muestra .
Api.icaf...i...lidad . Esta broca se puede utilizar de rocas blandas a suelos blandos.
5 . BROCA DE COLA DE PESCADO
Recome ~ dac.ión .
De~c11..i..pc.i..ón ,
Se propone utilizar esta brotobas de l poniente de la Ciudad, ~mpleando aire a presión como flu ido de perforación; no debe utilizarse para la ejecuc ión de sondeos en suelos blandos, porque el chiflÓn de agua o l odo erosiona hasta 50 cm por debajo de la broca. ca en las
4 . BROCA DE ALETAS De~c11.ipc.ión . Consiste en dos placas de a cero duro (aletas) que forman una hélice corta; la salida del agua, o lodo a presión incide en la superficie superior ñe las aletas (fia E10-2c). Esta broca es de fabricación artésanal y puede construirse desde 2" de diámetro. Esta broca se desarrollÓ para perforar los suelos blandos del Valle de México, eliminando el problema de erosión del fondo de la perforación, que g~~eran las brocas tricÓnica y drag .
Es una pieza sóliña que consiste en dos p laca s triangulares ligeramen te alabeadas , con su vértice en la parte inferior (fig E10-2d), aunque también pueden ser rectangulares y entonces la parte in fer ior es recta. Esta broca siempre es ci ega, esto es , no tiene salidas pa ra fl uido de perforación, por lo que su u so se restringP. a la llamada perforación de batido.
Ap.l.icaB.if..idad , Se puede utilizar en sue l o s de consistencia media a blanda. Recomendación , Esta broca es la más adecuada para hacer perforaciones sin e l iminar el material cortado; por ejemplo, las perforaci ones de batido que ~ requieren para el hi nca do de pilotes, para las que se agrega algo de agua al inicio de la perforación . Se u t i liza también para perforar las ca pas du r a!: que impiden el hincado del cono eléctrico .
66
d) Colo ~ peacodo
o) Trlcónlco
b) Drog
p
~1
67
TABLA El0-1
BROCAS DE PERFORACION
TIPO DE BROCA
MATERIAL
Tric6nica
Basalto y tobas muy duras
Aire Agua Lodo
En sondeos e instalación de aparatos, aunque en basaltos es más eficiente el martillo neumático y en tobas la broca drag
Drag
Tobas y suelos duros
Aire Agua Lodo
En sondeos e instalación de apa r atos, utilizando aire a presión cuando se perfora arriba del nivel freático
De Aletas
Suelos blandos
Agua Lodo
En sondeos y pozos de bombeo. Si en los sondeos se presenta fracturamiento hidráulico se requerirá también perforar con la posteadorarimadora
Cola de Pescado
Suelos blandos
No requiere
Cuando se requiere remoldeo (perforación de batido) para el hincado de pi l otes y la penetración de lentes duros que impiden el hincado del cono eléctrico
FLUIDO DE PERFORACION
APLICACION
Se refiere a las rocas y suelos del Val le de México
\
6. EFICIENCIA DE PERFORACION
7. CONCLUSIONES
No se dispone de informaciÓn confiable de la eficiencia de las distintas brocas descritas; por e llo, es necesario hacer observaciones de campo donde se midan los tiempos medios. Para hacer este estudio deberá seleccionarse una brigada de perforación que opere u na máquina equ ipada para el manejo eficiente de la tubería de perforaciÓn; con ese estudio se detectará que en suelos blandos, las maniobras v preparaciones consumen la mayor parte del tiempo de operación y que la perforaciÓn efectiva es la a cción más breve.
En ~~e-4~fo~&, se propone un criterio para la selección de las brocas de perfor ació n, que se deben u tilizar en los distintos suelos y rocas, en l os que se requieren perforaciones para el diseño y construcción de lÍneas del Metro ; para facilitar su consulta, la tabla E10-1 resume los aspectos principales descritos . Se propone recopilar información de campo para precisar los tiempos de pe rforac ió n para cada tipo de broca, junto con los tiempos de maniobras necesarias, para posteriormente fundamentar análisis racionales de los pre c ios unitarios.
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o·: A~TECEDENTES GEOTECNICQ-S ··PROCEDIMIENTOS PARA EL MUESTREO . 1NALTERADÓ SELECTIVO DE LOS ESTRATOS · . MAS REPRESENTATIVOS DEL SUBSUELO •
P~UEBAS
INOICE Y MECANICAS DE LOS SUELOS, PARA .LA DEFINICION DE SUS . _-. ·· PROPIEOADES MECANICAS ·
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D: ANTECEDENTES GEOTECNICOS
FAG-0 1 Muestreo con tubo de pared delgada l.
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OBJETIVO
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El empleo de tubos abiertos de pare d d e lgada (co nocidos como tubos Shelby ) p ermite obtener muestras del s ubsuelo relativamente inalteradas . Para fines prác ticos, e sta té c nica debe aplicarse sele c tivame nte para suministrar al labo ratorio es pec!me nes, en los cuales s e determinen las ca racter! s ticas de r e sistencia y compre s i b ilida d que se r e quier e n para e l dis e ño geoté cni c o de detalle. 2.
1l!oo; 2.00
2.50 =fo.50 2.70
DESCRIPCION DEL MUESTREADOR
Está constituido por un tubo de acero o latón, con el e x tremo inferior afilado y unido en la parte superior con la cabeza muestreadora, a su vez montada al final de la columna de barra s de perforación, con las que se hinca al muestreador desde la superficie. La fig Al-1 presenta los dos tipos de uniór. tubo-cabeza usuales: el primero con tres tor nillos opresores allen y el segundo con cuerda repujada, que ha probado ser más confiable que el primero, aún operando en suelos duros (re f 1). La cabeza tiene perforaciones laterales y una válvula esférica de pie que abre durante la etapa de hincado, para permitir el alivio de la presión del interior del tubo. Posteriormente se c ierra para proteger la muestra de las presiones hidrodinámicas que se generan durant~ la extracción del muestreader. La fig Al-2 corresponde a un muestreador con válvula deslizante, en la que se sustituye la válvula esférica de los muestreadores . anteriores por un mecanismo. El cople de unión a la columna de barras de perforación tiene un tramo cuadrado al que se enrosca una barra circular que termina en una ampliación con un aro sello; en dicha barra desliza la pieza a la que se fija el ' tubo mues~reador y que tiene perforaciones para la ext1·acción del fluido de perforación del interior del tubo. La observación cuidadosa de muestras obtenidas con tubos de pared delgada de condiciones geométricas diferentes, mediante la técnica de secado de láminas de suelo, permitió a
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FIG Al-1
~1UESTREADOR
Esfera metdlico Cuerdo repujado Unión con cuerdo Repujado
DE PARED DELGADA CON VALVULt ESFERICA DE PIE
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Diámetro d D¡ e L Lm Dm De nominal en cm en cm en cm en cm en cm en cm en cm (cm) 11 0 .20 1.27 75 7.62 7. 22 77 .. 17 60 7.5 10.0 10.16 9 . 76 9 .61 0 . 20 1.20 90 75 9.69
100 .00
Acotación, cm
f
10.16 p'
t
De Diámetro
edefior
D1 Diámetro interior Dm Diámetro de muestro e
Espesor
d L Lm L0
Cuerdo de unión AW y BW BW y NW
Lonoitud aguzado Lonoitud de tubo Lonoitud de muestreo recomendable Espacio poro ozolvet (L 0 =L-Lml
Unión con cuerda
FIG Al-3 DIMENSIONES DE LOS TUBOS DE PARED DELGADA FIG Al-2 MUESTREADOR DE PARED DELGADA CON \'ALVULA DESLIZANTE Hvorslev (ref 2) fundamentar las relaciones de áreas y diámetros que deben satisfacer estos muestreadores para asegurar un buen funcionamiento, las cuales se resumen en la fig Al-3 . En la fig Al-4 se anotan las dimensiones que necesariamente deben satisfacer estos muestreadores para los diámetros usuales de 7.5 y 10 cm de los que Gnicamente deben usarse los de 10 cm, sobre todo cuando se hagan pruebas de consolidación que requieran espec!menes de 8 cm de diámetro. El procedimiento de afilado del tubo necesita ser lo suficientemente preciso para que se obtengan tubos con las diménsiones especificadas (fig Al-4). En la ref 2, Hvorslev des-
cribe dos m~todos para esta o peración: el más sencillo consiste en afilar primero el tubo en un torno y despu~s con un bloque de moldeo darle la forma de la fig Al-3. Otro cuidado que se debe tener con este muestreador es el de pintarlo interiormente para reducir la corrosión de la lámi na que induce cambios fisicoqu!micos en el suelo muestreado. Una alternativa para eliminar la corrosión y reducir además la fricción tubo-suelo al extraer las muestras, es recurrir a tubos de aluminio o de plástico PVC: la solución más factible es un · muestreador de acero con cami sa interior de aluminio o plástico y zapata de acero en su extremo de ataque.
71 OPERACION DEL EQUIPO Las muestras de suelos blandos que se obtieen con tubos Shelby, utilizando técnicas de nerforación a rotación o por lavado, frecueniemente resultan fisuradas, observándose fácilmente por la bentonita o azolve que .penetra en e llas (FEG-08). Las muestra~ f~sura das no son ütiles par~ obtener conf~ablemente las propiedades mecán~cas de esos suelos. para reducir la influencia que induce la técnica de perforación, se requiere el empleo de la po~d.eado~tct-}(.únarloM. (FEG- 08), combinando s u aplicación con la broca de aletas, descrita en la misma ficha, de acuerdo con la siguiente secuencia: a) perforar con la broca de aletas hasta llegar 1.0 m arriba de la profundidad de muestreo, b) perforar con la po~ teadolla -}(.Ünadolta e 1 tramo faltan t e de 1 . O m, y e) muest~ear con el tubo de pared delgada. El muestreador Shelby se debe hincar con vel ocidad constante entre 15 y 30 cm/s una longitud de 75 cm; ésto es,queda sin muestra una longitud mínima de 15 cm donde se alojan los azolves que pudieran haber quedado dentro del tubo. Después del hincado se deja el muestreador en reposo durante tres minutos, para que la muestra se expanda en e l interior y aumente su adherencia contra las paredes; en seguida se corta la base del espécimen girando dos vueltas el muestreador, se saca al exterior y se limpian sus extremos y se identifica el tubo. 4.
1
El control y protección de las presentan en la fi cha FAG-04.
muestras
se
5.
REFERENCIAS
l.
Petróleos Mexicanos, PEMEX, "Exploración y muestreo de suelos para proyecto de ci mentaciones", Norma PEMEX 2.214.05, Méxi co , D • F • ( 19 7 6)
2.
Hvorslev, M, "Subsurface exploration and sampling of soil for civil engineering purposes", ASCE (1949)
3.
ASTM Designation D 1587-74: "Thin-walled tube sampling of soils" (1977)
4.
ISSMFE, "The international manual for sampling of soft cohesive soils" (second draft), (1978)
CO~ENTARIOS
Estudios recientes señalan que para lograr un muestreo inalterado de calidad e n suelos blan-
)
dos cohesivos debe recurrirse al uso de tubS~ns demebpaared delglada con pistón fijo (ref 4). • rgo, en . a Ciudad de M~~x~co · 'd se han es t a bl ec~ o rut~nas de traba)·o en e tre la 1 ampo, ens cua es se cuenta el muestreo inalterado con.tubos Shel~y y los procedimientos de perforac~ón a rotac~6n ~ por lavado; esto provoca que el muestreo ~nalterado sea generalmen t e . de baja calidad y l l eve a subestimar las prop~edades del subsuelo . resultando u s~bredis~ñ~ geotécnico . Actualmente es pre: c ~so mod~f~car al menos las técnicas de per foración (FEG-08), de manera que la altera c ión al subsuelo sea la mínima posible y provisionalmente seg uir empleando e l muestreo con tubos Shelby, admitiendo que se extraen muestras ligeramente alteradas; mientras se desarrolla una mejor técnica de muestreo.
FAG-02 Muestreo con tubo dentado l.
OBJETIVO
Esta herramienta permite obtener muestras de arcillas duras y limos compactos o cementados con un mínimo de alteración; en estos materiales presenta claras ventajas de operatividad y costo sobre muestreadores de barril doble. 2.
DESCRIPCION DEL MUESTREADOR
Lo constituye un tubo de acero, unido en su extremo superior con la cabeza muestreadora que, a su vez, va montada al final de la columna de barras de perforación con las que se hinca y se da rotación al muestreador desde la superficie; la parte inferior del tubo tiene ocho dientes de corte dispuestos simétricamente (fig A2,-l), que miden de 0.8 a 1 cm de altura y 3 cm de base. La sierra se forma con alternaciones de un diente recto y
otro doblado 0.2 cm hacia el exterior, con objeto de reducir la fricción entre el muestreador y el suelo. El diámetro del tubo debe ser de 10 cm y su longitud de 100 cm. En la fig A2-2 se presenta este muestreador con los dos tipos de unión tubo-cabeza usuales; el primero con tres tornillos allen y el segundo con cuerda repujada, que ha probado ser más confiable que el primero, aun en suelos duros (ref 1). La cabeza tiene perforaciones laterale s y una válvula esférica de pie que se abre durante la etapa de muestreo para permitir el alivio de la presión del interior del tubo. Posteriormente se cierra para proteger a la muestra de las presiones hidrodinámicas que s.P generan durante la extracción del muestreador . La fig A2-3 corresponde a un muestreador de válvula deslizante, en el que se sustituye la
72
~!-------=10~ .0~0~---t-
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1
1
V 1STA INFERIOR Acotoción : e m Acotoclones,tn cm
FIG A2-1 11UESTREADOR DE TUBO DENTADO 1
válvula esférica de los muestreadores anteriores por un mecanismo. El cople de unión a la columna de barras de perforación tiene un tramo cuadrado al que se enrosca una barra circular que termina en una ampliación con un aro sello; sobre esta barra desliza la pieza, a la que se fija el tubo muestreador y que tiene horadaciones para la extracción del fluido de perforación del interior del tubo. Es imprescindible pintar interiormente el muestreador para reducir el fenómeno de corrosión de la lámina que provoca cambios ftsico-qutmicos en el suelo muestreado. 3.
OPERACION DEL EQUIPO
Este muestreador se hinca operándolo a rotación con velocidades menores de 100 rpm y presión vertical para que avance con velocidad constante de 1 cm/s, hasta penetrar 75 cm; de esta manera queda sin muestra una longitud mínima de 15 cm donde se alojan los azolves que pudieran haber quedado dentro del tubo. Después del hincado se deja el muestreador en reposo tres minutos a fin de que la muestra se expanda en su interior y aumente su adherencia contra las paredes del tubo; enseguida se corta la base del espécimen, girando dos vueltas el muestreador y se procede a sacarlo al exterior, donde se limpian sus extremos e
Tre ~ tornillo,s al len@
120°
Tubo
A ro sello de hule
E sféra metálica
Perforación
Cuerda repujada
Unión con tornillos ollen
Unión con cuerda Repujada
FIG A2-2 MUESTREADOR DE TUBO DENTADO CON VALVULA ES·· FERI CA DE PI E identifica. Las muestras obten idas con esta técnica presentan alteración en un anillo pe rimetral de 2 a 4 mm de espesor. 4.
COMENTARIOS
Este tubo dentado frecuentemente recupera muestras de mejor calidad que el muestreador de barril Denison; sobre todo en los suelos arcillosos duros y capas granulares compactas que se encuentran en el subsuelo de la Ciudad de México, independientemente de su simplicidad de operación y bajo costo. El control y protección de las muestras se presentan en la ficha FAG-04.
S. l.
REFERENCIAS Petróleos Mexicanos, PEMEX, "Exploración y muestreo de suelos para proy ectos de cimentaciones", Norma PEMEX 2.214.05, México, D.F. (1976) .
73
7.00
7.50
- - - - Perforaciones
9.50
- - - - Cuerdo repuje
100.00
UniÓn
con cuerda
_-=r o.a 10. 16"
FIG A2-3
1
o 1.0
Atolotiones,en tm
MUESTREADOR DE TUBO DENTADO CON VALVULA DESLIZA::TE
FAG-03 Muestreo con barril Denison l.
OBJETIVOS
Con el muestreador· de barril Denison, que opera a rotación y presión, se obtienen especfmenes de arcillas duras, limos compactos y limos cementados con pocas gravas, localizados abajo del nivel freático; las muestras siempre presentan cierto grado de alteración. Cuando se muestrean estos suelos arriba del nivel freático, las muestras se contaminan con el agua o lodo de perforación, por lo
¡j
cual su aplicación se condiciona al empleo de aire como fluido de perforación. 2.
DESCRIPCION DEL MUESTREADOR
El muestreador tipo Denison consiste en dos tubos concéntricos; uno interior, que penetra en el suelo a presión, y rescata la muestra, mientras que el exterior, con la broca en su extremo gira y corta el suelo circundante. Para opera~ este muestreador se requiere fluí-
74 do de perforación (agua , lodo o aire) que hace circular entre ambos tubos.
se
En la fig A3-l se presenta el diseño actualizado de este muestreador, se observa como los tubos concéntricos se acoplan a la cabeza con baleros· axiales, que sirve de unión con la columna de barras de perforación y permite que el tubo interior se hinque a presión en el suelo, sin inducir esfuerzos de torsión a la mue stra. La cabe z a dél muestreador tiene una tuerca de ajuste que controla la posición relativa entre ambos tubos; a sí, dur a nte el muestreo, el tubo interior penetra en el suelo la distancia d antes que la broca (fig A3-2) , para proteger a la muestra de la erosión y contaminación que le puede ocasionar el fluido de perforación. La broca de corte es una pieza de acero con pastillas de carburo de tungsteno que protegen las zonas de mayor desgaste; en la fig A3-3 se muestran las dos brocas tipo más usuales.
í
Cuerdo NW
8 .00
Cabezo embolerodo
15 .00
Controluerco de oj\J.lli
Las dimensiones del rnuestreador Denison, que permiten obtener muestras de 7.5 y 10.0 cm de diámetro nominal, se anotan en la tabla A3-l; el diámetro admisible de muestreos es de 10 . 0 cm. Para el muestreo de materiales granulares conviene adaptarle una tr a mpa de canastilla, formada por lengüetas de lámina de acero flexible (fig A3-l). 3.
Vólvulo
T ubo interior
100.00
OPERACION DEL EQUIPO
Antes de introducir el muestreador al sondeo se debe ajustar la distancia d, entre el tubo interior y la broca (fig A3-2), de acuerdo con el material que se va a muestrear; también se necesita verificar que la cabeza esté limpia, engrasados los baleros y que la válvula opere correctamente. A continuación se baja el rnues treador al fondo de la perforación y se hinca la profundidad d, para e v itar que el tubo interior gire al iniciar la rotación del tubo exterior. Durante el muestreo, la máquina perforadora transmite, a través de la columna de barras, rotación y fuerza vertical; la primera varia entre 50 rprn para materiales blandos y 200 rprn para los duros . En cuanto a la fuerza vertical puede ser hasta de 1 ton. Una vez que s e ha penetrado la longitud prevista o que el muestreador no pueda avanzar, se suspende la rotación y la fuerza axial y se deja reposar tres minutos a fin de permi tir que la muestra expanda; después se gira para romper el espécimen por la base y posteriormente extraer el rnuestreador . La extracción del material que corta la broca, así corno el enfriamiento de la misma se hace con un fluido de perforación que circula por el espacio anular que dejan los dos tubos. En muestreos arriba del nivel freático se debe utilizar aire; podr!a ser admisible emplear lodo, condicionando a comprobar que la contaminación que induce a la muestra sea tolerable. En muestreos abajo del nivel freático es factible .utilizar agua o lodo. Las caracter!sticas de ·este lodo se discuten en
ZoQoto Broca
d
r--9 .61 0----l
T
d Trompo de canasti ll o
T
A juste , d, entre broca y tubo interior Tipo de suelo
d ,en cm
2
Blondo
0 .5
Duro Muy duro
FIG A3-1
oo
el menor
MUESTREADOR DENISON!
75 la ret 1. La presión de operación del fluido de perforación debe s er la mfnima necesaria, para mantene r limpia la perforación. 4.
COMENTARIOS
El empleo de este mue stre ador con lodo de perforación generalmente induce contaminación en las arcillas que se locali z an abajo del nivel €reático, as! como el lav ado de lentes de arena tfpicas del subsuelo de la Ciudad de México; por ello generalmente se obtienen mejores muestr a s con el tubo dentado de rotación (FIG0 2 ) . El barril Denison e s e l mejor muestreador para las tobas duras, cuidando de utilizar aire como fluido de perforación, cuando se muestrea a rriba del nive l freático. El control y protección de las presenta en l a ficha FAG-04 .
S. l.
-~[
Tubo e)(te ri
muestras
Tubo Interior
I
FIG AJ- 2 AJUSTE DEL MUESTRE~OOR DENI SON
se
REFERENCIA Petróleos Mexicanos, PEMEX, "Exploración y muestreo de suelos para proyecto de cimentaciones", Norma PEMEX 2.214 . 05, México , D • F • ( 19 7 6 ) •
TABLA A3-l.
Diámetro
a)
Escalonada
b) Simple
FIG AJ-3 TIPOS DE BROCA DEN ISON
DIMENSIONES DEL MUESTREADOR DENISON, EN cm
Tubo e x terior
Tubo interior
nominal
De
Di
•D m
L
7.5
7.62
7.22
7.17
10.0
10 . 16
9 . 76
9 . 71
Barras de
L
· Lm
7. 92
90
60
BW
10.46
105
75
N\'1
De
Di
75
8.52
90
11.16
operación
1
donde:
Dm
.1
diámetro exterior
L
longitud de tubo
diámetro interior
Lm
longitud de la muestra
diámetro de la muestra
FAG-04 Control y protección de las muestras inalteradas l.
3.
OBJETIVO
CALIDAD DEL MUESTREO
La información de campo se recopilará en un registro como el de la fig A4-l, con los datos que se vayan obteniendo durante la ejecución del sondeo. Conviene utilizar la notación de la Tabla A4-2 para simplificar la presentación; las notas al pie del registro son observaciones que se hacen durante la ejecución del sondeo.
El resultado final del muestreo selectivo es la obtención de especfmenes inalterados de la mejor calidad posible, además del fndic e de calidad que proporciona el porcentaje de recuperación. En campo , se revisarán ambos extremos de cada tubo para comprobar que la apariencia del suelo sea inalterada y que no exista fracturamiento hidráulico, fisuramiento, remoldeo , etc. Los especfmenes que hayan sufrido alguna alteración no servirán para ser ensayados en pruebas de laboratorio de resistencia o deformabilidad. El ingeniero encargado de los trabajos de campo deberá supervisar la correcta aplicación de las t~cni cas de perforación y muestreo para alcanzar la calidad requerida.
Se recomienda que el ingeniero encargado de los trabajos de campo dibuje el perfil estratigráfico del sondeo, porque s u interpretación será la más confiable; en su dibujo deberá utilizar los sfmbolos gráficos de la tabla A4-l.
El porcentaje de recuperación de cada muestra, Rec en el registro de la fig A4-l, expresa cualitativamente la calidad de muestreo; la manera de definir la recuperación se presenta en la expresión A4-l y en la Tabla A4-2 se dan valores indicativos de la calidad
Definir los cuidados necesarios que se deben tener para el control y protección de las muestras obtenidas con los muestreadores : de pared delgada, dentado o Denison. 2.
REGISTRO DE CAMPO
TABLA A4-l.
Notación
ABREVIATURAS Y SIMBOLOS PARA FORMULAR LOS REGISTROS DE CAMPO
Significado
S imbo logia
Significado
SUCS
Sistema Unificado de Clasificación de suelos
~
Arcilla
G S
Grava Arena Limo Arcilla Suelo Orgánico Turba Bien graduado Mal· graduado Baja plasticidad Alta plasticidad Prueba de penetración estándar NGm¿ro de golpes en SPT Nivel freático Pozo a cielo abierto Broca tricónica Broca tipo Drag Muestra alterada en frasco , No. 3 Muestra alterada en bolsa, No. 4 Muestra lavada en frasco, No. 2 Muestra labrada in situ, No. 8 Tubo Shelby No. 12 Barril Denison No. 9 Tubo rotatorio dentado No. 5 Muestra de roca No. 6 tomada con barril 45 cm de recuperación en 75 cm muestreados 50 golpes en 10 cm en SPT Barras de perforación Ademes Barriles muestreadores serie L P~rdida de agua o lodo de perforación
bZd
Limo
m
Arena
~
Grava
o •o o ••
Soleos
1+ ++++d
Relleno
§
Rafees
M
e
o pt
w p L H
SPT N
NF PCA BT DG F-3 B-4 F-2L MI-8 TS-12 TD-9 TR-5 NXL-6 Rec 45/75 50/10
EW,M'J,BW,NW NW, HW
BWL,NXI· PA
• o
•
§§ ~~~ ~ !1
Turba Conchas y fósiles
Nivel freático Superficie del terreno Concreto Diámetro
77
TABLA A4-2 .
RECUPERACION DE MUESTRAS L H l OO
Re e
Recuperación, en %
Calidad
Rec = lOO
Excelente
Rec =
Buena
80%
donde:
1
50 < Rec <
80
Mala
Rec S
50
Inaceptable
SONDEO
REGISTRO DE CAMPO
Rec
Recuperación
L H
Longitud recuperada Longitud muestreada
1
H-1-1
LOCALIZACION
OBRA :
NIV FREATICO
HOJA
MAQUINA
FECHA
A
X' y,
:n
OPERADOR
z,
~
M
Pro f . Closi ficoción de Campo
m
(A4-l)
N
.~v,
~ · {?i/1vA
t{P1J
( SPT)
Muestreo
~~·-1-,---,r--2---.-3-+-Pr-e--.----JApd,:~.e No
P-I
15cm 15cm 15cm
/0
Id
n
S':ZRVISION
sión
Hora
Rec.
2ff
/ : MJ
'ff-1
,, cll
JI
11
"
-
1/l-Z
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10
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;o zo
h J 4 . ~'"" z} ¿A- ¿MI'Je ;;,j?y;"r ./¿/ TA'·..Z ~$ SW Cl-/ ¿'.m¿epl
.:1-
FIG A4-1
'1
(r}
~
11
NOTAS
//.'/0
REGISTRO DE
CA~lPO
-
.ZO/~
-
/J:oo
-
/J.·zo
N)
78 4.
mariposa
PROTECCION DE LAS MUESTRAS
Las muestras contenidas en los tubos se someterán al siguiente tratamiento: después de desmontar el tubo de la cabeza que lo sostiene, se coloca en el soporte para especímenes de la fig A4-2, con la parte inferior de la muestra hacia abajo; se limpia la superficie exterior; los azolves del interior se eliminan con la veleta de la fig A4-3; en seguida se coloca el sello mecánico de la fig A4 -4, o se vierte una mezcla caliente de parafina con broa (15% de brea a 70°C), para formar un sello de O. 7 cm de espesor. A continuaci6n se invierte la posici6n del tubo, se extrae 1.0 cm de muestra con la veleta o con una espátula para hacer lugar al sello mecánico o
Plástico PV ro Sello
0 =Diámetro del tubo
~oshelby 1,.---- 1
FIG A4-4 SELLO NECANICO
Use tinta indeleble o recubra con para fina
Tubos de acero
15
Identificación de la muestro
@ Acotaciones en cm
Obra Sondeo
Procedimiento de perforación Profundidad
Operador
Fecha
Closificacidn de campo
FIG A4-2 SOPORTE PARA MUESTRAS FIG A4-5 ETIQUETA PARA IDENTIFI ChCION DE MUESTRAS
acero
el de parafina con brea; con e l material extraido se clasifica en campo el suelo. Enseguida se identifica el tubo adhiriéndole una etiqueta (fig A4-S), señalando además la parte superior de la muestra. S.
-rp JUL+0.5
T;
del tubo+
Acotaciones en cm
FIG A4-3 VELETA PARA LIMPIAR TUBOS
TRANSPORTE DE LAS MUESTRAS
Las muestras inalteradas contenidas en tubos deben transportarse en cajas de madera para tres o cuatro especímenes, recubiertas interiormente con espuma de poliuretano de S cm de espesor, cuidando que no sufran golpes ni vibraciones que dañen su estructura. 6.
EXTRACCION DE LAS MUESTRAS EN EL TORIO
LABORA-
En el laboratorio se cortarán los tubos en segmentos de 2 0 a 25 cm de longitud, para posteriormente extraer a presi6n los segmentos de muestra; esta restricci6n debe imponerse, para asegurarse que los esfuerzos que se aplican a la muestra no le produzcan excesiva alteraci6n.
75 la reí 1. La presi6n de operación del fluido de perforación debe ser la minima necesaria, para mantener limpia la perforación. 4.
Tubo exteri
COMENTARI05
El empleo de este muestreador con lodo de perforación generalmente induce contaminación en las arcillas que se localizan abajo del nivel freático, asi como el lavado de lentes de arena típicas del subsuelo de la Ciudad de México¡ por ello generalmente se obtienen mejores muestras con el tubo dentado de rotación (FIG02). El barril Denison es el mejor muestreador para las tobas duras, cuidando de utilizar aire como fluido de perforación, cuando se muestrea arriba del nivel freático. El control y protección de las presenta en la ficha FAG-04.
5. 1.
muestras
FIG A3-2 AJUSTE DEL MUESTRE~DOR DEN! SON
se
REFERENCIA Petróleos Mexicanos, PEMEX, "Exploración y muestreo de suelos para proyecto de cimentaciones", Norma PEMEX 2.214.05, México, D . F . ( 19 7 6) •
TABLA A3-l.
a)
b) Simple
FIG A3-3 TI POS DE BROCA DENI SON
DIMENSIONES DEL MUESTREADOR DENISON, EN cm
Tubo exterior
Tubo interior
Diámetro
Escalonado
nominal
De
Di
7.5
7.62
7.22
7.17
10.0
10.16
9.76
9.71
•Dm
L
Barras de
L
· Lm
7. 92
90
60
BW
10.46
105
75
Nl'l
De
Di
75
8.52
90
11.16
operación
1
donde:
Dm
.1
diámetro exterior
L
longitud de tubo
diámetro interior
Lm
longitud de la muestra
diámetro de la muestra
FAG-04 Control y protección de las muestras inalteradas l.
3.
OBJETIVO
CALIDAD DEL MUESTREO
La información de campo se recopilará en un registro como el de la fig A4-l, con los datos que se vayan obteniendo durante la ejecución del sondeo . Conviene utilizar la n otación de la Tabla A4-2 para simplificar la presentación; las notas al pie del registro son observaciones que se hacen durante la ejecución del sondeo.
El resultado final del muestreo selectivo es la obtención de espec!menes inalterados de la mejor calidad posible, además del índice de calidad que proporcion a el porcentaje de recuperación. En campo, se revisarán ambos extremos de cada tubo para comprobar que la apariencia del suelo sea inalterada y que no exista fracturamiento hidráulico, fisuramiento, remoldeo, etc . Los espec!menes que hayan sufrido alguna alteración no servirán para ser ensayados en pruebas de laboratorio de resistencia o deformabilidad. El ingeniero encargado de los trabajos de campo deberá supervisar la correcta aplicación de las t~cni cas de perforación y muestreo para alcanzar la calidad requerida.
Se recomienda que el ingeniero encargado de los trabajos de campo dibuje el perfil estratigráfico del sondeo, porque su interpretación será la más confiable; en su dibujo deberá utilizar los s!mbolos gráficos de la tabla A4-l.
El porcentaje de recuperación de cada muestra, Rec en el registro de la fig A4-l, expresa cualitativamente la calidad de muestreo; la manera de definir la recuperación se presenta en la expresión A4-l y en la Tabla A4-2 se dan valores indicativos de la calidad
Definir los cuidados necesarios que se deben tener para el control y protección de las muestras obtenidas con los muestreadores: de pared delgada, dentado o Denison . 2.
REGISTRO DE CAMPO
TABLA A4-l .
Notación
ABREVIATURAS Y SIMBOLOS PARA FORMULAR LOS REGISTROS DE CAMPO
Significado
Simbología
Significado
sucs
Sistema Unificado de Clasificación de Suelos
Arcilla
G S
Grava Arena Limo Arcilla suelo Orgánico Turba Bien graduado Mal graduado Baja plasticidad Alta plasticidad Prueba de penetración estándar NGrn~ro de golpes en SPT Nivel freático Pozo a cielo abierto Broca tric6nica Broca tipo Drag Muestra alterada en frasco, No . 3 Muestra alterada en bolsa, No. 4 Muestra lavada en frasco, No . 2 Muestra labrada in situ, No . 8 Tubo Shelby No . 12 Barril Denison No. 9 Tubo rotatorio dentado No. 5 Muestra de roca No. 6 tomada con barril 45 cm de recuperación en 75 cm muestreados 50 golpes en 10 cm en SPT Barras de perforación Ademes Barriles muestreadores serie L P~rdida de agua o lodo de perforación
Limo
M
e
o pt
w p L H
SPT N
NF PCA BT DG F-3 B-4 F-2L MI-8 TS-12 TD-9 TR-5 NXL-6 Rec 45/75 50/10 EW,JiJ'J,BW,NW NW, HW
BWL,NXI· PA
Arena Grava Boleos Relleno Rafees Turba Conchas y
fósiles
-
Nivel freático Superficie del terreno Concreto Diámetro
FAG-05 Contenido de agua DEFINICION
cientem7nte pequeños y ligeros considerando la cant~d~d d7 material que va a usarse en la determ~nac~ón; por ejemplo, para espec!menes de lOO a 200 g, un recipiente adecuado tendría 5 cm de altura y 8 cm de diámetro . . como alternativa a los recipientes m7tá ~~cos, se pueden utilizar cápsulas de v~dr1o refractario.
El contenido de agua de un suelo es el coc iente del peso del agua que contiene, entre el peso de su fracción sólida. Se identifica con el símbolo w, y usualmente se expresa en porcentaje . l.
OBJETIVO
El comportamiento de los suelos está fuertemente influenciado por el con t e nido de agua , de aquí la importancia de su cuantificación. 2.
EQUIPO NECESARIO
A6pecto6 gene.Juttu. El método convencional consiste en determinar el peso de agua removida por secado en un horno con temperatura constante de ll0° ± 5°C , por· diferencia del peso inicial del espécimen hGmedo y su peso seco (ref 1). Con esta temperatura y después de secar una porción de s uelo hasta alcanzar peso constante, lo cual generalmente toma un día, el 'agua que queda en el suelo se considera como constituyente de las partículas coloidales sólidas (ref 2). Apa~ato6. Se requiere el siguiente equipo laboratorio
de
- Hornos , que deberán contar con control automático, preferentemente del tipo de convección a fin de asegurar una temperatura constante y uniforme en todo el interior del horno. - Balanzas, con sensibilidad de 0.01 g, Gnicamente para especímenes de menos de 50 g; 0.2 g para muestras que pesen de 50 a 500 g y 1.0 g para especímenes con un peso s upe rior a l os 500 g. - Recipientes para muestras, de preferencia metálicos, resistentes a la corrosión (por ejemplo, de aluminio) . Deben ser lo sufi-
TABLA AS-l.
E6pée-f.mett .. La cantidad de material para la determ1nac1ón dependerá del tamaño máximo de partículas, del volumen disponible de material y del requerimiento de que el espécimen sea representativo del material para el que se hace la determinación . En la tabla AS-1 se indican los pesos mínimos re~ueridos en función del tamaño máximo de part1culas. 3.
PROCEDIMIENTO DE ENSAYE
Después de anotar la correspondiente identificación del espécimen, se registra el nGmero y peso del recipiente , así como el peso del conjunto recipiente con el suelo hGmedo. Luego se introducen espécimen y recipiente en el horno y se mantienen ah! hasta alcanzar un peso constante . Al sacarlos del horno , se colocan dentro del desecador y después de qu e se enfrían, se pesan, para determinar el peso del agua perdida durante el secado . El tiempo de secado depende del tipo de suelo y tamaño del espécimen, as! · como del tipo y capacidad del horno . Para arenas y gravas limpias, el tiempo mínimo será de cuatro horas, en tanto que para la mayoría de los suelos será de dieciseis horas o, preferentemente, de veinticuatro horas . El juicio y la experiencia determinarán el lapso adecuado para casos particulares; en caso de duda, se deberá pesar el espécimen a diferentes periodos de tiempo a fin de establecer el tiempo mini-
PESO DE LOS ESPECIMENES PARA LA DETERMINACION DEL CONTENIDO DE AGUA (ref 2 )
Tamaño máximo de partículas, en mm
)
- Desecado r, con gel de s~lice para dejar enfriar los espec!menes s1n que absorban humedad del ambiente .
Peso m!nimo del espécimen, en g
0.5
10
s.o
lOO
12.5
300
25 . 0
500
50.0
1000
80 RESISTENCIA DE PUNTA
mo requerido para alcanzar peso constante. 4.
RESULTADOS
o
no representativo
y/o
demasiado
- Temperatura incorrecta del horno ciones en su interior
o
varia-
- Remoción del esp~cimen del horno alcanzar peso constante
antes
de
6.
de humedad antes de pesar el esp~ cimen húmedo, o bien ganancia antes de pesar el esp~cimen seco.
r
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FIG A5-1
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20
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1
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E
6
~
CORRELACION DEL CONTENIDO DE AGUA W CON LA RESISTENCIA DE PUNTA qc OBTENIDA CON CONO ELECTRICO (ZONA DE LAGO )
Los hornos usuales pueden sustituirse por los de microondas o de rayos infrarrojos, siempre y cuando se comprueben correlaciones válidas entre el horno que se escoja y el procedimiento y la determinación tradicional, con suelos sensiblemente parecidos. La experiencia al respecto, con la arcilla de la Ciudad de M~ xico es limitada. El horno de microondas tiene la ventaja de secar el suelo en un tiempo promedio de seis minutos y de no calcinar la materia orgánica, que frecuentemente acompaña a los suelos de la ciudad. 7.
-
100 200 300 400 !lOO
1
o
:;)
pequeño
20 O
15
~
Esp~cimen
1•¡. )1!1
éj
PJr.Op.i.eda.du -<.ncüce. El contenido de agua de un suelo da una idea acerca de sus probables propiedades mecánicas. Particularmente en los suelos finos, y junto con los limites de plasticidad, (FAG-06 y 07), el contenido de agua constituye un buen 1ndice de la consistencia del suelo en estudio.
poó.<.btu. En la determinación de w, puede haber errores, entre los cuales pueden anotarse:
10
5
10
EMOILU
!1
~
INTERPRETACION DE RESULTADOS
EótJuLti.glro.6.W.. En formaciones estratificadas, como es el caso del subsuelo de la Ciudad de M~xico, particularmente en la zona del lago, la variación del contenido de agua facilita la detección de los cambios estratigráficos . Los valores bajos del contenido de agua w, deben corresponder a las capas limo arenosas o de vidrio volcánico; por el contrario, en las capas compresibles arcillo limosas se tendrán valores altos de w y bajas resistencias. Lo anterior únicamente puede observarse cuando se cuenta con abundante número de determinaciones del contenido de agua, por lo menos, a cada 25 cm. Un mejor procedimiento para definir la estratigraf1a se tiene con la variación de la resistencia de punta del cono el~ctrico, que como se muestra en la fig A5-l, lo hace con una definición más precisa; con las ventajas adicionales de hacerlo en un tiempo más corto y con menor costo.
o
.......::
La determinación del contenido de agua de un suelo es la prueba más simple y la que más frecuentemente se realiza en un laboratorio de mecánica de suelos; la variación del contenido de agua con la profundidad es siempre parte de un perfil estratigráfico t1pico. 5.
CONTENIDO DE AGUA
qclko/cm 2 l
REFERENCIAS
P~rdida
1.
SRH, Manual de Mecánica de Suelos, 5a ed, (1970)
2.
Lambe, T w, "How dry is a dry soil?", Proc. Highway Research Board 29, E .U .A.
3.
Waterways Expe rimental Station, WES, Laboratory Soil Testing Engineering and Design, Engineer Manual, EM 1110-2-1906, E.U.A. (Nov. 1970)
COMENTARIOS
En suelos francamente orgáncios, se obtendrán valores mas confiables del contenido de agua si se someten a secado en un horno con temperatura de 60°C (ref 3).
FAG-06 Límite lfquido l.
DEFINICIONES
La consistencia de los suelos finos, entendida como el grado de rigidez y plasticidad que estos exhiben en estado remoldeado, cambia con el contenido de agua, desarrollándose diferentes estados de consistencia. Los contenidos de agua que definen las transiciones entre un estado de consistencia y otro, se llaman limites de consistencia, siendo los más importantes, desde el punto de vista do ingenieria (fig A6-l) los limites liquido y plástico. En esta ficha se analiza el limite liquido identificado con el simbolo wL que corresponde aproximadamente a la resistencia al corte del suelo de 25 g/cm 2 • La finalidad de determinar los limites de consistencia es: a) clasificar a los suelos fjnos, y b) servir de indice para estimar sus propiedades geotécnicas. 2.
EQUIPO NECESARIO
La base del dispositivo es de micarta y el ranurador tipo Casagrande que se muestra en la fig A6-2 debe ser de acero endurecido. En México se está utilizando exitosamente un ranurador plástico desechable con lo cual se evita el rayado en la copa q~e produce el r
vo-
Balanza con precisión de 0 . 01 g Horno con temperatura de ll0°C ±5°C
El equipo convencional desarrollado por A. Casagrande para la determinación del limite liquido WL, está siendo sustitudo por el cono de penetración libre, que es un aparato que proporciona valores equivalentes de wL, pero de operación más simple; por esto, se considera admisible utilizar cualquiera de los dos equipos.
Cuando se ensayan suelos con fracción gruesa, se necesita también:
Copa de. CaMgJtande.. El dispositivo de Casagrande para obtener el limite liquido se muestra en la fig A6-2. Consta de una base con una copa desmontable de latón, en la que se coloca la muestra de suelo remoldeado; un ranurador plano complementa el dispositivo (refs
Cono de. pe.nU!r.a.c.i6n .UbJte.. El limite liquido con cono se determina midiendo la penetración de un cono de ace ro con masa de 60 g y punta con ángulo de 60 ° , i l ustrado en la fig A6-3. El aparato de cono consta de un soporte con brazo de ajuste vertical, del que se cuelg a el cono (ref 3). Además se requiere:
1 y 2).
Mortero con pisón cubierto de hule Malla No. 40
1 1
1 1
<:
~
E
.E
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"51
~~1
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1Estado semiJ
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Estado sólido
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Clll------·-----2!1~
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o
sólido
1
ws
l
El
Estado piÓ s t ico
l
:..~1-------llndice
l l
de plasticidad, lp----.;•1
wL
wp Contenido de aguo, w
FIG A6-1
ESTADOS DE CONSISTENCIA Y LIMITES DE CONSI STENCIA
Estado semil(quido- h'quido
82 al Brazo de soporte verticalmente ajustable -..---'~
1otoS o 1
Ul
o
~..
b)
Unea índice
- - - - - -. . . ::1... T
IZ~
Acotoclonll en
~
Ronurodor de COICI9f011de
m111
FIG A6-2 COPA DE CASAGRANDE Y RANURADORES. NES Y TOLERANCIAS
DIMENSIO-
b
o Recipientes de plástico o de otro material, adecuados para rernoldear y contener el suelo por ensayar; su diámetro aproximado es de 6 0 mm y su profundidad de 30 mm. Ajicionalrnente, se neces ita el equipo comp lementario mencionado en el subcapftulo 2.
