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ESTUDIOS GEOTÉCNICOS PARA INGENIERÍA DE DETALLE EN SUBESTACIONES ELÉCTRI EL ÉCTRICAS CAS ESPECIFICACIÓN CPTT-DIC-EGD-1
Mayo de 2013
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1. OBJETIVO Esta especificación establece los requisitos mínimos que deben cumplir los estudios geotécnicos para ingeniería de detalle de subestaciones que adquiera la C.F.E. 2. CAMPO DE APLICACIÓN En el diseño y construcción de las cimentaciones de estructuras y edificaciones para subestaciones de la C.F.E . 3. NORMAS QUE APLICAN NOM-008-SCFI
Sistema general de unidades de medida
NMX-C-084-ONNCCE
Industria de la construcción - Agregados para concreto - Partículas más finas de la criba 0,075 mm (no. 200) por medio de lavado - Método de prueba.
NMX-C-416-ONNCCE
Industria de la construcción – Muestreo de estructuras térreas y métodos de prueba.
NMX-C-430-ONNCCE
Industria de la construcción – Geotecnia – Cimentaciones – Sondeos de pozo a cielo abierto.
NMX-C-431-ONNCCE
Industria de la construcción – Geotecnia cimentaciones – Toma de muestra alterada e inalterada - métodos de prueba.
NMX-C-432-ONNCCE
Industria de la construcción – Geotecnia – Cimentaciones – Ensaye de compresión triaxial – Método de prueba.
ISO/TS 17892-5
Geotechnical investigation and testing -- Laboratory testing of soil -- Part 5: Incremental loading oedometer test.
ISO 22476-1
Geotechnical investigation and testing -- Field testing -- Part 1: Electrical cone and piezocone penetration test.
ISO 22476-4
Geotechnical investigation and testing -- Field testing -- Part 4: Ménard pressuremeter test.
ISO 22476-5
Geotechnical investigation and testing -- Field testing -- Part 5: Flexible dilatometer test.
ISO 22476-12
Geotechnical investigation and testing -- Field testing -- Part 1: Electrical cone and piezocone penetration test 12: Mechanical cone penetration test (CPTM).
CFE 10000-72
Estudio geológico regional
4. DEFINICIONES 4.1. Estructuras mayores Son estructuras a base de marcos metálicos, de alma llena, celosía o tubular, para sostener cables de energía eléctrica, equipos y accesorios. También se incluyen los transformadores de potencia y mamparas. 4.2. Estructuras menores Son bases de celosía o tubulares para sostener el equipo primario de una subestación incluyendo las siguientes: cuchillas, apartarrayos, interruptores, aisladores soporte, trampas de onda, transformadores: de corriente, de potencial capacitivo o potencial inductivo. 4.3. Casetas o edificios
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Son estructuras metálicas o de concreto reforzado que tienen como finalidad proteger de agentes ambientales a los equipos electromecánicos y personal que requiere una subestación eléctrica, además de su seguridad. 4.4. Suelo tipo I Suelo que por sus características de dureza puede ser excavado con pala de mano o herramienta similar. 4.5. Suelo ti po II Material que para su excavación requiera la utilización de pico y pala. 4.6. Suelo tipo IIA Suelo que contenga boleas o que por sus características de dureza requiera para su excavación la utilización de barretas y/o rompedoras. 4.7. Suelo tipo III Material que para su excavación requiera la utilización de explosivos. 5. CARACTERÍSTICAS Y CONDICIONES GENERALES Las investigaciones geotécnicas se realizan para evaluar las condiciones geológicas, sismológicas y del suelo que afectan la seguridad, la confiabilidad, el diseño, y la ejecución de un proyecto. Las investigaciones geotécnicas escasas, la mala interpretación de sus resultados, o la falta de conclusiones y recomendaciones claras, pueden contribuir a diseños inadecuados, generar retrasos en la construcción, ocasionar costosas modificaciones, generar daño ambiental, e incluso provocar daños a la estructura. Las unidades de medida utilizadas deben cumplir con la norma NOM-008-SCFI 5.1. Requisitos Generales El contratista debe presentar un listado de trabajos geotécnicos efectuados antes de iniciar con la realización de los estudios. El laboratorio que realice los ensayos preferentemente debe estar acreditado ante la Entidad Mexicana de Acreditación, A.C. (EMA) en el área Construcción, servicio Geotecnia (suelos y rocas). En caso de no estar acreditado ante EMA, debe presentar los documentos que acrediten los siguientes requisitos: 5.1.1.Experiencia (Currículum empresarial) 5.1.2.Experiencia de la plantilla del personal técnico 5.1.3.Instalaciones de laboratorio (Ubicación geográfica) 5.1.4.Calidad y capacidad de producción instalada y disponible para el servicio a. Cantidad de personal b. Almacenaje y manejo de muestras c. Cuarto húmedo d. Área de pruebas índice e. Área de pruebas mecánicas f. Equipo Tipo y condiciones físicas Certificados de calibración Cantidad disponible para el proyecto contratado 5.1.5.Procedimientos internos de laboratorio para ejecución de pruebas 5.2. Información Preliminar Es responsabilidad del contratista tener información sobre aspectos geotécnicos, geológicos, geohidrológicos, sísmicos y topográficos del sitio en estudio.
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5.3. Programa de Actividades Después de analizada toda la información disponible, el contratista debe hacer una visita de inspección al sitio donde se proyecta construir la subestación y con base en lo observado debe realizar un programa de actividades para el estudio que incluya lo siguiente: -
alcance de trabajo (número, ubicación y profundidad de pozos a cielo abierto y sondeos, así como número de pruebas de campo y de laboratorio a realizar)
-
reconocimiento geológico superficial de la zona
-
costo total del estudio, incluyendo trabajos de gabinete,
-
programa de trabajo donde se incluya fecha y duración de la visita al sitio, tiempo estimado para la ejecución de trabajos de campo, laboratorio y gabinete.
El programa de actividades debe presentarse a CFE para su autorización con 10 días naturales de anticipación al inicio de estos trabajos. 5.4. Trabajos mínimos d e campo y laboratorio 5.4.1.Trabajos de campo 5.4.1.1.
Explor ación mediante pozos a cielo abierto (P.C.A.) y pos teadora con barrenas helicoidales.
Deben excavarse pozos a cielo abierto, conforme a la norma NMX-C-430-ONNCCE-2002, en la cantidad siguiente: -
Uno por cada 1000 m 2 de construcción o fracción, donde se proyectan construir estructuras mayores y menores.
-
Uno por cada 100 m 2 de construcción o fracción, en casetas, edificios, reactores, compensadores estáticos y transformadores.
-
Uno por cada 500 m ó fracción en los caminos de acceso.
-
Los pozos se excavan a una profundidad mínima de 4 m o la limitada por el nivel fréatico o suelo tipo II A. En cada uno de los pozos se hace una inspección visual al subsuelo, y se realizan pruebas de laboratorio.
-
Las dimensiones de los pozos deben ser las mínimas necesarias para que una persona pueda introducirse en ellos para inspección de sus paredes y obtener muestras alteradas y/o inalteradas, conforme a la normas NMX-C-416-ONNCCE y NMX-C-431-ONNCCE.
Para definir los tipos de materiales por excavar durante la etapa de construcción de las cimentaciones se hacen, adicionalmente a los pozos indicados en los incisos anteriores, sondeos con posteadora mecánica, manual o equipo portátil motorizado equipado con barrenas helicoidales, en función de la dureza del suelo, conforme a la norma NMXC-416-ONNCCE y en las cantidades siguientes: Uno por cada 1000 m 2 de construcción, en donde se proyectan construir estructuras mayores y menores.
-
Uno por cada 100 m 2 de construcción, en casetas, edificios, reactores, compensadores estáticos y transformadores.
-
Uno por cada 500 m ó fracción en los caminos de acceso
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En adición, en las zonas montañosas se deben definir los sitios donde aflora roca mediante el estudio geológico de acuerdo a la especificación CFE 10000-72. 5.4.1.2.