PltepaJtau6tt de e..&peúmene..&. Para ambas técnicas se necesitan aproximadamente 20 0 g del suelo de la fracción que pasa la malla No. 40. Antes de modifi ca r el contenido de agua, se torna una muestra, de unos 20 g cada una, para determinar el peso inicial respectivo . El cono deberá estar limpio antes de cada determinación. 3.
RESULTADOS OBTENIDOS
g!u16.i.ea. Los valores de wL, junto ·con el c ontenido de agua in situ y el limite plástico (que se trata en la ficha FAG07) , se acostumbra graficarlos con respecto a La var iac ión con la profunl a profundidad. didad del contenido de agua respecto a los lúrites del estado de consistencia plástico, es un indi c ador de l as propiedades mecánicas del suelo . RepJteun.tau6n
Desviación geométrica del cono
Angula del Altura, Tolerancia de Tolerancia por el Peso cono h1 mm maquinado "a", uso, "o',mm g mm p 20 0.1 0.3 60t 0.2 60t 0.6
FIG A6-3 CONO DE CAlDA LIBRE : a) PRINC IPIO, b) CONO DE 60 g/60° CON LAS TOLERANCIAS RECOMENDADAS práctica este último procedimiento (ref 3) . Para la determinación del limite liquido con un único punto se emplea la expresión:
M Wi + N donde:
con pene.tltau6n libJte.
En Suec ia, donde este procedimiento fue presentado por primera vez por la Comisión Geotécnica de los Ferrocarriles Estatales Suecos en 1915, el método es ya de rutina y se c uenta con gran experiencia; e n México su empleo es incipiente .
Cono
4.
M
1.8 1.8 + 2.0 log
34.0 log
i TO
i TO
N
INTERPRETACION DE RESULTADOS
liblle. El limite l!quido con cono se puede obtener, corno ya se indicó ya sea con la determinación de un sólo punto o con la determinación de varios puntos; para mayor precisión y confianza se sugiere poner en
(A6-1)
1.8 + 2.00 log
i IO
(A6-2)
(A6-3)
Cono c.on c.IÚda
siendo: Wi
contenido de agua del espécimen remoldeado con penetración i, en mm
r
83 De terminación con ven os puntos
~
.
o:::1
00
o
1-
"o
'O
>~ 1 1 1 1 1 1 1
'O
·e: ~
e:
o
u
~
; 160 :::1
01
~
o
~ 150
~
~
·¡:
e:
" 140 o u 130
25
10
5
170 ~
50
NÚmero de go lpe s
6
FIG A6-4 EVALUACION DEL LI~1ITE LI QUIDO \\ POR DE LA CURVA JE FLUENCIA
TABLA A6-1.
i
(en mm) 1
M N
2
M N
3
4
5
6
¡¡.
1.19
1.18
-2.1
M
l . 00
N
+0.00
M
M
M N
i
l. 20
l. 05
N 8
l. 21
-0.0 9
N 7
3
N
N
RELACION ENTRE LA PENETRACION DEL CONO i Y LOS FACTORES M Y N DE LA EC A6 -1 2
M
M
FIG A6- 5 DETERMINAC ION DEL LIMITE LIQUIDO CON EL CONO
1
1.12
0.96 +0.7 0.92 rl. 4 0.99 +1.9 0.86 +2.4
20
~1EDIO
o - 3 .5
7 8 9 10 Penetración del cooo 1 mm
-3.4 1.11 -1.9 l. 05
-0.8 l. 00
+0.1 0 . 95 +0.8 0.92 +1.4 0.88 +2.0 0.86 +2.4
-3 .2 1.11 -1.8 l. 04
-0 .7 0.99 +0 . 2 0.95 +0 . 9 0.91 +1.5 0.!18 +2.0 0.86 +2.5
Penetración del cono en mm
-3.0 1.10 -1.7 l. 04
-0.6 0.99 +0.2 0.94 +0 .9 0 . 91 +l. 5 0.88 + 2 .1 0.85 + 2. 5
4 1.1 7 -2.9 1.10 -1.6 l. 03 0.05 0.98 +0.3 0.94 +l. O 0.91 +1.6 0.88 +2.1 0.85 + 2. 5
5 1. 1 6 - 2.7 l. 09 -1.4 l. 03
- 0.4 0.9 8 +0.5 0.94 +1.1 0 . 90 +1.7 0 . 87 +2.2 0 . 85 +2. 6
6
7
8
9
1.15
1.14
1. 14
1.13
- 2.6 l. 08
-1.3 l. 02
- 0.3 0 .9 7 +0 . 5 0 . 93 +1.1 0 . 90 + 1.7 0.87 +2.2 0.85 +2.6
- 2.5 l. 07 - l. 2
l. 02
- 0.3 0.97 +0.5 0.93 +l. 2 0.90 +l. 8 0. 87 + 2.2 0.84 +2 . 7
- 2. 3 l. 07 - 1.1 l. 01 - 0. 2 0.96 +0.6 0.9 3 +1.3 0.89 +1.8 0 . 87 +2.3 0.84 +2 .7
- 2.2 1. 06 -1.0 l . 01
- 0. 1 0.96 +0 .7
o.92 +1. 3 0 .8 9 + 1. 9 0 . 86 +2 . 3 0 .84 +2 . 7
84 La aplicabilidad del método se limita a una enetraci6n del cono entre 7 y 15 mm; .los valores de M y N se pueden obtener med1ante la tabla A6-l.
Otros posibles errores para ambos procedimientos: Los der i vados de la determinación del tenido d e agua
La determinaci6n con varios puntos se logra al graficar los contenidos de agua y la penetraci6n del cono correspondiente (fig A6-5 ), definiéndose WL como el contenido de agua correspondiente a una penetración de 10 mm. S.
Insuficiente remoldeo o inclusión de jas de aire
bur~·
Oxidación u o tros cambios e n la muestra por a lmacenamiento prolongado
ERRORES POSIBLES Pérdidas de contenido de agua durante el ensaye. En limos poco plásticos , los ensayes deben realizarse en un cuarto húmedo
a) Copa de CMa.gMnde
Peso de la copa y a ltura de caída de especificación
fuera
Desgaste de la punta del ranurador y/o de la base en e l punto de golpeo de la copa El espesor de l espécimen antes del ranurado parece tener poca influencia, siempre y c uando se use el ranurador descrito
7.
COMENTARIOS
Sin duda, e l procedimiento con cono es más sencillo que e l de Casagrande. La menor dispersión en los resultados con el cono que se ha alcanzado en otros países justifica su aplicabilidad; sin embargo , s u confiabilidad debe verificarse para la arcilla de la Ciudad de México. 8.
b)
con-
REFERENC IAS
Cono de c.o..<.da. .Ubl!.e l .
Secretaria de Recursos Hidráulicos , "Manual de Mecánica de Sue l os " , Sa ed, México, D • F. (1 9 7 O)
2.
U S Army Engineer WES , Laborator y Soi ls Testin g , "Engineer Manual ", \'lES, EUA (1970 )
3.
Karlsson, R, " Suggested improvements in the liquid limit test, with reference to flow propert ies of remoulded clays", Proc . V I CSMFE , Vo l 1, París (1961)
Medición de la penetración Posición incorrecta del cono respecto a la superficie de l suelo e n el momento· de so ltar lo Arroj a n errores de men or c u a ntía pequeñas diferencias a las establecidas en el peso , ángulo y desgaste de l a punta del cono.
FAG-07 Límite plástico l .
DEFINICION
El límite plástico es por defin i ción el contenido de agua a partir de l cua l el sue l o se empieza a agrietar y a desmoronar cuando se remoldea manualmente en forma de rollito de 3 mm de diámetro ( ref 1 y definicione s de l a ficha FAG -06) . El comportamiento plástico de un sue lo fino ~stá limitado por el lími t e plástico, Wp i de nanera muy simple, el limite plástico p e rmite jistinguir e ntre un suelo plást ico, una arci Lla, por ejempl o , y otro no p lá stico , como un limo . 2. 1
EQUIPO NECESARIO
:omo regla ge neral , l a determinación del línite plást i co se realiza cuando se efectúa la iel límite líquido.
Um.Ue p.táA.t<.c.o . se requiere el equi po que se emplea para cuantifica r un conten ido de agua ( FAG-06) y adicionalmente:
P laca de vidrio de grano 30 x 40 cm , aproximadamente
muy
fino
de
Espátula con hoja de 2 x 7 cm Cilindro metálico de 3 mm de diámetro y 10 cm de longitud, que servirá como comparador 3.
~PQCFnTMIENTO
DE ENSAYE
Del material remoldeado preparado para determinar el lími te líquido se toma un a porción de 20 a 40 g y se extiende en la p l aca de vi drio para que pierda agua . c u ando el espéc imen alcanza una consistencia plástica no pegajosa , se levan t a y se divide en dos o tres
-
85 orciones , con cada una de la cuales se forma A fin de reducir más ráp~do el conten~do de agua~ c~da espécimen se puede envolver en papel l~mp~o, con tal de que éste no suelte pelusa . El rolado debe hacerse con movimientos de la mano , hacia atrás y hacia adelante, de tal forma que todo el rollito alcance un diámetro uniforme ; además, la pre: ión se de~e ajustar para reducir el diámetro del roll~ to .
~n cilindro de ~O mm de diám7tro.
El procedimiento anterior se repite hasta que el suelo se ha secado al punto en que habiendo alcanzado el diámetro de 3 mm , se ag rieta y disgrega en pedazos. En estas cond i ciones , se recogen los pedazos Y se determina su contenido de agua , que corresponde precisamente con el límite plástico wP. Lo descrito se repite con las o tras porciones plásticas iniciales, y el valor que resulta de wp es el promedio de tales determina ciones , siempre y cuando es t os valores no difieran entre sí en más de 5% del promedio (ref 1) . 4.
sobre la naturaleza del suelo y sus posibles propiedades mecánicas. El valor de la consistencia relativa, CR, facilita esa inter pretación. CR
(A7-2)
Una muestra que tenga consistencia sólida (CR > 1) es no plástica y exhibe una falla frági l con una deformació n pequeña. Un espéc imen con consistencia plástica (O< CR < 1) es mo ldeable y conserva su f orma después de la deformación. Una muestra con consistencia semi l íquida o líquida fluye por su propio peso.
S.
ERRORES POSIBLES
Además de los propios de la de terminación de un contenido de agua, se pueden cometer los siguientes errores e n el límite plástico: Insuficiente remoldeo al rolado
del espécimen previo
INTERPRETACION DE RESULTADOS Suspender el rolado prematuramente
conocidos los límites de consistencia, WL y wp, el intervalo 7 n el que el suelo mues~ra propiedades p l ást~cas se conoce como índ ~ ce plástico Ip :
Presión excesiva bajo los dedos, que provoca rompimiento prematuro del rollito Diámetro fina l del rollito incorrecto
(A7-l)
6. Es común graficar el intervalo plástico limitado por WL y wp, junto con el contenido natural de agua para la misma profundidad; de esta manera el perfil estratigráfico orienta
1.
REFSRENCIAS Secretar i a de Recursos Hidráulicos, SRH, " Manual de Mecánica de Suelos", México , D.F . (19 70 )
FAG-08 Prueba de torcómetro l.
OBJETIVO
Estimar de manera expedita la resistencia al esfuerzo cortante no d r enada de suelos arcillosos, ya sea en e l campo o en el laboratorio. 2.
EQUIPO NECESARIO
Se requiere un torcómetro manual (fig AB-1), o mejor uno de banco (fig AB-2); en ambos casos se trata de un dispositivo provisto de un juego de navajas, que por el momento t orsionante aplicado manualmente provocan la falla del s uelo en la superficie que generan las orillas de las navajas . El torcómetro está equipado con un resorte calibrado y una manecilla , con la que se mide y señala directamente la resistencia no drenada (fig AB-2) ; el in tervalo de medición es de O a 2 . 5 kg/cm 2 •
J
3.
PROCEDIMIENTO DE ENSAYE
El torcómetro se emplea profusamente en el campo; con él se estima la resistencia en los extremos de muestras arcillosas saturadas con tenidas en tubos Shelby, en muestras cúbicas o en las paredes de una zanja o pozo a cielo ab ierto. En el laboratorio se usa frecuentemente para medir la resistencia en los extremos de los segmentos de tubos Shelby . Para hacer una medición primeramente se debe rá enrasar la superficie de l a muestra, te niendo cuidado de no inducir perturbación por el cor te y enrase; siempre será deseable pro ducir la superficie plana por corte con un alambre tenso (arco). A co ntinuación se hinca cuidadosamente el torcómetro, de tal forma que éste quede per -
86
---++----Manivela
(a)
Muestra (b)
Diámetro en mm
Altura de los navajas, en mm
'Resist:\ncio mÓK. , en kg /cm,Z
19
3
2.5
25
5
1.0
48
5
02
FIG A8-1
TORCOMETRO
o)
Veleta
bl Torcómetro
~1ANUAL
pendicular a la superficie del suelo. Enseguida, se ejerce una presión normal y uniforme y se gira lentamente s u maneral con una velocidad constante. La velocidad de rotación recorr.endada para alcanzar la falla del suelo es de 360°/min.
4.
RESULTADOS
Al ocurrir la falla del suelo y dispararse el par t orsionante , la manecilla indicadora conserva la lectura máxima (fig AB-2), la que corresponde directamente a la resistencia no drenada (s = cu) en kg/cm 2 o ton/pie 2 •
5.
INTERPRETACION DE RESULTADOS
Parece haber evidencia (ref 1) de la similitud de resultados con torcómetro y con ensayes triaxiales no drenados; sin embargo, debe tenerse presente que la medición con torcómetro generalmente subestima la resistencia por los siguientes factores: se trata de una medición muy cercana a la superficie, en la que por la acción del corte y enrase se tiene un material remoldeado Al problema de perturbacion anterior se agrega que el torcómetro disponible en el mercado posee navajas de espesor excesivo y sin filo en sus orillas La ve locidad aplicada de deformación y l a orientación de los planos de falla son facto-
X Planto DISPOSITIVOS
Planto DE
CORTE
FIG A8-2 TORCOMETRO DE BANCO
J
87 res adic~onales a los señalados, que llevan concluir que esta medición proporciona un valor aproximado de la resistencia, y que es deseable comparar los resultados con los de otros ensayes .in ¿,.{..tu o en laboratorio, a fin de seleccionar el o los valores de cu más apropiados a considerar en un análisis · geotécnico. 6.
mismo principio de operación que aquél, y que puede inclusive operar con veletas convencionales de tamaños diferentes, intercambiables en barras de poco diámetro. Esta solución permite adecuar el aparato a suelos de resistencias diversas, y efectuar las mediciones a 5 o 10 cm de profundidad para reducir el efecto del remoldeo.
COMENTARIOS
A fin de mejorar la medición y r~ducir el efecto del remoldeo superficial sobre la medici
7. l.
REFERENCIAS Sibely, E A y Yamane, G, "A simple shear test saturated cohesive soil", Procs. V Pacific Area National Meeting, ASTM, Seattle, E U A (1965)
FAG-09 Pruebas de resistencia al corte UU l.
OBJETIVO
Determinar las características esfuerzo-deformación y de resistencia al corte de especímenes arcillosos inalterados bajo condiciones no drenadas, mediante ensayes triaxiales o de corte directo no consolidados no drenados, identificadas como uu. El procedimiento de ensaye de los especímenes en el laboratorio debe reproducir de la mejor mane ra posible el estado de esfuerzos a que se someterá la masa térrea del prototipo, así como las condiciones de drenaje que prevalezcan en las diferentes etapas de su v ida útil; el procedimiento experimental consis te en ens ayar tres especímenes similares sometidos a diferentes presiones confinantes. 2.
EQUIPO NECESARIO
2.1
Ensaye triaxial
Cá.maJta búa:úai.. Existen diversos tipos de cámaras triaxiales, siendo el más usual el que transmite el esfuerzo desviador mediante un pistón que desliza a través de la tapa de la cámara. Consta de base y tapa metálicas y un cilindro de acrílico (fig A9-l) que confina al espécimen cilíndrico de suelo mediante aire a presión; el conjunto de t a pa y base se mantienen unidos con barras de acero. Los especímenes de suelos finos que tradicionalmente se ensayan tienen un diámetro de 3.6 cm y una altura de 8.5 cm; en suelos blandos es más conveniente ensayar especímenes de 7 . 5 cm de diámetro y 18 cm de altura; estas dimensiones mantienen la relación de esbeltez de 2.4. El pedestal y el cabezal ciego (sin piedra porosa) de la probeta se deben construir con un material liviano y no corrosivo, como el plástico acrílico. Para las pruebas de corta duración, el espécimen se aisla del aire de confina miento mediante una membrana de hule, con
espesor de 0.01 mm para suelos arcillosos y de 0.025 mm si el espécimen tiene granos o partículas con aristas angulosas. El sello de la membrana con el pedestal y el cabezal se resuelve con aro sellos de hule de 3.0 o 6.5 cm de diámetro interior, según el tamaño de la muestra.
S.U..te.ma de a.p.Ucau6n de l.a p1teú611 con6útan.t e. Consiste esencialmente en una líne a de aire a presión proveniente de una compresora, la que debe aportar una presión mínima de B kg/cm 2 • Un regulador de presión (fig A9-l) y manómetros de carátula, y otro a base de una columna de mercurio, que permiten controlar la presión del aire. S.U..te.ma de ap.Ucau6n de l.a caJtga a:úat. La etapa de falla puede realizarse aplicando las cargas mediante pesas (esfuerzo controlado) , o bien en una prensa motorizada que le aplique al espécimen una velocidad de deformación constante (deformación controlada) . Para el caso de suelos finos es preferible el esfuerzo controlado, ya que permite observar características de fluencia a diferentes niveles de esfuerzo cortante. Equ-ipo palla l.a pltepMau6n de upeC-Únenu. Para la preparación de un espécimen arcilloso con 3.6 cm de diámetro y 8.5 cm de altura; se requiere contar con una muestra de material inalterado de 4 a 5 cm por lado, o diámetro, y 10 cm de altura. Tratándose de suelos arcillosos finos se usará un arco con alambre delgado de acero; para suelos mas consistentes, un alambre más grueso o cuchillas. La formación del espécimen cilíndrico se lleva a cabo en un torno de labrado, provisto de navajas en la base y en la tapa con las que se fija el espécimen; su altura se da al cortar y enrasar los extremos con ayuda de cabeceadores. Equ-ipo
ad.iuonai..
Se requieren monta-membranas
88
mercurio
--li+H--Qimclro de compresio'n
r.).t+-Cilllndro de ocrilico
Aire o presidn
::IG A9-1
ESOUEt~A
DE CAf iARA TRIA XIAL Y SISTEMAS DE AP LI CACION DE PRESION Y CARGA
q ue consisten e n un tubo metá lico de 5 cm de diámetro y 11 c m de altura , con u n tubito la teral para aplica r vac í o y as í distender la membrana en su pared interior . Adic ionalmente, un siste ma de vac ío (bomba o trompa), micróme tros , pesas, cronómetro, hornos y equipo para determinar contenido de agua. 2. 2
Fuerzo normal , P
Corte directo
Caja de. co!Lte. . Al disposi ti vo req uerido para el ensaye de corte directo se denomina caja. e se ncialmente co nsiste de dos marcos superpuestos de forma (en planta ) rectangular o circul ar , donde se aloja el suelo (fig A9- 2) . La pa rte superior de l a caj a se desliza sobre la i nferior cuando se ap lica la fuerza cortante, hasta obligar la ruptura del suelo a través de l plano horizontal que las separa. En los p la nos externos de la caja será deseable contar con pequ eñas nava jas salientes q ue ayude n a desarrol l ar una distribución uni fo rme de esuferzos.
de. apUcac.i.6n de ta. pttU>.i6n noltmaL La presión normal, o , se aplica mediante lacarga , P, que ejerce un peso muerto; éste se irá reduc i endo conforme disminuya e l área efectiva de suelo, a fi n de conservar un valor cons tante de o . S.ih.te.ma
S.
FIG A9- 2 DIAGRAt•IA ESQUU1ATI CO DE LA CAJA DE CORH DIR ECTO
Eqtúpo patta ta pttepattac.i.6n de u,pec.<.menu. Se dedebe r á contar co n el equipo adecuado para labrar, cortar o formar la muestra, a fin de alojar sin holgura el s uelo en la caja de corte. Eqtúpo ad.ic.i.onaL
Micrómetros, pesas,
cronó-
metro y Vernier. 3.
PROCEDIMIENTO DE ENSAYE
El corte y l abrad o de un e spéc imen se deberá realizar dentro del cuarto húmedo, y r egistrar detalladamente la iden tificación y des cripción d e l espécimen , as í como sus dimensienes y peso. 3.1
Ensaye triaxia l
Una vez co locado el espéc imen en el pedestal de la cáma ra, s e l e pone enc ima el cabezal y se cubre con la membrana r espectiva, cuidando
89
durante su ciones. No brana sobre se requiere
manejo de no inducirle perturbaes admisible desenrollar la memel espécimen. En suelos blandos un monta-membranas.
A continuación se arma la cámara triaxial y se instala el mecanismo de carga axial. El proceso de apertura y cierre de válvulas depende del equipo dispon ible ; en las refs 1 y 2 se dan los l ineami entos generales para efectuar el ensaye . El ensaye completo consta de probar tres especimenes sometidos a presiones confinantes diferentes, cuya magnitud depende de las presiones esperadas en el campo; la máxima presión confinante debe ser mayor a la presión normal máxima de campo . Al aplicar la presión confinante se deberá sujetar el pistón y compensar la presión que actüa en el área transversal del mismo. Al llevar éste al contacto con el cabezal , el en saye estará listo para aplicar el esfuerzo desviador (axial), que para el caso de suelos blandos del Valle de México será con esfuerzo controlado .
los aro-sellos Y se descubre el espécimen, para determinarle su contenido de agua. 3.2
Co rte directo
Dispuesto el espéc imen en la caJ·a se aplica la carga, P, que genera el esfuerzo normal deseado; su magnitud debe ser acorde con el nivel ue esfuerzos que se presente en el campo. Inmediatame nte después se inicia la aplicación de la carga creciente, S, hasta llevarlo a la falla . Cuando el tiempo de la etapa de falla es excesivo, aunado a la acción de la presión normal provocaria el drenaje del espéc imen, se recomienda aplicar incrementos de esfuerzo cada minuto; los cuatro iniciales de aproximadamente 10% del esfuerzo de falla estimado y los subsecuentes (posiblemente seis) hasta alcanzar la falla se inducirán de la mi tad o de la cuarta patte de los primeros; asi, la falla se alcanza en diez o quince minutos . 4.
RESULTADOS
4.1
Ensayes triaxiales
Los primeros cuatro incrementos de esfuerzo desviador serán de aproximadamente 10% de la carga de falla estimada y los subsecuente& incrementos (posiblemente seis) hasta alcan zar la falla deberán reducirse a la mitad o a la cuarta parte de los primeros. En todos los incrementos de carga se deberán registrar las deformaciones a xiales con el tiempo, hasta qu e sean imperceptibles para el esfuerzo apli cado; en ese momento se incrementará el nivel de carga y asi hasta la falla .
Para cada incremento de esfuerzo desviador de un ensaye, se mostrará el desarrollo de de formaciones axiales con el tiempo en diagra mas semilogaritmicos o con escalas naturales. As i mismo, se graficarán de cada ensaye las curvas esfuerzo-deformación, obtenidas de la manera siguiente: para cada nivel de esfuerzos se dibujará la deformación final registrada en cada incremento de esfuerzo (fig A9-3).
Desarrollada la falla, se descarga e l espécimen y se elimina la presión confinante. Se di buja un esquema de la geometria de l a falla y, de haber ocurrido, se mide la inclinación del plano de falla principal. Se desmontan
Para cada presión normal, o, se graficará e l esfuerzo tangencial aplicado contra el des plazamiento horizontal, o bien la deformación unitaria, definida como el despla zamiento en tre la dime n sión del espécimen en la direc-
4.2
Ensaye de corte directo
C\J
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FIG A9-3
CURVAS
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Deformación .axial, € , en % ESFUERZO-DEFOR~lAC!ON
5
10
15
b)
DE ENSAYE TR!fi::IAL UU
20 €
90 ci6n del movimiento. Para calcular el esfuerzo tangencial aplicado, sólo se considerará el área efectiva que resiste tal esfuerzo, por lo que tendrá que corregirse el área inicial del espécimen a medida que la muestra se deforme. S.
INTERPRETACION DE RESULTADOS
En base a las curvas esfuerzo-deformación se calculará el módulo de deformación tangente inicial, M0 (fig A9-3 ) .
sión (sobrecarga), mientras que el estado de esfuerzos que se desarrolla durante la excavación es de extensión (descarga) . En la fig A9-5 se muestra esquemáticamente cómo la condición de esfuerzos que se desarrolla durante la excavación es una condición de extensión, la cual se puede reproducir en la cámara triaxial transmitiendo al espécimen los esfuerzos iniciales, en las direcciones vertical y horizontal , y a continuación se disminuye gradualmente uno de ellos, hasta que se desarrolle la condición de falla de la fig A9-5.
En el caso de la prueba triaxial, con base en los datos de presión confinante 03 , y del esfuerzo desviador máximo {O ¡ - 03 ) f se determinan los esfuerzos principales de falla, O¡f y a 3 f, con los que se dibujan los circules de Mohr en un diagrama Mohr-coulomb (fig A9-4), en términos de esfuerzos totales. Al trazar una envolvente a estos circules se define la ordenada al origen que es la cohesión aparente no drenada, Cu• En suelos parcialmente saturados, la pendiente determina un ángulo, ~u' con la horizontal que resulta ser el ángulo de fricción; para el caso de arcillas saturadas este ángulo debe resultar nulo. 1 -í-'EnvoiJente de MJhr
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FIG A9-5 CONDICIONES DE ESFUERZO QUE SE DESARROLLAN POR LA EXCAVACION (DESCARGA) a
Muestro inalterado, saturado
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d y lfJ no s1on constantes
IV
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bl Esfuerzo normal, Muestro in.o lterodo, parcialmente saturado
6.
COMENTARIOS
Los ensayes triaxiales son los más empleados para determinar las caracteristicas esfuerzodeformación y de re s istencia al corte de suelos cohesivos. El ensaye de corte directo es un procedimiento rápido y fácil para definir igualmente la resistencia; sin embargo, también tiene desventajas:
FIG A9-4 CIRCULOS DE MOHR
El plano de falla está preestablecido y no lo condiciona el plano más débil del espécimen.
Para las~pruebas de corte directo, el diagrama de Mohr se grafica con los puntos coordenados (a , T) f , correspondientes a cada presión normal. Haciendo pasar una recta por esos puntos se definen , como el caso del ensaye triaxial, los parámetros de resistencia, cu y ~u ' para suelos parcialmente saturados y cul~u = O) para los saturados.
Distribución no uniforme del esfuerzo tangencial, con ocurrencia de concentración de esfuerzos y de falla progresiva .
El conocimiento de la cohesión, cu, bajo condiciones no drenadas permite analizar las condiciones de estabilidad de problemas a corto plazo o de fin de construcción, tales como las del fondo de excavación, de taludes o del frente de un túnel. Es importante aclarar que la técnica experimental descrita no reproduce las condiciones de esfuerzo que se desarrollan a consecuencia de la excavación; esto es, la prueba convencional es de compre-
El estado de esfuerzos únicamente puede determinarse en el momento de la falla. Por otra parte, y en relación con los resultados de ensayes triaxiales, existen factores que los afectan, entre los que pueden citarse: Perturbación de los especimenes durante labrado y montaje de la cámara. Fricción en el
el
p~stón.
Velocidad de aplicación de esfuerzo
incrementos
de
l~
91 En relación con la fricción en el pistón, tratándose de suelos a r c illosos blandos, es recomendable utilizar cámaras con baleros lineales (ball-bushings) , o bien con el tipo de cámara desarro l lado que transmite las cargas mediante alambres a tensión, con lo que se elimina el pistón y con e llo prácti camente l a fricc i ón (ref 3 ) ; este último tipo de cámara es particularmente adecu ado para la realizac i ón de pruebas de extensión. 7. 1.
REFERENCIAS Sec retaría de Recursos Hidrául i cos ,
SHR,
"Ma nual de Mecánica D.F. (1970)
M~xico,
2.
de
Suelos",
Sa ed ,
U S ~rmy
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3.
Sa~toyo , ax~a~ de
E y Res~ndiz, D, "Una cámara triprecisión", Publi cac i ón No. 235, Inst~tuto d e Ingeniería, UNAM (1968)
FAG-1 O Pruebas de resistencia al corte CU 1
OBJETIVO
Dn terminar las curvas esfuerzo- deformac i ón y los parámetros de res istencia al corte de es pecímenes arcil lo sos inalterados, mediante ensayes triaxia les y de corte directo consolidados no drenados , denominados CU. El procedimiento de ensaye de los especímenes e n laboratorio debe reproducir , de la mejor manera posible, el estado de esf ue r zos a que se s ometerá la masa t ér re a del protot i po, as í como las condiciones de drenaje que preva le z can en las diferentes e ta pas de s u vida útil. Esencialmente, el procedimiento co n siste en ensayar una serie de tres especímenes , some tidos a d i ferentes pres i ones confinan te s. 2.
EQUIPO NECESARIO
2.1
Ensaye triax i al
La cámara tr iaxial, los sistemas de a plicaci ón de la presión confinante y de la carga axial,
as í como e l equipo pa r a la p reparación y labrado de espec í menes se describen en la ficha FAG-09. Para l a consolidac ión del espécimen, dur ante la etapa de aplicación de presión confinante, se deben dispone r piedras porosas en el pedestal y e n el cabezal que permitan el drena je del agua intersticial; éstas necesitan cubrir cuando menos 80% del área transversal de la probeta, no aportar deformaciones perceptibles bajo las cargas de trabajo y poseer una permeabilidad por lo menos 10 0 veces mayor que l a del suelo por ensayar . El cabe za l debe dis poner de una c onexión y tubo de 1 /8" cp , que conduzca el agua a la base de l a cámara , y de ahí a una bureta cuya área de la sección transversal será de 0 .1 a 0 . 5 cm 2 ; por otra parte, el dren del pedesta l puede conectarse a ésta o a otra bureta. Si se desea med i r la presión de poro , se requiere u n dispos itivo como el de l a fig Al 0-1, en el q ue s e cuenta con un transductor o celda de presión conec tado al pedesta l, y en el que a tr avés de l as
Micrómetro Co'9(1
OliOI
Manómetro di_ferenciol
Burelo oolibtodo Control de oontropretiÓO DepÓsito de OQUO ~roda
Reoulodor ~ oonfropr.. kln
Transductor ~ pr111on
FIG
A l O~l
ARREGLO ESQUEMATICO DEL DISPOS ITIVO TR!AXIAL PARA ENSAYES CONSOLIDADOS Y CON MEDICION DE PRESION DE PORO
92 buretas se puede apl i car contrapresión para saturar como se explica en el inciso s iguiente.
3.
PROCEDIMIENTO DE ENSAYE
3.1
Ensaye triaxia l
Entre las pi~as porosas y el espécimen será con veniente disponer papel filtro a fiu de aue éstas no se obturen y se pueda recuperar inr.egramente e l espécimen a l concluir el ensaye .
Si durante l a aplicación del esfuerzo desvia dor se van a medir presiones en el agua inter s ticial (presión de poro ) , los cspecimenes deben es t ar completamente saturados an tes de tal etapa ; aunque puede admitirse un grado de saturación Sr de 98%, si al incrementar la presión confinante , ocurr e un aume nto de la presi6n de poro, inmediat o y d e magnitud similar.
2.2
Corte
r~rec to
En la caja de corte descrita en el subcapitulo 2.2 de la ficha FAG- 08, se deberá n colocar piedras po rosa s como las de la fig Al0 - 2 , con objeto de permitir el drenaj e del agua durante la etapa de apl i cac ión de esfuerzo normal. El equ ipo resta nte para la ejecución del ensaye se describe tamb ié n en la ficha c itada .
Fuerzo normal P
Para saturar sue l os arcillosos es necesario aplicar co ntrapresión al agu a de poro, q u e no es más que un aumento ar t ificia l de la pre sión de poro, lo que causa un incrementeo de l grado de saturac i on al provocar que 0l aire de las burbujas entre e n solución en el agua intersticial. La contraprcsión se aplica usualmente en c ir. co incrementos inmediatamente después de : os aumentos cor r espond i en t es de la presión finan te; l .1 c ontrapresión debe manten ~·:·-~ -..: dL·•-' r.ts me no r (no más de 0. 1 kg/cm 2 ) que la ~ r· ~ Lón conf inan t e, de tal forma que el es fu~r ' o efectivo sobre el esqueleto d el sue l o s e manteng .1 prácticamente sin cambio.
1
f1s Al 0 -3 proporciona e l valor de :a con trapr<.. s lÓ!• rP Ci Ue !"ida para producir el aumento deseadu de ~aturación , en base al grado d0 sa tura ción in1cia: (re f 2) . Ld
F!G Al0- 2 ESQUH1A OE LA CAJA DE CORTE P.:l RA Etl S ~YES DRC!:\!)05
Uo: lla [
100-l i -Hj.§Q___ 100- ( 1 - H 1 S f
t]
Donde: Uo= ContropresiCÍl requerido ( medido) Uo = Presioo otmosfériw (absoluto ) = 14.7 psio H = Constante de Henry = O. 018 (poro aire disuelto en agua o 22°C ) GroJdo inicial de SoJturaciÓn , 0/o Grado fina l de saturación , 0/o
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CONTRAPRESION
FIG AlC- 3
CONTRAPRES IOI~
REQUERIDA ,
U o (psi<_¡)
REQUERIDA PARA ALCANZAR CIERTO
GRADO DE <;ATURAC I ON
93 una vez aplicada la contrapresi6n que asegure la saturación , se inicia la etapa de consolidación; para ello, manteniendo constante la contrapresión se incrementa la presión confinante, hasta que la diferencia entre ambas sea igual a la presión de consolidación que se desee aplicar .
~ ~
~ "'O' e::
Al abrir las válvulas de drenaje se inicia la consolidación, se pone en marcha el cronómetro y se toman lecturas de bureta y de micrómetro a través del tiempo, a fin de 0btener la información de las deformaciones volumétricas y axiale~ , que definen las curvas de consolidación.
al Suelo inalterado
normolment~s~~e;sz~li~~drgo 1 • (J
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o
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VI
w
Concluida la consolidación, se procede a cerrar la válvula del drenaje e iniciar la etapa de falla del espécimen, aumentando gradualmente el esfuerzo axial. El procedimiento es similar al descrito en FAG-08. 3.2
Corte directo
Una vez montado el espécimen en la caja de corte, evitando perturbación de su estructura, se aplica la presión normal deseada; el intervalo de var~ación de ésta debe estar dentro del intervalo de presiones de trabajo del problema particular de que se trate. Generalmente, las presi~nes más al~as se aplican en varios incrementos a fin de evitar que el suelo se extruya de la caja de corte ; para suelos blandos, esto es necesario llevarlo a cabo, inclusive para presiones relativamente bajas . Inmediatamente después de aplicar la presión normal se inicia la consolidación, debiendo tomarse lecturas del micrómetro a través del tiempo. Asimismo, se deberá llenar con agua la caja de corte hasta cubrir completamente la piedra porosa superior. Al término de la consolidación se debe conservar una pequeña holgura horizontal entre los marcos de la caja de corte, de aproximadamente 0 . 5 mm , de tal manera que no estén en contacto durante el corte , ni que el suelo se extruya. La ruptura rápida del espécimen se efectúa con el procedimiento descrito en la ficha FAG-09, inciso 3. 4.
RESULTADOS
Además de las curvas esfuerzo-deformación , tanto para los ensayes triaxiales , como para los de corte directo, se graficarán las curvas de consolidación mediante el dibujo del diagrama de Casagrande, ó o 6V vs logt, donde ó es el de splazamiento unitario axial y 6V el cambio volumétrico, o bien en el diagrama de Taylor ó vs . r t , siendo t el tiempo transcurrido de consolipación. Con los resultados de cada ensaye (por lo menos tres) se dibujan los circulas de Mohr (fig Al0-4) en base a la presión confinante, o3 , y el esfuerzo desviador máximo o de falla, ( O t - o 3 )f . Al trazar una envolvente a los circulas, se definen los parámetros de resistencia en términos de esfuerzos totales: cohesión no drenada, e~ que es la ordenada al origen, y el ángulo de fricción interna, t ~., de ~al envolvente.
FIG Al0-4 ENVOLVENTES DE RESISTENCIA OBTENIDOS EN ENSAYES TRIAXIAL CU Si durante la e t apa de falla se mide la presión de poro, será factible conocer los parámetros de resistencia al esfuerzo cortante en término de esfuerzos efectivos, ya que se podrá trazar la envolvente de resistencia cu como se indica en la fig Al0-5 , donde u e~ la presión de poro en el momento de falla~ En este caso se deberá considerar la presión en el agua al alcanzar una condición de equilibrio en cada incremento de esfuer~o desviador. Los parámetros de resistencia resultan: e', la cohesión efectiva , o sea la ordenada al origen, y ~· el ángulo efectivo de fricción interna, la inclinación de la envolvente. 5.
INTERPRETACION DE RESULTADOS
Al igual que en el caso de los ensayes UU, se incluirán las curvas esfuerzo-deformación y los módulos de deformación tangente inicial, M0 , y el secante al 50% del esfuerzo de falla , Ms o.
En base a las curvas de consolidación se podrá estimar el coeficiente de permeabilidad, tomando en cuenta las limitaciones señaladas en FAG- 11 . La prueba consolidada no drenada permite analizar las condiciones de estabilidad de problemas, en los que una vez consolidada una masa de suelo, se vea sometida a cargas rápidas. La prueba consolidada no ción de presión de poro, parámetros para analizar nes de estabilidad pero 6.
drenada, con mediCU, proporciona los las mismas condicioa largo plazo.
COMENTARIOS
Los comentarios descritos en la FAG-09 son aplicables a los ensayes triaxiales y de corte directo que aqui se exponen. La presencia de piedras porosas en el ensaye de corte directo CU, hace más dificil el control del dre-
94 naje durante la etapa de corte , por lo que este dispositivo resulta más adecuado para obtener parámetros efectivos de res~stencia en falla lenta; en este caso se Lecomienda que el tiempo mínimo para alcanzar el esfuerzo de falla sea: 50 t 5o
(Al0-1)
donde tf Esfuerzo efectivo normal
cr•
tiempo transcurrido para alcanzar la falla, en min tiempo, en minutos, requerido por el para alcanzar 50% de consolidación bajo su correspondiente presión normal.
esp~cimen
a 1 Arcilla con cierta preconsolidación
Se deben evitar los siguientes errores en los que se incurre con frecuencia: Especimenes parcialmente consolidados antes de la etapa de falla Ve l ocidad de deformación muy rápida
Envolvente. de resistencia CU
Absorción por parte jel esp~cimen del agua de las piedras porosas después del ensaye
o <,)
e: Q)
Ensayes CU (con medición de presión de ro) en especimenes no saturados
C7'
e:
... e
po-
Sistema de medición de presión de poro inadecuado , particularmente que su flexibilidad sea mayor de 1.2 x 10- 3 m3 /kg/cm 2 •
o
N .... Q)
....VI:> w
7. ___.t_u::..:_f____._T
~f-------=-.:.. u f-----+-
REFERENCIAS
l.
Secretaria de Recursos Hidráulicos, SRH, "Manual de mecánica de suelos ", 5a ed , M~xico, D.F. (1970)
2.
Black, D K Lee, K L, "Saturating laboratory samples by back pressure", Journal Soil Mechanics and Foundations Division ASCE, Vol 94, No. SMl (Jun 1973)
Esfuerzo n arma 1 ( (J o (j') b) Arcilla norma !mente con so 1i dada
FIG Al0-5 ENVOLVENTES DE RESISTENCIA AL CORTE DE ENSAYES TRIAXIALES CONSOLIDADOS-NO DRENADOS, CU Y CON f·1EDICION DE PRESION DE PORO, W
FAG-11 Prueba de compresibilidad l.
OBJETIVOS
La realización de la prueba de conso lidación unidimensional permite obtener una curva de compresibilidad de esfuerzos efectivos vó. relación de v acios o deformación unitaria y las curvas de consolidación, deformación v6. tiempo, para los incrementos de carga que se. apliquen. Con la informac16n citada se puede estimar la m~gnitud de los asentamientos y el tiempo para que O<"llrran.
Debe plantearse como premisa del ensaye que ~ste debe reproducir de la manera más fiel posible el nivel de esfuerzos a que se verá sometido el esp~cimen en el campo , para ~J problema particular de que se trate y tener presente que el esp~cimen se consolida dnlcamente en la dirección vertical, ya que sus dimensiones horizontales no cambian. Debe tambi~n asegurarse que el esp~cimen sea inaiterado y representativo del estrato por estrudiar.
2.
EQUIPO NECESARIO Anillo de consolidación
Con~ottd6metlw&.
Pueden ser de anillo flotante o de anillo fijo, ( fig All - 1) . Cuando se opte por medir directamente el coeficiente de permeabilidad (k) durante el ensaye, se deberá usar el de anillo fijo, y contar con el equipo complementari o para la medición (ref 1).
Zapato de cort e
--~
"'--;
~~ ;-
r-
1--'
~
Arcillo
Gu(o-¡.
Tubo Shtlb y
1..!--- Cozuelo Espécimen
Pht&n o) De anillo f lot onte
n o)
Disco poroso
l} b)
Bureto
FIG All-2 DISPOSI TIVOS DE CORTE PARA IHTRODUCIR EL SUELO POR ENSAYAR EN EL ANILLO Df CONSOLIDACION b) De onill o fijo
FIG All-1 ESQUEMA DE CONSOLIDOMETROS
A•Ui.l.o& de con-&oUdaU.6n. Pue den ser de acero inoxidable o de plástico (Delrin), siendo aceptab l es los que tienen una altura de l. 5 a 2 crr. y una relación de diámetro v-&. altura de 4 a 6; el diámetro más usual es el de 7.5 cm .
P.<.edltM po)(.o&M. Conviene que sean de forma
ligeramente troncocónica con holgura de 0.25 mm respecto a la pared interior del anillo de consolidación. Pueden estar incorporadas a la base y a l a tapa metálica del aparato.
de cMga. Usualmen te es de tipo mecánico con un sistema de palanca, con e l que los pesos colocados directamente en su extremo se multiplican y trasmiten axialmente a la tapa o placa de carga .
S.<.-&.te.ma
.f.ab~~.ado
coi!J;e de upec.-únenu • se requiere un torno de labrado convencional, o bien dispositivos de corte como los de la fig All-2 . Adicionalmente se necesitan herramientas para labrar y cortar , arco con alambre y regla metál~ca rigida afilada (enrasadar). V.<.-&poútivo
pMa
o
3.