Sondeos de tipo mixto
Deben realizarse las exploraciones y el muestreo necesarios para establecer la estratigrafía y las propiedades físicas y mecánicas del subsuelo con las que se defina la solución de cimentación y el análisis y diseño geotécnico. Se debe hacer un sondeo por cada 1000 m 2 ó fracción de construcción, donde se proyectan construir estructuras mayores y menores y uno por cada 100 m 2 de construcción, casetas, edificios, reactores, compensadores estáticos y transformadores. La profundidad de los sondeos debe ser hasta donde el incremento de esfuerzo vertical total que se transmite al suelo, para la combinación de carga que rige el diseño de la estructura o edificio sea de 10% del esfuerzo vertical del suelo por peso propio, pero no menor que 10 m debajo de la cimentación, a menos que se localice roca a una profundidad superficial. En las subestaciones por construirse en el predio de una planta de generación en operación, se debe realizar además de los sondeos anteriores un censo de instalaciones subterráneas hasta 10 m de profundidad, por medio de métodos geofísicos como el georadar [1]. En la tabla 1 se indican los muestreadores sugeridos en función del tipo de suelo. Tabla 1. Muestreadores para diferentes tipos de suelos [3] Tipo de Suelo Suelos cohesivos muy blandos Suelos orgánicos Arcillas estratificadas
Método o tipo de muestreador sugerido. Tubo Shelby de acero o lámina, conforme a la norma NMX-C-431-ONNCCE; muestreador de pistón fijo y muestreador TGC [2].
Suelos cohesivos consistencia blanda a media Arenas media a fina por encima del nivel freático
Muestreador de pistón fijo. Muestreador de pistón fijo en una funda y/o lodo de perforación. Congelación in situ y extracción de núcleo. Muestreador de pistón fijo en lodo de perforación.
Arenas finas a medias por debajo del nivel freático Capas alternativas de suelo y roca dura, o suelos cohesivos densos. Rocas. En la tabla 2, se presenta un resumen de las pruebas
Muestreador de barril en perforación a rotación con broca.
in situ
que se llevan a cabo en un programa de exploración.
Tabla 2. Pruebas in situ y su aplicación en el diseño geotécnico [5] TIPO DE PRUEBA
APLICAB LE
NO APLICAB LE
Prueba de penetración estándar (SPT), conforme a la norma NMX-C-431ONNCCE Prueba de penetración de cono dinámico (DCPT), conforme a la norma ISO 22476-12 Prueba de
Arena Arcillas firmes
Arcillas blandas o firmes
muy
Arena
Arena,
Arcillas
limo
y
Gravas
PROPIEDADES QUE PUEDEN SER DETERMINADAS Evaluación cualitativa de compacidad. Comparación cualitativa de estratificación del subsuelo. Evaluación cualitativa de compacidad y estratificación del suelo.
OBSERVACIONES
Evaluación
En
continua
Potencial de licuación de arenas. Esta prueba no es aplicable para diseño de cimentaciones.
aquellos
casos
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TIPO DE PRUEBA
APLICAB LE
NO APLICAB LE
PROPIEDADES QUE PUEDEN SER DETERMINADAS de la densidad y resistencia de arenas. Evaluación continua de resistencia al corte no drenada de arcillas.
penetración de cono eléctrico (CPT), conforme a la norma ISO 22476-1
arcilla
Arenas muy sueltas
Prueba de presiómetro (PMT) ), conforme a la norma ISO 22476-4
Estratos de roca, arena densa y grava
Arcillas limosas sueltas blandas sensitivas y arenas
Capacidad de carga, compresibilidad y deformabilidad.
Ficómetro [4]
Suelos duros o firmes
Arcillas blandas y arenas muy sueltas
Parámetros resistencia
Dilatómetro Marchetti, conforme a la norma ISO 22476-5 Piezocono (CPTU), conforme a la norma ISO 22476-1
Arena suelta a densa. Arcillas blandas o firmes Suelos blandos; arcillas, limos y arenas
Gravas con boleos y suelos gravosos
Deformabilidad lateral.