PROCEDIMIENTO DE ENSAYE
3 .1
Labrado
o corte de especimenes
El procedimiento de labrado se describe con detalle en la ref 1; cuando se trate de arci-
llas blandas a muy blandas, se recomienda el sistema de corte de la fig All-2b, cuya operación consiste en empujar verticalmente el suelo, directamente del tubo Shelby muestrea dar al anillo de consolidación provisto de una zapata de corte; en cua lquier caso , el corte transversal del espécimen debe hacer se con un arco provisto de un alambre tenso de acero y con una regla metálica carearlo. 3. 2
Piedras porosas
Para las arcillas tipicas de la zona del lago del Valle de México, las piedras porosas y e l papel filtro deben saturarse previamente . Las piedras porosas de la tapa y de la base, en su caso, deben asegurar el drenaje total a la atmósfera. Si se ensayan especimenes de las lentes preconsolidadas, las piedras porosas necesitan montarse en seco para evitar que ocurran expansiones (re f 2) . 3.3
Procedimiento de carga
La prueba de consolidación unidimensional consiste en aplicar una secuela establecida d~ cargas verticales a un espécimen delgado confinado en un anillo flotante rígido, y medir la dP.formación progresiva que sufre . En cada una de las etapas increme ntales de carga, el espécimen experimenta una primera fase de compresión que se atribuye al PfOCeso de expulsión de agua y aire , y se conoce como consolidación primaria; ocurre también una compresión adicional~ ocasionada por fenómenos de flujo plástico del suelo , conocida como conso l idación secundaria, la que se hace más evidente cuando la consolidación primaria ha conc luido.
1
96 cedimiento convencional para cargar E1 p ro é . . 1· axialmente al esp c~m7n con~~ste en ap ~car durante 24 horas un c7erto ~ncrement~ que al dfa siguiente se dupl~ca y asf suces~vamente. Generalmente se aplican 0.125, 0.250, 0.5, 1.0, 2.0 y 4.0 kg/cm 2 ; por su parte , la descarga se hace en tres o cuatro decrementos. Este procedimiento, que frecuentemente dificulta precisar el valor de la carga de preconsolidación, no debe utilizarse en suelos blandos de la Ciudad de México. En su lugar es práctico seguir el procedimiento incremental de carga que se sugiere en la fig All - 3, porque permite definir mejor la curva de compres~bilidad y la carga de preconsolidación. Considerando que los suelos blandos del Valle de México están normalmente o ligeramente preconsolidados, conviene seguir para la determinación de la magnitud de los incrementos de carga el siguiente criterio: a) se aplican al espécimen cinco incrementos de carga de igual magnitud, (0~ 0 /5), hasta alcanzar el valor del esfuerzo vertical efectivo inicial, 0~0 ; es importante aclarar que este esfuerzo, es siempre ligeramente menor que la carga de preconsolidación, para suelos blandos ligeramente preconsolidados; b) a continuación se aplican los siguientes tres incrementos de carga cuya magnitud se define con la relación (o~ - o~ 0 /3), en la que o' es el esfuerzo máximo al que se llevará la prueba; el valor recomendable para este esfuerzo es a~ = 4avo; y e) la descarga del espécimen se deberá hacer en por lo menos cuatro decrementos. La duración de estos incrementos de carga es usualmente de un dfa (24 h) .
Las pruebas de consolidación en anillo fijo se consideran no convencionales, e inclusive han cafdo en desuso excepto como un procedimiento para estimar el coeficiente de permeabilidad de los suelos (ref 1) . Porque los valores de k estimados con las curvas de consolidación son menores a los medidos con permeámetro, debido a la compresión retardada del esqueleto sólido. 4.
RESULTADOS
La información obtenida durante el ensaye permite graficar la curva de compresibilidad (e v.!>. o) , la cual se recomienda dibujar a escala logarftmica (fig A11-3); en algunos casos conviene también dibujarla a escala aritmética. El coeficiente de compresibilidad, av, es la pendiente de la curva de compresibilidad (escalas aritméticas) y se determina mediante la expresión: ó. e ó.a
-
(All-1)
El tiempo de consolidación (t 9 0 ) se define en la gráfica de Taylor (fig Al1-4), prolongando el tramo recto de la curva de consolidación se define la recta (1), se toma un punto arbitrario de abscisa d y se dibuja la distancia horizontal 0.15 d; este nuevo punto se une con el origen, para definir la recta (2), cuya intersección con la curva es el t 9 0 •
e
CJd Tramo
Incrementos de cargo
Recargo
5
Virgen
3
Descargo
4
5
G
.;
o
<.>
o >
G
-o
,g
4
Cím
= Esfuerzo máximo del ensoy e I
·¡; o Q)
a:
O.t
0.2
0.4
0.6
2
4
6
•
10
2
Presión aplicado · CJ, K o/cm. Curva
de comprtaibiiidad
e
FIG All-3 PROCEDIMIENTO INCREMENTAL DE LA CARGA VERTICAL PARA ARCILLAS BLANDAS
97 TIEMPO,
Vt
1
de mala calidad (fig All-5), las curvas resultan tan deformadas que no puede aplicárseles el método de reconstrucci6n de Schmertrna que a continuaci6n se describe: nn,
min.
a) Etectuar en sayos de odómetro con dos c ic l os de descarga y recompresión que tengan u~ t~amo e n la línea de compresi6n v i rgen. D1bU )a r la línea Cr, sobre las curvas de descarga.
E E <1
b) Dibujar una línea que pase por que sea pa ralela a la línea Cr •
z
e) Suponer un valo r de Oc (empezando método de Casag rande) .
,¡:;
o o
a:: ~ w o
---
llhgo d
con
el
d) Prolongar desde la intersección de Oc y Cr (punto 1), la línea v i rgen Ce de laboratorio, hasta el punto Z de ordenada 0.42 e .
e(
~
(eo, vo),
e) Dibujar la curva de compresibili dad reconstr uida que define la compresibilidad del suelo in s itu.
FI G All-4 CONSTRUCCION DE TAYLOR DE UNA CURVA DE CONSOLIDACION (REF 2) E l coeficiente de consolidación, Cv, que es un parámetro que permite estimar el tiempo necesario para alcanzar diferentes grados de consolidación, se calcula mediante:
f) Representar e l valor de ll e (diferencia entre la cur va reconstruida y la curva de laboratorio) contra Oc (en l a parte inferior de la f i g All -5 ). g) El valor supuesto de Oc que dé el gráfico d e lle, y que sea más simétrico alrededor de o ~, es el valor "correcto". h) El valor supu es to o ~ de l a fig All - 5 es probablemente un poco alto ; es decir, uno ligeramente menor probablemente daría una curva {le má s simétrica .
(All-2) <'Jc (supuesto)
Ovo
¡
Curvos de 1 laborator io
donde :
t
k
Coeficiente de permeabilidad
e0
Relación de vacíos media
Yw
Peso volumétrico del agua
--o...~-=-
,..
liT\
lle"f:'-•\ · -.. _fr 1). . t\
·-·--
{le\
5.
¡
CORRECCION DE LOS RESULTADOS
En caso de que se analice una estructura particu larmente impo rta nte , es recomendab le corr e gir los resultados expe rimentales , por el efecto de la perturbación provocada durante el muestreo de campo y labrado de los espec!menes en el laboratorio, que induce a los sigu ientes errores :
..
'\--Curvo reconstruido \ \
'--\. __cr
111
\\
.Q
u
e
Q)
-e e:
·o ·¡:¡ .2 Q)
a::
- Disminuye la compresibilidad en e l intervalo de compresión virgen
0.42
·--·--
,,\\
' Lob. Ce (muestro de \bueno ca lidod 1
>
- Hace difícil definir el p u nto de máxima curvatura ; consec uen teme nte, dif i culta la localización de oc
Schmertamann (ref 5 ) desarrolló un método para reconstruir la curva de compresibilidad del sue lo, a partir de una muestra de b uen a Galidad (fig All - 5), que tiene cierta alteración imposible de e vi tar; en c uan to a las muestras
.
i de
Supues to 1
Deberl'o ser simétrico respec to o (Jc
eo
j
.
~
.\
\~
\
\
(2)0.42eo log (j
Presido de consolidación
FI G All - 5 RECONSTRUCCION DE LA CURVA DE COMPRES IBIL IDAD EN SITIO USANDO EL ~1ETODO DE SC H~IERTMANN
98 La aplicación d e este criterio a pruebas convencionales con un sólo cic lo de carga , para suelos tanto n ormalmente consolidados como preconsolidados, se presenta en la fig All-6 .
Es importante aclarar que para adoptar alg unos de ellos , es indispensable demostrar previamente su confiabi lidad para los suelos blandos del Valle de México; conviene investigarlo, porque conducir!a a una disminución significativa en el tiempo de ejecución de un estudio geotécnico. 6 .1
•
Velocidad de carga uniforme (VCU)
La duración t!pica de cada incremento de carga, ge neralmente es de 2 .5 a 3 horas (tres incrementos en un d!a de trabajo) • Para la mayor!a de las arcillas, este lapso permite alcanzar el fin de la consolidación primaria; sin embargo, si las curvas de consolidación (con el método de Taylor, deformación v&. tiempo) indican que se necesita más tiemp0 para alcanzar el fin de la consolidación primaria, se deberá aumentar la duración del incremento (ref 6) .
0.4e0
B
-----------
Normalmente
El esfuerzo axial máximo de la prueba se conserva de un d!a para otro; la compresión sufrida bajo este esfuerzo constante, se s upone que se acerca a la curva virgen, cuando cada incremento se hubiese mantenido durante 24 horas. Si se supone que son paralelas las curvas v!rgenes para 2.5 horas y un d!a después, en una gráfica semilogar!tmica (ref 6), la lectura de compresión , pasada la noche, se puede usar para estimar la curva virge n y el esfuerzo de preconsolidación, correspondientes a incrementos aplicados cada 24 horas.
consolidado
e
6.2
Curvo de laboratorio "---Corvo
corregido
0.4 e0
-------------
Velocidad de deformación constante (VDC)
Esta técnica se utiliza ampliamente en diversas partes del mundo porque resulta confiable y más expedita que el procedimiento tradicio1al (ref 2); se puede obtener en sólo tres 11as una curva de compresibilidad, as! como los parámetros para estimar el tiempo de consolidación; es el ensaye VDC de consolidación con velocidad de deformación constante (~), para el que se requiere el equipo de la fig All-7. La principal ventaja de esta técnica,
e Transductor de fuerzo
Oeform~met~o T eléctriCO
Preconsolldodo
Vólvulo
l
t.
Constante
. . PIStan
FIG All-6 CORRECCION POR ALTERACION Aguo
6.
PROCEDH1IENTOS TIVOS
EXPERIMENTALES
ALTERNA-
Como el tiempo de ejecución de una prueba de consolidación, siguiendo el procedimiento incremental de carga recomendado, toma por lo menos diez d!as, ha resultado necesario desarrollar procedimientos alternativos, como: a) el de velocidad de carga uniforme , y b) el de velocidad constante de deformación (ref 2).
FIG All-7 DISPOSITIVO DEL ENSAYE DE CONSOL IDACION CON VELOCIDAD CONSTANTE DE DEFORMACION (REF 2)
99 además de su co rta duración, es que p r oporciona curvas continuas de la compres ibilidad y de la relación (cv - o) . Dispuesto el consolidómetro en la prensa, se somete el espécimen a ve l ocidad de deformación constante (E = cte), midiendo simultáneamente la fuerza aplicada con una celda de carga, la presión de poro en la base con un transductor de presión y la deformación axial con u n deformómetro eléctrico . La interpretación de los da tos experimentales se aj~sta a un marco teórico presentado con detalle en la ref 2. 7.
turbación mec~nica durante la extrusión espécimen y e) Q~e lael a Juste entre el espécimen y el anillo sea excelente, y que no existan hueco s. 7. REFERENCIAS
b~ado y montaJe del
l.
Secretaría de Recursos Hidráulicos, "Manual de mecánica de sue l os" , Sa SRH, México, D.F. (1970) ed,
2.
~anddboekken, G, Berre, T y Lacasse, S Oe o~eter testing at the Norwegian Geo~ techn~cal Institute", 56 300-9 (jul 1984)
3.
Marsal, R J y Mazari, M, "El subsuelo de la Ciudad.de México", Universidad Autónoma de Méx~co, 2a ed (1962)
4.
~erzag~i, K . Y Peck, R B, "Soil mechanics ~n eng~neer~ng practice", John Wiley and Sons, Nueva York (1948)
5.
Schmertmann, J H, "The undrained consolidation of a clay", Trans, ASCE, vol 120, (1955)
6.
Taylor, D W, "Fundamentals of soil mechanics", John Wiley and Sons, Nueva York (1948)
COMENTARIOS
Las pruebas de consolidación se realizan primordialmente para dar respuestas, al menos aproximada , a dos interrogantes: a) Cuánto se va a asentar cierta estructura con una presión dada, debido a la consolidación del subsuelo de despl~nte y b) Como será la evolución de sus asentamientos a través del tiempo. La precisión de la prueba está condicionada a la calidad de las muestras ensayadas; por ello debe ponerse cuidado en: a) Que el muestreo de campo, así como la protección y transporte de las muestras inalteradas sea excelente b) Eliminar, tanto como sea posible, la per-
FAG-1 2 Pruebas de expansividad 1,
)
OBJETIVO
Obtener información sobre el comportamiento de un suelo arcilloso en un ensaye odométrico que permita estimar la magnitud de la expansión y su desarrollo con el tiempo, como consecuencia de una descarga del terreno; con ello se puede definir la magnitud admisible del esfuerzo no compensado (sobrecompensación) de cimentaciones o estructuras en cajón, como es el caso del t-1etro de la Ciudad de México, construido en cajón. Debe tenerse presente que al igual que la deformación por consolidación que experimentan los suelos bajo carga, la expansión por descarga es también un proceso dependiente del tiempo. 2.
EQUIPO NECESARIO
Se requiere el consolidómetro de anillo flo tante que se describe en FAG-10 para el ensaye de consolidación unidimensional. 3.
PROCEDIMIENTO DE ENSAYE
Dependiendo de l problema geotécnico de que se trate debe reproducirse en e l l aboratorio la magnitud de los esfuerzos involucrados; para ello se debe cuantificar el esfuerzo efectivo .(11 6-Uu.., o ' vo , a que estuvo sometido el espé-
cime n en campo; as~m~smo, habrá que tener una estimación de la magnitud de la descarga que podría ocurrir por sobrecompensación. El procedimiento de montaje del espécimen es el mismo que se sigue para la prueba de consolidación, y se describe en FAG-11 . El desarrollo de la prueba se controla con las gráficas tiempo-deformación (fig Al2-1) tanto para las etapas de carga como de descarga ; en cuanto al criterio para incrementar las cargas se deben seguir las recomendaciones aplicables a l as pruebas de consolidación (FAG-10), salvo que se agrega otro ciclo de carga y descarga como el de la fig Al2-2. El procedimiento detallado de prueba es el siguiente: a) se consolida el espécimen (tramo 1) hasta un esfuerzo o 2 apenas superior al esfuerzo de preconsolidación Oc; b) a continuación se descarga el espécimen en tres decrementos hasta un esfuerzo prácticamente nulo (tramo 2); esta Gltima condición se deberá mantener de un día para otro; e) la siguiente etapa consiste en reconsolidar el espécimen hasta alcanzar nuevamente el esfuerzo vertical , o 2 (tramo 3) ; d) la rama virgen (tramo 4) se define con tres incrementos de carga; y finalmente, e l tramó de descarga (tramo 5) con cuatro decrementos. Los resultados de l a prueba se deben graficar como se indica en la fig A12 - 2; en la misma, el esfuerzo vertical
100
remanente, despu~s de la excavación es od, por lo que la diferencia ( o '~ - odl ser~ la sobrecompensación que se produzca. Real~za~ do por lo menos tres de estos ensayes con d~ ferentes valores de ( o '~ - od), dentro del intervalo de posibles valores de la sobrecompensación q~ · se podr1an adoptar en la estructura se podrá definir mejor la magnitud admisibl~ de la sobrecompensación. Tiempo, s 4
10
5
4.
RESULTADOS
Los resultados del ensaye de expansión por descarga en odómetro o consolidómetro se ordenan en una tabla y se grafican en curvas de compresibilidad como las de la fig Al2-2. Asimismo, la historia de la expansión por la sobrecompensación se deberá representar en un diagrama semilogarítmico, Óe v~ . log t. ·S.
INTERPRETACION DE RESULTADOS
10
La magnitud de la expansión a largo plazo que sufrirá el fondo de una excavación · podrá estimarse con base en el 1ndice de expansión, Ce, que es la pendiente de las ramas 2 y~ de descarga. El aumento de la relación de vacios por este efecto se calcula con: (Al2-l) 0
- - Compresión --- Expansión
o~
0 .1 --
0.2-
0.4-
-------------- ----
FIG A12-1 COMPRESION Y EXPANSION QUE OCURRE CON El TI Ef1PO EN ENSAYE ODO~IETRICO 8
Od 1
7
o o
11
1111
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5 6 7 8 910
Para el caso de la estimación inmediata (corto plazo) de la expansión en el fondo debido a la descarga se utilizarán fórmulas de la teor1a de la elasticidad. El valor de la sobrecompensación admisible se define despu~s de calcular las expansiones elásticas y diferidas que se generar1an y de juzgar que ~stas serian tolerables por la estructura.
tJ~ ~
1® l IU
(!)
ü
e
(Al2-2)
El Aesarrollo de esta expansión con el tiempo en un problema particular, se podrá estimar con la curva medida de expansión por descarga Óe v~ . log t. Como una primera aproximación, y únicame~te como una forma de ajustar la curva observada o una analítica, se podr1a usar la teor1a de la consolidación para hacer estimaciones de la expansión con el tiempo (ref 1).
20L-----L---~----~----~----_J
"O
YO
Este aumento (6elex, será representativo de un cierto estrato del subsuelo bajo el desplante, y con ~1 se calculará la expansión que aporta tal estrato. Sumando los aportes de todos los estratos se tendrá la estimación de la expansión total en el fondo de una excavación abierta un lapso prolongado.
0 .01-
Q)
1
-Ce log - od
20
Presion oplicodo, kc.;¡/cm2
FIG Al2-2 PROCEDIMIENTO DE CARGA PARA DEFINIR El EFECTO DE LA SOBRECOMPENSACION
COMENTARIOS
La expansión a corto plazo del fondo de una excavación se debe a las distorsiones bajo condiciones no drenadas, que ocurre por el alivio de presión. Para estimar esta expansión a corto plazo se recurrirá a una solución elástica en la que se involucre un módulo de deformación obtenido en ensaye triaxial no drenado (ref 1) , as1 corno la geometr1a de la excavación y la profundidad a la que se está calculando la expan~ión. 7.
l.
REFERENCIA Winterkorn, H F, y Fang, F, "Foundation engineering handbook", Cap 4, Van Nostrand Reinhold co., Nueva York (1975), 148
FAG-1 3 Presentación de la información geotécnica (zona del lago) l.
OBJETIVO
2.3
Ejemplificar la presentación de la información geotécnica obtenida con sondeos de cono, piezometría, muestreo selectivo y ensayes de laboratorio, que servirá de base para el diseño geotécnico definitivo. 2.
La columna estratigráfica se define con la clasificación de las muestras obtenidas, complementada con el sondeo de cono; en el resumen de datos geotécnicos se indican las profundidades, tipo de muestreador empleado y clasificación de los suelos.
PRESENTACION DE LA INFORMACION BASICA 2.4
En las figs Al3-l y 2 se muestra un resumen de los datos de dise ño, presentados en forma gráf i ca para facilitar su utilización. 2.1
Sondeo de cono eléctrico
La variación de la resistencia de punta con la profundidad permite realizar la interpretación estratigráfica e indicar así las fronteras entre los estratos característicos de la zona del Lago (tabla A13-1); asimismo, con esta información puede evaluarse la confiabilidad de las propiedades mecánicas obtenidas en el laboratorio (ver inciso 2.4). 2.2
Muestreo se lectivo
Piezometría
Las c0ndiciones piezométricas del sitio se utilizan para determinar la va riación de los esfuerzos efectivos con la profundidad (ver inciso 2.5); en el resumen de la fig A13-1 se presentan las profundidades de instalación de las celdas permeables y la altura piezométrica medida en cada una. Las celdas de los piezómetros abie rtos deben coincidir con los pico6 de la resistencia de punta del cono (fichas FIC-01, 02 y 03), que correspondan a estratos limo-arenosos de mayor permeabilidad; asimismo, si no existe artesianismo en el sitio, las alturas piezométricas no deben sobrepasar el nivel freático determinado con el tubo de observación (FIC-04).
TABLA Al3-l.
Ensayes de laboratorio
Conenido d: humedad. En la fig Al3-2 se presenta un eJemplo de la variación del contenido de humedad w con la profundidad; se observa que w var ía entre 250% y 400%, característi ca de las arcillas del Lago, excepto donde existen materiales limo-arenosos, c omo en la costra superficial , lentes duros y capa dura, se tienen valores de hasta w = 25%. Comparando esta información con el sondeo de cono eléctrico, se concluye que la estratigrafía puede definirse co n mayor precisión, rapidez y menor costo con la resistencia de punta qc• Resistencia al corte. El obj etivo fundamental de las pruebas triaxiales es definir la resistencia al corte de los estratos más significativos para el diseño; de manera secundaria se determinan los coeficientes de correlación con la resistencia de punta del cono para definir conf iablemente la variación de la resistencia al corte con la profundidad.. La resistencia al corte no drenada Cuu obtenida en pruebas triaxia les se analiza tomando en cuenta la relación: (A13-1)
PERFIL ESTRATIGRAFICO DEL LAGO
Estrato Costra superficial,
Subes trato
es
Relleno artificial RA suelos Blandos
SB
Costra Seca
es
Suelos preconsolidados superficiales, PCS
Lentes duros
LD
Suelos normalmente consolidados, NC
Lentes duros
LD
Suelos preconsolidados profundos, PCP
Lentes duros
LD
102 ESFUERZOS (Ko/cm~) 20
10 t
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1 RESISTENCIA DE PUNTA
15 Clc( Kg /cm~)
FIG A13-1 EJEMPLO DE PRESENTAC ION GEOTECNICA
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1
2.5
~
-
Esfuerzos efectivos
Con los pesos volumétricos Y1 representativos de los estratos caracter1sticos se obtienen los esfuerzos totales Pov a cada profundidad:
-~
-<
1
factor de corre l ación
Grado de preconsolidaci6n. Se grafican los puntos cor res pondientes a las cargas de preconsolidaci6n obtenidas de pruebas de compresibilidad; estos valores deben ser siempre mayores a los esfuerzos efec tivos en el sitio (ver inc iso 2.5) , ya que en caso contrarie reflejarán alteración de la probeta ensayada.
-
1
2 01-
Nk
=
t
1
1
1
resistencia de pnnta de cono
--
.[
!
<
qu 1
Para cada profundidad de muestreo se calcula un ~ki co~ estos val~r7s se determina el promed~o apl~cable al s~t~o (usualmente N 13 para suelos arcillosos blandos) • En la fig Al3-l se localizan los puntos que resultan del producto CuuNk, l os cuales deben tener la tendencia de alinearse con la resistencia de cono; los puntos fuera de esta tendencia indicarán que la prueba se reali zó en una muestra alterada (remoldeada , que ganó o perdió humedad) .
\
r--\
4 00
1
e_
1
r-'
300
!
1\' -
5
o
100
20
-
___.,
1
donde :
Co nten,do de aguo(% 1
Res•stenc•o de punto qc Kg/cm2
Prof m
donde di representa el espesor de cada uno de los n estratos. Los esfuerzos efectivos Oov se diante la expresió n:
---
:::-
\
FIG A13-2 CORRELACION DEL CONTENIDO DE AGUA H CON LA RESISTENCIA DE PUNTA qc OBTENIDA CON CONO ELECTRICO (ZONA DE LAGO )
(Al3-2)
Pov
Pov
con U
= Ywhw
-
U
calculan
me -
(Al3-3)
(A13-4)
donde u es la presión de poro obtenida de las ca rgas piezométricas h w e n cada celda y y = 1 t / m3 • En general, las lecturas piezométricas nunca serán mayores a la condición hidrostática; en caso contrario , i nd icarán una instalación defectuosa, mal fu nc ionamien to de la celda o un efecto de sobrecarga er. la superficie.
FAG- 1 4 Sondeos de correlación l.
OBJETIVO
Ampliar l a utilidad del cono eléctrico en los estudios geotécni cos implica: confirmar o es tablecer los coeficientes de correlación de la resistencia de l os suelos en las diferentes pruebas de laboratorio, para condic i ones no drenadas , con la corre s pondiente a la penetración de l cono e léctrico . Esto se debe hacer mediante so ndeos inalterados selectivos calidad, tanto e n 0 continuos de excelente los trabajos de campo como de laboratorio. EXPERIENCIAS PUBLI CADAS
2.
ln,.~Wuto
de Inge.túvúa. . Con ayuda de la empresa GH I se hicieron en 1980-81 cuatro sondeos continuos inal t erados para obtener esos coeficientes de correlación; dos de ellos se reali3aron en e l jardín localizado en la Av. Cuauh~ émoc y Colima, donde se excavó la Lumbrera 6 le l Interceptor Central del Sistema de Drena·e; el resumen de la información obtenida se tublicó en l a X Reunión Nacional de la SMMS ~rcf 1); en la Tabl a Al4 -l se reproducen los t.:ctores obtenidos para distintos tipos de : r ueba de laboratorio. Adic i onalmente, en la ; .;;quina de Re forma y Bucareli cerca de l a Lum-
TABLA Al4-l
SUELO
Ge.o.tec.notog.<.a.. Esta empresa determin6 coeficientes de correlaci6n e n 17 sondeos ubicados a lo largo del Eje Tezontle, del Eje cuauhtémoc y en Reforma y Río de la Plata (ref 2) . En la Tabla Al4-2 se muestran los va l ores obtenidos; es conveniente aclarar que los ~ondeo~ e.X-tlle.mo~ del Eje Cuauhtémoc fueron los reali zados e n el I n stituto de Ingeni e rí a (Lumbreras 6 y 7 ) . Ge.o~ot. El es tudio geotécnico que real i zó en 1984 en las pistas del aeropuerto de la ciu dad de México, para la SCT, permitió a los técnicos de l a Sec r etarí a obt ener los coe fi cientes de la Tabla Al4-3 (ref 3).
3.
DISCUSION DE RESULTADOS
A~pec..to~ bá-6-i.c.o~. La expresi6n de correlación entre las resistencias del cono y l a me di da en el laboratorio es :
-e
p R U E B A TRI AXIAL uu COMPR SIMPLE
qc /29
qc /20
qc/12
qc / 14
-
s ue los blandos
qc < S
qc/ 13
qc / 1 6
Capas de arcilla du ra
qc > 10
qc/24
5 < q c < 10
qc / 13
1
Torc6metro Triaxial UU • ••
-
-
-
COEFICIENTES DE CORRELACION (GEOTECNOLOGIA) DE 17 SONDEOS REALIZADOS EN 3 SITIOS (ref 2 )
EJE TEZONTLE* ESTRATO 3 ESTRATO 5 E' lv" E w
1 3. o 13.0
-
PENETROMETRO MANUAL
qc/S4
qc/20
TABLA Al4-2
TORCOMETRO LABORA'l'ORIO CA_"1PO
-
qc/14
PRUEBA
(Al4 -l )
-
S< qc < 10
Arc illas profundas
que l os
COEF ICIENTES DE CORRELACI ON ( INSTITUTO DE INGENIERIA) DE 2 SONDEOS REALIZADOS EN CUAUHTEMOC Y COL!~~ (ref 1)
qc kg/cm 2
Costra superficial
brera 7 , se h i cieron otros dos sondeos proporcionaron valores algo menores que present ados en la misma Tabla.
EJE CUAU HTEMOC** ESTRATOS I A V ESTRATOS I A V CENTRO EXTREMOS
REFORMA ESQ RIO DE LA PLATA
13 .0
20.3
16 . 5
21. 3
10.9
-
-
12 . 0
18 . 2
8 .4
Rlo Churubusco a Cana 1 San Juan Reforma a Colima
Este
(')A~tP
.L
iO~
TABL1\ A14 -3
COEFICIE NTE S DE CORRELACION (GEOSOL) DE 2 SOND~OS REALIZADOS EN EL AERO PUE~PO DE LA CD DE MEXICO (ref J )
PRUEBA
PISTA 50
Triaxial uu
-
23I
17 a 25
-
TABLA A14 - 4
ERRORES DE MEDICI ON DE LA RESISTENCIA CONSECUENCI A PREDOMI NANTE
DEFICIENCIAS OBSERVADAS
Hala calidad de muestreo que genera r emoldeo
e
dism inuye
Nk
aumenta
· problemas de l ensaye triax i al , por fr i cciones y re stricción de la membrana
e
a umen ta
Nk
disminuye
Disminuc ión de la velocidad de hi ncado del cono
q c disminuye
Nk
disminuye
Aumenta de la velocidad hincado del cono
qc aumenta
Nk
aumenta
de
donde:
e
resistencia al corte en las distintas pruebas de laboratorio
Nk
coeficiente de correlación que toma los siguientes valores: Ct y Nkt 1
qc
INF LUENCIA EN EL COEFICIENTE
para torcómetro
cP y N kp
para penetrómetro manual
cu y N kq
para compresión (Cu = qu/2)
Cuu Y N.ku
pa ra triaxial no (UU)
simple drenada
resistencia de punta del cono e léctrico (velocidad de hincado 1 cm/seg
La aplicación de la ex presión (Al4 -l) para cada tipo de prueba de l abo ratorio pe rmit~ deducir el valor del coef iciente N correspondiente, que a su vez varia rá co n el grado de consolidación de cada sueld y con los errores sistemáticos que puedan cometerse.
CoJtJte.lauonu palla. .toJtcóme-tJto !.f penwómwo manual Los valores obtenidos para estos dispositivos se presentan en las Tablas A14-1 y 2; deben tomarse co n mucha reserva, porque el namero de determinaciones en que se basan es muy reducido. Es interesante mencionar que en los Gltimos años el torcómetro se ha empleado muy frecuentemente para hacer mediciones aproximadas de la r esis t enc ia; sin emba rgo, es muy
discutible rescatar muestras i nalteradas para sólo realizar prqebas de torcómetro, que se pueden señalar como Gnicamente indi ca tivas de la resistencia de los s uelos, ya que el cono eléc trico cumple esa función con notable eficienc ia y costo menor.
Co.ltllelauonu con tM .:tlúa.Ualu no dltenadM • son las de mayor interés, porque con este tipo de pruebas se obtienen va lores de la resistencia más cons is tentes ; desde luego que la calidad del muestreo es e l principal obstáculo a la confiabilidad de las correlaciones; también contribuyen el cuidado en el manejo de las muestras y la precisión de las pruebas de la boratorio . En relación a esto Gltimo, la fricción del p istón de la cámara triaxial y la restricción mecán i ca de la membrana de protección de la muestra hace n que la tendencia sea a g ene rar un incremento de resistencia. En la Tabla A14 -4, de errores de medición, se aclara la influenc ia de e stos factor es , j uDto c on el de operación del cono eléc tric o . En c uanto a la inf luencia de las propiedades del suelo, se puede decir que los coeficiente s de correlación v arían en función de la preconsolidac ión que ha sufrido, así como de la fisuració n natural , que reduce la resistencia de lo& suelos; en la Tabla A14-5 se muestra como influyen es tas variables. El va l or del coeficiente de corre lación al que se la ha dado más importancia es Nku = 13, porque corresponde a suelos normalmente consolidados, en los que se obtuvieron muestras
106
TABLA Al4-5
INFLUENCIA DE LAS CARACTERISTICAS DEL .SUELO
CARACTERISTICAS DEL SUELO
INFLUENCIA EN EL COEFICIENTE
Suelo muy blando
e
disminuye
Nk
aumenta
Suelo fisurado
e
disminuye
Nk
aumenta
Suelo precons61iñado
r;
aumenta
Nk
disminuye
de excelente calidad, cuidando adicionalmente que los especimenes ensayados en pruebas triaxiales no quedaran cercanos a lentes de arena, que generan una mayor resistencia en las arcillas de la frontera (ref 1) . En las campañas de exploración de la Linea 4 del Metro, desarrollada por PYCSA, se ha podido comprobar que este valor de 13 predomina en los suelos normalmente consolidados. En varios estudios geot~cnicos realizados por TGC se ha observado que en las arcillas preconsolidadas, el coeficiente de correlación varia entre 7 y 10; en la Tabla Al4-2 se presenta un valor de 8.4. En ocasiones se obtienen valores tan altos como 20, para el coeficiente Nkui sin embargo, estos valores sólo se presentan en la costra dura, de materiales arenosos, o en muestras de arcilla muy alteradas, y por ello debe desconfiarse de la validez de estos valores. 4.
INFLUENCIA EN LA RESISTENCIA AL CORTE
METODOLOGIA PARA ESTABLECER NES
CORRELACIO-
GenVULUdadu. Se deberán hacer parejas de sondeos: uno el~ctrico y otro inalterado selectivo o continuo; la separación entre ellos deberá ser de sólo unos metros (menos de 10); en la ejecución de ambos tipos de sondeos se deberán cumplir las indicaciones y recomendaciones contenidas en este Manual . Para asegurarse que la información sea confiable, será indispensable que se realice una cuidadosa supervisión técnica de los trabajos de campo y laboratorio. Sondeo de cono elJ.c.,t;úco. El equipo deberá haber sido previamente calibrado y asegurarse que la velocidad de hincado del cono sea de 1 cm/seg. Sondeo .<.na.tteNJ.do oelecU.vo o conünuo. Los suelos blandos se deberán muestrear con tubos de pared delgada (Shelby) , que cumplan rigurosamente con las condiciones geom~tricas de esos muestreadores, est~n afilados y no tengan oxidada la superficie interior. En caso de que se pierda el fluido de perforación, como consecuencia del fracturamiento hidráulico inducido por el fluido a presión, deberá recurrirse al uso de la posteadora-rimadora; asimismo, los lentes duros se muestrearán con tubos dentados que cortan la muestra a rota-
ción . Los detalles de todas estas recomendaciones se describen ampliamente en este Manual. Las muestras que se obtengan debe~án tener un porcentaje de recuperación de por lo menos el 85%, para que sean confiables; además deberá cuidarse que se ensayen en un lapso no mayor de 15 dias, para asegurarse quE no han sufrido cambios.
PJw.ebM de ia.botuLtoM.o. Se obtendrán determinaciones del contenido de agua y clasificación de suelos a cada 25 cm; las pruebas triaxiales no drenadas se harán por lo menos a c ada 75 cm, cuidando que los especimenes no coincidan con la frontera de lentes arenosos, o al menos consignando esa ·peculiaridad. Para ampliar el conocimiento que se tiene sobre los factores de correlación con el cono eléctrico, es necesario contar también con abundantes pruebas de consolidación que permitan deducir las relaciones de preconsolidación (OCR) de cada estrato de arcilla del sondeo en estudio, porque las correlaciones están íntimamente condicionadas por la consolidación que han sufrido las arcillas. Es conveniente r~cordar que hay dos zonas preconsolidadas: la somera, provocada por al costra superficial y la profunda, provocada por la influencia del bombeo para extracción de agua.
And.Uó.<.ó
u.ta.cLU.Uco. Las variables que se deberán estudiar para un cierto estrato son:
- Clasificación SUCS de 25 cm
la
muestra
a
c ~ da
- Contenido de agua a cada 25 cm Resistencia al corte determinada con toreómetro a cada 25 cm - Parámetros de resistencia axial a cada 75 cm
en
prueba
tri-
- Módulo de compresibildiad en cada estrato - Relación de preconsolidación en cada estra"to. En la selección de los especimenes para pruebas triaxiales y de consolidación debe tenerse cuidado, como se indicó antes , que no correspondan a la frontera de los lentes arenosos.
107
S.
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONB3
- Es necesario ampliar la información estadfstica de los factores de correlación de la resistencia de punta del cono elé~trico con la triaxial no. drenada, deter~1nando también l a influenc1a de la relac1ón de preconsolidación de los suelos. Se recomienda que las pruebas triaxiales se h~gan a cada 75 cm {una en cada muestra obten1da) y las de consolidación por lo menos una en cada estrato . - La ejecución de lo s sondeos de corre lación de cono eléctrico y de muestreo inalterado , asf como los trabajos de laboratorio, deberán realizarse bajo una estricta supervisión técnica, para asegurarse que la información obtenida sea confiable. - La localización de los sondeos de correlación deberá e legirse de acuerdo con la zonificación geotécnica del subsuelo de la
j ____
ciudad de México; es evidente yue en la medida que se obtenga mayor información estad1stica confiable, se incrementará la utilidad del cono eléctrico para los estudios geotécnicos.
6.
REFERENCIAS
l.
Santoyo E {1980) "Empleo del cono estático en un tGnel de la ciudad de . México", X Reunión Nacional de Mecánica de suelos SMMS
2.
Montafiez L {1983) "Exploración con cono eléctrico en la ciudad de México. Tesis de maestr1a , UNAM
3.
Rico A, J L León, E Juárez y J M Orozco {1985) "Sorne mechanical correlations in the valley of Mexico City. XI International Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering.
.j
~
CAPITUl0.2 ' ':~ >l
DISEÑO DEC METRO EN CAJON.· A INTRODUCCION 8 . DISEt\lO GEOTECNICO C REGOMENDACIONES GEOTECNICAS O SUPERVISION GEOTECNICA E INSTRUMENTACION DE CAMPO .1
..
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' 1
r., ~
------· -- --- -··- - - - - - -
MdW ,: t
A: INTRODUCCION
l. DISEÑO GEOTECN I CO Es una recopilación de fichas técnicas (FDG) que cubre los siguientes aspectos del diseño del Metro en cajón. Análi s i s Geotécn ico. Se inicia con la definición de las so luciones estructurales factib les que han sido adoptadas en las líneas construidas; se analizan las condiciones de empujes hor izontales, así como la estabilidad de las excavaciones y las deformaciones que pueden ocurrir durante la construcción y a largo plazo. Sistemas de bombeo . Admitiendo que la selección y definición del sistema de abatimiento del nivel freático y de las presiones de poro, forma parte importante del diseño geotécnico de una cierta línea, se justifica la inclusión de fichas técnicas sobre el abatimiento del nivel freático. Comportamiento de la estructura. La predicción del comportamiento durante la construcción y vida útil del cajón se debe comprobar con mediciones de campo , por ello el proyectista debe proponer la instrumentación más adecuada. 2. RECOMENDACIONES GEOTECNICAS Son disposiciones prec isas que describen el de cada etapa del estudio geotécnico y especifican el pro grama de actividades mínimo indispensable para alcanzarlo; asimismo, detallan las técnicas aplicab l es, re sa ltando las más con fiables y eficientes. o~tivo
3. SUPERVISIOIN GEOTECNICA Se definen criterios generales para controlar la ejecución de los traba jos de campo , laboratorio y construcción . 4. INSTRUMENTACION DE CANPO se trata de un conj un to de fichas técnicas (FIC) donde se presenta la descripción de la instrumentación de campo aplicable para determinar el comportamiento del cajón; esta instrumentación está limitada a la medición de presiones de poro, deformac i ones verti c ales y horizontales. La medición de presiones , empujes y de otras variables deberá consultarse en el volumen B.2.5 "Instrumentación de Suelos" del Manual de Obras Civiles CFE.
, 1
•
B: DISEÑO GEOTECNICO • PROCEDIMIENTOS PARA EL DISEÑO GEOTECNICO DEL CAJON DEL METRO SUBTERRANEQ J
.;
1
..
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8: DISEÑO GEOTECNICO
FDG-0 1 Soluciones estructurales factibles l.
.¡
OBJETIVO
Identificar las soluciones estructurales que se pueden adoptar para el diseño y construcción del Metro en cajón (fig Dl-1). 2.
ALTERNATIVAS UTILIZADAS ACTUALMENTE
2.1
Muro milán estructural
El cajón está formado por muros milán unidos estructuralmente a las losas de fondo y de cubierta; para esta solución se tienen dos alternativas geométricas: a) en cajón cubierto con relleno superficial compactado, y b) en cajón con losa de cubierta superficial, que constituye la superficie de rodamiento de vehículos o del paso de peatones. 2.2
1
.!
Con relleno superficial
Muro Milán Estructural
Sin relleno
-
Muro milán y muro estructural de acompañamiento
'
1 ·i
1
l
~
-
...,
Con relleno superficial
SELECCION DE LAS ALTERNATIVAS
Los factores que influyen en la selección de la alternativa que se adoptará en un cierto tramo, según el orden de su probable importancia, son: estructurales, económicos, constructivos y geotécnicos. Es decir, desde el punto de vista geotécnico cualquier~ n~ las soluciones es admisible. 4.
i
l'
En es te caso el muro milán es un elemento es tructural temporal, que únicamente tiene utilidad durante la etapa de excavación; para esta solución se han desarrollado también dos alternativas: a) con el cajón cubierto con relleno compactado , y b) con la losa de cubierta superficial. 3.
-
1'"'"
Muro Milán y Muro Es tructurol
de
Acompañamiento
r-
COMENTARIOS
La constante evolución de los procedimientos constructivos que se pueden adoptar para construir el cajón del Metro, hace necesario revisar con frecuencia los procedimientos que se están utilizando, para detectar las modificaciones constructivas que se justifique incorporar.
·Sin relleno
- _,.
·~,.
FIG 01-1
T
V
•V
TTPOS DE CAJON PARA LINEA DEL METRO
FDG-02 Información geotécnica disponible l.
OBJETIVO
Presentar un resumen breve de la información sobre la estratigrafía y propiedades de los suelos , que puede servir d e ayuda en la etapa de diseño preliminar.
·i
1·
!
1 11
2.
ZONAS DE LAGO Y TRANSICION BAJA
2 .1
Estratigrafía
Zona de TJLanú.c.<.6n Baja . La costra superficial , se encuentra por encima de las arcillas de
es ,
____
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Resistenci a de
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1!
p~:nto
qc 1 Kg 1 cm
2.2
Propiedades de los suelos blandos
En la tabla 02 - 1 se presentan los espesores y r esis tencias medias de los suelos superficiales de las zonas del lago y de transición.
Zona del. lag o . El subsuelo de la zona del lago está formado por un a costra superficial, es, que se encuentra por encima de las arcillas blandas superficiales con un ligero grado de preconsolidación PC, que disminuye con la profundidad hasta llegar a ser normalmente co nsolidadas, NC, (figs 02-1 a 02 -3 ). Los es pesores y propiedades de esta secuencia estratigrá fi ca se agrupan en tres subzonas : Lago V.i.JLgen, Lago Cen.tJLo l tJ Lag o Cen.tJLo 11; en la tabla D2-l se presentan l as principales carac terísticas de cada una de ellas.
~
cons istencia blanda a media ligeramente pre · consolidadas, PCS , interestratificadas eón arenas y limos duros de origen aluvial, CD (fig 02-4).
3.
ZONA DE TRANSICION ALTA
3.1
Estratigrafía
El perfil estratigráfico de la transi c ión alta, al poniente de la Ciudad, se presenta en la fig 02-6, y un sondeo con cono eléctrico e n la fig D2-S. 3.2
Propiedades de los suelos
En la tabla D2-l se hace un resumen de los espesores y resistencias medias de los sue l os de la Tra nsición alta .
2
o
-¡15~----¡'ot
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S0NDEO CON LP.GO
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20r-t\~~======~~~~~~~
FIG D2-1
5
Resistencia de punto qc 1 Kg /cm
VI~GEN
CO~O
ELECTRICO EN
L~
SUBZONA DEL
FIG
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NC
1
D2-2 SONDEO CON CONO ELECTRICO EN LA SUBZONA DEL LAGO CENTRO I .J
113 Reaistencio de punto qc , kg/cm
2
o
or-------~5~______,to~----~15
Resistencia de punto qc 10 15
5
,Ko 1 cm2 20
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PCS
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15
Avance con broco _..,
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20
20
CD
NC
Jco
25~
25
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30._____
l
30
riG 02- 3 SONDEO CON CONO EL ECTR ICO EH LA SUBZONA DEL Lfl.GO CEIJTRO 1I TABLA D2-l Zona
Subzo na
Lago Virgen
Lago
FIG 02-4 SONDEO CON CONO ELECTRI CO EN SUBZONA DE TRANSIC!OtJ BAJA
CARACTERISTICAS DE LOS SUELOS SUPERFICIALF.f> EN LAS ZONAS DEL LAGO Y DE TRANSICION Estrato
Costra superficial es Suelos blandos PCS y NC
y
Espesor (m) l.O ~· Z ¡~
z 2 ~
e
(t/m 2 )
(t / m3 ) 2.5
30
1.4 1.2
l. O 0.5-1.0
20
Centro I
Costra superficial es Suelos Blandos PCS y NC
4 :> Z1 :> 6 20 :> z 2 :> 30
1.6 1. 2
4.0 1.0-2.0
25
Centro II
Costra superficial es Suelos blandos PCS y NC
6 $ Z1 :> 10 z2 :> 20
1.7 1.3
4.0 3.0
25
Baja
Sus características coinciden en la Zona del Centro II
Lago
Centro I y
Transición
L ______ Alta '
smrows :
Costra superficial CS Suelos blandos PCS
1.6 1.3
10.0 5.0
20 ___)
$ ángulo de fricción ::.nterna en corrliciones no drenapeso volumétrico total das (pruebas triax iales CU) e cohesión en condiciones no drenadas (dete~ minada con cono eléctrico y pruebas t ria- Z1 espesor de la costra superficial Z2 espesor de l estrato blando xiales CU)
y
114
~
T
Arcillo lilnoao
SUttol r81iduol" reciente• Mofrenaa Lo Morquno m
Artna y gravo
Mol'renos Lo Marquesa I r
~."·.:·:
SUELOS DE
Morreoos Lo Morqueeo
SUelos res i<1lalel ro;o.
..:.·.::
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PRAlOERA
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Umoa y orenaa arcllloaoa
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• ·11.00 SUELOS
L~~o
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- · ~ !§.-"40-=-t~"'-~'4-
Glaciación Illirois superior ~~~
lmo orc i ~ Acuifero (monto col9odo) Arcillas locuslru
suelo res idual Lanar ciclÓpeo Morrenas Totolopo Inter ior
E
....
22.35
oo() OhOI
~
Suelos residuales pumíticos amarillos
Arena azul
" 24.40 ·:;'.~:
Tobo II (BLAOAS)
-
Pómez
Q
25.90
O·
TOBAS
8 - ..... g - .. .... ,o
Emisión del dOmo de Totolopo Tobas pumÍiicos amarillos y suelos rojos
:.:···
Tobo
m (BLANDA)
}"" 9""'" ""P<;OOK "pdm"
.·?:.: e: AGUJERO DE ROEDORES
35.80 . . ·. Tobo
-
FIG D2-6
Erupción de "arenas bloncos"de andesita de nornblendo 1noce 4 JO 000 años 1
e:().: .. .. ....
o
nz:
(DURA)
- - 40.0 (fin del sondeo}-
Gron lnterglociol Yormoutn lnoce oprox. 500 000 oñosl
Resistencia de punto Qc ,kg/cm 100 200
FIG D2- 7
2
4.
5
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10
.....e:..
ESTRP.TIG~.\FU.
DE LA ZONA
- Capas de erupciones pum!ticas Lahares - Avalanchas ardientes
\_
- Depósitos glaciales
e
- Depósitos fluvioglaciales
a..
Avance con trieónlco-
15 Avonc. con
tr~cónlco-
Avance con tr;icónlco20
!..C':lAS
ZONA DE LOMAS
e
,=IG D2-5
D~
- Horizontes de cenizas volcánicas
....::l
o
Flujos de pirociÓsticos de lo erupción Cuquito
En la formación de las Lomas se observan los siguientes elementos litológicos, producto de erupciones de grandes volcanes andes!ticos (fig D2-7):
> r
N
"' ~
Suelos residuales rojos
ESTRATIGRAFIA TIPICA EN LA ZONA DE TRANSICION ALTA
o
E
Suetos resicl.dea rojos-
MorTeoos Totolopo Superior Erupciones del hOrizonte Pinqo Suelos residuales cofé-omorillos Arenas azules !erupción Mee 170 000 oñosl
Toba 1 (DURA)
20.40 :.: :·
r
e uajimalpa
·-
SONDEO CON CONO ELECTRICO EN SUBZONA DE TRANSICION ALTA
- Depósitos fluviales - suelos residuales Eventualmente se encuentran rellenos no controlados, que influyen significativamente en la estabilidad de las excavaciones.
FDG-03 Empujes horizo nt ales, zo nas del lago y de transició n l.
OBJETIVO
Definir el criterio de cálculo de los empujes horizontales que actúan a corto y a largo plazo, en el muro que se utiliza para la cons trucción del cajón subterráneo en las zo nas del lago y de transición de la Ciudad de México. 2.
HIPOTES I S DE CALCULO
2.1
Información geotécni ca
Cost ra su per fi ciol tCSI
,..
"'
Z¡
~1 e 1 't o 1 ~o
b_
,... Conform~. se profundizo 1o " excovocton se colocan los n1ve1es de troque les.
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Arcillo D landa (PC y NCI
¡.-¡.-¡.--
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Zz
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......
b0 ~
Procedimiento de análisis ·
En el cálcu lo de los empujes horizontales sobre los muros deben considerarse dos condi ciones de trabajo diferentes:
Q) P: P¡
a) A en ,: p(a:t' . El empuje del suelo es del tipo a c t i vo; prevalece la resistencia no drenada del suelo.
®
b) A t
PR·1CEDHIIENTOS DE CALCULO
3.1
Co1diciones a co rto plazo
a) En la costra superfic ial, O • Ó5
(Ka Y 1 Z 1
2c ¡}
(D3- l)
donde Ka= tan 2 (45°En ~ las
Pz
=
~ ) 2
(03-2)
Y1 z1 + O.S 'tz z2 -
2c 2
(D3-3)
e) El empuje gene r a l que debe considerarse para toda la profundidad de la excavación será el promedio de los dos empujes ante riores: p 1Z 1
+ P 2Z 2 (D3 - 4)
z
1
+ z
2
P¡ = 0 .65
O
0 1121
~ ko..
N_oto : Los valores típicos de z, r, e y l1l de los estratos s uper _ f1C101es de los zonos Oel lago y de transición se presentan en lo toblo O 2-1
DIAGRII.r4AS DE Ef.lPUJES HOKIZOJJTALES A CORTO PLAZO
Condiciones a largo p l azo
Una vez constru ido el · cajón, y durante su vi da útil, actúan las condiciones de empuje en reposo de los suelos de la subzona del lago o de transición de que se trate (fig D3 - 2). Sobrecargas superficiales
A los didgramas de empujes horizontales que res ultH~ de las dos condiciones anteriores (a corto f a largo plazo) , se añaden las presiones laterales que ocasionan las cargas cercanas que existen en la superficie (fig D3 - 3). 4.
arcillas blandas, PCS y NC
PzZz
P2=~ 1 z1+ o .5r 2 z1- 2c2
3.3 P .1
+
K 0= ton 2 !45° -
3.2
es
Z¡
z1 + z2
FJG 03-1
Los empujes horizontales sobre e l muro milán se determinan con las siguientes expresiones (fig D3 -l):
b)
~1""'1
.-Troqueles
bt
"
Se obtiene con la exploración geotécnica del s1tio; c uando todavía no está disponible, se puede utilizar l a infor mación de la ficha FDG- 02. 2.2
(''Muro M11on ~
PRESENTACION DE RESULTADOS
El anál i sis de empujes horizon t ales se presentará en una memoria de cálculo , con l a siguiente información: a) Datos del proyecto: loca l ización, dimensiones y geometría de la es tructu ra; procedimiento y tiempo de construcción . Diseño estructural p re l imi nar del muro . b) Datos geotécnicos: estratigrafía del sitio (resu ltdos de s ~ ndeos con cono eléctri c o y muestreo se lectivo), pos ición del NF y re s ul ta1os de ensayes de laboratorio . Defin i ción de la subzona del lago o de transi ción que corresponde.
116 Costra super f iciol IGSl
r, e,
1
o
"• 1
o
..
z,
o
. ..
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t
•
•
••
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•
.
b
Arcillo blondo ( PCyNC)
0.5
P2
0 .5 ( ~l
Arcillas
02;
0
Z0 i-
01'
Zb)
= 0 .5 1 ~' z + ~ ' zb + "Q ' z l 1 o 1 2 2
blondos
IPCyNC)
02 C2 1 O
o1 z
P1
l'='6-'6'w
z2
K 0 = 0.5
o
( Z i" Z ) b 2
r
Noto : L os valores típicos de z y de los estratos superficiales de los zonas del lago y de transición se presentan en lo tabla 02-1
FIG D3-2 DIAGRAo\1AS DE
E~1PUJES
HORIZONTALE S A LARGO PLAZO
e) Sobrecargas existentes en la superficie: su magnitud y posición durante el tiempo de construcción del cajón . d) Diagramas de empujes horizontales a y a largo plazo. 5.
corto
BIBLIOGRAFIA
- Terzaghi, K y Peck, R B, "Soil mechanics in engineer i ng practice", John Wiley and Sons, 2a ed, Nueva York (1 967) - Tschebotarioff, G P, "Foundations, retaining and earth structures", McGraw Hill , 2a ed , Nueva York (1979)
f--..j 2 O. 25w , 1/m
1-----12 0.1 p ,tlm
H2
0.05 p, 1/m
- Peck , R B, "Deep excavations and tunne1ing in soft ground", State of the Art Report , VII ICSMFE, México, D.F. (1969)
FIG D3-3 DIAGRAMAS DE EMPUJES HORIZONTALES DEBinns A SOBRECARGAS SUPERFICIALES
FDG-04 Empujes horizontales, zona de lomas l.
OBJETIVO
Definir el criterio de c& l c u1o de los empujes hori zontales q u e actúan en las paredes del cajón subterr&neo del Metro, en l a zona de lomas.
2.
HIPOTESIS DE CALCULO
2.1
Información geotécnica
Se obt iene con la expl orac ión geotécnica del si~io ; cuando todavía no está disponible, se puede utilizar la información de la ficha FDG-02 .
1
j
117
2.2
3 .2
Procedimiento de análisis
En la zona de lomas, la excavación para alo jar el cajón se realiza a cie l o abierto, dejando taludes que permitan la c~l~cación de la cimbra de los muros; la estab~l~dad de los taludes se determina según la ficha FDG - 06. una vez construidos los muros del cajón , el espacio restante se rellena con mater~a~ arenolimoso compactado. En estas cond~c~ones, el empuje sobre los muros corresponde a uno én reposo del material compactado . 3,
PROCEDIMIENTO DE CALCULO
3.1
Diagrama de empujes
La variación del empuje horizontal, Phz , sobre el muro con la profundidad, z, se evalúa con la siguiente expresión (fig D4 - l): Phz
\
=
(D4-l)
Ky ' z + Y..,Z 11
,__.-
1
donde
1
Al empuje calculado con la ec D4-l, se debe agregar el_efecto de las sobrecargas cercanas que se apl~quen en la superficie después de la construcción, según los diagramas de la fig D4-2. 4.
PRESENTACION DE RESULTADOS
El análisis de empujes horizontales se cluirá en una memoria de cálculo, con la guiente información:
b) Datos geotécnicos : estratigrafía del sitie (resul tados de sondeos de exploración y muestreo selectivo) , posición del NF y resultados de ensayes de laboratorio.
'v
peso volumétrico del agua
z
profundidad total
Z'
altura de agua
d) Diagramas de empujes horizontales .
mate ·
S.
BIBLIOGRAFIA
- Terzaghi, K y Peck, R B , "Soil mechanics in engineering practice '', John Wiley and Sons, 2a ed, Nueva York (1967) - Tschebotarioff, G P, "Foundations, retain:.ng and earth structures", McGraw Hill, 2a. ed , Nueva York (1979)
Para fines prácticos, K puede considerarse igual a 0.5 en la mayoría de los casos . ,--
1
\
1 1
+ z Noto: f' es el peso volumétrico efectivo de material de relleno compactado
fiG 04-1
J
sobrecargas
coefic iente de empuje peso volumétrico efectivo del rial de relleno compactado
1
insi·
a) Datos del proyecto: localización, dimen siones y geometría de la estructura; pro cedimiento y tiempo de construcción. Diseño e str uctural pre limi na r del muro.
e) Magnitud y posición de las consideradas en el diseño . K
.
Efecto de sobrecargas
DIAGRAí--:AS DE HlPUJES SOBRE EL CAJON fN LA ZONA DE LOMAS
118 CARGA UNIFORME
CARGA LINEAL
CARGA LINEAL
p' tll'nl
p, t/m 2
1 1.5"' 1
.··. : ..,.._~
. • t---t
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. ... ......-....¡
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.. . ......- - 1
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~:~·: .,-M,/W' . . ..____,
"'"~"'
H
0. 25 VI !t/m'l
H
O.t p (t/m'J
FIG D4-2 DIAGRAMAS DE ENPUJES HORIZONTALES DEBIDOS A SOBRECARGAS SUPERFICIALES
FDG-0 5 Estabilidad de la excavación, zonas del lago y de transición l.
OBJETIVO
Definir el criterio de análisis de la estabilidad de la exc avación en las zonas del lago y de transició n p a ra los siguientes mecanismos: a) falla general por el fondo, b) falla del fondo por subpresión, y e) falla por el empotramiento de la pata del muro. Con base en este análisis se determina: a) la longitud máxima de avance de la excavación, b) las c ondiciones de abatimiento que debe satisfacer el sistema de bombeo para evitar la falla por subpresi6n, e) la profundidad de e mpotramie nto del muro, y d) el nGmero de nive l e s d e troquelamiento necesarios. 2.
PROCEDIMIENTO DE CALCULO
2.1
Secuencia de análisis
Los paso s p a ra revisar la estabilidad de la excavación, bajo los mecanismos de falla fac-
tibles, se resumen en el diagrama de flu j o de la fig D5-l. 2.2
Falla general por el fondo
El factor dé seguridad se calcula mediante las expresiones (fig D5-2): e (N e + 2Hp/ L) (FS)f
Y He
(D5-l)
+ p
y H
N
5.14 (1
e
+ 0.2 ¿ ) B
(1 + 0 . 2 ª-l
(DS-2)
L
donde: e
valor medio de la resistencia al corte no drenada de la arcilla, hasta
J¡
11 9
GEOMETRIA DE LA EXCAVACION GEOMETRI A Y DISEAO ESTRUCTURAL PR~LIMINAR DEL MURO Y DIAGRAMAS DE EMPUJES A CORTO PLAZO
CALCULO DEL FACTOR DE SEGURIDAD CONTRA FA LLA GENERAL POR EL FONDO (FS) f
DISMINUCION DE LA LONGITUD DE AVANCE O AUMENTO DE LA PROFUNDIDAD DEL MURO Y/0 ESTAB ILIZACION ELECTROSMOTICA DEL FONDO
NO
¿( FS)f ADECUADO?
SI
CALCULO DEL FACTOR DE SEGURIDAD CONTRA FALLA POR SUBPRESION (FS) S
DETERMINACION DE LAS CONDICIONES DE ABATIMIENTO DEL NIVEL FREATICO PREVIO A LA EXCAVACION
NO
¿(FS) 5 ADECUADO?
SI CALCULO DEL FACTOR DE SEGURIDAD CONTRA FALLA-POR EMPOTRAM IENTO DEL MURO (FS) p PARA DISTINTAS PROFUNDIDADES DE EXCAVACION Y VARIOS NIVELES DE APUNTALAMIENTO
AGREGAR NIVELES DE APUNTALAMIENTO O AUMENTAR LA LONGITUD DE EMPOTRAMIENTO DEL MURO
NO
l (FS)P ADECUADO?
SI ELABORACION DE LAS CARACTERISTICAS DEL PROCEDIMIENTO CONSTRUCTIVO , ENFATIZANDO LAS RESTRICCIONES DE ABATIMIENTO POR SUBPRESION, ETAPAS DE EXCAVACION CARACTERISTICAS DEL TROQUELAMIENTO Y TALUD DEL FRENTE DE EXCAVACION
FIG D5-1
SECUE NCIA DE CALCULO PARA ANALIZAR LA ESTABILIDAD DE LA EXCAVACION
·1
J
120 8
He ,/""" Puntales
~
SECCION
TRANSVERSAL
Juntos entre tableros
~
@
Puntales
@
@
@
@
L
SECCION
FIG 05-2
CARACTERISTICAS GEOf·IETRICAS DE LA EXCAVACION
una profundidad igual a
H~
+ B.
factor de estabilidad profundidad de desplante del muro longitud de la pata del muro ancho de la excavación longitud del tramo a excavar
p
presión total inicial al nivel máximo de excavación valor de las presiones de sobrecarga en la superficie
La ec DS-2 es válida para las siguientes condiciones:
y
8
E ::;
1
(DS-3)
Para valores mayores, estas relaciones se consideran constantes e iguales a su limite superior (2 y 1 respectivamente).
L
LONGITUDINAL
El t~rmino 2Hp / L toma en cuenta de la profund~dad de la pata en dad del fondo; esta influencia ciarse cuando Hp/ L sea menor de
la influencia l a estabilidebe despre0. S.
Debe aclararse que la resistencia e corresponde al valor del esfuerzo cortante en el punto de fluencia plástica de la arcilla, determinando mediante pruebas no drenadas, triaxiales o de corte directo, con carga controlada (ficha FAG-09); los valores de e aplicables en cada tramo de la 11nea en proyecto se obtienen correlacionando los resultados de laboratorio con la resistencia de punta, qc, obtenida con sondeos de cono el~é~rico (ficha FEG-05) . Los factores de seguridad m1nimos admisibles se presentan en la Recomendación 2.4.2; en caso de no ~atisfacerse esos va l ores, será necesario limitar la longitud de avance de la excavación o aumentar la profundidad del muro milán; si estas medidas resultaran insuficientes o imprácticas, podrá recurrirse a la estabilización del fondo mediante abatimiento electrosmótico (FDG-10).
\
.\
f\ 12 1
3.3
Falla del fondo por s u bpres ión
El factor de s eguridad contra falla del fondo po r efecto de la subpresión eje r c ida en est ratos de are na profundos se ex presa mediante la relación (fig DS-3) : (FS)
P + S
S
(DS-4)
u
donde p
Pe so saturado del pr i sma bajo el fondo
S
fuerza cortante r esiste nte en la s caras verticales del prisma de fondo
U
de
s uelo
fuerza total d e s ubpresión en base del p risma del fondo
FIG DS-3 MECANISMO DE FALLA DEL FONDO POR SUBPRESIOH
la cLr + Wl + M
Conside rand o l as propiedades del suelo y la g e o metría de la excavac ión , la ec DS- 4 cond~ ce a :
yh fB L (FS)
+
2c(Bhr
+
Lhp )
PQ_ 2
donde
e
resistencia al corte n o drenada promedio en la superficie de fnlla
L
longitud de la superfici e d e falla
donde distancia e ntre el fondo de la excavación y el estrato de arena distancia entre el nivel de desplante del muro y el estrato de arena peso volumétrico del agua
h.~
altura piezométrica en el estrato de arena.
Las demás litera l es fueron def inidas a nteriormente . En caso de que el fond o de la excavació n sea de sección cuadrada, la ecuación anterior se s implifica como s i gue :
(FS) 5
h! + h p
B
(DS - 7 )
l.., h .,..
El factor de seguridad para s u bpres ión d~berá se r mayor que el valor señalado en la Reco mendación 2 . 4 . 3 en caso contrario , se rá in dispensable aba tir la presión hidráulica en las capas de arena p rofundas med ia nte bombeo (f ichas FDG-09 y 10 ) . 3.4
Falla por el empo tram iento del muro milán
de
la
pata
radio de la s u perficie de f al la peso saturado del suelo dentro de l os l i mites de la superficie de fa-
1
distancia del paño del muro al centro de gravedad del suelo r es istente
Mp
momento flexionante r esi stente del muro de contención, obtenido del di s e ño es t ruct u ral pre l iminar
p
presión promedio sobre el muro cha FDG - 02)
D
longitud del muro entre el úl timo ni ve l de apuntalamiento y e l nivel de desplante del muro
(fi -
El número de niveles de apuntalamiento necesarios y las profundidades máx i mas de cada etapa de excava c ión previa a la instalación de los puntales, se determ i na verificando q u e el factor d e seguridad en cada etapa sea ma yor q u e el indicado en la Recomendación 2 . 4 . 3 en caso contrario , será necesario agregar niveles de apuntalamiento o aumentar la longi tud de empotramiento del muro . Finalme n te, s e verificará la estabilidad del talud del fren t e de avance mediante e l método de Janbu, descrito en l a ficha FDG - 06 .
4. Este mecanismo se ilustra en la fig DS-4; consis te e n el pa,te.o del muro de contención al venc erse la resistencia del suelo f r e nte al muro . Considerando que al n i ve l del últi mo puntal colocad o e n cada etapa de excavac ión se genera una articulación p l ástica , el fact0r de seguridad se evalúa co n la exp resión:
r
w
lla
1 ton / m 3
Y.,
Y he + 2c
( DS-8)
(DS-6)
Y,., h,_.13L
S
p
(FS) p
PRESENTACION DE RESULTADOS
El aná l isis de la estabilidad de la excava ción se presentará en una memoria de cálculo , con l a siguiente in~ormación: a) Datos del proyecto: localización, dimensiones y geometria de la estructura .
122
Brocal-----+
.:· : ·~:
Muro Milán
:·.:./t---------1
_c_*_.~~~~-~-pu.ntolesl--------n r _2.2 nivel _L __ ____ _
o .'··'"i i\· 1 ---------f NME: Nivel máximo de axcovoclón Mp: Momento fluiononte W: Puo del prl1mo de suelo
FIG D5-4
~1 MECANISMO DE
FALLA POR EMPOTRAMIENTO DEL
f•:URO DE CONTENCION
b) Datos geot~cnicos: estratigrafía del sitio (resultados de sondeos del cono el~ctrico y muestreo selectivo) , posición del nivel freático, información piezom~trica de los estratos permeables y de ensayes de laboratorio. Definición de la subzona del lago o de transición de que se trate.
- Longitud máxima de avance de excavación
e) Sobrecargas existentes en la s uperficie : su magnitud y posición durante el tiempo de construcción del cajón.
- Número de niveles de apuntalamiento, indicando las profundidades máximas de excavación previas a la instalación de puntales
d) Diagramas de empujes horizontales a corto plazo (FDG-03).
- Precarga necesaria en cada puntal.
e) Diseño estructural preliminar del muro milán. f) Factores de seguridad para los tres mecanismos de falla del fondo analizados. g) Conclusión, conteniendo claramente descritas las etapas del procedimiento de excavación, con la siguiente información:
Condiciones necesarias de abatimie nto del nivel freático para evitar fal la por subpresión - Talud del frente de avance de vación
S.
la
e xca-
BIBLIOGRAFIA
- Peck, R B, "Deep excavations and tunneling in soft ground" , State of the Art Report, VII ICSMFE, M~xico, D.F. (19 69) - Zeevaert, L, "Foundation engineering for difficult subsoil conditions", Van Nostrad Reinhold Co., 2a. ed, Nueva York (1983)
- Longitud de empotramiento del muro milán
J.l
\
FDG-06 Estabilidad de la excavación, zona de lomas l.
OBJETIVO
s = e + o tan cp
Definir el criterio de análisis de la estabilidad de los taludes de la excavación para alojar el cajón del Metro en la zona de lomas, considerando la generación de grietas de tensión y sobrecargas en la corona del talud. 2.
HIPOTESIS DE CALCULO
2.1
Información
donde
~
resistencia al corte
S
e
parámetro de cohesión
o
esfuerzo normal en la superficie falla
geot~cnica
tan cp
Se obtiene con la exploración del sitio; cuando todavía no está disponible, se puede utilizar la información de la ficha FDG-02 . 2
(06-1)
coe ficiente de fricción
La resistencia al corte se moviliza en su totalidad en todos los puntos a lo largo de la superficie de falla, exceptuando en las zonas con grietas de tensión
Procedimiento d e análisis b asa en las siguie ntes hipótesis: c ilín -
- El suelo arriba de la superfic i e de falla puede dividirse en dovelas; la resultante de fuezas laterales entre ellas es nula
- El depósito de s uelo está compuesto por materiales parcialmente saturados
- El factor de seguridad se define como la relación entre la resistencia al corte a lo l argo de la superficie de falla critica y el esfuerzo cortante necesario para el equi librio en esa misma superficie.
La superfic ie potencial de f a lla e s drica - El aná lisis es bidimensional
- La resistencia al corte del depósito puede expresarse mediante la ecuación de Coulomb: (o)
(e) t.>
NUMERO OE ESTABILIOAO fllflA OROJLOS CRITICOS POR EL P / (e -
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FIG D6-1
NU~1ERO
COORDENADA OEL CENTRO OE CIRCULO$ CRITICOS POR EL PIE
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DE ESTABILIDAD, CC07:CE~!.4DAS DE L CEnRO Y RES ISTENCIA FRICCIONANTE DE FS PARA CIRCULOS C i~ ITICOS POR EL PIE DE TALUD (> O) ( JAUBU 1954)
124 3.
PROCEDIMIENTO DE CALCULO
3.1
Taludes simples
Las gráficas para obtener Uq se presentan en la fig D6-2¡ Ncf se obtiene en función de >-c
El factor de seguridad (FS) 5 de un talud se calcula con la solución paramétrica de Janbu (ref 1), presentada en la fig D6-l, que facilita el análisis de cualquier ángulo del talud (fig D6-la). o-
YH tan e
X
c
(D6-2)
:t. 0 .9
~ u
(FS) 5
o
u.
Ncf e
(D6-3)
-y¡¡-
\) . 6
o
donde Ncf
e y tan
YH
0.1
0 .3
0 .2
Relación
nGmero de estabilidad, que depende del valor Xc
0 .4
0.~
q/fH d = _Q_ H
q
presión total al nivel del fondo de la excavación (H, altura del talud y Y, peso volumétrico del material)
Xcq, parámetro adimensional
O•dH
Base resistente
En cada caso, la contribución independiente de la coheú.6n Fe y de la 6!U..cc..i.6n Ff a la estabilidad puede determinarse en función de la inclinación del talud y del factor >-c
b
= cot. (3
FIG 06-2 FACTOR DE REDUCCION POR SOBRECARGA uq
(D6-4) 3.2 Las coordenadas del circulo critico se obtienen de la fig D6-2c mediante las expresiones: (D6-5)
Talud con grietas de tensión
En este caso, el factor de seguridad (FS)t, se obtiene afectando a FS o (FS)q (asociados a un talud simple o con sobrecargas) por un factor de reducción ut, es decir: (FS) t = u t (FS) 5
donde H representa la altura del talud, y el origen de coordenadas coincide con el pie del talud¡ el circulo critico pasa por el pie ~a ra >-c O. 3.2
Talud con
~obrecargas
en la corona
El factor de seguridad, (FS)q, se calcula introduciendo la sobrecarga, q, y un factor de reducción, uq, en las ecs D6-2 y 06-3 como sigue:
Ae
(FS)q
(YH +
g:J uqc
Ncf e YH + q Uq
tan
(06-6)
(D6-7)
o
En la fig D6-3 se presentan gráficas para obtener Ut para los casos de grietas, con y sin presión hidrostática. El factor de seguridad c.o nsiderando el talud con grieta de tensión llena de agua, deberá ser mayor que el limite inferior de 1.5 fijado en la Recomendación 4.4.3¡ en caso de que el factor de seguridad sea menor de 1.5, se establecerá un sistema de drenaje para desalojar el agua de la grieta de tensión y se evaluará nuevamente el factor de seguridad considerando la grieta de tensión sin agua y si el factor de seguridad obtenido resulta menor de 1.50, será necesario tender el talud tanto como sea para obtener el valor minimo.
·.
125
.o
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0.2
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o
o
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.
1
o
0.1
Rela ciÓn
Ql
-
0.4
o.s
Re lociÓn
o) P11!slón hidrostótico actuando en los grielos
b) Presloo hldrostótico oolo
H
D=dH Bose reslstenle
d
= ..Q.. H
FIG D6-3 FACTORES DE REDUCCION POR GRIETAS DE TENS ION. ~t
4.
PRESENTACION DE RESULTADOS
El a náli s is de la estabilidad de la excavación se incluirá en una memoria de cálculo, con la siguiente información: a) Datos del proyecto: locali z ación, dimensiones y geometr1a de la estructura.
falla critico y los factores de seguridad para el talud simple, y el talud con sobrecargas y grietas en la corona. e) Conclusión, conteniendo claramente descritas las etapas del procedimiento de excavación, con la siguiente información: - Limitaciones para el movimiento quinaria en la corona del talud
b) Datos geotécnicos: estratigrafía de l sitio, pos ició n del nivel fr eático , información piezométrica de los estratos permeables y resultados de ensayes de laboratorio.
d) Esquema del talud, indicando el circulo de
ma-
- Caracteristicas de la protección del talud contra el intemperismo 5.
e) Sobrecargas existentes en la superficie: su magnitud y posición durante el tiempo de construcción del cajón .
de
BIBLIOGRAFIA
- Janbu, N, "Stability analysis of slopes with dimensionless parameters", Tesis de Ph D, Universidad de Harvard, EUA (1954)
FDG-0 7 Análisis de la sobrecompensación y flotación l.
OBJETIVO
-
Pt
Describir los criterios de cálculo para obtener los valores de sobrecompensación y presión de flotación para el cajón del Metro en las zonas del lago y de transición. 2.
HIPOTESIS DE CALCULO
2.1
Información
geot~cnica
Ps
Pe (D7-1)
B
y pt B
(D7-2)
Pov
donde
Se obtiene con la exploración geot~cnica; cuando todavia no se cuenta, se puede utilizar la información de la ficha FDG-02.
p5
presión de sobrecompensación
Pt
peso de tierra excavada lineal de excavación
2.2
Pe
peso de la estructura por metro neal
B
ancho del cajón
Definiciones
a) Sobllecompett4au6n. Es la descarga neta de la m?sa de suelo bajo el cajón, originada por la diferencia entre el peso de la tierra ·desplazada por la estructura y el peso propio de ~sta, incluyendo plantillas de concreto, balasto y rellenos artificiales.
por
PROCEDIMIENTOS DE CALCULO
3. 1
Sobrecompensación
li-
. . r· presión vertical total al nivel del fondo de excavación incluye los siguientes componentes
Pov
Pe
b) Plleú.6tt de 6.to.tau6n • Es la presión hidrostática al nivel del fondo de excavación. 3.
metro
(07-3) donde
Se determinan mediante las siguientes siones (fig 07-1):
expre-
Pp
peso de la plantilla para lastre
Pe
peso del concreto estructural
~----------------8---------------;
·· . .. :·:- ·.
-· .. .;: ·. ·.·: ·
..... ·. : ~ -... .
Relleno
•. :
: .
·.
.- :···.: .. ·... ·.· . _;:~:-._ ... :.: ~ ....·.. :
. . . ·.....· .. -.·......·.:· : ..:·.:·....-·,: ·.~.:~-:.:.:.~: :-;. . -~ ......:. .•
.:
~<· -~-~-
N.F.
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..
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•'
·.
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. .4 ·'
Concreto est·ructurol
~
. :·.·.·.
:
. ,. ... . ..··
Plantillo
T
.'. .4--
Pov ...:.~,:
~
· ·--.
:;-.~..~:.., ,.
1 1 J
FIG 07-1
FACTORES QUE INTERVtEri:::~J EN El ANALISIS DE SOBRECOMPENSACION Y FLOTACION
1
127 Pb
peso del balasto
Pr
peso del relleno artificial
se presentará en una memoria de cálculo, la siquiente información:
La sobrecompensación no deberá exceder de los limites fijados en la Recomendación 2.4.3; para disminuirla se debe utilizar lastre de concreto en losas o muros y rellenos densos. 3.2
Flotación
La presión de flotación Pw se calcula con ecuación (fig D7-l): P .,
'( wh w
la
(D 7 -4)
donde
a) Datos de proyecto: localización , dimensiones y geometría de la estructura . b) Datos geotécnicos: estratigrafía del sitio (resultados de sondeos de cono eléctrico y muestreo selectivo) , posición del nivel freático, e información piezométrica de los estratos permeables. Definición de la subzona del lago o de transición de que se trate . e) Relación de pesos volumétricos considerados en el análisis para: suelos, plantilla de concreto, concreto estructural , balasto y relleno artificial.
Yw
peso volumétrico del ag u a
d) Valores de las presiones de sobrecompensación y flotación.
hw
altura piezométrica al nivel del fondo de excavación
5.
La presión Pw deberá ser me nor que el valor máximo señalado en l a Recomendación 2.4.3 4.
con
PRESENTACION DE RESULTADOS
El análisis de sobrecompensación y
flotación
BIBLIOGRAFIA
- Terzaghi, K y Peck, R B, "Soil mechanics in engineering practica", John Wiley and Sons, 2a ed, Nueva York (1967) - Tschebotarioff, G P, "Foundations, retaining and earth structures", McGraw-Hill, 2a ed, Nueva York (1979)
FDG-08 Análisis de expansiones y asentamientos, zona del lago y t ransición l.
OBJETIVO
Describir el desarrollo de deformaciones en e l s ue lo a cor t o y largo pl azo , asociadas a la construcción de las lineas del Metro en cajón , as1 como presentar un procedimiento s imp lif icado de cálculo de expansiones y asentamientos. 2.
HIPOTESIS DE CALCULO
2.1
Información geotécnica
Se obt i ene con la exploraciÓQ geotécnica del sitio; c u ando todav1a no está disponible , se puede utilizar la información de la ficha FDG-02. 2.2
~esarrollo
de deformaciones
Los movimientos de~ fondo de una excavación estable, realizada en los suelos de las zonas del lago o de transición, se desarrollan según las distintas actividades del ciclo de construcción del cajón , como se muestra esquemáticamente en la fig D8-l, es decir: un periodo de bombeo previo a la
ex-
cavación se produce en el área por excavar, un asentamiento por consolidación Ab, que es función del tiempo de operación del sistema de bombeo y de la magnitud del abatimiento piezométrico; posteriormente, durante la excavación y el colado de la plantilla de concreto pobre, ocurre una expansión inicial del fondo Aei de tipo predominantemente el~stico, a la cual se superpone una componente plástica que depende del factor de seguridad (FS)f contra la falla general por el fondo (ficha FDG-05). Usualmente, cuando (FS)f es mayor de 2, la expansión plástica es despreciable. Durante la etapa del colado de las losas de fondo y del techo del cajón , la colocación del relleno compactado y la recuperación del nivel freático, se presenta un asentamiento Ar como resultado del proceso de recuperación parcial de la expansión inicial Aei' Asimismo al suspenderse el bombeo, se inicia un proceso de expansión de la arcilla, por absorción de agua el cual continúa a baja velocidad hasta alcanza~a largo plazo su valor final Af, En la fig D8-l, el punto r corresponde almomento en que se ha restituido el pavimento y
128
-< z o
~
-8
:iE
o
u. w
o
o
Colado de losos y coloco ci
o=
0::
Bombeo previo
-oo e: o.2 u a.
f ..\
.
el
/
-----
/..,....,~roceso de
.\f
absorción de oquo
.-e'
o
TIEMPO Suspensión del bombeo
FJG 08-1
1
PROCESO DE DEFORMACION ASOCIADO A LA CONSTRUCCION DEL METRO EN CAJON
•' acabados de la calle; es a partir de esa condición cuando la expansión neta A0 comienza a manifestar sus efectos, que son los únicos visibles después de terminar la construcción. 3.
PROCEDHHENTO DE CALCULO
3.1
Asentamiento por bombeo previo Ab
Cuando se emplea el bombeo por gravedad para eliminar la subpresión en una capa de arena intercaláda en las formaciones arcillosas bajo el fondo de la excavación, el asentamiento puede estimarse considerando que el abatimiento del nivel freático se presenta sólo en la zona a excavar y afecta un espesor de suelo igual a tres veces el ancho del cajón. El asentamiento por consolidación Ab, producido durante el tiempo de bombeo previo tb, puede calcularse con la siguiente expresión:
B Yvha
ancho del cajón pérdida de presión por el abatmuento piezométrico en el estrato arenoso que penetran los pozos
Ut
grado de consoli~ación alcanzado en el tiempo de bombeo previo a la excavación
(08-2)
T
donde:
donde: módulo de compresibilidad volumétrica representativo del suelo comprendido en un espesor 3B
factor de forma que depende de 1< longitud L y el ancho B de la zona abatida; figura D8-3a.
Para determinar Ut se aplica la solución para flujo radial hacia drenes verticales (fig 08-2), que es función del factor tiempo T y de la relación de diámetros n; estos valores se obtienen con las expresiones :
(08-1)
mv
Ff
Cv tb
coeficiente de consolidación medio ti e mpo de bombeo previo
de
diámetro de influencia, aproximadamente igual a la separación entre pozos
y
n
=
dy
siendo dv el diámetro del pozo
(08-3)
129
o
o~ :::>
Ir .....
10
·&'ü
1 ~
20
o
30
o
40
...
50
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..,..
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-
de l os es tratos de arcilla expan dib1es bajo el fondo de la excavac i ón
t-. :......
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1
60
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70
o
~ 80
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0.004
0.01
0 . 02
·~L....
0.04
Fa ctor
~1
~i ~
r\
En el caso de una excavación de sección rec tangular, mue puede estimarse como el prome dio pesado de los módulos de los suelos c e p rendidos en una profundidad igual a 2BFtFp partir del fondo de la excavación.
i\~
~'-_ 1'.
1'-
L.._
0 . 10
,n didad
factores de forma y de pr (fig D8-3.)
0 .20
0.40
1.0
t lempo, T
de dw
n=-
El módulo mue de los estratos de arcilla S r obtiene de pruebas triaxiales no drenadas cor. un ciclo de descarga controlada (ficha FAG- 09), aplicando presiones confinantes iguales a los esfuerzos tota les de cada muestra de arcill~ en su estado natural.
donde n : RelaciÓn de d iám etro• . de : Diámetro de inf luencia; o pro x Imada mente Igual a la separació n entre pozas.
FIG 08-2
dw : Diámetro del po z o T : Factor tiempo
_..._....
18
CURVAS DE CONSOLIOACION PARA ABATIMIEtJTO PIEZOMETRICO r·1EOIMJTE BOrlBEO POR GRAVEDAD
Los valores de Cv y mv deben obtenerse mediante pruebas de consolidac i ón unidimensional; para estimaciones de carácter prelimi nar pueden emplearse los valores medios representativos para la formación arcillosa su p e rior dados en la ta bla D8-l.
~:..--
1 '
/
1.4
1.0
V
Cv ~med io) cm /día
3.2
/
~ e---l 1
1
3
1
1 4
5
L/B 2<> ~ · ·o O·)
a) Factor dt formo Ff
mv c m 2 / kg
80
0 . 40
Centro I
120
0 . 25
Centro I I
190
0 . 15
Transición
230
0.1
Lago Virgen
CION
2
TABLA D6- 1 VALORES PROMEDIO REPRESENTATIVOS DE Cv Y mv PARA LA FORMACION ARCILLOSA SUPER I OR Zona
T
AREA OE L ESCINA-
Expansión inicial H /8
La expansión inmediata puede estimarse mediante la siguiente fórmula simp lificada , obtenida a partir de la teoría de la e lasticidad considerando una relación de Poisson v = 0 . 5; así se tiene: (D8-4) donde: presión total al nive l antes de excavar
del
fondo
B
ancho de la excavac i ó n
mue
módulo de expansión elástica medio
b) Focfor de profundidad Fp
FIG 08-3
,., -···· ::: o. 2J'"
FACTORES PARA CALCULAR LA EXPANSION ELASTICA INICIAL >. . e1
El valor de Aei ca l culado deberá estar comprendido dentro de los límites fijados por la Recomendación 2.4 . 5 , de lo contrario será necesar i o disminuir el área de excavación o P'!R-CaJtgaJt el s uel o mediante abatimiento previo del nive l freá ti co .
...
3.3
Asentamiento por recompresión >.r
La magnitud de es te ase ntam i ento está
condi -
130 cionada por el tiempo en que se desarrolle la construcción; por ello , los resultados que se deriven de cualquier procedimiento analítico presentan incertidumbres. Lo anterior conduce a que la mejor manera para determinar A es mediante mediciones de campo en los prim:ros tramos excavados en la línea en estud io. 3. 3
Expansión por absorción de agua Af
Puede estimarse con sufic i e~te aproximación mediante las expresiones de la tabla 08-2; e n esta tabla, mve representa el módulo medio de expansión volumétrica de las arcillas expandib l es bajo el fondo de la excavación. El módulo mve puede obtenerse co n pruebas en edómetro para una descarga efectiva t:.ov = O. 3 kg/cm 2 aplicada a partir de un esfuerzo ver tical efectivo igual al que tenga cada muestra de arcilla en ' su estado natural (ficha FAG- 12).
ratorio . Definición de la subzona lago o de transición de que se trate.
e) Sobrecargas existentes en la superf~cie: su magnitud y posición durante el t~empo de construcción del ·cajón . d) En caso de utilizar un procedimiento de cálculo d is tinto al de esta ficha , se pre sentarán los diagramas de esfuerzos efectivos calcul ados para cada una de las etapas constructi vas, incluy7ndo.redes de fl~ jo y un resumen de l os cr~ter~os de anál~ sis aplicados . e) Expansiones y asentamientos ca l cu lados para cada etapa constructiva : - Asentamiento por bombeo previo - Expansión elástica inicial - Asentamie nto por recompresión
La expansión Ar debe ser menor que el valor l í mite señalado en l a Recomendación 2. 4 . S; de no ser así, se requerirá d i smi nuir la presión de sobrecompensación Ps (ficha FDG-07). 3.S
Limitaciones del procedi miento de cá lculo simplificado
El procedimiento de cálculo presentado en es te i nciso sólo es aplicable a l diseño de l cajón, para las estaciones deberá realizarse un análisis que considere los estados de esfuerzos efectivos asociad os a cada una de las etapas constructivas . 4.