Gravas Arenas muy sueltas
Evaluación continua de la densidad y resistencia de arenas. Evaluación continua de resistencia al corte no drenada de arcillas.
Cono dinámico manual PANDA
Suelos blandos; arcillas, limos y arenas
Gravas Arenas muy sueltas
Evaluación del grado de compactación y estratificación del suelo.
de
OBSERVACIONES donde no es posible obtener muestras inalteradas, esta prueba puede ser aplicable para el diseño de cimentaciones en arena y para determinar el potencial de licuación de arenas sueltas. En aquellos casos donde no es posible obtener muestras inalteradas, esta prueba puede ser aplicable para el diseño de cimentaciones. En aquellos casos donde no es posible obtener muestras inalteradas, esta prueba puede ser aplicable para el diseño de cimentaciones.
En aquellos casos donde no es posible obtener muestras inalteradas, esta prueba puede ser aplicable para el diseño de cimentaciones y para determinar el potencial de licuación de arenas sueltas. Esta prueba no es aplicable para el diseño de cimentaciones.
En zonas de intensidad sísmica alta y muy alta, conforme a la referencia [6], deben realizarse pruebas Cross-Hole [7], Down-Hole [8], sonda suspendida o cono sísmico. Los tendidos de refracción sísmica solo se realizan para estimaciones preliminares de los parámetros dinámicos y definir los alcances de la exploración. La profundidad mínima de exploración en estas zonas es de 30 m. Se deben realizar pruebas de campo para conocer el nivel de aguas freáticas y la variación de la presión de poro con la profundidad. Estas pruebas pueden realizarse por medio de presiómetros tipo Casagrande. 5.4.2.Trabajos de laboratorio
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Todas las muestras obtenidas deben identificarse y clasificarse en laboratorio y se les determina su contenido de agua, así como su masa volumétrica de acuerdo a la norma NMX-C-416-ONNCCE. En adición, a muestras representativas del subsuelo se les deben determinar las siguientes propiedades, conforme a las normas NMX-C-416ONNCCE y NMX-C-084-ONNCCE: -
límites líquido y plástico
-
masa específica relativa de sólidos
-
granulometría
-
porcentaje de finos
-
pH
En especímenes obtenidos de muestras inalteradas se les deben realizar pruebas de compresión triaxiales tipo UU (en suelos puramente cohesivos) y triaxiales CU (en suelos cohesivo-friccionantes), conforme a la norma NMX-C432-ONNCCE y de consolidación de acuerdo a la norma ISO/TS 17892-5, en un número tal que permita caracterizar las propiedades de resistencia y deformabilidad del subsuelo a las profundidades de interés. Como mínimo se debe tener un juego de pruebas mecánicas (triaxiales y consolidación) para cada zona de la subestación o por cada cimentación tipo. En zonas de alta sismicidad, deben obtenerse los parámetros dinámicos para diseño de cimentaciones: módulo de rigidez al corte (G) y amortiguamiento ( λ), con alguna de las siguientes pruebas de laboratorio: - Triaxial de columna resonante [9] - Triaxial cíclica axial
[10]
- Columna torsionante - Prueba de corte simple directo cíclico
En los sitios donde se tenga conocimiento de expansividad en suelos, se deben realizar pruebas para cuantificar la expansión y la presión de expansión, conforme a la referencia [11]. En los lugares donde se tenga conocimiento de la presencia de suelos dispersivos, se deben realizar pruebas para identificarlos, clasificarlos y caracterizarlos [12] [13]. En los sitios donde se tenga conocimiento de la presencia de arenas licuables, se deben realizar pruebas para identificar su potencial [14]. A los núcleos de roca se les debe determinar como mínimo: Clasificación litológica, porcentaje de recuperación, índice de calidad de la roca, capacidad de carga y ángulo de fricción interna. 5.4.3.Trabajos de gabin ete Con base en los trabajos de campo y laboratorio, se deben elaborar los perfiles estratigráficos del subsuelo en escala 1:100. En ellos se dibujan los resultados de los sondeos efectuados. Cada sondeo debe estar georeferido en coordenadas UTM. Se deben analizar las alternativas de cimentación más convenientes, definiendo la profundidad de desplante y los siguientes aspectos: •
capacidad de carga del suelo y/o roca,
•
módulo de reacción horizontal, en el caso de pilas y pilotes,
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•
cálculo de asentamientos totales y diferenciales (en caso de suelos compresibles),
•
estabilidad de cortes y laderas naturales,
•
profundidad de desplante considerando socavación, cuando las estructuras se ubiquen en cauces de ríos y arroyos o sitios cercanos.