PRESENTACION DE RESULTADOS
El análisis de expansiones y asentamientos se presentará en una memor ia de cálculo , que debe contener la siguiente información: a) Datos del proyecto : localización , dimensiones y geometría de la estructura. b) Datos geotécnicos : estratigrafía de l sitio (resultados de sondeos de cono eléctrico y muestreo selectivo) , posición del nivel freático y resultados de ensayes de laboTABLA D8-2
del
- Expansión a largo plazo por absorción de agua, indicando la presión de sobrecompensac i ón considerada f) Recopilar in formación sobre la consolidación regional que ocurra en la zona . S.
BIBLIOGRAFIA
- Cedergren, H R (1977), "Seepage, drainage and flow nets ", John Wiley & Sons, 2nd edition , USA - Terzagh i, K (196 2 ), "Theoretical Soil Mechanics" , John Wiley & Sons, 10th editi on, USA - Zeevaert , L (1983), "Foundation engineering for difficult subsoil conditions" , Van Nostrand Reinhold co ., 2nd edition , USA - Tschebotarioff, G P (1979), "Foundations , retaining and earth structures" , Me GrawHill Co ., 2nd edition - Little , A N ( 1 961), "Foundations", E London
EXPRESIONES PARA EL CALCULO
Arnold,
DE LA
EXPANSION POR ABSORCION DE AGUA Condiciones Estratigráficas
Zona Lago
Expansión final A f
z ii: 3 B
1.8 mve PsB
z B
1.6 mve Ps 8
=
2
Transición
z :¡ 1
m ve Ps
B Símbolos:
z
espesor de arcillas expandibles bajo el fondo de l a excavación B ancho del cajÓn
mye
PS
Z
módulo de expansión vol umétrica Presión de sobrecompensación
l.
FDG-09 Recomendacione s para el sistema de bombeo por gravedad l.
OBJETIVOS
Describir la práctica actual de instalación de un sistema de bombeo por gra vedad, necesario para abatir el nivel freát i co y así evi tar la falla del fondo de la excavación po r subpresión (ficha FDG- 05) , mantener las expansiones durante la construcción dentro de los límites tolerables (ficha FDG - 08) y controlar el agua li bre para facilitar los trabajos de construcción; en esta f i cha se des cribe: a) la geometría y localización de los pozos, y b) el procedimiento de instalación y los mate riales comúnmente utilizados . 2.
CARACTERISTICAS DEL SISTEMA DE GRAVEDAD
2. 1
Locali zación
~EO
POR CORTE B .O
El sistema de abatimiento es tá formado po r una ser i e de pozos profundos, que deben atravesar el posible estrato de arena que subyace el fondo de la excavación , pene t rando 1 .5 m por debajo del estrato (fig 09 -l) . 2 .2
..
De ntro del ademe se instalan bombas de eyec tor a un a profundidad no menor de 3 m bajo el nivel del fo ndo de la excavac ión, a fin de garantizar un nivel piezométrico abatido mí nimo de l m bajo el fondo; las bombas eyectoras deben tener tubo de inyección de 13 mm de diámetro y salida de 19 mm . En la fig D9- 2 se presenta la instalación de un pozo . 3.
INSTRUMENTACION DE CONTROL
El abatimiento de presión hidráu lica se vigila con piezómetros de tipo abierto y neumático ( fir.has FIC-0 1 a 03), c u yos bulbos se ins ta l an a la mi tad del espesor de cada estrato de arena ; la excavación podrá ini c iar se úni camente c uando se haya alcanzado el abati miento espec ificado.
Muro
.. . · ·:
.
_
..
~=B.O_
Los pozos se perforan con máquina rotatoria, equipada con un a broca del tipo de ale t as, inyectando ag u a como fluido de perfora ción; el d iámetro usual es 25 cm . Una vez alcanza da la profundidad especificada se lava el po zo, hasta que el agua de retorno sa l ga limpia (libre de lodo o arena) .
El espacio anular entre e l ademe y la pared del pozo se rellena con gravilla de tamaños var i ables entre 5 y lO mm, en toda l a longitud del pozo .
'
+-Pozo
Instalación
Posteriormente , en la perforación se coloca e l ademe ranurado , formado por un tubo d e PVC de 7.5 o lO cm de diámetro interior, con ranuras de 1 mm, espaciadas 10 mm en tre sí ; e l tubo puede estar ranurado únicamente e n los 6 m inferiores.
~--
Muro
+ 1
• •
•
Acot en m
PLANTA
FIG D9- 1 LOCALIZACION DE POZOS DE Büi"-ISED
4.
APLICACION
4.1
Casos e n los que no se previo
requiere
bombeo
a) En un sitio cuya i nformac ión estratigráfica demuestre que l a estabilidad general d e la excavac 1on es admisible y que la pre sión debida al peso propio de la arcilla es por lo menos 1 . 2 veces la pres i ó n de poro existente en el estrato permeable más cercano al fondo, se puede concluir que l a excavac ión será estable aun sin apl i car ni ngún sistema de abatimiento previo. b ) En un sitio en que no s e presenten lentes de are na y se demuestre que la estabilidad del fondo y del talud de ataque sean admi sibles, l a excavación se puede realizar sin bombeo previo . 4.2
Casos en l os que se requ i ere previo a l a excavac ión.
el
bombeo
a) En un sitio en e l que no se cump l e la condición de estabilidad del fondo, se pueden seguir dos caminos:
132 Instalación de un pozo +Descor90 Nivel hldrodinóm/co
lnyecdc!n
~
Vólvulo
Ademe
1-A
"*"--Bombo de t)'tCior
CORTE A-A
(Ver detalle)
FIG D9-2
DETALLE DE LA BOMBA DE EYECTOR
CARACTERISTICAS DE LA HJSTALACION DE UN POZO DE BOMBEO
- Modificar la geometr1a de la y/o
excavación
- Abatir previamente las presiones de poro en la masa de arcilla como una forma de evitar la pérdida parcial de su resi s tencia al corte por efecto de la expansión acompañada de la absorción de agua.
Cuando e.l bombeo pOli. gJta.ve.dad no óe.a e.ó.(.ue.n-te. paJta.. aba.tút lM plte.ú.onu de. pollo, podlu1 lte.que.JUMe. e.l e.m-
ple.o de. bombeo e.le.cM.oóm6Uco ( ó.(.c.lta. FVG-1 O) . b) En un sitio en el que existan uno o m~s estratos permeables que requieran del abatimiento de la presión de poro para evitar la falla por subpresión, puede recurrirse al empleo de pozos de alivio o bombeo por grave d ad. Al 6.(.na.l de. la. c.onó.tltuc.u6n loó pozoó
de. alivio o de. bombeo de.be.n óella.!tóe., v~ndo que. no queden dlte.nu c.one.cta.doó a.l in-te.Jtiolt de.l c.a.j 6n.
FDG-1 O Estabilización de excavaciones con abatimiento electrosmótico l.
OBJETIVO
Describir los criterios de diseño, operación y control de sistemas de abatimiento del nivel piezométrico con el auxilio de electrósmosis, en casos de estabilidad critica de las excavaciones para el cajón del Metro en las arcillas blandas de la zona del lago. 2.
PRINCIPIOS EN QUE SE BASA EL SISTEMA
La aplicación de un potencial eléctrico
con-
tinuo a una masa de arcilla blanda y saturada, en conjunto con un sistema de bombeo a base de pozos profundos, acelera el flujo del agu¿ del s uelo hacia los pozos y con ello se acorta considerablemente el tiempo necesario para alcanzar el abatimiento de la presión en el agua de la arcilla, previamente al inicio de la excavación. El abatimiento electrosmótico previo en la masa de arcilla los siguientes favorables:
produce efectos
133
- Elimina las fuerz as d e fi ltra ción a scendeutes que contribuyen impo rtant e me n t e a la expansión del f ond o , la cual se produce cuando se emplea n s istemas tradicio nales d e achique de las filtra c ion e s, bombe ando desde el interior de la excavac ión
1---
--
B --~~ l+l
Evita la di s minució n de la r e si s t e ncia al corte de las arcillas produc ida por la ab sorción de agua que a compaña a la expansión del fondo de la excavación. Al eliminar o redu c ir la presión inicial en el agua de los poros de l s u e l o antes de e x cavar, aumentan los esfuerzos efectivos y con ellos l a resistencia al corte, lo que mejora las condicione s de estabilidad del fondo y de los taludes de la excavac ión
T
r~/.~~~~~~~~~~ '-------Borro ánodo
Estos tres efectos simultáneos se suman y hacen posible efectuar excavaciones seguras en condiciones de suelos que resultarian inestables si se excavaran con métodos c onvencionales. 3.
CORTE
A ·A
DISEÑO DEL SISTEMA
El diseño tiene por objeto definir: - Distribución y profundidad de instalación de los pozos cátodo y de los ánodos en la planta de la excavación
..··.
• 1..,.,___4'-'-.o=---~..¡\..Piezómetro neumóti/
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..
Muro
- Profundidad de los pozos-cátodo
PLANTA
- Profundidad de abatimiento - Gradiente de potencial eléctrico
Acotaciones, en m.
FIG 010-1 LOCALI ZACION DE POZOS CATODO Y BARRAS ANODO
- Tiempo de bombeo previo a la excavación - Instrumentación de control de la excavación y de operación del sistema
3.3
3.1
El gradiente de potencial medio ie se por la expresión:
Distribución· y profundidad de ción de pozos cátodo y ánodos
instala-
Gradiente de potencial eléctrico
V
La distribución de electrodos, en planta, para un cajón tipo se muestra en la fig Dl0-1. 3.2
deberá
(Dl0-1) donde YHe Yw
(Di0-1)
.e. donde
Profundidad de abatimiento
El abatimiento del nivel freático ha se:..
define
esfuerzos totales inciales al nivel máximo de excavación
V
diferencia de potencial aplicada entre los electrodos, en volts
l.
distancia entre ánodos en cm
y
cátodos,
Los mejores resultados en las arcillas del Valle de México se obtienen con gradientes comprendidos entre 0 . 15 y 0.2 volts/cm . 3.4
Tiempo de bombeo
peso volumétrico del agua
En la mayor!a de los casos, esto se logra colocando las bombas eyectoras a una profundidad ha + 3 m, como muestra la fig 010-1.
El tiempo de operación del sistema es función: a) de la velpcidad de abatimiento alcanzada y de la profundidad de abatimiento total; b) del programa de colados y colocación del relleno. Com~nmente se requieren de 5 a 10 d!as de tratamiento previo a la excavación
134
obtener el abatimiento deseado, asf como
p~~: 7 dfas después de coladas las losas de ~ondo techo, antes de suspender e l ~om~eo.
y · estos tiempos es necesar~o ~nsPara prec~sar . ) 1 talar piezómetros neumát~cos (~IC-0 3 e~ os 't rcillosos con el f~n de med~r las depÓ s~ os a ' ·6 d velocidades de abatimiento y recuperac~ n e presiones de poro.
3 .s
Instrumentación
a) control de la excav~c~ón. se.requieren bancos de nive l superf~c~ales (f~cha FIC05) bancos profundos colocados 1 m bajo el fondo de la excavación (ficha FIC-06) y piezómetros neumáticos (ficha FIC-03), con una distribución semejante a la mostrada en la fig Dl0-1.
Angula
b) control de la operación del sistema. Se requieren las siguientes mediciones de control:
$:>!el' O
A~
- Voltaje e intensidad de corriente - Presión de inyección del sistema de bombas eyectoras
ronurodo
BonlbO ese eyectOf
- Gasto total extraido - Lecturas piezométricas Los resultados de las mediciones se presentarán en gráficas que se mantendrán actualizadas al dia, para su oportuna interpretación y análisis . 4.
INSTALACION Y OPERACION DEL SISTEMA
Ademe ranurado Solero
TuberÍa de inyección Tubet'Ío de descargo Filtro
La instalación de un sistema e lectrosmótico para abatir la presión del agua de los poros en arcillas se realizará como se muestra en la fig Dl0-1 . Los electrodos negativos (pozos-cátodo) se instalan en perforaciones de 25 cm de diámetro, llevadas hasta una profundidad de 4 m bajo el nivel de abatimiento especificado; los pozos se perforan de la misma manera que en un' sistema de bombeo por gravedad (ficha FDG09). Dentro de cada pozo se ins tala el electrodo, formado por un tubo ranurado de acero negro cédula 40, de 10 cm de diámetro, envuelto en dos capas de malla de mosquitero o una de geotextil ( fig Dl0-2). El tubo va provisto de tres ángulos de 1" x 1" x 3/16", soldados mediante soleras de 1 l/2" x 1/4", espaciadas a cada 50 cm a lo largo del tubo; estos ángulos proporcionan el contacto eléctrico con la pared del pozo, como muestra la sección transversal de la fig Dl0-2.
CORTE
A-A +Descargo Nivel llidrO
~
VÓlVUlO
Dentro del tubo ranurado se instala una bomba eyectora que abate el nivel del agua en el pozo hasta una profundidad de 3 m bajo el nivel de abatimiP.nto minimo especificado . BOMBA DE EYECTOR
Intercalados entre los pozos-cátodo se instalan los ánodos (fig Dl0-1); estos electrodos positivos son varillas de acero, corrugadas o lisas, de 3/4" de diámetro, hincadas hasta la misma profundidad que los pozos-cátodo.
FIG Dl0-2· CARACTERISTICAS DE LA INSTALACION DE UN POZO DE BOMBEO ELECTROSMOTICO
135
Las barras para los ánodos deben protegerse con pintura epóxica en los tramos que estarán e n con t ac to con cap as d e arena , para evitar su corrosión electrolfti ca y prolongar su duración si n perder el bÚen co ntacto eléctrico co n el sue l o. Las bombas eyectoras se pondrán en funcionamiento al mismo t iempo que se conectan l os electrodos a la fuente d e corriente continua , teniendo espec ial precaución de verificar l a correcta polaridad (los po~os a la terminal negativa y las barras a la positiva ); el potencial eléctr ico V d eberá
c uen7ia b no deseables. Estos movimi entos son part~7ularmente criticas cuando el fac tor de s7g~r~dad es . 1. 25 o menor , pues en tale _ d~c~ones se ~ncrementa el ri esgo de fal~ con ne ral de la excavación, se dificulta el ~ai:: do d7 la l~sa del fondo y se generan daños de cons~derac~ón a estructuras ;n s t a 1 ac~ones · 0 4 • • mun~c~pales cercanas, Es en estos ca · . sos cuand o 1 a esta b ~· 1 ~zac~ón electrosmótica resu 1 ta . . necesar~a y ventaJosa en la ejecución d 1 obra. e a 6.
generar un gradiente e l 6ctrico me dio ic., de 0 . 15 a 0.20 vo lts/cm. La velocidad de abatimi ento del n i vel freático se verificará mediante p i ezómetros neumáticos; no se deberá comenzar a excavar antes de alcanzar e l nivel de abatimiento mfnimo especificado. 5.
APLICACION
BIBLIOGRAFIA
- Casagrande, Leo (19.52), "Electro-osmotic stabilization of soils", Journal Bastan Soc . of Civ. Eng; January, USA - Tamez E y Flamand C (1963), "Electrósmosis aplicada a la construc ción", Solum, s . A.; Publ . interna No. 5
La experiencia en la ejecución de excavaciones profundas en las arcil las del Val l e de México ha demostrado que , cuando e l factor de seguridad contra falla general del fo ndo (FS) f es menor de 1.5¡ la magnitud de los movimientos de expansión del f ondo y de l os asentamientos superficiales comienzan a tener cans e -
Luis Castillo E y Lagartigue G (19 63) "Trat ami ento electrosmótico de los edifi~ios de la Tesorerfa de la Nación y Tratamiento Electrosmótico para la excavación de la c i mentación del edificio insignia de l conjunt o urbano Nonoalco-Tlatelolco", Solum, S.A.; Publ. interna No . 7, México
FDG- 1 1 Programa de instrumentación l.
OBJETIVO
Observar e l c omportamiento de l a masa de suelo en la que se excavó un cierto tramo del ca j ón d el Metro , a través de la determinación de : a) la evolución con el tiempo de las deformaciones verticales y horizonta l es , en los puntos más r epr esentati vos de esa masa de suelo , y b ) l a var i ac ión con e l tiempo de la presión de poro en los estratos más significat i vos , para estimar la evolución de l os e sf ue rzos efectivos de la masa de s uelo, conforme a l progreso de la con s truc c ión. 2.
ALCANCE
La instrumentación del sue lo que rodea al cajón del Metro sirve pa r a: a) verificar que l a co nstruc c ión se real i ce dentro de l a seguridad proye ctada , as! como para adve rtir e l desarro l lo de condiciones de inestabilidad , y b) obtener información básica del comportamiento del sue l o , que comparado con e l previsto en el diseño , permi ta concluir sobre la confi ab ilidad del diseño, detectar errores y fundamentar modificaciones en los análisis y en la construcción. 3.
DISE~O
DE LA INSTRUMENTACION
La instrumentación se debe diseñar siguiendo un proceso racional integrado por los siguien -
tes aspectos: a ) Definir con detalle qu6 objetivos precisos se pretenden ac larar y qué var i ables se . deben medir. b) Hacer una evaluación previ a del orden de magnitud que alcanzan las variabl es por medi r ; para ello , s e hará un aná li sis preliminar del problema. e ) Elegir cuidadosamente los instrumentos que se utilizan, comprobando que su precisión sea significativamente menor que l a magn i tud de las variables q ue se medirán . Los instrumentos más aplicables para el cajón de Metro se anotan e n la tabla Dl0-1, jun to con su precisión ; l a ins t alación de otro tipo de instrumento d ebe quedar sujeta a q ue se justifiqu e s u utilidad. d) El número de instrumentos q ue conviene ins talar se describe más adelante . 4.
RECOMENDACIONES
4 .1
Número de instrumentos
Las caracterfsticas del subsuelo y de la estruc tura son los factores fundamentales pa r a la definición del número de instrumentos; es ~o nven iente admitir q ue este número sea redu-
136
TABLA Dll-1
INSTRUMENTO
PRECISION DE LOS INSTRUMENTOS
COMENTARIOS SOBRE LA PRECISION
PRECISION
Testigo superficial
2mm
Se alcanza sólo cuando se rea-
Testigo en muros
2 mm
lizan las nivelaciones
con el
equipo adecuado y personal entrenado Bancos de nivel profundos
2 mm
Se alcanza cuando la
instala-
ción es muy cuidadosa Piezómetros abiertos
2 cm
Se logra utilizando una
sonda
adecuada Piezómetros neumáticos
10 cm
Se alcanza utilizando un manómetro diferencial de mercurio
Inclinómetros
0.5 a 0.15 cm
Puede no alcanzarse cuando
la
tuberia del inclinómetro no se adapte a las deformaciones del suelo
A. TESTIGOS SUPERFICIALES
cido, no solo por su costo , sino también porque el exceso de instrumentos resulta conflictivo para la construcción¡ el exceso de instrumentos conduce a información repetida y a veces irrelevante. A continuación se hacen recomendaciones generales sobre la definición del número de instrumentos.
Re6Vtettc.AA.-6 SupeJt6-(.cúttu (FIC-05). Estos dispositivos son de gran utilidad, económicos y casi no interfieren durante la construcción; en la tabla Dll-2 se propone un criterio para definir el número que debe instalarse . P.iezóme.tto
Zona
No . de lineas de colimación
*separación entre testigos , en m
Lago
2 a 4
10
Transición baja
2 a 4
10
Transición a l ta
2
20
Lomas
2
50
*En los casos de edificios cercanos importan-! tes, se instalarán tres testl.gos adicionales, 1 distribuidos en la longitud del lado paralelo a la excavación, o bien a cada lO m
8anco6 de túvel p11.06wtd06 (FIC-06). Estos dispositivios se instalarán a lo largo de la linea con separación de 2 a 3 km. 1nclin6mUJW6 (FIC-08). La utilización de estos aparatos debe estar justificada técnicamente . · - ·· - - -·· - 1·· ~ ~;A,., nrPliminar de laS deformaciones horizontales que podrlan presentarse; esto tambié.'"l es indispensable para seleccionar el tipo de inclinómetro que se requiere para cada caso particular , buscando que la precisión sea significativamente menor que la magnitud de la deformación horizontal que se desarrollará. Las mediciones con inclinóme-
B.
TESTIGOS EN MUROS
------ ----daños; el númer~ ~
- -
-
·_
....
__ ...,. __
que puedan sufrir minimo será de tres en cada muro y la separación máxima será de 10 m
0
TABLA D11-2
NUMERO DE REFERENCIAS SUPERFICIALES
137
tros pueden estar afectadas por errores del sistema electrónico de med i ción y porque la tubería vert i ca l tenga problemas de interacció n con el s ue lo q ue la circunda . 4 .2
I n sta lac ión y mediciones
sug~ere
5.
también la frecuencia de las mediciones .
COHENTA RI O
~entación debe ser constan teme nte exami nada e
~ nterpretada , para asegu rar se q ue se obtiene con el la l a utilidad que se consider ó inicia _l mente .
NUHERO DE ESTACIONES PIEZOHETRICAS EXPLORACION (1)
LAGO
1 E en cad a es tación del Hetro
CONSTRUCCION ( 2) 2 a 3 E en cada e stación 1 E a cada 150 m de l ínea
z
TRANSICION BAJA
1 E en cada estac i ón
2 E en cada estac ión 1 E a c ada 200 m de línea
o :>J
TRANSICION ALTA
l P en cada estación
1 P a cada 200 m
LmlAS
Só l o s i hay acuíferos
sólo si hay acuíferos
E:
Es tación piezométrica con tres a cuatro celdas de medición
P:
Es taci ón piezométrica con una sola celda de medición
Notas:
( 1) Preferentemente se instalarán piezómetros abiertos hincados FIC-02 e n la s capas permeables; s i no las hay , se instalarán piezómetros neumáticos (de membrana) ( 2 ) En s itios donde se req uiere controlar la subpresión en estratos pe rmeab les, se podrán utili za r piezómetros abiertos ; en sitio s donde se requiere abatir la presión de poro se instalarán p i ezóme tros neumá ticos.
TABLA Dll-4 TIPO DE INCLINONETRO
CARACTERISTICAS DE LOS INCLINOHETROS CARACTE RISTI CAS
PRECISION OPTIMA DE LA CELDA 1 EN 20 m
CONVENCIONAL
sonda de medi c ión des lizante inst r umentada con potenciómetros o deformímetros eléctr i c os
5.0 mm
DE PRECISION
Sonda de medición deslizante instrumentada con acelerómet ro s
2.0 mm
IN SITU ( 2)
Sonda de medic ión en serie, instaladas permanentemente en una perforación
0.5 mm
NOTAS:
se
La información que se recop ile co n la instru-
Los instrumentos y dispositivos de medición se deber. instalar siguiendo las recomendaciones prec isa s que se describen en l as fichas
TABLA Dl l- 3
téc~icas FIC - 01 a 09 , en las que
ll El er r o r común probable es de dos a tres veces la precisión
r
...
.
.·
. .
..
. C: RECOMENDACIONES GEO·T ECNICAS . • REQUISITOS QUE DEBERAN CUM.PLIR LOS ESTUDIOS GEOTECNICOS . ·
..
1
•
.
.
C: RECOMENDACIONES GEOTECNICAS
1 . ANTECEDENTES Información básica. La información técnica que COVITUR debe proporcionar al proyectista de Ingeniería Civil de una cierta línea del Metro debe incluir: alternativas de ubicación de la lÍnea, soluciones estructurales admisibles , perfil preliminar de operación , ubicación de estaciones, procedimientos de construcción factibles , información geotécnica disponible y comentarios sobre el com portamiento de lÍneas en condiciones similares . Estudio geotécnico . El proyectista planeará el estudio geotécnico apoyándose en la infor mación básica y en e l conocimiento que se tiene de las características del subsuelo en la Ciudad de México . La secuencia ordenada de las etapas de trabajo que se deben seguir en un estudio geotécnico se presenta en la fig C-1. Esencialmente consiste en adoptar e l criterio c l ásico de la mecánica de suelos : pr imero se realiza la exploración del sitio para conocer con detalle la estrat i grafía y estimar las propiedades mecánicas de los suelos ¡ con esta información se puede hacer el análisis geo técnico p r eliminar de las alternativas posibles , que a su vez permite definir los aspec tos más significativos de cada so lu ción considerada . Tomando esta nueva información como base, se p u eden identificar los obje tivos de las mediciones piezométricas, del muestreo inalterado y de las pruebas de laboratorio necesarias para efectuar el diseño geotécnico definitivo . Adicionalmente se observa el comportamiento de las estructuras ya construidas, para validar o modificar los criterios de diseño .
2. ZONA DEL LAGO 2. 1
EXPLORACION GEOTECNICA
2.1 .1 Campaña de exp l oración Objetivos . Determinar con precisión la es tratigrafía a lo largo del proyecto de la línea del Metro , conocer las condiciones de presión del agua del subsue l o y obtener una estimación prelimi nar de las propiedades me cánicas de los suelos . Esta informaciÓn hace factible el análisis geotécnico preliminar
del problema, lo que a su vez permite fundamentar los objetivos y alcances de la etapa de muestreo ina lte r ado posterior. Técnicas apli cables. La exploración se debe iniciar con el reconocimiento de la línea, para programar los sondeos con cono e léc tri co (ficha FEG.-05) d e 2 t on de c a pacidad que es la herram1enta que facilita la exploración en l os suelos del lago , porque permite defi nir con precisión la estratigraf í a del sitio basándose en la resiste ncia de pun ta q : , ' e' ademas, s u notable eficiencia reduce significativamente el tiempo de ejecución en comparaciÓn con las técnicas tradicionales . La grá fica de variación de resistencia de punta, qc, con la profundidad , hace factibl e racionalizar la etapa de muestreo inalterado (fichas FAG-0 1 y FAG-02) con un criterio selec tivo y precisar el programa de pru ebas de laboratorio . Programa de sondeos . El número y profundidad de los sondeos serán de acuerdo con l a tab la C-2 . 1 . Información complementaria . Un aspecto de la exploraciÓn consistirá en recopilar t oda la información que afecte a l diseño, construcciÓn y comportamiento de la estructura, como son: a) pozos de extracciÓn de agua, b ) tipos de cimentaciones y características de las estructuras vecinas al trazo de l a l Í nea , y e) restos de cime n tac i ones antiguas . Una téc ni ca alterna es la penetración están dar, complementada con numerosas determinaciones del contenido de ag ua y de los l Í mites de consiste ncia de las muestras recuper adas, fic has FEG- 07 , FAG - 05 a FAG-07 . Esta técnica al t er na es poco recomendable debido a su l en titud y elevado costo. Las condiciones d e presión del agua se deter mi na n de manera confiable con piezómetros abiertos ( fichas FIC-01 y 02), localizados en los estratos pe r meables ¡ los piezómetros neumáticos ( FIC- 03) tienen como limitante que s u instalación y operación es compleja . 2 . 1 . 2 Condiciones~estratigráficas Objetivo . La información de los sondeos de exploración debe serv i r para definir los es-
140
1 EXPLORACION
1
DISE~O
MUESTREO INALTERADO SELECTIVO PRUEBAS DE LABORATORIO
de la estratigrafía y estimación de las propiedades mecánicas de l os sue los
10
Selección de las alternativas posibles
DE LA ESTRUCTURA
o Jo
De finir las características de la estructura y dar recomendaci enes de construcción
Verificar hipótesis y/o modificar los criterios de diseño
ETAPAS DE UN ESTUDIO GEOTECNICO
NUMERO Y PROFUNDIDAD DE LOS SONDEOS DE EXPLORACION EN LA ZONA DEL LAGO NGmero mínimo de
a S O
A lo largo de la línea
Profundidad
~ondeos
Un sondeo principal a cada 500 m. Donde se justifique, se harán in- ' termedios de verificación
En sondeos principales, cuatro veces el ancho del cajón** En sondeos intermedios de verificación, dos y media veces el ancho del cajón**
Cruce con antiguos canales
1
En cada estación
1
Próximo a est ructuras portantes*
Conocer e l estado de esfuerzos del subsuelo
PIEZOMETRIA
GEOTECNICO DEFINITIVO J
FIG C-1 .
e
Conoc~m~e nto
Conocer las propiedades mecánicas del suelo
[~'JMPORTAMIENTO
TABLA C2-l.
o
GEOTECNICO PRELIMINAR
o
l DISE~O
GEOTECNICAJ
im-
Cruce con otras lineas del Metro.
Hasta donde la estructura del Metro modifique significativamente el estado de esfuerzos en el subsuelo
1 a 2 1
* Edificios, drenajes y líneas de alta tensión ** O hasta encontrar la primera capa dura, si esta profundidad es menor
J
141
tratos característicos de los suelos de la Zona del ~ago y sus espesores (ver Capítulo de Antb~edentes GeolÓgicos)¡ además , se debe obtener en forma aproximada la resistencia al corte y deformabilidad de los suelos . Técnicas aplicables. La interpretación gráfica de la estratigrafía definida con penetrómetros se ejemplifica en las fichas FEG-05 a 07 . 2.2
DISENO GEOTECNICO PRELIMINAR
2.2.1 Definición del problema Con la información de la exploración geotécn ica , tanto de la estratigrafía como de la determinación indirecta de las propiedades mecánicas de los suelos, se efectuará un aná f¡~¡~ p~efimina~ de soluciones factibles , considerando los siguientes aspectos: a) estabilidad general de la excavación , b) empujes horizontales sobre los muros, e) estimación de expansiones o asentamientos, y d) definición de la neces idad de abatimiento del nivel fr eático durante la construcciÓn y valor admisible de las subpresiones . La importancia de este análisis radica en que facilita la comprensión del problema , define la importancia de la costra dura y de los suelos blandos que la subyacen , y precisa qué información geotécnica de detalle se debe obtener . Las conclusiones respectivas deben fundamentar y detallar: a) el programa de sondeos inalterados de tipo selectivo , b) las técnicas de muestreo inalterado que deberán seguirse, e) el programa de instalación de estaciones piezométricas, incluyendo la selección del tipo de celdas más adecuadas, y d) el programa preliminar de trabajos de laboratorio . 2.2.2 Soluciones factibles Las características estructurales del Metro necesitan ser concordantes con la estratigrafí a y propiedades de los suelos. Los dos tipos principales de estructuras que podrán adoptarse son : el cajÓn con muros milán y el cajón con tablaestaca hincada. Ambas son adecuadas para los suelos blandos del lago, particularmente en los sitios donde existan estructuras vecinas cercanas . 2.3
Técnicas apl \c~bles . La posición del nivel del agua. Jrea~l.ca se determina con tubos de observac1.on (fl.cha F.IC.-04) localizados dentro de la costra superf1.c1.al, las condiciones de presión en el agua del suelo se obtienen confiablemente con piezómetros abiertos (fichas FIC-01 y 02), instalados en los es tratos permeables. Los piezómetros neumá ticos (FIC-03) tienen como limitante lo complejo de su instalación y operación; sin embargo , son los Únicos que operan confiab leme nte en estratos arcillosos . 2.3 . 2 Muestreo inalterado Objetivo . Recuperar muestras de suelo con un mÍnimo de distorsión en el acomodo estructural de sus partículas, para realizar posteriormente pruebas confiables de resistencia y deformabilidad en el laboratorio. Programa de actividades. Con la información estratigráfica obtenida en la etapa de explo ración geotécnica (inciso 2.1), el ingeniero diseñador definirá el p~og~ama de mue~t~eo ~efectivo , donde especificará claramente el número y profundidad de los sondeos , profundidad de cada una de las muestras selectivas a obtener, así como el tipo de muestreador más adecuado para cada estrato. Al formular el programa se tomará en cuenta que en todas las muestras deberán realizarse pruebas de resistencia y compresibilidad; por tanto, no se obtendrán muestras que no se requieran para ese propÓsito . El avance de la perforación sin muestreo se aclara en las fichas FEG-08 y 10. Técnicas aplicables. El muestreo de las arcillas blandas cuya resistencia por punta con cono eléctrico, qc, sea menor de 20 kg/cm 2 se realizará con tubo shelby de 10 cm de diámetro mínimo (ficha FAG-01); en arcillas con qc > 20 kg/ cm 2 y en len tes duras se utilizará el tubo dentado de 10 cm de diámetro (ficha FAG-02). En la costra superficial, el Único procedimiento de muestreo inalterado confiable es el labrado de muestras cúbicas en pozos a cielo abierto (FEG - 04); en algunos ca sos, podrá intentarse el empleo de barriles muestreadores de rotaciÓn y de diámetro grande (mayor de 20 cm).
INFORMACION GEOTECNICA DE DETALLE
2 . 3;1 Instrumentación de exploración
'
la profundidad m1.n1.ma de instrumentación en cada caso se define en la tabla e 2-2 .
Y
Objetivo. La instrumentación para la etapa de proyecto se enfocará a determin~r de manera precisa las condiciones piezometricas del subsuelo, con el fin de conocer la distribución de esfuerzos •efectivos con la profundi dad, necesaria para el diseño geotécnico de finitivo . Programa de actividades. Se instalarán estaciones piezométricas compuestas de un tubo de observación del nivel freático , y un mÍnimo de tres piezómetros; el número de celdas
2.3.3 Pruebas de laboratorio Objetivo . Obtener los parámetros de resis tencia al corte y los módulos de deformación en muestras inalteradas, necesarios para el diseño geotécnico definitivo . Programa de actividades . El ingeniero diseñador definirá el programa de pruebas mecánicas a realizar en todas las muestras obtenidas; en cada caso se especificará claramente el procedimiento de~ensaye (presiones confinantes , secuencia de aplicación y magnitud de incrementos de carga) , en función de las características del proyecto , condiciones es-
142 TABLA C2-2.
NUMERO y PROFUNDIDAD DE INSTRUMENTOS DE LAS ESTACIONES PIEZOMETRICAS EN LA ZONA DEL LAGO
NG.mero minimo de estaciones
caso
A lo largo de la linea
Una en cada Estación de la linea. Donde se requiera se instalarán estaciones piezom~tricas de verificación
cruce con antiguos canales Próximo a estructuras importantes**
•
Profundidad de instrumentación
piezom~tricas
Se instalarán piezómetros hasta una profundidad igual a cuatro veces el ancho del cajón*
Hasta Metro mente en el
1
1
donde la estructura del modifique significativael estado de esfuerzos subsuelo
El tipo de piezómetros y profundidad de instalación se definirán despu~s de haber realizado los sondeos de exploración, como se recomienda en las fichas FIC-01 a 03
•• Edificios , drenajes y lineas de alta tensión
tra tigráf icas y piezométr"icas , así como de la c alidad de las muestras (que se presenta en la tabla D2-2 del CapÍtulo Supervisión de los Trabajos de Laboratorio. Técnicas aplicables. En las fi chas FAG-08 a 11 se resumen los procedimientos de prueba de mayor aplicaciÓn ; la e jecuc ión de o tro tipo de pruebas no convencionales, por ejemplo pruebas dinámicas, requerirán de una justificac ión técnica. 2.4
DISE~O
GEOTECNICO DEFINITIVO
2.4 .1 Perfiles y cortes geo técnicos Objetivo. Elaborar un corte geotécnico a lo largo del tramo e n estudio; integrado por todos los perfiles geotécnicos de los sondeos rea li zados , donde se resuma: a) la clasificación de los suelos, b) e l tipo de muestreadores y las profundidades en que se emplearon, e) los resultados de los sondeos con cono eléc~rico , d) las propiedades me cánicas, indicando la profundidad de la muestra y el tipo de prueba , y e ) las condiciones piezométricas. Co n base en esta información deberá presentarse una interpretación estratigráfica, señalando claramente las fronteras entre los estratos característi cos . Es indispensable contar con este corte g eotécnico para realizar el diseño d efi nitivo del tipo de cajón más adecuado (F DG-01 ). 2.4.2 Empujes horizontales Objetivo. Determinar la distribución de empujes sobre el muro ·de contención durante la construcción y funcionamiento de la estructura en cajón, ide ntificando claramente las condiciones de trabajo más. crÍticas en cada etapa de la vida Útil del cajón .
Datos para análisis. Se considerarán los siguientes factores: a) la estratigrafía y propiedades mecánicas de los sue los, b) la solución estructural, e) la distribución y magnitud de sobrecargas en la superficie, y d) el procedimiento constructivo más conveniente . Técnicas aplicables. Durante l a construcción puede estimarse l a distribución de e mpujes con la soluciÓn de Rankine, modi ficad a de acuerdo con el crite rio desarrollado por Peck para t omar en cuenta l a presencia de más de un estrato ; por otra parte , las presiones sobre el muro a largo plazo corresponderán al estado de reposo del sue lo. La experiencia en la Ciudad de México se resume en la ficha FDG-02 para las zonas del lago y de transición. 2.4.3 Estabilidad de la excavaciÓn Objetivo. Estimar los factores de seguridad contra l a fal l a de la excavación e n las distintas etapas de la construcción, considerando los siguientes mecanismos de fall a : a) ge nera l de fondo, b) por subpresión1 e) por empotramiento del muro de conten c i on , y d) del talud de avance o cabecero. Con estos análi- . sis se definirá la longitud de cada uno de l os tramos del muro, la secuencia de e xcavación y el número de niveles de troquelamiento. Factores de seguridad permisibles . Los valores minimos permisibles para cada mecanismo de falla se presentan en la tabla C2 -3. Datos para análisis . Además de lo indicado en 2.4.1, deberá contarse con información piezométrica detallada del sitio y con un diseño estructural preliminar del muro de contención.
J
,
143
TABLA C2-3.
FACTORES DE SEGURIDAD MINIMOS CONTRA FALLA DE LA EXCAVACION ZONAS DEL LAGO Y TRANSICION BAJA
Factores de seguridad minimos (FS)
Hecanismo de f
;:
1.7
Cuando existan edificios susceptibles de sufrir daños por asentamientos , en una distancia igual al ancho de, l a excavación
(FS ) f
<:
1. 5
En los otros casos
b) Falla del fondo por subpresión
(FS) 5
;:
1.3
e) Falla por empotramiento del muro de contención
(FS)P
~
1.5
d) Falla del talud de a vance o cabecero
(FS) t
;:
1.5
Si el ciclo de excavación-colado l osa es menor de 48 horas.
de
(FS)t <:
1.7
S i e l ciclo de excavación-colado mayor de 48 horas.
es
::
1. 3
anlUisis de estabilidad se Si en e l considera la pérdida gradual de resistencia de las arcil l as con el t i empo y el efecto tridimensional (la cohesi6n a utilizar en los análisis valdrá e ' = 0.8 e ) •
a l Falla genera l de fondo
(FS)
(FS)t
Técnicas aplicab l es . En los análisis de es tabilidad deberá conside rarse el efecto tridimensional q u e se genera al excavar eñ tramos de pequeña y mediana longitud; en la ficha FOG - 05 se r esume n los cr iterios de análisis aplicables a las zonas del lago y de transición y en l as FDG-08 y 09 l as recomendaciones más significativas que deben considerarse para la aplicac ión de un s i stema de bombeo por gravedad o electrosmótico (ver i n ciso 2.5.3), en especia l en aquellos casos en los que la subpresión e n estratos de arena o la baja resistencia a l corte de las arcillas produzca factores de seguridad por fal l a de f ondo menores q u e los recomendados e n la tabla e 2-3. 2 . 4 . 4 Análisis de la la f lo ta ción
sobrecompensación y de
Objetivo. Determinar las presiones de sobrecompensación y de flota ción que actuarán durante l a vida Útil del cajÓn , para verificar que las expansiones en la superficie a largo plazo no afecten e l funcionamiento de l a LÍnea ni e l de las instalaciones vecinas. Valores admisibles . La presión de sobrecomp en sacion en cajones de dos o tres vías no deberá exceder los lÍmites de la tabla C 2-4. En todos los casos se verificará que la magni tud de la expa n sión a largo plazo no exceda
) 1 (
TABLA C2 -4.
VALORES ADMISI BLES DE LA PRES I ON DE SOBRECOMPENSACION, P5
Subzona
2 Ps máx , en t/m
Lago Vi rge n
1. 5
Lago Centro I
2.0
Lago Centro I I
2.5
los lÍmites señalados e n el párrafo 2. 4. 5. Asimismo, debe revisarse que la presión hidrostática al nivel del fondo de la excavación, no exceda del 70% de la presión media tran s mitida por el peso de la estructura y rellenos a ese mismo nivel . Datos para análisis . Además de lo indicado en 2 .4.1, se requiere informaci ón piezomét rica detallada del sitio . Técnicas aplicables. El procedimi ento de dilculo se basa en la determinación de los esfuezos verticales y de la presión de poro al n ivel de l fondo del cajÓn ( ficha FDG-05) , as í como en la estimación precisa de la mag nitud de cargas permanentes , tales como e l peso del cajón , plantilla , balasto y relle nos .
144 2.4 . 5 Análisis de expansiones y asentamientos Objetivo . Estimar las expansiones y asentamientos de cada una de las et.apas, c<;>nstructivas del cajÓn durante su v1.da ut1.l i en el cálculo se analizarán las siguientes defor~a ciones: a) el asentamiento por bombeo prev1.o, b) la expansión inicial a s ociada a la e~~ava ciÓn e) el asentamiento por recuperac1.on de las 'expansiones ocurridas . ,dura~te la c<;>nstrucción, y d) la expans1.on d1.ferida f1.nal asociada a la absorcion de agua por la arcilla (fig D8-1 de la ficha FDG-08). valores admisibles. En cada caso particular se verificara que las expansiones y los asentamientos no dañen las instalaciones existentes ni afecten el funcionamiento posterior de la lÍnea; usualmente , esto se logra cuando la expansiÓn inicial y la diferida son aproximadamente iguales entre sí y no exceden de 20 cm. Datos para análisis. Iguales a los del inciso 2 . 3.3 cuidando la precisión en la determinación de los mÓdulos de deformación inmediata y de expansión diferida por absorción de agua . Técnicas aplicables . En la ficha FDG- 08 se presenta un procedimiento simplificado de cálculo basado en la experiencia actual du rante la construcción del Metro. Para el análisis de tramos de línea cercanos a es tructuras susceptibles de daño, así como para el diseño de Estacione s , se utilizará un procedimiento de cálculo riguroso , apoyado en el análisis del estado de esfuerzos en el suelo, asociado a cada una de las etapas de construcción. 2.5
RECOMENDACIONES PARA CONSTRUCCION
El informe geotécnico debe contener recomendaciones especÍficas relativas al proceso de construcción, basadas en los análisis de empujes laterales , de estabilidad de taludes y del fondo de la excavación, así como en la definición de la necesidad de abatimiento del nivel piezométrico previo a la excavación . Estas recomendaciones deberán cubrir , princi palmente, los siguientes aspectos .