Deben analizarse los procedimientos constructivos, indicando los más convenientes. En el caso de encontrar cavernas dentro del predio o en los alrededores, que pongan en riesgo el camino de acceso o las instalaciones propias de la Subestación, se deberá determinar perfectamente las dimensiones de las mismas y determinar si es factible económicamente y por seguridad estructural, el relleno o refuerzo de las mismas. 5.4.4.Trabajos Adicion ales El contratista tiene la responsabilidad de evaluar si se requieren trabajos y/o estudios adicionales, a los aquí indicados. 5.5. Informe Geotécnico Una vez realizados los trabajos de campo, las pruebas de laboratorio y los análisis necesarios, el contratista debe preparar un informe del estudio realizado por duplicado en forma digital y entregarlo a la CFE para su revisión. El informe debe contener lo siguiente: a)
Índice.
b)
Lista de tablas, figuras y fotografías digitalizadas.
c)
Introducción, incluye objetivo y alcance del estudio, fechas de inicio y terminación de trabajos de campo y otros antecedentes de interés.
d)
Datos del sitio y del proyecto, donde se describa: . . . .
ubicación de la subestación, tipo de estructuras, geología general, de acuerdo a la especificación CFE 10000-72; así como la sismicidad de la zona, características topográficas, riesgos por cruces de ríos y arroyos, laderas inestables, entre otros.
e)
Trabajos de campo y laboratorio realizados.
f)
Geología superficial del sitio donde se encuentra ubicada la subestación, incluyendo en su caso rasgos significativos, problemas de inestabilidad de taludes y de socavación,
g)
Estratigrafía en la zona de la subestación, para definición de cimentaciones tipo.
h)
Análisis de cimentaciones (tipo, capacidades de carga y de trabajo, profundidad de desplante y si procede estabilidad de laderas).
I)
Análisis de estabilidad de taludes. Señalar si existen problemas de estabilidad o no y como resolverlos.
j)
Recomendaciones de diseño:
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k)
-
Tipo de cimentaciones a utilizar en la subestación en función de la zonificación geotécnica hecha (definiendo claramente zonas donde las cimentaciones queden desplantadas sobre roca o suelo). Señalar si existen o no problemas de estabilidad de taludes y como resolverlos.
-
Profundidades de desplante en función de la zonificación geotécnica y en su caso de los riesgos de socavación de arroyos y ríos, capacidades de carga y parámetros sísmicos. Para el caso de cimentaciones profundas (pilas y pilotes) indicar también capacidades de carga vertical y lateral.
-
Cálculo de asentamientos totales y diferenciales (en caso de suelos compresibles).
-
Profundidad del nivel de aguas freáticas y sitios donde sea posible que existan tirantes de agua durante la construcción. Debe indicarse también la longitud libre de los dados de cimentación para proteger las estructuras por inundaciones.
-
Profundidades de socavación calculadas estimadas para el caso de estructuras que tengan que ubicarse cerca de cauces de ríos o arroyos, y recomendaciones de protección para las estructuras que se ubiquen en estas condiciones.
-
Masas volumétricas de cada estrato; así como masa volumétricas secas, húmedas y sumergidas mínimas de los materiales de relleno de las cepas una vez construida la cimentación o en su caso el terraplén.
-
Definiciones de zonas donde se requieran en su caso tratamientos especiales para evitar fallas por inestabilidad ante la presencia de suelos compresibles, expansivos, dispersivos o licuables y emitir soluciones a la problemática que se presente.