(ficha FDG- 11) . Deberá también considerarse la conveniencia de medir las cargas en los troqueles. 2 . 5.3 Abatimiento del nivel freático En la zona del lago , con nive l freático cer cano a la superficie , una vez verificada la necesidad de bombeo , se elaborarán especificaciones para las instalaciones de abatimiento del nivel piezométrico previo a ~a excavación, incluyendo : definición del tipo de bombeo (por gravedad o electrosmótico), distr i bución y profund i dad de pozos de b ombeo o electrodos, profundidad de las bombas y del abatimiento mÍnimo entre pozos (fichas FDG-09 y 1 O), el tiempo mínimo de bombeo antes de iniciar la excavación ; así como procedimientos para la perforación y limpieza de los pozos y colocación de filtros y ademes y las especificaciones relativas al tipo de bombas , su instalación y operación. Debe analizarse la influencia de la subpresión en estratos permeables. En los tramos que no se requiera un sistema de bombeo, de gravedad o electrosmótico, seguramente será necesario contar con un bombeo superficial de achique , complementado con pozos de alivio para reducir la presión de poro en estratos permeables ubicados por debajo de la excavación. 2.5.4 Procedimiento de excavación Con objeto de asegurar la estabilidad general de la excavación , y mantener l a magnitud de las expansiones y asentamientos dentro de los límites previstos en el análisis geotécnico (fichas FGD-03, 05 y 07), deberán elaborarse todas l as especificaciones relativas al avan ce , colocaciÓn de puntales , colado de concreto, colocación de lastres o rellenos y manejo del nivel piezométrico. 2.5 . 5 Rellenos y terraplenes El proyecto deberá incluir especificacione s relativas a los rellenos y terraplenes que pudieran requerirse; asimismo, deberá realizarse una descripción de los bancos de préstamo que podrían aprovecharse.
2.5.1 Trabajos preliminares
2. 6
Son todos aquéllos que se requieren antes de comenzar los trabajos de construcción para el cajÓn, t a les como demolición, obras inducidas , protección a estructuras vecinas, construcciÓn de brocales para la zanja del muro colado en sitio y recomendaciones para estabilizar rell e nos superficiales sueltos .
2 . 6 . 1 Instrumentación de comportamiento
2 . 5.2 Instrumentación para control de la ex cavación Se deberá definir el tipo y distribución de instrumentos de medición de campo para determinar la evolución del nivel piezométrico,así como los movimientos verticales y horizontales de la excavac ión y de estructuras vecinas
COMPORTAMIENTO DE LA ESTRUCTURA
Su objeto es definir el tipo y distr i bu ción de instrumentos para la verificación del comportamiento de la estructura del cajÓn y de construcciones vecinas que se juzgue necesario (fichas FIC-01 a 09). 2.6 . 2 Observaciones a corto plazo Este perÍodo de observac iÓn cubre el proceso constructivo y la puesta en operación de la lÍnea . Las mediciones que deberán efectuarse ruti n a riamente son: a) asentamientos y expansiones,
....
145 .
b) deformaciones horizontales, superficiales en l a masa de s u e l o , y e) variaciones en la pre sión del agua intersticial. Durante la cons t ru cc ión deberá t ambién con trolarse el nivel de abatimiento de l agua en el suelo , el gasto extraído en cada tramo de la lí nea y las pres i ones de operación de l sistema de bombeo; e n caso de q ue se utilice electrósmosis deberán conocerse el potencial e intensi dad de corriente de l campo eléctrico inducido. La frecuencia de las obs ervaciones será , inicialmente, por lo menos semanal; en los tramos c rí ticos podrá ser hasta diaria. Una vez definido el comportamiento de l as estruc turas, el ingenie r o superviso r mod ificará l a f recuencia de las mediciones.
as í como una i n spección detallada de la lÍnea para. determinar l os efectos y daños provo cados
y
3. ZONA DE TRANSICION 3.1
3.1 .1 Campaña de exploración Objetivo. Determinar con precisión l a estra tigraffa a lo largo del proyecto de la línea del Metro , conocer las condiciones de presión del agua del suelo y obtener una estimación preliminar de las pro piedades mecánicas de l os suelos . Esta información hace factibl e el anál is is geotécnico p relimi nar del problema, lo que a su vez permite fund ame ntar l os o bjet ivos y alcances de la etapa d e mu es treo ina l te rado posterior.
La informac ión ob tenid a se conservará junto con los registros de campo, y se p res entará en gráficas que muestren l a evolución con el tiempo de cada una de las variables med idas.
Técni ca s aplicables. Lo más adecuado es la combinaciÓn del cono eléctrico de S ton de capac idad (f icha FEG-OS), o del cono mecánico (ficha FEG-06), con la prueba de penetración estándar (ficha FEG-07); ésta Última cuando l o s sue l os sean de resistencia mayor que la capac idad del cono mecánico. Debe evitarse el uso de agua o lodo como fl uido de perforación en los sue los ar riba del nivel freático, ya que alteran la s propiedades mecánicas del suelo , r educiendo su resistencia y a umen ta nd o su deformabilidad . En sitios donde el espesor de s uelos de transición sea pequeño (menor de S m), la exploración de los sue l os subyacentes se e f ectua rá como se i ndi ca en el capítulo 4, zona de lomas .
2.6.3 Observacione s a largo plazo Se rán simi lares a las descr i t as en 2. 6 . 2 , sa l vo que la frecuencia de medición deberá ampliarse a una observación mens ual . Cuand o l as med icion es me nsuales no muestren cambios signif icativos, se ampliará la frecuencia , con un mínimo d e una medición anual. A lo largo de cada línea deberá mantenerse un con trol permanente para detectar algu na o la combinación de las siguientes acciones: a) la apertura d e excavaciones , b) la constru cci ón de cimentaciones de nuevas estructuras, y e ) la i nstalación de sistemas de abatimiento del ni v el freático. La autorización para realizar alguno d e estos trabajos debe es tar condicionada a que previamente se haya estud iado la influencia que t e ndrá en la línea del Metro. En caso de que ocurriera un sismo se deberá realizar u na campaña inmediata de mediciones , TABLA C3-1.
caso A lo largo de la linea
Estación
Las condiciones de presió n del agua del subsuelo se determinaran de manera similar a los suelos de la zona del lago. Proqrama de so ndeos. El número y profundidad d e los sondeos se define con a yuda de l a tablaC 3- 1.
NUMERO Y PROFUNDIDAD DE LOS SONDEOS DE EXPLORACION EN LA ZONA DE TRANSICION Número minimo de sondeos
Profundidad
un sondeo principal a c ada 400 m; donde se justifique, se h a rán sondeos intermedios d e verificación
Sondeos principa:es, tres veces el ancho d e l cajón**; sondeos intermedios, dos veces el ancho del cajón**
1 a 2
Cruce c on otras lineas del Metro
1
Próximo a estructuras importantes*
1
*
EXPLORACION GEOTECNICA
Hasta donde la estructura del Metro modifique s ignificativamente el estado de esfuerzos en el suelo
Edificios, dre najes y lineas de alta tensión
** O has ta encontrar depósitos compac tos con espesor mayor de 10 m, si esta profundidad es menor
146
Información complementaria . Un aspecto de la exploraciÓn consistirá en recopilar toda la información que afecta el diseño, construcción y comportamiento de la estructura, como son : a) pozos de extracción de agua, b) tipos de cimentaciones y características de las estructuras vecinas al trazo de la lÍnea, y e) restos de cimentaciones antiguas .
cias cercanas, se . podrá adoptar el cajón con muros milán o con tablaestacas; en las zonas de transiciÓn alta será factible excavar a cielo abierto en taludes con pendiente relativamente grande, y construir un cajÓn es tructurado convencional .
3 . 1 .2 Condiciones estratigráficas
1 . 3.1 Instrumentación de exploración
Objetivo. La información de los sondeos de exploración debe definir algunos d e los si guientes tipos de transición: interestratificada (alta o baja) o abrupta.
Objetivos. Similares a los mencionados para la zona d el lago (ver inciso 2.3.1); adicionalmente, los piezómetros deberán permitir la identificacion de mantos colgados y acuí feros que afecten significativamente al procedimiento de excavación.
Técnica aplicable . La interpretación de los perfiles de resistencia de punta de cono , q 9 , con la profundidad, asociada a l a informacion de las pruebas de penetración estándar (nÚmero de golpes e identificación del suelo) es la mejor técnica para reconocer el tipo de transición. La interpretación debe confirmarse de acuerdo con la ubicación del sitio en estudio y . con la -zonificación del mapa geotécnico general (figura B-16, Parte B Antecedentes GeolÓgicos) . 3.2
DISENO GEOTECNICO PRELIMINAR
3.2.1 Definición del problema En el caso de que los sondeos de exploración con cono eléctrico demuestren que el cajón quedará alojado en la costra seca superfi.:. cial, bajo la cual se encuentran suelos blandos (qc < 5 l 20 l
3.3
INFORMACION GEOTECNICA DE DETALLE
Programa de actividades y técnicas aplicables . S i milares a los mencionados para la del lago (inciso 2 . 3 . 1 ).
zona
3.3.2 Muestreo inalterado Objetivo y programa de actividades . Igual que en la zona del lago (ver inciso 2.3.2). Técnicas aplicables. En la subzo na de transiciÓn baja, el muestreo inalterado se realizará con tubo dentado o barril Denison, ambos de 1 O cm de diámetro mÍnimo de la muestra (fichas FAG-02 y 03). Para el muestreo alterado de los suelos arriba del nivel freático se utilizarán brocas helicoidales o perforaciones con aire como fluido de perforación. En la costra superficial , el Único procedimiento de muestreo inalterado confiable es el labrado de muestras cÚbicas en pozos a cielo abierto (FEG - 04); en algunos casos po drá intentarse el uso de barriles muestreadores a rotación de diámetro grande (muestra mayor de 20 cm). En la subzona de transición alta se aplica lo mismo que para la zona de lomas, en la que los pozos a cielo ab ierto es la técnica de mues treo más recomendable; estos pozos pueden perforarse con broca helicoidal de 1 . 5 m de diámetro o mayor . 3.3.3 Pruebas de laboratorio Objetivo . Igual que en la zona del lago (ver inciso 2 . 3 . 3) . Programa de actividades. Además de lo indi cado para la zona del lago, deberá especificarse expresamente que en el ensaye de suelos parcialmente saturados no se utilice agua (en los drenes de cámaras triaxiales o en el odómetro) que pueda alterar los materiales. Técnicas aplicables. Similares a las aplicadas en la zona del lago (ver inciso 2 . 3.3) . 3.4
DISE~O
GEOTECNICO DEFINITIVO
3.4.1 Perfil geotécnico Objetivo. Igual que en l a zona del lago (ver inciso 2.4.1) .
En las zonas de transición baja con colindanl
147 3 . 4.2 Empujes horizontales Objetivos y datos para el análisis. Iguales que en la zona del lago (ver inciso 2.4.2) . Técnicas aplicables. Las mismas que se indican para la zona del lago (ver inciso 2.4.2) , excepto si el cajÓn se aloja en una excavación a cielo abierto, donde el e111puje del material compactado para el confinamiento tiende a l estado de reposo del suelo utiliza do (ficha FDG- 02 ). 3.4.3 Estabilidad de la excavac ión Igual que la zona del lago (ver inciso 2.4.3) en la subzona de transición baja. En. la subzona d e transición alta se aplica lo indicado para la zona de lomas (ver inciso 4.4.3). 3. 4. 4 Análisis de la sobrecompensación y de la flotación Objetivo . Igual que en la zona del lago (ver i nciso 2.4.4). Va lores admisibles . La presión de sobrecompensacion en cajones no deberá exceder los lÍmites que apa recen en la tabla e 3-2. TABLA C3-2.
VALORES ADMISIBLES DE LA PRESION DE SOBRECOMPENSACION P5 , ZONA DE TRANSICION
Subzona Transición baja Transición alta
2 (Pslmáx en t/m 2.5 sin límite (>2. 5)
En todos los casos deberá verificarse que la magnitud de l a expansiÓn a largo plazo no exceda los lÍmites del inciso 2 . 4.5. Asimismo, habrá que revisar que la presión hidrostática al nivel del fondo de la excavación no exceda del 80% de la presión media transmitida por el peso de la estructura y por rellenos a ese mismo nivel. Datos para análisis y técnicas aplicables . Igual que en la zona del lago (inciso 2.4 .4); sin embargo, en la mayoría de los casos, en la subzona de transición alta no existirán problemas de funcionamiento por sobrecompensación o flotación.
(q e < 5 kg/cm2 ) , se seguirán las recomendaciones para construcción que se incluyen para suelos de la zona del lago. Si por el contrario, se detectan suelos secos (q c de 5 a 20 kg/cm 2 ) dentro . de los primeros 15 m, el sitio corresponde a una transición alta, en cuyo caso las recomendaciones deberán cubrir , principalmente, los siguientes aspectos: 3.5.1 Trabajos preliminares Son todos aquéllos que se requieran antes de los trabajos de construcción de l cajan , .;omo demoliciones, obras inducidas , protecclon a estructuras vecinas y recomendaciones para estabilizar rellenos superficiales sueltos.
c~menzar
3.5.2 Instrumentación para control de la excavación Si la excavación a cielo abierto afecta es tratos de arcilla blandaJ será necesario efectuar mediciones del desplazamiento horizontal Y vertical de la superficie del terreno cercano al talud. La instrumentación de campo permitirá detectar el desarrollo de condiciones de inestabilidad de los taludes durante el tiempo en que la excava...: ión esté abierta. Por lo anterior, se requerirán refer e ncias superficiales que definan una línea de colimación (ficha FIC-05). Deberá considerarse la conveniencia de medir l as cargas de los troqueles. 3.5.3 Abatimiento del nivel freático Es muy poco probable que se presente este requer imien to, excepto que la excavación intercepte un acuífero ; usua lmente se requiere bombeo local que debe estar contemplado en el informe geotécnico. 3.5.4 Procedimiento de excavación Deberán elaborarse especificaciones para el control del avance de la excavación, así como para la protección de sus taludes . En general, los taludes de la excavación no deberán permanecer expuestos a la interperie durante un lapso mayor de 5 dÍas , a fin de evitar cambios excesivos del contenido de agua de los suelos, ya sea por secado al sol o humedecimiento por lluvia y fugas . En caso de requerirse un periodo de exposición mayor que el anotado, será necesario recubrir el talud con una capa de concreto lanzado, o adoptar un procedimiento equivalente que permita preservar el contenido de agua natural de los materiales de talud.
3 .4.5 Análisis de expansiones y asentamientos J.6 Igual que en la zona del lago (inciso 2.4 . 5); no obstante, en la subzona de transición alta no habrá problemas de funcionamiento por expansiones o asentamientos. 3.5
RECOMENDACIONES PARA CONSTRUCC ION
El informe geotécnico debe contener recomendaciones específicas del proceso de construc ción . En las zonas de transición baja
COMPORTAMIENTO DE LA ESTRUCTURA
3.6.1 Instrumentación de comportamiento En las transiciones altas, Únicamente se requerirán referencias superficiales para definir los movimiento§ verticales del cajón (ficha FIC-05); en las transiciones bajas se adoptarán las recomendaciones de las fichas FIC-01 a 09) .
148
3.6.2 Observaciones a corto y largo plazo En la zona de transición baja se deberán seguir los mismos lineamientos de la zona del lago; por su parte, en la zona de trans ición alta, la frecuencia de observaciones a largo plazo seguramente podrá ampliarse, porque los movimientos verticales y horizontales se estabilizarán a corto plazo.
4. ZONA DE LOMAS 4.1
la construcción del Metro en cajÓn no representa un problema geotécnico significativo, excepto que se trate de alguna de las siguientes condiciones: a) que se localice en rellenos artificiales sueltos, b) que se encuentre en un sitio inestable (ficha FEG-01 ), e) que existan cavernas en la zona de influencia de la estructura, o d) que se interfiera con mantos freáticos colgados o acuíferos. En estos casos deberán estudiarse las implicaciones prácticas para el · diseño y construcción.
EXPLORACION GEOTECNICA 4.2.2 Soluciones factibles
4.1 .1 Campaña de exploración Objetivos. Identificar con precisión las unidades litológicas del sitio, definir tentativamente el grado de cementación de los materiales y detectar la presencia de cavernas. Un geÓlogo asesorará al proyectic a en la elaboración del programa de sondeos, apoyándose en el plano geolÓgico de detalle y en una verificaciÓn de campo; teniendo como objetivo determinar las profundidades de los contactos entre los estratos característicos y confirmar la presencia de discontinuidades y cavernas. Información complementaria. Se deberá contar con un plano topográfico escala 1:5000, con curvas de nivel a cada metro. Técnicas aplicables . La mejor técnica es el cuidadoso reconocimiento geolÓgico (ficha FEG-01 ) , complementado con perforaciones de penetración controlada (fichas FEG-08 y 09) y ocasionalmente pozos a cielo abierto excavados en forma manual o mecánica (ficha FEG-04). La detección de cavernas se facilita notablemente con la interpretación de fotografías aéreas antiguas , escala 1:5000, y la encuesta entre vecinos (ficha FEG-09) . El tipo de cementación de la toba requiere una cu idadosa evaluación del campo, en la que se verifique: a) que cubra en planta una zona mayor que la estructura de cajÓn, b) la naturaleza y tenacidad del cementante, y e ) la susceptibilidad del cementante ·a la acción del agua . 4 . 1 . 2 Condiciones estratigráficas Objetivo . Un geolÓgo con experiencia debe e laborar un plano geolÓgico detallado de la zona en es tudio, incluyendo cortes que muestren l os contactos entre los materiales característicos y la eventual presencia de discontinuidades ( tabla e 4.1), indicando además las características de cementación y la localización de cavernas. 4. 2
DISENO GEOTECNICO PRELIMINAR
4.2.1 Definición del problema En los suelos de l omas y de transición alta,
La excavación se podrá realizar a cielo abierto en talud; el cajÓn será a base de una estructura convencional. 4,3
INFORMACION GEOTECNICA DE DETALLE
4 . 3.1 Instrumentación durante la exploraciÓn Obietivos. En esta etapa la instrumentación se enfocará a determinar con precisión las cond iciones piezométricas de mantos freáticos colgados y acuíferos . Dicha información per mitirá diseñar un procedimiento constructivo que elimine el problema de filtraciones hacia la excavaciÓn. Programa de actividades . Con base en la exploraciÓn geotécnica se determinarán las profundidades de instalación de piezómetros, localizándolos en los depósitos con mayor probabilidad de contener agua. Técnicas apliqables. La s condiciones de presiÓn del agua se obtienen confiablemente con piezómetros abiertos (fichas FIC - 01 y 02 l. , instalados en los estratos de mayor permeabilidad. 4.3 .2 Muestreo inalterado Objetivo y programa de actividades. Igual que e n la zona del lago (ver i nciso 2.3.2) . Técnicas aplicables . Debido a la naturaleza de los depÓsitos en esta zona (ver inciso 4.1 . 2) , e l procedimiento de muestreo más confiable es el labrado de especímenes cÚbicos en pozos a cielo abierto (ficha FEG-04). Cuando se utilice tubo dentado o barril Denison (fichas FAG-02 y 03), un ingeniero con experiencia deberá juzgar el g rado de alteraciÓn inducido en los especímene s, y así definir en campo el mejor procedimiento de muestreo en cada caso; en los suelos arriba del nivel freático deberá evitarse el uso de agua o lodos como fluido de perforación. 4 . 3.3 Pruebas de laboratorio Objetivo . Igual que en la zona del lago (ver inciso 2.3.3) . Programa de actividades . Además de lo que se indicÓ para la zona del lago, deberá especificarse 'é'<..presamente que en el ensaye de suelos parcialmente saturados no se utilice agua que pueda alterar los materiales; el
149 TABLA C4.1.
MATERIALES DE LA ZONA DE LOMAS
Material
Caracteristicas
Horizontes de cenizas volcánicas
Son de granulometrias variada$ y forman tobas cementadas
Capas de erupciones pumiticas
Se depositaron en capas de gran unifor midad
Lahares
Son acumulaciones caóticas de material piroclástico depositado como corrientes de lodo
Avalanchas ardientes
Son materiales de granulometria muy uni forme y presenta ligera ceme ntación; las arenas y las gravas azules son las más representativas de estos depósitos
Depósitos glaciales
Se caracterizan por grandes bloques an gulosos en una matriz más fina de arena y limo, dispuestos en forma caótica; estos depósitos generalmente presentan un color rosa
Depósitos fluvioglaciales
Son producto del arrastre del agua que se derrite y sal e del glaciar; se distinguen por su ligera estratificación y textura granular
Depósitos fluviales
Correlacionables con la formación clásica aluvia l del rel l eno de la cuenca del Valle de México
Suelos residuales
Son el p r oducto de la alteración de lahares y ce n izas, de co l or rojo y gris
Basaltos
Pueden tener distintos grados de fract uramiento, también pueden tener cavernas estables a colapsadas
programa se enfocará principalmente a la determinación de la resistencia al corte de los depósitos muestreados , ya que su compresibilidad generalmente no representa un problema de importancia.
Técnicas aplicables . En esta zona, el ca)on se alojará en una excavación a cielo abierto, por lo que el empuje sobre los muros tenderá al empuje en reposo del material de confinamiento (ficha FDG-04).
Técnicas aplicables. Igual que del lago (ver inciso 2 . 3.3).
4 . 4 . 3 Estabilidad de la excavación
4. 4
DISE~O
en
la
zona
GEOTECNICO DEFINITIVO
4.4.1 Perfil geotécnico Objetivo . Igual que en la zona del lago (ver inciso 2 . 4 . 1 ) .
Objetivo . Estimar el factor de seguridad contra la falla de los taludes de la excavación a cielo abierto que a l ojará el cajÓn; con ello se determinara la pendiente máxima de los taludes, las características de su protección contra el intemperismo y la se cuencia de excavación. t
4.4.2 Empujes horizontales Objetivos y· datos para el análisis. I gua l que en la zona del lago (ver inciso 2 . 4.2).
'l ·
.1
Factores de seguridad per misibles . Los valores mi nimos permisibles , considerando diferentes condiciones de análisis se resumen en la tabla e 4.2 .
150
Factores de seguridad mínimos (FS)
Condiciones de análisis Talud simple (sin grietas ni sobrecargas)
FS
Talud con sobrecargas en corona
FSq <:1. 7
la
FSq Talud con grietas en la ron a Talud con grietas y cargas en la corona
~
1.5
co-
FSt <: 1.5
sobre-
FSqt <: l. S
Va.to4
pallA ancUM.ú . Además de los que se señalaran en 3 . 4.2 deberá contarse con in~orma ción piezom~trica detallada del sitio y una interpretación geohidrológica. Asimismo, se requiere información detallada acerca de zonas de rellenos y de la localización y geometría de cavernas (FEG-09).
H.c.nic.M ap.Uc.ablM. La estabilidad de taludes puede analizarse con suficiente aproximación mediante las gráficas de diseño para suelos cohesivo-friccionantes (FDG-06); en los casos donde existan rellenos y cavernas deberá diseñarse el procedimiento de estabilización específico a base de revestimiento estructural o de relleno controlado. 4'. 4. 4
<: l. 7
Análisis de sobrecompensación y de flotación
En general, en la zona de lomas estos factores no son significativos para el diseño.
4.5
Cuando las sobrecargas sean permanentes (edificios, torres de conducción el~ctrica , etc.) En otros casos
Recomendaciones para construcción
El informe geot~cnico debe contener recomendaciones específicas del proceso de construcción; en el caso de suelos de lomas serán muy simples gracias a la calidad de sus suelos. Las recomendaciones serán similares a las descritas para suelos de transición alta, excepto porque la posibilidad de encontrar estratos con agua es muy remota, y porque es tambi~n muy factible que no se requiera proteger los taludes con concreto lanzado. 4.6
Comportamiento de la estructura
En la zona de lomas se deberán seguir los lineamientos de la zona del lago; seguramente no se requerirán piezómetros ni inclinómetros. Las observaciones serán únicamente a corto plazo, cubriendo el proceso de construcción y la operación inicial de la Línea.
l
1
.
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..
. ..
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D: SUPERVISION. G~OTI:CNICA .
.,
.
• CRITERIOS GENERALf:S PARA CONTROLAR LOS TRABAJOS DE CAMPO, lABORATORIO, . DISEÑO y CÓNSTRUCciON ·.. . .
J TRABAJOS-DE CAMPO . 2 TRABAJOS DE lABORATORIO · 3 éROCESO CONSTRUCTIVO 4 ~OMPORTAMIENTO DE LA ESTRUCTURA 1
•
1
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-
-
-----.
------
---.
1
1
l \ ¡
D: SUPERVISION GEOTECNICA
nales requerirán una breve justificación escrita .
1. TRABAJOS DE CAMPO 1.1
OBJETIVOS
1,4
Los trabajos de campo del estudio geotécnico deberán realizarse bajo una cuidadosa supervisión técnica, encabezada por un ingeniero capacitado en: a) los programas de trabajo, b) los procedimientos de ejecución, y e) la recopilación de información. Durante la ejecución, el ingeniero supervisor deberá calificar la calidad de los trabajos, tomando como base de juicio si los objetivos del estudio se están alcanzando; en caso negativo, deberá proponer medidas correctivas. Para facilitar su labor se presentan las siguientes sugerencias. 1.2
RECONOCIMIENTO _GENERAL
Se revisa la información recopilada a lo largo del tramo en estudio, que deberá estar integrada _por : - Reconocimiento del subsuelo
geolÓgico
o
zonificación
- Recopilación de sondeos de exploración preexistentes - Caracterí~ticas de las colindancias (estructuras, localización de jardines, etc) - LocalizaciÓn de pozos de bombeo y detalles de su operación - Levantamiento de redes de servicios pÚblicos - Localización de grietas, des inestables
cavernas o
talu -
- Levantamientos topográficos y nivelaciones - Otros 1•3
PROGRA14A DE SONDEOS DE EXPLORACION
Este programa deberá ser congruente con la información del r~conocimiento general y los requerimientos de exploración elaborados por el proyectista geotécnico. El ingeniero supervisor aprobará el programa y los sondeos adicionales que se justifiquen para resolver los casos que se considere no están incluidos en las recomendaciones; los sondeos adicio-
TECNICAS DE
E~PLORACION
1,4.1 Métodos geofÍ~icos (FEG-02 y 03). Sus resultados son poco confiables para admitir su uso indiscriminado, sin apoyo de métodos de exp lor~ción directa; el ingeniero supervisor debera tener acceso oportu no a la información durante el proceso de ejecuc ión. 1 .4.2 Cono eléctrico (FEG-05), Es adecuado en suelos blandos; debe revisarse su calibración y comportamiento durante la operación el corrimiento admisible del c.eJLo y la baj ~ sensibilidad a los cambios de temperatura. Estos errores en conjunto no deberán exceder je 5/1000 de la capacidad máxima del cono . 1 • 4. 3 Cono mecánico ( FEG-06), Es admisible en suelos duros; no debe utilizarse en los suelos blandos.
1 .4.4 Penetración estándar (FEG-07), En suelos blandos no es confiable para definir la resistencia; la muestra que se recupera es alterada y sólo permite clasificar los suelos y obtener sus propiedades Índices. En suelos duros y secos, el empleo de agua o lodo para perforarlos puede reblandecer el suelo y a lterar los resultados de laboratorio (FEG-08). 1 .4.5 Criterio de selección. En la tabla D1-1 se presenta una guía para elegir las técnicas de exploración según el tipo de suelo.
1.5
PROGRAMA
DE
SONDEOS CON MUESTREO
IN-
ALTE~APO
El ingeniero supervisor deberá revisar el programa de muestreo inalterado para comprobar que: a) El número de sondeos cumpla con las reco mendaciones de muestreo inalterado y exista una breve aclaración escrita para justificar la realización de sondeos adicionales. b) Haya correspondencia deos de exploraciÓn.
ev.úiente
con los son-
152 e) se recuperen las muestras de los estratos más significativos de acuerdo con el diseño geotécnico preliminar . 1.6
1'ECNICAS e:: 11UF.S'!'~EO INALTERADO
1 . 6. 1 Tubo de pared delgada ( Shelby) ( FAG-0 1 ) . Este muestreador Únicamente se utiliza para sue los blandos y debe cumplir estrictamente con las condiciones geométricas (FAG-01 ), particularmente en cuanto a s u -filo; s u _i,nterior debe ser li so , exento de corros1on y de preferencia pintado. Después de cada operaciÓn con este muestreador debe limpiarse cuidadosamente el mecanismo de válvula de la cabeza. 1.6.2 Tubo dentado (FAG-02). Debe utilizarse en suelos consolidados y en capas duras; las muestras que se obtienen no siempre son de buena calidad ; por ello, cuando se emplea deben revisarse las muestra s inmediatamente para asegurarse que se está operando correctamente. La velocidad de rotación, el tamaño y forma de los dientes son las variables que deberán ensayarse e n cada tipo de suelo, hasta lograr muestras aceptables. 1 .6 .3 Barr il Denison (FAG -03 ). Se utiliza en suelos duros, usando agua, lodo o aire como fluido de perforación; debe tenerse en cuenta que es muy difÍcil obtener muestras de buena calidad; es necesario revisar las muestras recuperadas antes de cons iderarlas como inalterada s . El ingeniero supervisor debe comprobar que el tubo interior permanezca estático cuando gira e l exterior, y que la separación entre el tubo interior del exterior sea la adecuada; esto Último, además de la velocidad de rotación , son variables que deben definirse durante el proceso de muestreo . Con es ta 1 .6 . 4 Muestras cÚbicas (FEG-04) . técnica se obtien en l as mejores muestras de los suelos , particularmente de los localizados arriba del nivel freático , que por su dureza y susceptibi lidad al agua n0 pueden muestrearse co n técnicas mecanizadas. El ingeniero supervisor debe vigilar que las muestras se obtengan de una zo na que no haya s ufrido alteración durante el proceso de excavación , que se almacenen protegidas del so l y que se transporten con empaques de es puma de poliuretano para que no se golpeen. 1 . 6 . 5 Cr iterios para l a selecc i ón . En la tabla D1 -1 se muestran los criterios para el muestreo inalterado . 1 .7
TECNICAS DE PERFORACION
l .7.1 Lavado y percusión (FEG-08 ). No son recomendab le s en sondeos inalterados porque dañan las muestras por efecto de l chiflón y de los i mpactos . En s uelos fi surados inducen f r acturam i ento hidráulico en las muest ras; es t e fenómeno ocurre cuando se presentan fugas de lodo bentonítico.
1 . 7 . 2 Cucha ra de impacto (FEG-08). Esta t éc ni ca no es r ecome ndable, ya que induce remol deo en l a parte superior de las muestras.
1 .7.3 Barrena o ademe helicoidal (FEG-08 ) . No co nvienen para suelos blandos¡ el efecto de succión que se desarrolla induce deforma ciones inaceptables en el suelo . Es una 1 .7 . 4 Posteadora-rimadora (FEG-08). técnica de reciente desarrollo; hasta ahora es la única que ha permitido las mejores muestras sin activar las fracturas naturales y sin remoldeo. 1.7.5 Pozo a cielo abierto (FEG-04) . La pe;foración puede hacerse manualmente o con maquinas de gran diámetro; el supervisor deberá comprobar la seguridad de la excavación y la factibilidad de rescatar muestras inalteradas . 1 . 7 . 6 Criterio de selecciÓ.1. La tabla D1-1 contiene el criterio de selecciÓn más adecuado del procedimien to de perfora c ión. 1 .8
PR9GRAMA DE INSTRUMENTACION
La instrumentación debe estar diseiiada para los siguientes dos propÓsitos: a) para obtener información para el diseño, y b) pa ra el contr ol durante la construcción. En el primer caso, el objetivo más frecuente es determinar el estado de presiones del agua intersticial (presión de poro) y los asentamientos que s ufre la zona en estudio . En el segund o , usualmente se necesita para definir la evolución de la presiÓn de poro y s u relación con el proceso de con stru c ción, as í como las deformaciones horizontales y verticales. En la etapa de con st ru cc ión puede también justificarse hacer medicion es d e presiones del contacto de la estructura con el s u elo y de las cargas axiales con que trabajan los puntales . 1, 9
INSTALAC ION_ Y OPERACÍON DE INS't'RtH-!Ei'-1TOS
1 . 9.1 Piezómetros abiertos ( FIC-01 y 02) . Deben instalarse donde interese definir el estado inicial de la presión de poro; esta informa ción es necesaria para interpretar l os resultados de pruebas de compresibi lidad El ingeniero sud e los s u elos del sitio. p ervisor debe asegurarse que se instalen en l as lentes permeables identificadas en los sondeos , que se siga el procedimiento de col ocación descr ito e n la ficha t écni ca corresp ondiente y que queden adecuadamente protegi dos. En cad a piezómetro debe haber una referencia precisa de n ivel para apoyar las mediciones que se realicen: éstas tendrán una aproximación de ± 1 cm¡ además, deberá llevarse un registro de l as lect uras y un control gráfico para facilitar la interpre tación de la información. 1 .9.2 Piezómetros neumáticos ( FIC-03 ) . Se emplean para definir los cambios de la presiÓn de poro generados por el proceso constructivo ; deben s~guirse l as recomendaciones de la ficha correspondiente, así como , al igual que en los piezómetros abiertos, cuidar que de preferencia se instalen en las l en tes permeables identificadas en los sondeos y que se tenga una referencia de nivel preci-
¡ 1
JI
153 TABLA Dl-1
TECNICAS RECOMENDABLES DE LOS TRABAJOS DE CAMPO
A) EXPLORACION PRELIMINAR Tipo de suelo
Recomendable
No recomendable
Blando
Cono
Duro (hGmedo)
Cono mecánico, SPT
Geof!sica
Duro (seco)
SPT (en seco) o penetraci6n neumática
Geof!sica
el~ctrico
SPT, geof!sica
SPT: Prueba de penetraci6n estándar
B) MUESTREO INALTERADO Tipo de suelo
Recomendable
No recomendable
-
Suelos blandos
Tubo de pared delgada
Suelos preconsolidados y lentes duras
Tubo dentado
Tubo de pared delgada
Costra seca superficial
Tubo dentado*
Tubo de pared delgada
Capa dura y blandas
Barril Denison* b Tubo dentado*
-
Barril muestreador o Barril Denison*
-
tobas
Tobas duras
* La calidad de las muestras puede ser mala
C) METODOS DE PERFORACION Tipo de suelo
Recomendable
Blandos fisurados
Posteadora-rimadora
Rotaci6n con lodo; percusi6n o lavado
Blandos no fisurados
Posteadora-rimadora o rotaci6n con lodo
Percusi6n o lavado
Duros abajo del nivel freático
Rotaci6n en seco
Rotaci6n con agua o lodo
Tobas duras
Rotaci6n con aire o percusi6n-neumática
Rotacil5n con agua
sa. Es tos piezómetros deben calibrarse con una aproximación de ± 0.01 kg/cm 2 evitando desarmarlos posteriormente, porque varían las condiciones de apoyo de la membrana. 1.9.3 Referencias superficiales (FIC-05). Debe cuidarse que es tén correctamente cimentadas y confinadas, lateralmente, que tengan su referencia de nivel y que no queden expuestas a eventua les acciones destructivas (la más frecuente sería el paso de vehículos pesados).
l ; J
l
l
No recomendable
1.9.4 Bancos de nivel profundo (FIC-06). Los bancos con ademe deformable axialmente son más confiables que l os de ademe rÍgirlo,
particularmente cuando se instalan a profundidades mayores de 10 m en zonas de asentamientos por consolidación. Deben estar protegidos contra vandalismo, y referenciados a otros bancos, de l os que se sepa con seguridad que no sufren ningún asentamiento. 1 . 9.5 Inclinómetros (FIC-08), El ingeniero supervisor deberá comprobar que la precisión de este aparato (conjunto tubería -sonda de medic iÓn) sea adecuada para el orden de magnitud de las deformaciones que podrían presentarse, y así evitar que se instalen aparatos que no proporcionen la i nformación es perada; adicionalmente, si en el sitio ocurre n asentamientos, los errores del inclinÓ-
154
metro de tubos de aluminio conven~ion~l;s son frecuentemente inaceptables. El 1ncl1nometro para suelos blandos de tuberia . ajustable se adapta mejor a las deformac1opes de la masa del suelo y por ello resulta mas confiable . 1 •1o
la información relevante de la ejecución· en sondeos inalterados , la pérdida de lod; debe anotar~e porque implica el muy probable frac tura~ i cn to hidráulico de las mues tr~s . La fig 01 - 1 muestra e l tipo de re gistro de campo que se recomienda adoptar . e) Bitácora de campo . . El desarrollo de todos los trabajos debe ser cuidadosamente registrado, anotando la hora de inicio y terminación de cada a ctividad . As i como todos los imprevis t os que ocurran.
CONTROL DE LOS TRABAJOS DE CAMPO
1.1 o. 1 Información complementaria . El ingeniero supervisor deberá asegurarse que para cada uno de los sondeos se obtenga la siguiente informaciÓn complementaria :
1 . 10 . 2 Visitas de supervi sión . Cada sondeo de exploración o de muestreo inalterado debe ser supervisado, de preferencia con visitas no programadas ; el ingenier.o supervisor revisará el equipo, insta lación, habi lidad del personal, protección a las muestras y control de sondeo .
a) croquis de localización del sondeo . Debe contener claramente los nombres de las calles, la orientación norte y elevación del brocal. b) Registro del sondeo . deberán ser simples ,
Los registros tipo pero con tener toda SONDEO
REGISTRO DE CAMPO
11-11
LOCALIZACIOÑ
OBRA :
NIV FREATICO
HOJA
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S~RV I SIO N
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REGI STRO DE CAMPO!
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155 1. 1 o. 3 calidad
del trabajo . . La ,calidad ge los trabajos de campo se Juzgara a traves de calificar con tres niveles (bien , regular 0 mal) los siguientes aspectos:
DEFINICION DE(LOS) OBJETIVO(S) DE L ESTUDIO
_ Características del equipo - Técnica de operación _ control técnico del trabajo
REVISION DE REGISTROS DE CAMPO
_ capacidad del personal - Eficiencia del trabajo - Limpieza del sitio _ organización de las actividades
l
+ REV ISION DE SELECCION DE 1·1UE STRfiS
J
+ REVISION DE L PROGRAMA 1 1 PRELIMINAR DE ENSAYES 1
2. TRABAJOS DE LABORATORIO 2.1
l
J
OBJETIVOS
Los trabajos de l aboratorio deberán realizarse bajo una cuidadosa supervisiÓn técnica , encabezada por un ingeniero capacitado en tres actividades : a) programas de ensayes de laboratorio , b) procedimien t o de ej ecu ción de las pruebas , y e) recopilacion de la información .
l PRUEBAS 1•1ECANICAS J AJUSTES Y MODIFICAC IONES: PROGRAMA FINAL DE PRUEBAS ~lE CANICAS
Para la ejecución de los trabajos , el ingeniero supervisor calificará l a calidad de las muestras y revisará la aplicabilidad de los programas de pruebas de laboratorio , de manera que se a l cancen los objetivos del es tudio . 2.2
l PRUEBAS IND ICE
1
PRUEBAS MECANICASj
REGISTRO DE CAMPO
Con base en la información de campo , e l ingeniero supervisor revisará los siguientes aspectos: a) Zona de la el sondeo.
ciudad
a
la
que corresponde
PRESENTACION DE RESULTADOS FIG D2-1
SECUENCIA DE LA SUPERVISION TECNICA DE LOS TRABAJOS DE LABORATORIO
b) Profundidad a la que se observó el nivel freático (NF) y lecturas de pi ezómetros cercanos al sitio de exploración. e) Técnica de perforac i ón y muestreo empleada en los trabajos de campo , para comprobar que se haya aplicado un criterio correcto de muestreo selectivo . d) Verificar que la información de campo es té completa. 2.3
REVISION DE MUESTRAS ( FAG-04)
Los resultados de laboratorio se ven afecta dos por la alteración de l as muestras ; por tanto , la exactitud de las predicciones e n mecánica de suelos depende de la ca l idad de las muestras ensayadas . De esta manera , será tarea del ingeniero supervisar ordenadamente l os trabajos de laboratorio ( fi g D2 - 1) cui dando los siguientes aspectos : a) Ver ificar la congruencia entre _el registro de campo y las muestras recibidas en laboratorio .
b) Revisar el muestras .
estado
f Í sico externo de
las
Las muestras alteradas representativas deberán estar protegidas adecuadamente para evitar pérdidas del material y co nservar su contenido de agua . Las muestras inalteradas en estarán protegidas en sus tubo no deberá presentar y e l filo de su zapata no golpeado .
tubos Shelby extremos; el deformaciones deberá estar
e) Rev isar e l porcentaje de recuperación de las mu e stras, ya que éste es un factor que afecta la calidad de las mismas ; en la práctica, una recuperación de 95% es satisfactoria ; en caso de ser menor de 90% existirán incert idumbres que requieren una inspección muy cuidadosa de la muestra, conforme al criteri o de ca l idad pre sentado en la tabla D2 - 1 .
156 TABLA D2-l
CALIDAD DE MUESTRAS EN TUBOS DE PARED DELGADA
Recuperaci6n en porcentaje
Calidad de la muestra
lOO
Excelente
95
Satisfactoria
80 80
-
Buena 50
Mala
< 50
contenido de ag ua , labrado de probetas para ensayar en pruebas mecán icas y protección de muestras para su almacenamiento. 2.5
PROGRAMA DE PRUEBAS
El ingeniero supervisor revisará: a) Que el programa de pruebas de laboratoric solicitado por el ingeniero de diseño sea congruente con los tipos de muestras (tabla D2-2) y además permita obtener la información requerida,
Inaceptable
d) El supervisor manejará con escepticismo y cuidado el muestreo con lodo bentonítico arriba del NF. e) El manejo de las muestras inalteradas contenidas en tubos Shelby se realizará conservando siempre su verticalidad, man teniendo la zapata de los tubos hacia abajo .
b) Que las pruebas que se van a realizar correspondan a la calidad y tipo de suelo para el que se había programado inicialmente; en caso contrario, el ingeniero supervisor propondrá al ingeniero de diseño una reprogramación de los ensayes propuestos. No deberán en:
realizarse
pruebas
mecánicas
Las a nomalÍa s que se encue.ntren en las muestras respecto a cualquiera de los punto s anteriores se registrarán e n una relación, para ser consideradas en el programa de pruebas de laboratorio.
- Las muestras alteradas
2.4
- Las muestras en tubos Shelby que estén deformados (por mal manejo durante su transportaciÓn) o con la zapata golpeada
- Las muestras que se localicen arriba del NF y que hayan sido recuperadas con tubo Shelby mediante lodo bentonítico, o bien se juzgarán con escepticismo
EXTRACCION Y SELECCÍON DE MUESTRAS
Las muestras inalteradas recuperadas con tubos Shelby efe un me tro deberán ser de 75 cm de longitud, se cortarán en tres tramos, de 25 cm cada uno , y se realizarán en la parte superior de cada tramo dos determinaciones de resistencia con torcómetro . Se revisará la ca lidad de las muestras: manualmente se comproba rá que la estructuración del suelo esté inalterada y visualmente si existe fi s uramiento , remoldeo, etc. El ingeniero supervisará que se realice la siguiente secuenc ia de actividades: identificaciÓn de la muestra, determinación del
TABLA D2-2
Tipo de muestra
Inalterada
Ligeramente alterada Alterada Representativa
- Las muestras en tubos de pared delgada con una recuperación menor de 80% 2.6
CONSERVACION DE MUESTRAS
Las muestras que se vayan a almacenar estarán protegidas para evitar pérdidas de material y de humedad; para el caso de muestras inalteradas , éstas deberán almacenarse sin apilarlas entre sí para no provocarles alteraciones.
ENSAYES DE LABORATORIO APLICABLES A DIVERSOS TIPOS DE MUESTRAS Muestreador
Ensayes de laboratorio Indice Mecánicos
Muestras cGbicas Muestreadores de pared delgada con pist6n
si
si
si
si
Muestreadores pared delgada
de si
si
Muestreadores pared gruesa
de si
no
si
no
Posteadora, helicoidal, etc .
_/
157
2.7
PRUEBAS INDICE
2.7.1 Clasificación de suelos. El ingeniero supervisor cuidará que por rutina, los suelos se clasifiquen en hÚmedo y en seco; posteriormente verificará la clasificación de los suelos en los que se hayan realizado l!mites de consistencia .J contenido de finos, y con esa base evaluara la confiabilidad de la clasificación visual y al tacto en las demás muestras. 2.7.2 Contenido natural de agua (FAG-05). Variará conforme la localización del si ti o explorado y de la profundidad de la muestra, además de su posición relativa respecto al NF. El ingeniero supervisor deberá cuidar de que no existan las siguientes fuentes de error en la determinación del contenido de agua: - Uso de espec!menes no representativos de las muestras de suelos Empleo de especímenes muy pequeños Pérdidas de humedad ¡?revias a la determinación de los pesos humedos - Temperatura incorrecta del horno Extracción de los espec!menes del horno antes de obtener un peso seco constante en los mismos Incrementos de humedad previos al pesaje en seco de las muestras - Pesar los espec!menes secos mientras estén todavía calientes - Determinación incorrecta de las taras los recipientes para las muestras
de
2.7.3 L!mites de consistencia (FAG-06 y 07). Para que la determinación del l!mite liquido con la copa de Casagrande sea confiable, se requiere que este aparato se calibre periÓdicamente; asimismo, se deberá poner atención a las siguientes fuentes de error:
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1
f
- Uso de especímenes no representativos Preparación inapropiada de los espec!menes al homogeneizarlos, humedecerlos o secarlos - Determinación inexacta del contenido de agua - Errores de cálculo - Defectos de armado o ajuste en la copa de Casagrande - Copa de Casagrande con partes gastadas - Falta de limpieza de la copa - Pérdida de humedad durante la realización del ensaye - Realización del lÍmite plástico presionando al rollo de suelo bajo los dedos - Diámetro final incorrecto de los rollos de suelo Se sugiere que la determinación del 1 Ími te lÍquido se efectúe con el cono sueco; para
ello se requiere cumplir con el contenido de la ficha correspondiente ( FAG-06) , y en particular: a) que se revise el peso y ca!da d~l cono, Y b) que el personal esté familia: zado con }a prueba para que realice una ~nterpretacion confiable de la misma. 2.7.4 Pesos volumé~ricos húmedo y seco. Las fuentes de error mas comunes que deben atend erse son: - Medición de las dimensiones betas
de las pro-
- Determinación inexacta del peso de 1 es- . pecímenes os ~.7.5 D~nsidad de sÓlidos.
Los factores que los mayores errores y a los cuales debe prestársele mayor atención son: ~nvolucran
- Tamaño y representatividad de la muestra empleada - Determi ación imprecisa del peso del matraz y su contenido - Temperatura no uniforme del matraz y contenido
su
- Falta de limpieza del matraz - Humedad e~ el exterior del matraz y dentro de su cuello - Errores al hacer coincidir el menisco con la marca en el cuello del matraz - Uso de agua con sÓlidos en disolución - Remoción incompleta de aire atrapado del suelo en suspensión - Aumento de humedad del espécimen antes de pesarlo - Pérdida de material del espécimen seco - Omisión del ajuste de la densidad del agua con la temperatura - Influencia del contenido de sales solubles 2.7.6 Porcentaje de finos. siguientes aspectos:
Se cuidarán los
a) Que la malla No. 200 no esté rota ni deformada b) Que el secado del material no se realice a fuego directo e) No perder material durante el lavado de la muestra; el material de tamaño ma yor que la malla No. 200 deberá quedar libre de contaminación de finos. 2.7.7 Torcómetro (FAG-08). Se considera que esta prueba proporciona valores indicativos del orden de magnitud de la resistencia no drenada de los suelos cohesivos. Se reali zarán dos determinaciones con torcómetro en la parte superior de cada tramo de 25 cm de tubo Shelby. Los valores de estas determinaciones no deberán presentar diferencias entre s! mayores de 10%. Se recomienda el uso del torcómetro mecánico
158
que se describe en la fi~ha _ F~G-0~ con objeto de evitar variaciones s~gn~~~cat~vas en las lecturas mediante la operac~on manual de los torcómetros convencionales. 2 .e
PRUEBAS DE RESISTENCIA Y DEfORMA8ILIDAD (lj
2 . 8 . 1 Compresión simple. Esta prueba_propo: ciona valores que subestiman la res~stenc1a no drenada de las arcillas blandas de la Ciu dad de M&xico debido principalmente al microfisuramiento que estos suelos presentan en su estado natural: por tanto, los ensayes de compresión simple deben aplicarse con reservas . La fig 02-2 es un ejemplo de la dis persión que se observa en este tipo de pruebas.
lol Muestro Inalterado
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Cohesión e , Kg 1 cm 1o
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FIG D2-3 CURVAS ESFUERZO-DEFORMACION o Compresión
Simple (gu/2) -Cono qc /N
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FIG D2-2
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aproximadamente el esfuerzo máximo . La c urva (b) se presenta ligeramente redondeada y las deformaciones a la falla son mayores : éste es e l caso de muestras con una cierta alteración de la estructura del suelo . La curva (e) corresponde a una muestra remoldeada, en la cual no se define claramente el esfuerzo máximo. A continuaciÓn se presentan algunos factores que inducen errores durante la realizaci ó n de las pruebas triaxiales rápidas :
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30
Deformación axial, en porcentaje
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- Fugas de agua de la cámara esp&cimen ensayado o viceversa
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- Rigidez provocada por la membrana de látex - Fricción en el &mbolo de transmisión de carga axial
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0 0
u
CORRELACION DE RESISTENCIA DE CONO VS COMPRESION SIMPLE
2.8 . 2 Triaxial rápida (UU) (FAG-09) . Las deformaciones a la falla en los sue los arcillosos blandos, se incrementan en general conforme la alteración de las muestras ensayadas aumenta. De esta manera1 la forma de las curvas esfuerzo-deformacion indica la calidad de la muestra ensayada. En la curva (a) de la fig D2-3, la deformaciÓn a la falla es pequeña y la c u rva es l ineal hasta
triaxial
al
- Alteración de los especímenes durante el labrado de las probetas o al momento de colocarles la membrana de látex - Imprecisión tas
en
la medición de
las
probe -
- Cambios en las dimensiones de las probetas al aplicar la presión confinante - Velocidad de deformación muy rápida - DeterminaciÓn no~representativa del contenido de agua despu&s de la prueba Los resultados de las pruebas triaxiales rá pidas deberán incrementarse conforme aumente
159
la profundidad de la s muestras (fig 02 - 4) . Para las arcillas de la Ciudad de M&xico este incremento se presenta de acuerdo con la siguiente rel ación , con una aproximación de ± 20%. cuu E
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O eformacidn Unitaria Resistencia a la falla, Triaxial rápid~ en porcentaje Cu Kg/cm 0.1 02 0 .3 0.4
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5
- Variaciones excesivas de temperatura duran te la etapa de falla - Piedras porosas con permeabilidad muy baja 2. 8. 4 ~riaxial consolidada drenada (CO) Este t1po de ensayes triaxiales debe reali: zarse lentame.nte , de manera que no se desarrollen p r es1ones de poro en la t ~ t · mues ra. En 1 a prac 1ca esto no es posible para arcilla ~_ con grados de saturaci~n arriba· del 80%, deb1ao a que el drenaje solo puede presentars~ con un exceso de presión de poro . Para real1zar esta prueba en muestras de arcillas blandas del Val~e de ~léxi co , los incrementos de carga deberan ser pequeños, realizando la prueba a una velocidad que evite el desarrollo de presiones de poro que invaliden los resul tados .
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15
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FIG D2-4
I NCREf~ENTO DE Cu CON LA PROFUND !DAD
Asimismo, se c uidará la exactitud de las determinaciones de los cambios volumétricos durante la etapa de falla, con objeto de evitar er~o~es por una saturación incompleta del espec1men, .~ por fugas de agua en la probeta , evaporac1on o fluctuaciones de temperatura. 2. 8. 5 Consolidación unidimensional ( FAG-11 ) • La forma de la curva de compresibilidad y el valor de la car~a de preconsolidar.ión com parada con la presion vertical efectiva (o 1 vo), permiti rá n definir si el suelo ensayado no sufrió remoldeo ( fig 02-5). En caso de no ser as í, se desecharán los resultados de la prueba.
donde: 6
Resistencia no drenada (ton/m 2 ) de las arcil las blandas de la zona del lago
z
profundidad de la muestra e nsayada, en m
N
coeficiente de resistencia que depende del grado de preconsoli dación del suelo (tabla 02 -3 )
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Se desconfiará de los resultados de e nsayes que no c umplan con los va l o res de la ec 02-1, excepto que se trate de estratos duros.
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2. 8. 3 Triaxial consolidada rápida ( CU) ( FAG10). La supervisión de este tipo de ensayes, además de comprender los elementos contenidos en el apartado anterior, deberá vigilar que no se presenten los siguientes puntos: - Aplicación muy , rápida contrapresión - Variaciones de la la cámara triaxial en las probetas
de
incrementos
Muestro ~ remoldeado - "h
Consolidación incompleta del espécimen antes de fallarlo
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3
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de
presión confinante en y de la contrapresión
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Presión, kc;¡/cm2 1 (Ese. lag.)
FIG D2-5 CURVAS DE COMPRESIBILIDAD TIPICAS
160 TABLA D2-3
RE~ISTENCIA
COEFICIENTES DE
Zona del lago
Grado de Consolidación
Ns, en t/m 3
Lago Virgen
Normalmente consolidados
0.10
-
0.20
Lago Centro I
Ligeramente preconsolidados
0.20
-
0.30
Lago Centro I I
Preconsolidados
0.30
-
0.40
Durante la realización de la prueba deberán evitarse los siguientes errores:
o
1
00
AcciÓn galvánica en el consolidÓmetro
10
- Piedras porosas con permeabilidad muy baja
~<1,
~
Fricción excesiva entre la probeta y el anillo, que resulta de utilizar anillos de pequeño diámetro y gran altura
o
- Tamaño inadecuado del espécimen
o
~
Incrementos de carga inapropiados
o
p
o
~o oo
PRESENTACION DE RESULTADOS
Los resultados de las resistencias definidas mediante ensayes Índice ( torcómetro y penetrómetro de bolsillo) y pruebas mecánicas de resistencia ( triaxiales rápidas y consolidadas rápidas), se graficarán junto con las penetraciones de punta de sondeo de cono eléctrico correspondiente al sitio explorado. De esta manera se comprobará la tendencia del suelo a incrementar su resistencia al corte conforme aumenta la profundidad del muestreo (fig D2-6).
Ko 1 cm 2
-~
- Que la probeta no llene completamente el interior del anillo
Los resultados de cada tipo de prueba se presentarán en sus formatos correspondientes, describiendo detalladamente en cada uno de los suelos ensayados. Las gráficas contendrán todos los puntos que las originan unidos por curvas suaves; se anexarán los comentarios u observaciones que se desprendan de cada prueba.
Cohesión e, 1.0
O.5 {1~ "
- Alteración del espécimen durante el labrado de la probeta
2.9
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o Triaxial
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3. PROCESO CONSTRUCTIVO 3.1
OBJETIVOS 3.2
La función de la supervisión técnica, mediante acciones de inspección y verificación, es l a de garantizar que el proceso de construcción se realice c umpliendo las recomendaciones y especificaciones derivadas del diseño . La supervisión técnica debe evaluar las modificaciones de campo que se justifiquen y requerir estudios complementarios en caso que surjan problemas no considerados en el di·seño.
SUPERVISION TECNICA
La supervisión técnica de una lÍnea del Metro debe estar encabezada por un ingeniero con experiencia en este tipo de obras y tener asesoría de especialistas en estructuras, geotecnia, constru.:.:ción y programación, los cuales deben recorrer frecue n temente las obras en compañía de los ingenieros respons ables de cada frente.
161
3.3
PRQGRAMA DE SUPERVISION TECNICA
La supervisión técnica deberá iniciarse con la revisión de la conexión entre el diseño y la construcción, así como de todos los aspectos del proceso constructivo propuesto en los estudios; a continuaciÓn se describen brevemente las acciones más importantes. 3.3 . 1 Reconocimiento de la lÍnea
1
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1
1
Se debe hacer una · cuidadosa revisión del estudio geotécnico; asegurándose que se hayan estudiado todos los aspectos peculiares de la línea, como son edificios pesados o con cimentaciones superficiales; y que estén identificados y caracterizados los suelos que no han sufrido cargas, como parques y antiguos canales , y que estén identificados los tramos preconsol irlados. Un aspecto muy importante es si se conocen confiablemente las condiciones piezométricas del sitio, para evaluar las recomendaciones contenidas en el estudio sobre el control del nivel freático.
correcta y que quede f lj a con suj etadore::; para que mantenga su posición du- . '1te el proceso de colado - Colocar las juntas separadora .. mente verticales y engrasadas
perfecta-
- Revisar que el revenimiento y tamaño agregados sean los especificados
de
- Controlar que l~ tubería de colado o treml se opere con valvula (pelota) y se manej ~ con cuidado, para que el concreto no se contamine - Llenar registros ~e control con todos los detalles construct1vos,observaciones y descripción de los problemas del colado ( fig D3-1) - U~a vez rea.liza~da la excavacion, el super Vlsor exam1nara la calidad aparente del muro para ~ detectar ~onas de calidad pobre, que debera c?;relac1onar con los registros de construcc1on y proponer medidas correctivas
3.3 . 2 InstrumentaciÓn de campo
3.3,4 Control del nivel freático
Se deberá comprobar que la instrumentación de campo con la que se controlará el proceso de construcciÓn sea la adecuada, que esté protegida, y que las mediciones tengan la frecuencia y precisión necesarias .
Las alter_!lativas de bombeo que podrán adoptarse seran: de achique, por gravedad y electrosmótico; en cualquiera de ellas el supervisor debe asegurarse que el control de agua freática sea el adecuado, que no se tenga una eventual condición de subpresión en un estrato granular y que no se esté desarrollando una superficie de falla . Los aspectos precisos que deben vigilarse son:
3.3.3 Construcción de muros milán Se deberán vigilar todos los aspectos del proceso constructivo y comprobar la calidad del muro una vez que se realice la excavación. Los aspectos principales que deben cuidarse son:
- Limpieza de zanjas y cárcamos de bombeo Limpieza de los pozos de bombeo previa a la colocación del filtro
- Verificar la localización de los muros
Granulometría adecuada del filtro
- Ratificar durante la excavac-ión la selección del fluido estabilizador , que general mente podrá ser simplemente agua, y en tramos d e suelos muy blandos con muros profundos (mayores de 20 m) , podrá justificarse el empleo de lodos arcillosos o bentoníticos
Medición del gasto bombeado
Asegurarse de que el equipo de excavación tenga las dimensiones especificadas y sea el adecuado - Inspecc ionar los materiales excavados, lle vando un control cuidadoso de su clasificación y compararla con la información estratigráfica - Cuando se emplee lodo, se deben controlar sus características, principalmente su densidad, viscosidad y contenido de arena. Detectar las pérdidas de lodo y estimar el volumen perdido .
- Control del potencial eléctrico e intensidad de corriente Medición de los piezómetros de control 3.3.5 Excavación y apuntalamiento Los aspectos técnicos que deben supervisarse durante la excavación del terreno (nÚcleo) comprendido entre muros milán son : · Revisión cuidadosa del programa de excavdción, analizando la capacidad del equipo disponible - Identificación de los materiales excavados a fin de ratificar la información sobre la estratigrafía del sitio
· Vigilar que se limpie el fondo de la excavación con una tubería de suc.:ción (a.U!. li6.tl
Criterio de colocación de puntales, así como la magnitud de la precarga, asegurándose de que los gatos estén calibrados
Observar la colocación de la armadura de refuerzo, comprobando que se utilicen centradores adecuados, que tome la posición
- Comprobar que el nivel de excavación sea el proyectado, que el fondo esté limpio y que no se haya remoldeado el material
162
LINEA
Fecho
Tramo Sub tramo
Contratista Subcontrotisto
lng del frente
lng Superv isor
Plano de referencia Característicos del muro Locolizocion
del muro m
Profundidad
Ancho
PEFORACION
Prof real
Pro t proyecto
LODO BENTONITICO
Observaciones
Densidad
g / cm3
Viscosidad
seg
Cor.>enido de areno
%
Ad i tivos
Volúmen perdido
m3
Tipo de bentonito
··
COLOCA C I ON DE ARMADO Tipo
Observaciones Fecho
--·CONTROL DE COLADO
Profundidad
m
Observaciones
Term inocion
Inicio
-
1 Largo
m
Volumen
CONCRETO Hora
Resistencia
Revenimiento
Tamaño máximo del agregado RESISTENCIA A LOS 28 DI AS N t.
FIG D3-1
N t.
REGISTRO DE CONSTRUCCION DE
- Revi s ar las c ondiciones de frontera en el e xtremo de los muros milán, particularmente s i conv iene interceptar el flujo de agua e n estratos permeables - Durante todo el proc...eso de excavación , el ingeniero supervisara que los movimientos verticales y horizontales estén dentro CF! las toleranc ias definidas en el proyecto 3.3 . 6 Estabilización de taludes En las excavaciones a cielo abierto se podrá requer i r proteger los taludes contra el intemperis'llo, o s e r necesario colocar anclas para mejorar su estabilidad . En estos trabajos de supervisión se vigilarán los siguient es aspectos: - Que el talud sea cuidadosamen te afinado
t~ U RO
Ni.
Ni.
MILAN
- Compro bar que l a resi stenc ia lanzado sea la espec if i cada
del
conc r e t o
- Verifi car q ue l a c o locac ión d e anclas c um pla todos l os de t alle s e specificados - Realizar suficien tes pruebas d e anc las para asegurarse de q u e a lca nz an la capac id ad proyectada 3.3 . 7 Estructuras afec t ables El ingeniero supervisor i dentificará con t odo detalle l as estructuras vecinas que p udi e ran ser afectadas po r la c onstru c c ión d el Metro y comprob ará que hayan sido cons i deradas en el diseño, o q u e s e requieran est udi os complementarios que contengan recomendaciones detalladas de las medidas de seguri d ad que deban adoptarse.
- Comprobar que la malla metálica de refuerzo esté separada de l talud como indica el proyecto , asegurándola firmemente con anclas cortas
3. 4
MODIFICACIONES A LOS PROCEDIMIENTOS DE CONSTRUCCION
- Comprobar que el lanzado de concreto se haga correctamente y que se alcancen los espesores diseñados
La complejidad del subsuelo de la Ciudad de México hace factible que durante la construc ción aparezcan condiciones diferentes a l a s
3 .4.1 Origen del problema
.JI
163
identificadas en el es tudio geotécnico¡ el ingeniero supervisor, asesorado p o r el especialista de mecá ni ca de s uelos, debe evaluar la importancia del pro b lema y decidir la conveniencia de introducir modificaciones de campo o de rea lizar estudios complementarios para fund amen tar alguna modificación.
juzga: los siguientes aspectos: a¡ definir la segur1dad que presenta la estructura b) conocer la funcionalidad con la ' ) d que opera e etectar los p:oblemas que podrían afee: tarla, Y.dl recop1lar la . información básica ~ue perm1ta establecer meJores bases de diseno para otras líneas del Metro.
3 . 4.2 Planos definitivos de construcciÓn
4. 2
La supervisión se encargará de elaborar los planos definitivos, que incluyen las modificaciones q u e se realizaron durante la construcción, así como recopilar los estudios que las fundamentaron¡ también integrará un informe fotográfico del proceso constructivo, incluyendo las condiciones imprevistas; el informe contendrá f echas, referencias y aclaraciones que faciliten la interpretación de las fotografías.
Durante los primeros meses de funcionam 1 ento de ·una línea del Metro deben observarse:
La superv is1on elaborará un informe final qu e contenga todos los aspectos técnicos significativos que se hubieran presentado durante el proceso de construccion . 3.5
TRAMOS EXPERIMENTALES DE CONSTRUCCION
3.5 .1 Objetivo
El extenso programa de construcción del Metro requiere la constante aplicación de nue vas té cnicas de construcción, así como del desarrollo de procedimientos alternativos, buscando incrementa r la eficiencia, reducir los costos de construc ciÓn y mejorar la calidad de los trabajos. La supervisión debe detectar qué aspectos conviene desarrollar , el alcmce de los experimentos y a nali zar las ventajas económicas que se lograrían. 3.5.2 Diseño y eva luación de los experimentos
Los experimentos tendrán que ser cuidadosamente diseñados , definir con precisión el objetivo de cada uno y las variables que podrán ser tomadas en cuenta; la ejecución del experimento quedará a cargo de un ingeniero familiarizado con · todos sus detalles , quien también se encargará de recopilar todos los datos . La información será revis~da y evaluada por el ingeniero que propuso el experimento, quien se encargará también de plantear las conclusiones del mismo; la supervisiÓn analizará toda la información, requiriendo la colaboración de especialistas que puedan asesorarlo.
4. COMPORTAMIENTO DE LA ESTRUCTURA 4.1
OBJETIVOS
La supervisión de obra será la encargada de determinar el comportamiento de una estructura a corto y a largo plazo, mediante mediciones topográficas y lecturas de la instrumentación de campo; esta información permitirá
OBSERVACIONES A CORTO Y A LARGO PLAZO
A~(mt.ami.ento4 1J expat1A.<.onu. Conocer la evoluClón mensua~ de los m<;>vimientos verticales que esté~ ocurr1endo, med1ante nivelaciones topográflcas de puntos a lo largo de la línea de los ~ancos.de referencia; la precisión d~ estas n1velac1ones será de ± 2 mm y estará referida a bancos de nivel profundos confiables.
Con la información obtenida se definirá el perfil t~pográfico, destacando los tramos donde pud1eran estar ocurriendo cambios. de f.o. pJt.u.<.6n de pOllo • Conviene determinar los cambios que se presenten en los piezómetros instalados a lo largo d e la línea, para asegurarse de que las hipótesis de diseño siguen siendo válidas, y en c aso contrario, estudiar la influencia que pudieran desarrollar los cambios. Evof.uu6n
F.<.f.tJt.ac.<.one4. Inspeccionar mensualmente la línea a fin de detectar posibles filtraciones que afecten la operación y proponer impermea bilizaciones correctivas. JuntM u.tJutduJta.i.u. Mantener un registro del comportamiento de todas las juntas estructurales. Si se presentan fisuras, habrá que colocar testigos de yeso para conocer su actividad.
ceJt.cana4. Deberán analizarse cuidadosamente, todas las excavaciones , sistemas de bombeo y cimentaciones que se hagan en la proximidad del Metro, para asegurarse que no lo afectarán . Adicionalmente, durante la construcción de esas obras , se harán nivelaciones y medición de instrumentos a fin de comprobar que los efectos inducidos son tolerables.
ObJt.a6
Oaño6 614m.<.co6 . Después de un sismo se inspeccionará cuidadosamente cada línea del Metro, y se realizarán nivelaciones topográficas para determinar los daños, en caso de haberlos .
de la Unea. Resulta necesario recopilar la siguiente información sobre la ope ración de la línea: a) ve locidad de operación de los trenes y su comparación con la de diseño, b) definir la influencia de filtraciones y daños estructurales , y e) en las estaciones que tengan edificios revisar que las cargas verticales de trabajo sean similares a las de diseño. Ope1Ulu6n
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E: INSTRUME.N TACION DE CAMPO
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• DESCRIPCION DE LA INSTRUMENTACION . .PARA EL ESTUDIO GEQTECNICO Y PARA OBSERVAR EL COMPORTAMIENTO DEL CAJON DEL 'METRO, DU.RANTE . . SU·CONSTRUCCION .y ·OPERACION: ·
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E: INSTRUMENTACION DE CAMPO
FIC-0 1 Piezómetro abierto en perforación previa 1.
OBJEl'IVO
Este d i spositivo permite determinar la presión de poro de un lugar a una cierta profundidad, al medir el nivel del agua que se establece en un tubo vertical, que tiene su extremo inferior permeable . Esta información es n ecesaria para alguno de los siguientes propósitos: a) determinar el estado inicial de esfuerzos del sitio en estudio , b) definir las condic iones de flu jo de agua, y e) conocer la influencia del proceso constructivo en la pre sión de poro . 2.
J
APARATO
Se muestra en la fig tl - 1; consta de un tubo ve rt ical, usualmente de PVC o me t álico de 0.5 pulg. de diámetro, con coples cementados, y una celda permeable en su parte inferior. Esta celda es también un tubo de PVC de 1.5 pulg. de diámetro y 30 cm de altura , con ranuras horizontales de 1 mm (fig Il - 1) , que permiten e l paso del agua; se acostumbra llenar la c~lda permeable co n arena de partículas mayores de 2 mm; usualmente se GOloca un fie ltro o una malla muy fina para confinar la arena dentro de la celda. 3.
INSTALACION
3.1
Trabajos de campo
Estos piezómetros se ins talan en perforaciones verti cales , c uidando que la celda permeable se mantenga libre de lodo y quede rodeada de un filtro de arena limpia; el procedimiento de instalación se presenta en la fig Il-2; consiste esencialmente en las siguientes etapas: l. Se perfora el suelo con un diámetro de 3 pulg. hasta una profundidad de 60 cm por debajo de la instalación del piezómetro; el fluido de perforaci oñ debe ser agua 2. Se instala ademe metálico de diámetro N y se hace circular agua limpia hasta que retorne con un m1nimo de material en s us pensión.
1
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3. Simultáneamente a lo anter i or se ensambla el piezómetro con la longi tud total del tubo vertica l (por ejemplo 30m), para permitir que el cemento de los coples tenga tiempo suficiente para endurece r; si se emplea tuber1a metálica en l as cuerdas se debe colocar cinta de teflón 4. Se extrae el ademe 30 cm y se vac1a arena bien graduada en el pozo, controlando su volumen 5. Se coloca el piezómetro dentro del pozo, comprobando que quede b ien asentado en la arena. Esta maniobra se hace aprovechando la flexibilidad de la tuber1a de PVC (0.5 pul g. ~ ), que fácilmente admite radios de curvatura de 3 m, aproximadamente; c uando se utiliza tuber 1a metálica se enrosca a medida que se introduce al pozo. En c ua lqu ier caso se coloca un tapón superior roscado o débilmente cementado, con una pequeña perforación para que el aire entrampado tenga salida. 6. Se extrae el ademe en tramos de 10 cm, vaciando gradualmente a rena dentro del pozo hasta 30 cm por arriba del bulbo 7 . Se agrega bentonita en bolas para sellar un tramo de un metro del pozo , controlando s u volumen 8. Se extrae el ademe y se re l lena con lodo arcilloso 3. 2
el
pozo
Criterio de instalación
Las celdas permeables de los piezómetros deben colocarse coincidiendo c o n los estratos permeables que aseguren su buen funcionamiento· en la fig Il-3 se muestra como hace rlo, ap~ovechando un perfil estratigráfico obten~ do con el cono eléctrico, porque esta técn~ ca detecta con precisión los estratos duros de secado solar de pómez o de arenas vo l cánicas, que tien~n ~ayo r permeabilidad que las arcillas intermedias. Por lo anterior,
una
estación
piezométrica
166
a) Celda permeable
Copie PVC ·ce m entado
á) :3.0 m
Tubo PVC (hidráulico) 1/ 2 pu l g. l'l
Rondana PVC 1/4 pulg. Tubo ver! icol
A
.. '. ·.. . . .. '
Ranuras (:3) de 1mm. '
A
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1
Sello de benton ito
lCC
30
Perforo e iÓn de :3 o 4 pu iQ ~ ( 7. 5 o 1O e m .)
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Areno 1!1>2 mm
JO
Tubo PVC ( hidro'u lico 1 1/2 pulg. fJ
Topo PVC 1/4pulc.¡.
1-
Filtro de areno
t
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bie n graduado
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••
•
Acotaciones en cm Figuro sin escalo
4. 81!1 ~
FIG 11-1 PIEZOMETRO ABIERTO
sjempre está constituida por varias celdas de medición, usualmente dos o cuatro, en igual número de perforaciones.
tiene que acumularse el ag ua dentro del tu bo vertical, hasta alcan zar la altura de equi librio.
3 .3
El nivel del agua dentro d el tubo vert i cal se detérmina con una sonda eléctrica integrada por un cable eléctrico dúple x flexible y un medidor de resistencias (óhmetro) ; l a punta del cable lleva una boquilla de plástico que impide que los dos alambres co nductores pue dan hace r contacto con la pared interior del tubo, tiene también un lastre metálico para tensar el cable y asegurarse de la precisión de la medición . Una vez q ue los conductores tocan la superficie del agua cierran el circuito, y el onmetro lo registra; la precisió n de la medición es ± 1.0 cm d e columna de agua. La medición de la altura piezométrica d ebe estar relacionada con un nivel de referenci a instalado junto a l piezómetro (fig Il-4).
Protección de los aparatos
La parte superficial de los piezómetros, esto es, la salida de los tubos verticales deberá quedar alojada en un registro de protecci6n (fig Il-4), Los tubos deben tener una etiqueta que identifique la profundidad de cada celda; el registro tendrá también un nivel de referencia de las elevaciones. 4.
MEDICION
La celda permeable permite que se defina la altura piezométrica del agua de la lente en que fue instalada; por su parte, el sello debe impedir la intercomunicación con los otros lentes que queden por arriba. El tiempo de respuesta de este piezómetro es lento, probablemente de varios d1as, porque
5.
INFORMACION OBTENIDA
5.1
Condiciones iniciales
¡
167 una vez e stabilizados los niveles de agua de las celdas que constituyen una estación piezornétrica, y la posición de l os niveles de agua, se deduce la variación con la profundidad de los esfuerzos totales y la correspondiente de los esfuerzos efectivos. En l a fig Il-3 se muestra que restando de los esfuerzos totales la magnit ud de las elevaciones piezamétricas, se obtienen los valores de los esfuerzos efectivos a las elevaciones en que se han instalado las celdas de medición; estos puntos se unen linealmente, considerando que en los estratos arcillosos intermedios .a presión de poro varía linealmente . 5. 2
Evolución de lo s niveles piezornétricos
Considerando que los niveles piezométricos pueden cambiar a consecuencia de : a) bombeo profundo para e l abatimi ento de agua, b) recarga de los acu íferos durante el periodo de lluvias, e ) bombeos superficiales por excavaciones superficiales, y d) por la aplicació n de sobrecargas superficiales, se requiere determinar la evolución de los niveles piezornétr i cos~e, el tiempo; para ello se real i-
zan observaciones frecuentes (fig Il-5). Debe tenerse en cuenta el tiempo de demora que requieren los piezómetros abiertos para registrar estos cambios, que podría justificar el uso de piezómetros neumáticos a pesar de su e levado costo y delicada operación. 6.
COMENTARIOS
Los piezórnetr.os abiertos frecuentemente se identifican corno tipo casagrande, por ser ese investigador el primero que promovió su uso intensivo. Los piezómetros abiertos pueden fabric a rse con tubería metálica y de PVC; en cuanto al bulbo de medición , los hay de plásticos per meables, de metales sintehizados y de filtros geotex ti les . En general, todos e llo s tienen un comportamiento muy similar. Se han desarrollado también técnicas para instalar piezómetros abiertos hincando a presión el tubo vertical, a medida que se protege temporalmente el bulbo permeable (FIC-03).
lAgua
R efereneio de nivel
Ademe N
1
Relleno con lodo arcilloso
T
··Agua
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Sello de b ent on ita
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l 30
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Perforóción 3pulg.-
30 Arene bien graduada
T JO
1 Lavado con
oouo
Bulbo ranurado
e olococ!OO del flflro
+ 30
1 Colococl6n del bulbo
Acotaciones en cm Figura sin escala
FIG 11-2 INSTALACION nE PIEZOMETROS 1 .
Cotocac1Ón
del sello
Condic iÓn final
168
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Resistencia por punto del cono
rEstociÓn piez~métrico 5
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2 kg/cm
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FIG Il-3 CRITERIO DE INSTALACION DE PIEZOMETROS Y VARIACION DE LOS ESFUERZOS EFECTI VOS DE UN SITIO
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Planta
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Conjunto
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Tornillos~allen
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Armazón metÓiica
Angula l "x l"x 3/ 16 "
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Acotac i ones, en cm
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REGISTRO PROTECTOR DE PIEZOMETROS ABIERTOS
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PA-2 30.00 m
O bservaclones: 1. El piezÓmetro PA-1 presentaunacafda de
O. 75 m en la columna de aoua 2 . El PA-2presenta unaca(dade 1.70m en
1a columna de agua debido al bombeo profundo
FIG 11-5 EVOLUCION DE LA COLUMNA DE AGUA EN UNA ESTAC ION PIEZOMETRICA
o'lOS
FIC-03 Piezómetro neumático l.
OBJETIVO
Este dispositivo, al igual que el piezómetro abierto, permite determinar la presión de poro de un lugar, a una cierta profundidad, midiendo directamente la presión que ejerce el agua sobre una membrana o diafragma; como el volumen de agua que se requiere para activar la membrana es muy reducido, su ~iempo de respuesta es corto . Lo anterior hace que estos piezómetros sean particularmente adecuados para detectar los cambios de presión de poro provocados a consecuencia de un proceso constructivo. 2.
---Tubo PVC 3/4" ~
_Reducción bushing de ~o 3/ 4"
DESCRIPCION DEL APARATO
En la fig 13-1 se muestra un piezómetro neumático, en el que su sensor está formado por dos piezas cilíndricas de acero inoxidable, unidas con 6 tornillos de 1/4 pulg. $ ; ambas piezas aprisionan perimetralmente la membrana flexible de acero inoxidable de 0.002 pulg. de espesor. Por debajo de la membrana se encuentra el bulbo perimetral de PVC y la piedra porosa fina; por arriba están los dos aro-sellos, el exterior que sella herm~tica mente a la membrana y el interior, más pequeño, que sirve para controlar la operación del aire a presión.
,a,_.:...~~...w-
15
eporoción poro fines descriptivos Arosellos central y perifér ico
Complementan este aparato las dos lineas de tubo flexible f>oli../.l.o una para introducir el aire a presión y la otra de salida; finalmente, un tramo de tubería de PVC de 3/4 pulg.$ , en cuyo extremo inferior queda fijo el piezómetro neumático. 3.
INSTALACION
3.1
Trabajos de campo
Se instalan en perforaciones verticales, cuidando que el bulbo permeable se mantenga libre de lodo, y quede confinado en un filtro de arena limpia; las etapas de procedimiento de instalación son similares a las descritos para los piezómetros abiertos (FIC-01) con el cuidado adicional de proteger con tapones los tubos de Polyflo, de entrada y salida del aire, debe tambi~n identificarse el extremo superior de cada linea . Es necesario tener en cuenta que un solo grano de arena que penetre en los tubos de aire obstruirán el funcionamiento del piezómetro. 3.2
Criterios de i n stalación
Los sensores deben colocarse coincidiendo preferentemente con los estratos permeables, para asegurarse de su mejor funcionamiento; si es necesario, estos piezómetros pueden colocarse en un estrato arcilloso, aún cuando hace mucho más lento su tiempo de respuesta. En la fig Il-3 de la ficha FIC-01 se muestra la mejor manera de instalarlos, aprovechando un perfil estratigráfico obtenido con el cono eléctrico, porque esta técnica detecta con precisión los estratos duros de secado
Tornillos de acero inóx idoble
~Piedra por oso
f ino
ulbo, tubo de PV C de 6.00 cm d con ronuros a coda 5mm, lleno de areno media
anura de 1mm (arre glo de 3 )
15
Top o de P VC 1/4 "
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Dibujo sin escala Acotaciones en centrmetros
FIG 13-1 PIEZOMETRO NEUMATICO
173
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iln F! G !2-3 !NSTALACION DE PUNTA PIE ZOMETR ICA que podría justificar e l uso de piez óme tros neumáticos, a pesar de su elevado costo. 6.
COMENTARIOS
Los piezómetros hincados se pueden identificar tambi én como piezómetros abiertos tipo Casagrande . Como s u instalación se hace sin emplear lodo bentonitico, su funcionamiento es muy confia-
ble . La posibilidad de instalarlos manualmente los hace particularmente Gtiles para colocarlos en sitios de acceso dificil . La instalaciones d~ estos piezómetros hin ca dos es más eficiente que la de los que se ins talan e n perforaciones previas; por ello su costo es menor.
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Monerol
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Acotaciones, en cm.
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FIG 12-2 BARRENA HELICOIDAL MANUAL
3.3
Protección de los aparatos
La parte superfic ial d e los pie zómetros, e sto es, la salida de l o s tubos verticales, deberá queda r alo j ada en un registro de protección (fig Il-4 de l a ficha FIC-01). Los tubos tendrán una e tiqu e ta que identifique la profundidad de c a d a c elda; e l registro debe también tener un nivel d e re f ere ncia de l a s elevaciones . 4.
MEDICION
El nivel de l a g ua de ntro d e l t ubo se determ i na i gua l q ue en u n p ie zómetro Ca sagrande , con a yud a d e u na sonda eléc tr ica i ntegrada por un ca bl e dúp lex fl e xible y u n medidor de r e sisten c i a (Óhme tro ). El tiempo de respuesta de este piezómetro es lento, probablemente de vario s días, porque d e be a cumularse el agua dentro del tubo vertical, hasta alcanzar la altura de equilibrio. 5.
INFORMACION OBTENIDA
5.1
Condiciones iniciale s
Una vez estabilizados los niveles de agua
de
las celdas qua constituye n una e s tación piezométrica, y conociendo la variación con la profundidad de los esfuerzos totales, s e puede determinar la variación de los e sfuerzos efectivos. En la fig Il-4 se muestra que de la magnitud de las elevaciones piezométricas , se obtienen los valores de los esfuerzos efectivo s a las elevacion e s e n que se han instalado las celdas de medición; estos puntos s e unen entre sí, considerando que los estratos arcillosos intermedios la presión de poro varía line almente. 5.2
Evolución de los niveles piezométricos
Considerando que los niveles piezométricos pueden cambiar a consecuencia de: a) bombeo profundo para el abastecimiento de agua, b) recarga de los acuíferos durante el periodo d e lluvias, e) bombeos superficiales por excavaciones superficiales, y d) por la aplicación de sobrecargas superficiales, se requiere determinar la evolución de los niveles pie zométricos con el tiempo, para lo cual se realizan observaciones fr e cuentes (fig Il-5 de la ficha FIC-01). Debe tenerse en cuenta e l tiempo de demora que requieren los piezómetros abiertos para registrar estos cambios,
1
FIC..-f}2 P.iezómetro abierto hincado l.
OBJETIVO
Pe rmite determ inar la pres1on de poro de un lugar a cie rt a profundidad , midiendo el n i vel d e l agua que se es tabl ece e n la punti pe rmeable de un tubo ve rti ca l hincado a presión . Esta informa c ión es necesa ria para cualquiera de los s iguien t es propósitos: a ) determinar e l estado in i cial de e sfuerzos del sitio e n es tudio, b ) definir la s condiciones de f l ujo de agua, y e) c onocer la influencia del p r o ceso co ns tructivo en la presión de poro . 2.
APARATO
Este se mue s tra e n la condición d e hincado e n la fig !2-l; los eleme ntos q ue lo integran so n: a) tubo de cobre de 5/8 pul g . de diámetro y JO cm de longitud, con perforaciones de 5 mm forrado con fieltro per me a bl e, b ) tubo de fierro galvanizado de 3 / 4 pulg . de diáme tro en tramos de 1 .0 m con coples , y e ) punta c ónica de acero de 2 . 7 cm de d i ámetro , con s ello temporal de s ilicón al tubo g alvaniz a do .
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Acotaciones 1 en :m.
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1
INSTA LACION
3.1
Trabajos de campo
Estos p iezó metros se hincan en e l sue lo co n l os ga tos hidráulicos de una perforadora o d e un cono mecánico. En suelos muy blandos pue den hincarse manualmente a percus ión, con ayud a de un marro ligero ; e n es t e caso , si la cos tra sup e rficial es dura, previamente se deberá perforar con la barrena oelicoidal de la fig !2-2 . El procedimiento de instalacióp manual o con ayuda de una ~áquina se presenta e n la fig !2-3; consiste esencialmente en : l . Perforar manualmente con una barrena helico i da l o con una perforadora mecánica, has ta un metro por arriba de · l a profundidad de instalación. 2 . Hincar el piezómetro en e l s uelo en la posición cerrada, hasta l a profundidad de proyec to (fig !2-Ja); en estas co ndiciones el se llo de s ilicón e vita que penetre agua y lodo al interior del tubo. Si el hin cado se hace a perc usión, se requiere una cabeza protectora de la rosc a de los tubos (no inc luida e n la figura) ; si se hinca a presión, deben usarse mordazas laterales. 3. Se introduce en e l piezó metro una barra auxiliar de acero de 3 /8 pulg . de diámetro, en tramos de 1.5 m, con c u e rda, para formar una columna con tinua; a c ontinuación se intro duce agua , hasta igualar el nivel en el interior del tubo (NA) con e l nivel fr e ático (NF). En seg u ida , con la bar r a a uxiliar se empuja a presión la punta de la ce ld a permeable (fig !2-Jb), o bien con l os impactos de un martillo ha s ta abrir el piezómetro 20 cm.
4. Al extraer la barra de acero
~eberá agregarse agua de manera que el nivel del agua (NA) no camb i e bruscamente, sino que se mantenga cerca o por ar riba del nivel fr eá tico (NF); a cont i nuación, este nivel t e nderá a encontrar su posición de equilibrio.
Perforaciones de Smm de diámetro Tubo galvanizado de 3/4 pulg. de diámetro Fieltro
3.0
t-'"" +
3.
Tubo de cobre de 5/8 pulg. de diámetro rÍgido Sello de sillcón
3.0
l
o). Conjunto
FIG 12-1 PUNTA PIEZOMETRICA
3. 2
Criterio de instalación
Los ele mentos permeables de los piezómetros deben colocarse coincidiendo con los estratos permeables que aseguren su buen funcionamiento; en la fig Il-3 de la ficha FIC-0 1 se muestra " c ómo hacerlo, aprovechando un perfil estratigráfico obtenido con el cono eléctrico, porque esta técnica detecta con precisión los estratos duros de secado s olar, de póme z o de arenas vo lc ánicas que tienen mayor permeabilidad que la s arcillas inte rmed i as; de ahí q ue una estación piezométrica siempre esté cons tituida por va~ios bu lbos de medición, usualmente dos a cuatro, en i gua l número de perforaciones, pero a distintas profundidades.
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solar, de pómez o de arenas volc~n 1·ca "' s con mab .l. yor · t erme . permea 1 1dad . que las arcillas 1n d 1as. Lo anter1or hace que una e s ta ·ó · "'t · · "' . c1 n p1ezom~ r1ca s1empre est~ constituida po · . . ó r var1os e 1 emen t os d e me d 1c1 n, usualmente tres 0 . 1 n amero d e perforaciones tro en 1gua per cua0 distintas profundidades . ' a
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!,! Q.
Otro criterio de instalación para este tipo de piezómetros es colocarlos Gnicamente en el estrato permeable , cuya condición de subpresión pudiera poner en peligro la estabilidad de una excavación, ya que permitirian detectar cambios de presión en corto tiempo. 3.3
Protección
o
'.~ 2 ¡------::;tL-------+-------+------~
" ct
de los aparatos
o
3.4
Calibración prev ia
Estos piezóme tro s deben calibrarse antes de ser instalados a una presión del doble de la operación, para l o cual se introducen en una cámara hermética llena de agua a presión ; dicha cámara tiene dos o rificios para el paso de los tubos Polyflo que conducen el aire. La calibración consis te en aplicar una presión conocida al agua y medir la correspondiente en el piezómetro; en la fig I3-2 se muestra una curva de calibración tipica, en la que puede apreciarse cierta distorsión para presiones menores de 1 kg/ cm 2 • Esto Gltimo no necesariamente es importante, porque la curva de calibración se repite .
6
8
FIG 13-2 CALIBRACION DE UN PIEZOMETRO NEUMATICO
d) La medición _de la altura piezométrica debe e~tar rela~1~nad~ con un nivel de referenC1a superf1c1al 1nstalado junto al piezómetro. S.
INFORMACION OBTENIDA
5 .1
Condiciones iniciales
4.
MEDICION
4 .1
Operación
5.2
La presión que ejerce el ag ua en la membrana se determina equilibrándola con aire, valiéndose de un sistema de aire a presión controlada, identificado usualmente como consola de medición. En la figura I3-3 se presenta una consola para presión de 4 kg/cm 2 (40 m de agua) , asi como el arreglo para la medición, que opera en las siguientes etapas: a) Se conectan los tubos rle entrada.Y salida del piezómetro a la consola de medición b) Se cierra el regulador de presión y la válvula de purga , y se abren la s válvulas de paso y del tanque e) Se abre gradualmente el regulador , obse rvando la présión en el manómetro de 4 kg/cm 2 que registra presión a una presión de 0 . 5 kg/cm 2 (5 m de columna de agua) A continuación se abre la válvula del manómetro de mercurio y se mide con una precisión de 1 mm. ¡
4
Una vez estabilizados los niveles de agua de las ce~das que con~tituyen una estar ·ión piezométr1ca, y conoc1endo la variación con la profundidad de los esfuerzos totale~, se puede determinar la variación de los esfuerzos efectivos. En la fig Il-3 de la ficha FIC-01 se muestra que restando de los esfue rzos totales la magnitud de las elevaciones piezométricas, se obtienen los valores de los esfuerzos efectivos a las elevaciones en q ue se han instalado l as celdas de medición; estos puntos se unen linealmente, considerando que en los estratos arcillosos intermedios, la presión de poro varia linealmente.
La precisión de la calibración está condicionada a las sensibilidades de la membrana y del sistema de medición .
·i
2
PreSIÓn rcgis lrodo ,en kg /cm2
La parte superficial de los piezómetros, esto es, la entrada y salida del aire deberán quedar alojados en un registro de protección (fig Il-4 de la ficha FIC-01). Los tubos tendrán etiquetas que identifiquen la profundidad de cada bulbo y la entrada y salida del a ire.
Evolución de l os niveles piezométricos
Considerando que los niveles piezométricos pueden cambiar a consecuencia de : a) bombeo profundo para el abastecimiento de ag~a, b) recarga de los acuíferos durante el perlodo de lluvias , e) aplicación de sobrecargas superficiales, y d) bombeos superficiales por excavaciones someras, se requiere determinar la evolución de l os n ive les piezométricos con el tiempo, para lo cual se realizan observaciones frecuentes (fig I1-5 de la ficha FIC-01), Debe tenerse en cuenta el tiempo de demora que se presenta en las celdas ins taladas en los estratos arcillosos . 6.
COMENTARIOS
Se han desarrollado otros tipos de piezómetros de membrana irt~trumentada con deformómetros eléctricos (~.tJuu:n gagu) y con cuerdas vibrantes. Estos instrumentos alcanzan mayor sensibilidad con menor deformación volumétrica; por ello son más confiables en los estra-
176
-
Entrado 2 3 4 5 6 7 8 9 10
VÓlvulo o pivote Manómetro 14 kg/cm1 Filtro Re~lodor
Vólvulo de paso Manómetro 4 kg/cm 2 Vólvulo de purga Tanque con aire o pres1Ón ( 10 k9) ManOO-.etro de merct.rio Membrana del piezómetro
FIG 13-3 EQUIPO DE MEDICION
tos arcillosos poco permeables. Lo s piezómetros neumáticos son instrumentos delicados cuya instalación y operación debe encomendarse a personal cuidadoso debidamente entrenado .
Los piezómetros neumáticos pueden instalarse en estratos de arcilla, a condición de que en la interpretación de l a s mediciones se t ome en cuenta la demora en su tiempo de respuesta.
FIC-04 Tubo de observación del nivel freático l.
OBJETIVO
Este dispositivo permite determinar la posición del nivel freático, as1 como su variación est~oftal en los peri~doe de lluvias y sequ1a; sirve también para detectar el abatimiento de este nivel a largo plazo. Esta medición es indispensable para definir el estado de esfuerzos de la masa del suelo del sitio, as1 como su evolución con el tiempo. 2.
DESCRIPCION
El tubo de observac ión es un dueto vertical instalado en una perforación, que profundiza por lo menos un metro por debajo del nivel freático (fig 14-1); su parte inferior es permeable para permitir la entrada del agua freática y la super ior sa llada con bentonita, para evitar que el agua superf icial penetre al tubo. En la fig !4-1 se muestra que este dispositivo puede ser de plástico PVC de 1 pulg. de diámetro con ranuras horizontales de 1 mm de espesor en un tramo de longitud 1.5 m; para evitar que el s u elo penetre al interior del tubo usualmente se utiliza un filtro geotextil. 3.
INSTALACION
3.1
Trabajos de campo
Para la instalación de estos tubos se requie-
re una perforación de 5 a 10 ande diámetro que puede hacerse con una máquina, o bien, manualmente con la barrena heLicoidal que se describe en la ficha FIC-02; es evidente que para hacer es ta per foración no debe utili zarse lodo benton1tico. Una vez terminada la perforación se introduce el tubo de observación protegido con una funda de polietileno o un tubo metálico, cuya función es evitar que el filtro se contamine por la maniobra; cuando el tubo está apoyado en el fondo de la perforación simplemente se levanta la funda de protección. A continuación se rellena la perforación en su parte inferior con arena media y el último metro con bentonita. 3 .2
Criterio de instalación
Estos dispositivos deben instalarse abundan temente: en cada sitio donde se haga un sondeo, se instale una estación piezométrica o se tenga incertidumbre de la posición del nivel freático. La profundidad de instalación se deberá precisar du~ante la perforación. 3 .3
Protección de los tubos
El tubo debe sobresalir de la s u perficie y protegerse por lo menos con un t apón, pero preferiblemente deberá tener un registro como el descrito e n la ficha FIC-01.
177
t
4.
MEDICION
Se debe hacer como se describe para los zómetros abiertos (FIC-01) .
50
S.
pie-
INFORMACION OBTENIDA
L~s mediciones de la posición del nivel freátLc~ deben interpretarse junto con la infor-
macLón piezométrica como se describe fichas FIC-01 a 03.
en
las
lOO
l
..,. Jt=== 0.1. Hilo Nylón_r--~
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Filtro
1
50 1
T lOO
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N~vel freótico
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.. ·.
_ Filtro geotex til
l FIG 14-1 TUBO DE OBSERVACION
FIC-05 Referencias superficiales l.
OBJETIVO
Medir los desplazamientos horizontales y verticales que ocurren en la superficie del terreno que circunda los cajones del Metro, as! como de las construcciones próximas que pudieran sufrir daños a consecuencia de las excavaciones. Estas mediciones permiten detec· tar oportunamente el desarrollo de condiciones de inestabilidad, o bien de deformaciones inadmisibles.
2.
DESCRIPCION
Las referencias superficiales son puntos fijos en la superficie del terreno y testig o s pintados en las estructuras vecinas; los primeros se instalan definiendo l!neas de co limación paralelas al eje del cajón o como puntos aislados para referencias de nivel; ob servando las l!nea~de colimación con un tránsito, se detectan los desplazamientos horizontales, mientras que con nivel óptico y esta-
178
dales se determinan los desplazamientos verticales. Los testigos pintados en los muros permiten determinar la influencia de los desplazamientos verticales inducidos por las excavaciones en las estructuras cercanas. Las caracteristicas de las referencias superficiales más recomendables para conocer el comportamiento de las excavaciones que alojarán a los cajones del Metro se des c riben a continuación. ~upeJL6-i.cia.t. Es un cilindro de concreto simple (fig 15-1) de 15 cm de diámetro y 30 d e altura, con un perno metálico empotrado en su extremo superior; este perno es un tornillo de cabeza esférica de 5/8 x 4 pulg. con una linea grabada en la dirección perpendicular a la ranura para desarmador. La ranura sirve de guia a la regla metálica de medición, que está graduada en milimetros, y cuenta con un nivel de burbuja y nÚJUl. para centrado.
Tu.Ugo
Ranura Tornillo de cabezo semiesfénco
1 .
.
1 .~
A
. :_¡ ·.
•
Cilindro de concreto tornillo
5/8" X 4'
30lcm ...__ ... .. 4
Morco grabado perpend1culor o lo roruro
_
•• _ .._ :· :
.
¡..-0 15 e m
~
.
~
-----1
FIG 15-l TESTIGO SUPERFICIAL
en mUllo~. Es una referencia de nivel horizontal (fig 15-2) formada por un triángulo rojo pintado sobre un fondo bla n co, que se localiza en los muros de construcciones cercanas a las excavaciones . Tu.Ugo
3.
INSTALACION
3.1
Criterios de instalación
~
C~o~t~•
•¡=t-----·7an
r 1
btonco
i•
Tr icJn9uto
7cm
L7·TM-5+3e•-o
1WWi1~to1
ro;.
optono60 con mortero
~~Muro
~
FIG I5-2 TESTIGO EN MUROS DE ESTRUCTURAS señalando una a cada lado de la excavación; como minimo la distancia de las li neas de colimación al hombro de la excavación estará comprendida entre 0.58 y B, siendo B el ancho del cajón; en el caso de la zo na del lago , se evaluará la conveniencia de dos lineas de colimación adicionales, las cual es se localizarán cada una a 0.5 m de la excavación. La separación entre tes tigo s superficiales se defi nirá de acuerdo a la tabla I5-l. En los tramos en curva se trazarán lineas de colimación tangentes, procurando que los t es tigos se mantengan dentro del intervalo de distancias recomendadas para los tramos rectos. También es factible que se requieran testigos s u perficiales localizados f uera de las lineas de colimación, para medir desplazamientos verticales en sitios caracteristicos; en este caso, el ingeniero responsable. deberá indicar su localización. Los testigos en muros se instalarán en todas aquellas estructuras, que basándose en el reconocimiento previo de la linea, se identifique n cofuo propensas a s ufrir daños, asi como en aqué llas q ue por su importancia deban vigilarse cuidadosamente. Los t estigos se colocarán en los muros paralelos y perpendiculares a la excavación; el namero m!nimo será de tres en Cdda muro y la separación máxima será 10 m. 3.2
Procedimiento de instalación
Todas las referencias deberán instalarse antes de la excavación en el tramo, segGn los procedimientos que se describen a continuación: a) Testigos superficiales
Los testigos superficiales se instalarán principalmente definiendo lineas de colimación, apoyadas en dos puntos de referencia fijos, alejados de los extremos de la excavación para evitar que sufran desplazamientos durante el proceso de construc ción . Las lineas de colimación serán paralelas al eje del tramo,
- Se trazan lÍneas de colimación paralelas a la excavación y a las distancias recomendadas (tabla 15-1) - se perforan lof sitios que alojarán testigos - Se colocan los testigos en las
los
perfora-
/
179
TABLA IS-1.
/
CRITERIO DE INSTALACION DE TESTIGOS SUPERFICIALES
ZONA
No. de lineas de colimación
Lago
2 a 4
lO m
Transición
2
20 m
Lomas
2
50
Separaci6n entre t es tigos supe r ficiales*
*En los casos de edificios cercanos ioportantes, se instalarán tres testigos distribuidos en la longitud del lado paralelo a la excavación, o bien a cada 10 m.
c i ones , confinándolos con mortero ; inme d i atamente se comprueba con un tránsito la alineación de la linea grabada y con un nivel de mano la horizontalidad de l a cara superior del cilindro de concreto Se marcan los testigos con su clave de identificación (f i g IS-3) y se p r otegen hasta que haya fraguado e l mortero
, . - - - - - -Testigo s uper t iciol 1 o TM poro testigo en muro l
0
!
Codenomiento l
, ¡ - - LodO d" KM
L7- TS - 5+386 - D FIG 15-3 EJEMPLO PARA CLAVE DE IOENTIFICACION
b) Testigos en muros - Con ayuda del n i vel topográfico de precisión se define la posición de estos testigos, a una altura aproximada de 1.5 m sobre el nivel de banqueta Se l ocalizan los siti os donde se colocarán los testigos; las zonas seleccionados se limpian y aplanan con mortero - En los sitiqs e l egidos se marcan cuadros de 7 x 7 cm (fig IS - 2) se pintan de blanco - Con l a ayuda del nivel de precisión se marca el eje hor i zontal de los testigos refiriéndo l o a un banco de nivel profun do 1
¡
Se pintan de rojo los triángulos de las referencias ( f i g IS-3) y se marca la clave de identificación. 4.
PROCEDIMIENTO DE MEDICION
4.1
Equipo de medición
El trá n sito que se u t i lice deberá tener plomada óptica de centrado y precisión de 1 5 seg; l as med i ciones se harán dos veces en cada posic i ón del aparato . Es indispensable que se compru ebe frecuentemente el ajuste del eje vertical del aparato . El nivel topográfico deberá ser de precisión, con radio de curvatura de 20 m y amplif i cación de 25 diámetros. Las nivelaciones serán diferenciales, con el apara t o nivelador equidistant e a los puntos de medición y lecturas máximas a lOO m, utilizando estada l es con nivel de burbuja y graduados en mi limetros ; l as mediciones se efecturarán cuando la reverberación sea minima. 4.2
Desplazamientos horizontales
Se registrarán con la ayuda del tránsto y la r egla metálica 1 colocándola en cada una de las ranuras de las cabezas de los tornillos, deslizándola horizonta l mente hasta que la mira coinc i da con la l inea de colimación (fig !5-4) . En la escala posterior de la regla, el cadenero medirá el desplazamiento horizontal entre la marca del perno y la mira ; la medición se realizará con aproximación de ± 0.5 mm. 4.3
Desplazamientos verticales
Se determinarán mediante n ivelaciones dife renciales entre los testigos, tan t o super f iciales como de muros, y el o l os bancos de nivel profundos (ficha FIC- 06). La precisión de las nivelaciones deí::>erá ser de 2 mm en 100 m de distancia; el ajuste del aparato de berá verificarse semanalmente . Los puntos de liga deberán ser confiables; para señalarlos, conv ie ne utilizar pernos metálicos con cabeza semiesférica.
180
4.4
Supervisión de las mediciones
se apoyará en una brigada de topografia, que verificará selectivamente las medicione s , particularmente cuando se detecten desplazamientos importantes. 5.
INFORMACION OBTENIDA
5. 1
Condiciones iniciales
una vez colocadas las referencias y antes de iniciar las excavaciones, deberán t o mars e las lecturas de nivelaciones y alineaciones correspondientes a las condiciones iniciales, que definen el origen de las mediciones desplazamientos-tiempo. 5 .2
PLANTA Reglo metálico (Visto de frente)
Evolución de desplazamientos
Desde el inicio de la excavación se tomarán l ecturas periódicas de nivelación y alineación de las referencias, anotando l os datos en hojas de registro que incluyan el cá lculo de desplazamientos; l os desplazamientos se presen tarán como se ilustra en la fig I5-5. Es necesario que los cálculos de desplazamientos se realicen el mismo dia e n que se tomen las lecturas, para contar oportunamente con la información de control de la obra. En la tabla I5-2 se presenta la frecuencia con que se d e ben efectuar las mediciones . 6.
CORTE A·A'
COMENTARIOS
- Todas las mediciones deberán realizarse por la mañana, antes de que la reverberaciDn impida obtener lecturas confiables (tabla I5-2 ) - El ingen iero supervisor deberá v igilar l os siguientes aspectos: a) el cuidado con que se instalen las referencias, b) la capacidad técnica del personal encargado de las mediciones, y e) el estado fisico y ajuste de los instrumentos de medición. REFERENCIAS
7.
l.
VISTA POSTERIOR
CFE, Manu a l de diseño de obras civiles, Geotecnica, Fasciculo B.3.6, México, 1979
TABLA I5-2.
MEDICIONES ETAPA
l1
DIARIAS DURANTE LA CONSTRUCCION
FIG 15-4 MEDICION DEL DESPLAZAMIENTO HORIZONTAL DEL TESTIGO SUPERFICIAL
FRECUENCIA DE LA MEDICION DE DEFORMACIONES
SEMANALES TERMINADA LA CONSTRUCCION
Deformación horizontal y vertical
MENSUALES
Si !::. < 1 mm/se m.
SEMESTRALES
Si l1 < l mm/mes
ANUALES
Si l1 < 1 mm/año
181
-
L.odo lrc¡ulerdo
AvaMe
Excavación Lodo derecho
PLANTA
Desplazamiento horizontal (cm)
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L.odo lrc¡ul erdo
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~ -!1
6+760
6 + 780
S +800
8+820
6+840
6+860
6+880
8+900
Codlnomltnto
+!1 e: ·o ·¡; e:
Desplazamiento vertical (cml Lodo lrc¡ultrdo
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Evolución dt dtlplozamlentot horizontal•• y vertlcalea
u'nto_8_zono Lggo Centro I r romo dt codtnomltnlo 6t760 o 8+900 Dlltonclo dt loa Jlntot dt colimación ol tlt dtl !romo• dertcho•~ , I zqui erdo• !1.2!1m • •eh o !1 dt novltmbrt dt 198!1 17 dt dlcltmbrt dt 198!1 J t - - --11
----e
FIG I5-5 PRESENTACION GRAFICA DE DESPLAZAMIENTOS HORIZONTALES Y VERTICALES
FIC-06 Banco de nivel profundo l.
OBJETIVO
Es un punto fi~o que no sufre los asentamientos regionales que pudieran estar ocurriendo en la superficie del terreno; sirve de referencia confiable para la medición de los desplazamientos ve rticales, que tienen lugar durante la construcción de los cajones del Metro y durante su vida útil.
2.
DESCRIPCION
Es una columna metálica delgada firmemente apoyada en un estrato de suelo que no se asienta (fig IG-l); se instala dentro de una perforación de 4 l/2 pulg. de diámetro que se profundiza has t a Jl est rato firme que no su¡'
,·
L
fre asentamientos. La columna metálica es un tubo galv anizado de 1 1 /4 pulg., con coples a los que se les ha n limado las aristas (fig 16-1); su extremo superior termina en un vértice, en el que se apoya el estadal. En su extremo inferior, la columna se ancla en un muerto de concreto de 10 cm de diámetro y 30 cm de altura. La columna metálica (tubo central) se protege con ademe vertical para absorber las deformaciones verticales de los estratos de suelo · y permitir que el tubo mantenga constante su posición . En zonas que sufran asentamientos regionales importantes (mayores de 10 cm año) es necesario que el ademe de protección sea telescópico, mientras que en zonas con asen-
182
tamientos menores puede ser recto.
un
simple
tubo
El ademe tipo telescópico se forma con tubos de PVC de 2 y 3 pulg . de diámetro con unio~es deslizantes (fig I6-l); los coples de unLón se colocan en los tubos de 2 pulg . El ademe simple es un tubo de PVC de 2 pulg. d e diámetro (no aparece en la fig). En la superficie se coloca un registro de protección e ide ntificación. 3.
INSTALACION
3.1
Criterio de localizac ión
=···::_J 1:-~ -; ~~ 1 1 1
·~·
1
1
300 "
1300 1 1
- -Q--
Tubo de PVC 3" 0
~ --
Gal vanizado 11¡<\' P
1 300 ·-.
i ·;
30 0
T
-Co pie Galva ni zado 1114" 0
300
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1-
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.
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1
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12'0
1
300
-Lodo Benton(tico
!
~ 1
Muerto de e oncreto
~o -~- . ,.:-:~·
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t =-~
Acotaciones en cm
FIG 16-1 BANCO DE NIVEL PROFUNDO
se
El nivel óptLco deberá ser de prec isión con radio de curvatura de 20 m y poder amplificador de 25 diámetros; en cada medición se verificará que la burbuja esté centrada. Los estadales deberán estar graduados en milímetros, tener nivel de burbuja y base metálica. Todc el equipo deberá revi s arse periódica1nente para verificar su estado y ajustarse en caso necesario. 4.2
Unión deslizante
1
- Una vez que se ha llegado al fondo y apoyado el c ilindro de concreto, se levanta el ademe 1.2 m por arriba del fondo (fig I6-1)
Equipo de medición
Apoyo de estado!
l
- Se introduce simultáneamente el conjunto de tubo central con su cilindro de apoyo y aJerne protector, bajando estos dos últimos firrnemeRte apoyados para evitar que pene tre material sólido dentro del ademe
4.1
..
.,...
300
- Se hace el barreno de 4 1/2 pulg. de diáme tro hasta penetrar en el estrato firme aproximadamente 0.3 m, estabilizando la excavación con lodo bentonítico
MEDICIONES
~~ -~ e .,.. ,_ _ ""' • .......--..41
1
Una vez que se ha seleccionado el sitio y la profundidad para la instalación del banco de nivel, mediante el reconocimiento previo de la línea, se procede de la siguiente manera:
4.
;:-
~
4--?
Procedimiento de instalación
- Se coloca el registro de protección y fija la tubería al registro
bl de talle
-e--
El banco de nivel profundo deberá localizarse lejos de cimentaciones profundas que se apoyen en el mismo estrato donde se instale el banco; la profundidad de la referencia se determinará a partir de la estratigrafía del sitio. La distancia entre los bancos no exce derá de 3 km y su distribución deberá eleg irse de acuerdo al plano general de líneas de Metro proyectadas, de tal manera que un mismo banco sirva corno referencia en la mayor c an tidad posible de tramos. 3. 2
al Conju nto
Procedimi ento de medición
El procedimiento de medición recomendado es la nivelación diferencial, que se llevará a cabo dentro de las redes que se formen con los ban-
cos y efectuando lecturas dobles en cada posición del aparato . Las nivelacio nes que se realicen en la red de bancos deberán ser compensadas y tendrán una t o lerancia ± 1 cm/ km. Para lograr nivelaciones d e calidad es recomendable que se realice en un solo día la n i velación de una red de bancos y cuando la temperatura sea menor (mañana o noche). S.
INFORMACION OBTENIDA
5.1
Condiciones iniciales
Antes de que se inicien las obras de excavación en un tramo, deberá s star instalada la red de bancos de nivel correspondiente y se realizará una nivelación inicial entre los bancos. Con esta niv elación se obtendrán las cotas con las que deberán relaci9narse las referencias superficiales.
183 5.2
Frecuencia d e mediciones
Durante el tiempo de excavac i ón, l a s nivelaciones de la re d de bancos profundos se efectuarán semanalmente; posteriormente, las nive l aciones podrán realizarse mansualmente hasta el in i cio de operación o hasta que los desplazamientos verticales en los t ramos se reduzcan a 1 mm/mes; posteriormente se corre-
rán n i ve l acio nes semestrales. 6.
COMENTARIOS
P~ra comprobar la confiabilidad de las medic1ones.es necesario que los bancos profundos ~e ~ef1eran a bancos fi jos l ocalizados fuera e as zonas de suelos deformables.
FIC-07 Celda hidráulica de carga l.
OBJET I VO
4.2
Este d i spositivo permite controlar racional mente la instalac ión de los troqueles con que se apuntalan temporalmente l os mu r os milán del Metro en cajón, al hacer factible definir con precisión la magnitud de la carga aplicada y lograr la congruencia co n la carga de finida en el diseño .
El procedimiento de operación es muy simple, consiste en aplicar presión hasta alcanzar la carga de diseño, en ese momento se ajustan las c uñas de apoyo que determinan la longitud fija del troquel; a continuación se descarga el gato hidráulico p ara mon tarlo en otro troquel.
2.
El manómetro es el elemento más débil de este dispositivo, los golpes lo desajustan y obligan a realizar nuevas calibraciones; por este motivo , se recomienda montar el manómetro en una manguera con conexión ráp i da, este artificio permite i nstalar todo el sistema sin poner en riesgo el manómetro, e l cual se conecta hasta que se inicie la operación del gato hidráulico.
DESCRIPCION DEL EQUIPO
La celda hidráulica de carga es un cilindro o gato de presión hidráulica de doble acción, operado con una bomba manual o eléctrica, tie ne un manómetro para medir la magnitud de la presión aplicada; la capacidad usua l del gato es 50 t on y 30 cm de carrera . La presión má xima del fluido hidráulico generalmente es de 700 kg/cm l . 3.
INSTALACION
Durante la instalación del puntal , el gato hidráulico se coloca en el extremo del troquel q ue tien e una caja para soporte y apoyo del gato h idráulico , como se observa en la fig I7 - l. 4.
MEDICIONES
4.1
Calibración previa
En algún caso que interese determinar los cambios en las magnitudes de las cargas durante e l periodo de operac i ón de lo s puntales , se deberá in stalar nuevamente el gato hidráulico y aplicar carga hasta despegar muy ligeramente al troquel; en ese momento la carga determinada será aprox imadamente la que tenia el troquel. 5.
l
El conjunto gato-bomba- manómetro debe calibrarse por lo menos cada dos meses de uso; si se conoce con precisión e l diámetro del pist ó n del gato, es admisible calibrar únicamente el manómetro.
e S S S
Proc edimiento de operación
INFORMACION OBTENIDA
Se deberá llevar un controi de la magnitud de las cargas aplicadas inicialmente; podrá también hacer mediciones durante el periodo de operación del puntal y al mome nto de desmontar l o .
184
CUÑAS CABLE DE SEGURIDAD ~NIVEL
DE TROOUELAMIENTO
RODETE DE MADERA
MURO--._ MILAN
LOSA DE FONDO PLACA DE AJUSTE 1 DESLIZANTE
CAJA
PLACA DE GUIA
C O R TE
VISTA
LATERAL
CAJA PLACA DE AJUSTE 1 DESLIZANTE
CUÑA MANGUERA
V 1STA
SUPERIOR
PLANTA CAJA AJUSTE FIG 17-1 CELDA HIDRAULICA DE CARGA
\
FIC-08 lnclinómetro l.
OBJETIVO
El inclinómetro permite conocer la d' . ción con la profundidad de los despl~str7bu · t 1 azam~en t os h or~zon a es que se presentan en la masa de suelo cercana a las excavac iones de una linea; en esta ficha se describen las cara _ teristicas del equipo comGnmente utilizad~ las técnicas de instalación y medición, ade~ más del procedimiento de cálculo; final me nte se presentan comenta rio s relativos a la in~ terpretación y precisión de las mediciones que se obtienen en distintos tipos d e suelos. 2.
ap l icabilidad del inc lin6metro al caso en es tudio y podrá elegirse e l tipo de sonda más adecuado.
~~ ~rofundidad de los inclin6metros se fija del par~~~ de la estratigrafía del sitio y de fanláll~s~s de las superficies potenciales a a , de tal ma empotramiento d l nebra que se a segure el e a ase del ademe.
DESCRIPCION DEL EQUIPO
El inclinómetro es un equipo de medición constituido por los siguientes cuatro elementos (fig IS-1):
Ademe. Es una tuberia metálica o de plástico telescópica, disponible en tramos de 1.5 y 3 m de longitud, que se une mediante coples para alcanzar la profundidad requerida; esta tuberia tiene ranuras longitudina l es perpendiculares entre si, que sirven de guia a la sonda durante las mediciones . El ademe se instala en una perforación vertical , empotrando su extremo inferior en el fondo de ésta, fuera de la profundidad de influencia de la excavación. Sonda. Es la unidad de medición p o rtátil, que aloja el sensor de inclinac ión; este Gltimo consiste básicamente en una mas~ guia instrumentada que genera una señal eléctrica proporcional a su inclinación. En la tabla IS-1 se resumen las caracteristicas de las sondas de mayor uso. Cable eUctM.c.o gM.duado . Transmite las señales de la sonda hacia la unidad de registro y lectura; además, sirve como referencia para conocer la profundidad de la sonda en los distintos niveles de medición.
\
Utúdad de c.oiLtlto.t. IJ lec..tulul. Su función es recibir las señales eléctricas y transformarlas en lecturas analógicas o digitales para su registro e interpretación, as! como generar la energia necesaria para activar la sonda.
!
Copie Copi e
unido
,...--..,
-
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h
T~bo ronuradot-
"-
Tramo Libre 15
<~ Perforación 112 pulg. ~
+,-
....
Cople,..l"'inw-bo-m
-
Cinta adhesiva
~~......... Poliken
o
Mezclo agua con bentonitacemento
Pl anto
3.
INSTALACION
3.1
Criterio de instalación
Tramo in ferior
r
Los inclinómetros se localizarán en las secciones de la linea en que los factores de estabilidad de la excavaci ón sean c riticas (ficha FDG-03) y donde existan estructuras de importancia o susceptibles de sufrir daños por asentamientos. En cada caso, deberá efectuarse un análisis para conocer el orden de la magnitud de los desplazamientos que se presentarán durante la construcción; comparando los valores as! calculados con la sensibilidad de la sonda de medición (inciso 4, ec 4), se decidirá la
l
Acotaciones Gn cm. Sin escala
FIG 18-1 TUBERIA PARA INCLINOMETRO
186 El material de confinamiento de la tuber1a dependerá del tipo de suelo predominante en el sitio; as1, en la zona del lago y de transición baja se emplearán mezclas de bentonitacemento-agua, mientras que en la zona de transición alta, el relleno será arena fina suelta. Los inclinómetros se instalarán antes que se inicien las excavaciones en el tramo correspondiente. 3.2
Procedimiento de instalación
En la instalación de los inclinómetros se seguirán los pasos que se describen a continuación (fig 18-2). a) se perfora el barreno de 4 1/2 pulg. de diámetro; en suelos blandos (zona del lago y de transición baja) , el pozo se estabilizará utilizando lodo benton1tico; por su parte, en suelos compactos (zona de transici6n
alta) , se perforará en seco para evitar la al ter ación de las pr.opiedades mecánicas del suelo en estudio (ficha FEG-08). b) Simultáneamente a la actividad anterior, es conveniente ensamblar los tramos de tuber1a para iniciar su instalación tan pronto se termine la perforación; debe vigilarse que las torsiones de las guias de la tuber1a se compensen en segmentos consecutivos. Asimismo, en el extremo inferior de la tuber1a se colocará un tapón que evite la entrada de suelo a su interior . e) Una vez que se ha alcanzado la profundidad requerida, se limpia la perforaci6n haciendo circular fluido hasta que retorne con un m1nimo de part1culas s6lidas. d) Se baja la tuber1a dentro de la perforación, cuidando que un par de las ranuras sean perpendiculares al eje de la excavaci6n; durante esta etapa, se preparará la mezcla de
Lo dO bentonítico o aire
J r
~
~~-1
r-
~ A
V
{
{
Tramos de 10 tubería principal.
~
Copies
-
-
~
u LIMPIEZA OEL POZO
INSTALACION DE LA TUBEAIA.
COLOCAC ION DEL MATERIAL CONFINANTE
FIG IS-2 PROCEDIMIENTO DE INSTALACION
CONOICION
FINAL
187
bentonita-cemento-agua, para evitar que frague antes de su inyección. e) En suelos blandos, la mezcla de bentonitacemento-agua se inyecta a baja presión desde el fondo del barreno; en suelos compactos perforados en seco , se hace circular aire desde el fondo con una manguera al tiempo que se vierte la arena desde la superficie, haci~ndola pasar a trav~s de una malla para lograr su colocación en es~ suelto. f)
Se fija el extr e mo superior de la tubería con un soporte y se construye el muvUo de concreto que servirá como registro de protección del inclinómetro; a continuación, se marca con una clave de identificación.
oY l..
K¡; :l"l
a) El equipo debe calibrarse periódicamente para detectar cualquier cambio en la constante que relaciona las lecturas con las inclinac iones. b) Antes de iniciar las mediciones, se verificará que el equipo se encuentre en buenas condiciones y que el cVto del instrumento permanezca invariable .
e) Todo el equipo utilizado en las mediciones de inclinaciones es delicado y debe dársele mantenimie nto cada vez que se utiliza; como mínimo, deberá limpiarse y engrasarse para evitar corrosión en cualquiera de sus partes. 5.
PROCEDIMIENTO DE CALCULO
Se basa en la integración num~rica de las lecturas a partir del extremo inferior de la tubería, que se considera fijo¡ la expresión para el cálculo tiene la forma:
K
(!8-1)
(Io + I 1ao l 1
2
(!8-2)
K
donde desplazamiento horizontal en punto i K
constante de cálculo
k
constante del aparato
6L (! 0
+ I18 0
el
distancia entre lecturas ) j
suma de las lecturas de inclinación a 0° y 180° en el punto j
El error o en el cálculo del desplazamiento, asociado a la sensibilidad de la sonda, puede obtenerse mediante la siguiente expresión:
o
a
L
m
donde
e) Cada serie de lec turas deberá repetirse girando la sonda 180°, ya que en la mayoría de las sondas, la suma o resta de estas lecturas es una constante que puede verificarse fácilmente en el campo; en caso de obtenerse un valor distinto al constante (± 5 unidades), deberán repetirse las lecturas correspondientes. d) Durante la toma de lecturas debe contarse con los registros de las mediciones anteriores, para detectar diferencias significativas originadas por desplazamientos o errores de medición; as! podrán verificarse oportunamente las lecturas que presenten la mayor desviación.
2
con
PROCEDIMIENTO DE MEDICION
Consiste en bajar la sonda a trav~s del ademE. para tomar las lecturas de inclinación a distintas profundidades; los errores de las mediciones se reducirán al mínimo si se consideran los siguientes aspectos:
+ I¡e o
que es equivalente a:
g) Se toma la primera serie de lecturas del inclinómetro, que será la referencia para conocer la evolución de los desplazamientos horizontales durante la construcción . 4.
Io
+
D yi- '
a
Desviación estándar de la medición de inclinación, aproximadamente igual a la sensibilidad de sonda (tabla I8-1)
L
Longitud total de la tubería
n
número de lecturas
Oehe aclararse que en cada caso particular, los errores de medición asociados al sistema suelo-tubería-sonda pueden ser mayores que el valor calculado (ver inciso 6). 6.
INTERPRETACION DE LOS RESULTADOS
Las mediciones con inclinómetro deben interpretarse siempre en función del análisis geotécnico de deformaciones asociadas al caso en estudio; de esta manera, podrán identificarse los errores origiandos por deficiencias en la instalación o mal funcionamiento y operación de la sonda . Al evaluar la confiabilidad de las mediciones, debe tomarse en cuenta que el uso del inclinómetro se basa en las siguientes hipótesis: a) La rigidez de la tubería no interfiere con los desplaz amientos horizontales de la ma-
'
188
TABLA I8-l.
TIPO DE
CARACTERISTICAS DE LAS ONDAS DE INCLINOMETRO
PRINCIPIO DE OPERACION
INSTRUMENI'ACIOO
Potenciómetro
Deformómetros eléctricos l~.tluún gagu)
Servoacelerómetro
*NOTA:
SENSIBILIDAD* (min)
Tiene un péndulo en contaoto con una resistencia a la que divide en dos segmentos; estos segmentos forman un arreglo de medio puente y la otra mitad se encuentra en la unidad de registro. La lectura necesaria para balancear el arreglo es proporcional a la inclinación del pénduló
INTERVAW DE OPERACION ( 0 )
ALTURA
TOTAL (cm)
DIAME- DISTANCIA TRO ENI'RE RUE(cm) DAS (cm)
3
± 12
57.0
6.0
30.5
1
± 53
81.6
4.3
50 . 0
Tiene un péndulo cuyo soporte es tá instrumentado con ~.tluún gagu en un arreglo de puente completo. La lectura necesaria para balancear el puente es proporcional a la inclinación del péndulo Tiene una masa guia que se mueve; los acelerómetros ge neran una corriente eléctrica que induce una fuerza contraria a la de la masa. La corriente necesaria para detener la masa es proporcional a su inclinación
La sensibilidad de la sonda no es representativa de la precisión de las mediciones del sistema suelo-tuberia-sonda
sa de sue lo. b) La capacidad de l a tuberia para telesco piarse es independiente de las deformaciones ~ng ul ares en los coples . e ) La fricción entre los coples y la tuberia principal es despreciable e independiente del procedimiento de instalación del fleje y de la presencia eventual de part i culas de arena que limitan la capacidad a l deslizamiento. d) Cuando la tuber!a se deforma en un plano distinto al del péndulo sensor, la fric ción y torsión inducida e n su soporte no afectan la medición. Estas condiciones generalmente no se cumplen totalmente en la realidad; por tanto , es indispensable estimar el orden de magnitud del error inducido por los aspectos mencionados, para as! evitar conclusiones equivocadas debidas, por ejemplo, a errores sistemáticos.
7.
COMENTARIOS
- La aplicabilidad del inclinómetro en un caso espec ifico debe juzgarse en función del orden de magnitud de las deformaciones que resulten del análisis geotécnico. - La confiabilidad de las mediciones depende en gran medida del procedimiento de instalación; debe vigilarse espec!ficamente la verticalidad y limpieza del pozo, asi como las caracter!sticas del material de confinamiento de la tuberia. - En suelos blandos debe eva luarse c~idadosa mente el efecto de la rigidez de la t ub e rfa, la cual influye significativamente en las mediciones. El equipo de medición es delicado; por ello, el personal encargado de su manejo y de las mediciones debe ser muy cuidadoso y capaz de detectar cualquier error durante la toma de lecturas, para corregirlo inmediata mente. 1
_. 1
189
- En los casos donde las deformaciones esoeradas sean del orden de un milímetro, d~be rá utilizarse un inclinómetro no recuperable, cuya confiabilidad y precisión es superior; este inclinómetro está compuesto de varios sensores de inclinación unidos entre sí, que se instalan de manera permanente dentro de la tubería.
lateral de la tubería por efecto de cargas axiales inducidas d urante el proceso de deformación de la masa de suelo; en estas condiciones, se generará una lectura de inclinación falsa en forma sistemática. 8.
BIBLIOGRAFIA Mikkel.sen, P C y \'lilson, S D (1981), "Boreh0le inclinometers for slope stability problems", 5th Annual Short Course on Field Instrumentation of Soil and Rack, Univ. of l>lissouri-Rolla, EUA
- En todos los casos, la interpretación de las mediciones con inclinómetro deberá permitir verificar las hipótesis de cálculo, para fundamentar los criterios de aná li sis y diseño posteriores.
Santoyo, E y Díaz, C (198 2), "Comportamiento de la tubería de inclinómetro en suelos blandos", Informe internó, Proy 1514, Instituto de Ingeniería, UNAM, M~xico
- En el caso de que un tubo de inclinómetro se instale atravesando un estrato blando limitado por suelos duros , puede ocurrir pandeo
FIC-09 Banco de nivel flotante l.
OBJETIVO
Este dispositivo permite determinar los movimientos verticales causados por las expansiones y hundimientos generales en el fondo de las excavaciones a cielo abierto . Las medi·ciones en este instrumento deberán estar referidas a un banco de nivel profundo si el instrumento se encuentra en la zona de lago o a una mojonera de concreto si se encuentra cerca de las lomas. 2.
APARATO
Los elementos que lo integran son: a) tubo galvanizado de 1.0 pulg de diámetro, en tramos de un metro cuya longitud es la profundidad de instalación del banco, b) muerto de concret o de fe = 100 kg/cm 2 de 4 pulgadas de diámetro y 30 cm de altura, colocado en la parte inferior de la tubería , e) cople de unión entre el tubo galvanizado y el muerto de concreto, d) tapón para nivelación colocado en la parte superior del tubo. FIG I9-1. 3.
INSTALACION
3 .1
Profundidad
inferior del pozo, acoplándole los tramos de un metro de tubo galvanizado. Debe de asegurarse que el cilindro de concreto apoye firmemente en el fondo del pozo por lo que se debe cuidar la profundidad de perforación. Después de instalado el banco de nivel flotante, deberá rellenarse con grava de tamaño máximo de 3/4 de pulg. 3.4
La parte superior del aparato deberá estar protegida con un tubo de fierro de 6" de diámetro que cuente con tapón capa. El tubo protector debe de instalarse como se muestra en la FIG I9-1. Las características de instalación de la protección del aparato dependerán de su ulicación como sigue : vía pública; el tubo protector debe estar embebido en concreto pobre, el tapón capa debe estar a nivel de piso y tener un candado de seguridad. el tubo protector deberá instalarse e n una perforac ión rel l ena con 'tepetate compactado , no deberá tener candado y deberá sobresalir 20 cm para que sea visible.
La profundidad de instalación del banco de nivel flotante debe ser de 1.2 m abajo deJ nivel máximo de excavación . 3.2
Perforación
Debe efectuarse uná perforación de 6" de diámetro con una máquina que cuente con equipo para el lavado del pozo. 3.3
Instalación
Se baja el . cilindro de concreto 1
_l
a
la
parte
Protección
4.
MEDICIONES
variarán depend iendo de los requerimien t os y avances de la obra( puede ser desde 1 lectura cada 15 días para verificaci6n de hundimien tos regionales, hasta una lectura por día para el control de las expansiones o hundimien-
190 tos durante la excavación y construcción respectivamente.
talarse al fondo de la excavación que se desacople la tuber!a.
ourante la excavación los tubos deberán desacoplarse por tramos de 1 m modificando el nivel de referencia original. Por su facilidad de instalación, el tapón protector deberá ins-
Las mediciones del banco de nivel flotante forman parte del control topográfico de las excavaciones .
:ropón (Nivelar su parte superior)
1----- 6"----1
T
Trozos de
cada
vez
vorillo
15cm
Tubería del banco 0= 1" formado par tramos acoplados de I.Om de longitud Longitud variable Tubo de fierro 0=6"
Relleno de grava tamaño mdximo de 3/4"
T 'T
._r=-
Fondo de excavación
Relleno formado por
.··· .•.. Ltopetoto
Perforación 0= 6"
:.:.~.;.::( .·~
T
:. '.: ..·.: ·': ... :
50 cm
Trozos de varilla
1
90cm Copie unión
Tubo Shelby 0=10.16cm 30cm
Concreto f'c = 100 kg/cm2
1
DETALLE PARA PROTECCION DEL EXTREMO SUPERIOR DE LA TUBERIA
--1IO.I6anl--
FIG 19-1 BANCO DE NIVEL FLOTANTE
1
¡
t
J [