Procedimientos de construcción. -
Procedimientos constructivos de las cimentaciones.
-
Tipos de material a excavar y/o corte que se encuentra dentro de la subestación (definiendo porcentajes de materiales tipo I, II, II A y III).
-
Material que se debe utilizar para rellenos de cepas y en su caso terraplenes. Los procedimientos con que se deben colocar y compactar (en primera instancia se debe usar el material producto de las excavaciones o cortes, mejorándolo si es necesario). En caso de geomateriales de muy mala calidad (orgánicos o que no cumplan con las características recomendadas para el diseño, como por ejemplo suelos de muy baja masa volumétrica, muy plásticos o con porcentajes de sobre tamaños altos que no sean compactables), se colocan materiales de bancos cuya granulometría debe cumplir con lo indicado en la figura 1.
-
Control de calidad de los rellenos, masas volumétricas a alcanzar (secas y húmedas), calas volumétricas y pruebas de compactación.
-
Drenaje superficial y obras estabilizadoras en laderas que lo requieran.
6. CONDICIONES DE OPERACIÓN No aplica 7. CONDICIONES DE DESARROLLO SUSTENTABL E. El proveedor debe tomar en cuenta, las condiciones de protección ambiental como parte de un desarrollo sustentable que se establecen en las normas nacionales e internacionales vigentes, y que se debe acatar en los lugares de trabajo durante los trabajos de campo, esto debido a los residuos que se generen, por lo que le
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corresponde al proveedor, documentarse y aplicar la legislación correspondiente a la generación de los residuos peligrosos. Lo que queda sujeto a ser verificado por el personal asignado por la CFE. Si derivado de las actividades que desarrolle el proveedor, por la aplicación de esta especificación: genera alguna contingencia o incumplimiento ambiental, la CFE lo subsanará con cargo al proveedor. 8. CONDICIONES DE SEGURIDAD INDUSTRIAL Se deberá de cumplir con las normatividad aplicable al proyecto. 9. CONTROL DE CALIDAD. El contratista debe permitir el acceso a sus instalaciones y dar todas las facilidades necesarias al personal que la CFE asigne para la inspección de los materiales y las pruebas. 10. MARCADO. No aplica 11. EMPAQUE, EMBALAJE, EMBARQUE, TRANSPORTACIÓN, DESCARGA, RECEPCIÓN, ALMACENAJE Y MANEJO. No aplica 12. BIBLIOGRAFÍA [1]
American Society for testing and materials
ASTM D6432. Standard Guide for Using the Surface Ground Penetrating Radar Method for Subsurface Investigation. Estados Unidos de América.
[2]
Tamez González, E.
Ingeniería de cimentaciones. Conceptos básicos de la práctica. TGC Geotecnia. México.
[3]
US Army Corps of Engineers.
Engineering and Design. Geotechnical Investigations. Engineer Manual. EM 1110-1-1804. Estados Unidos de América.
[4]
Association Française de Normalisation
XP P94-120. Sols: reconnaissance et essais - Essai de cisaillement au phicomètre. Francia.
[5]
Canadian Geotechnical Society
Canadian Foundation Engineering Manual. Canadá.
[6]
Comisión Federal de Electricidad
Manual de diseño de obras civiles. Diseño por sismo. México.
[7]
American Society for testing and materials
ASTM D4428. Standard Test Methods for Crosshole Seismic Testing. Estados Unidos de América.
[8]
American Society for testing and materials
ASTM D7400. Standard Test Methods for Downhole Seismic Testing. Estados Unidos de América.
[9]
American Society for testing and materials
ASTM D4015. Standard Test Methods for Modulus and Damping of Soils by Resonant-Column Method. Estados Unidos de América.
[10] American Society for testing and materials
ASTM D5311. Standard Test Method for Load Controlled Cyclic Triaxial Strength of Soil. Estados Unidos de América.
[11] American Society for testing and materials
ASTM D4546. Standard Test Methods for One-Dimensional Swell
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or Collapse of Cohesive Soils. Estados Unidos de América. [12] American Society for testing and materials
ASTM D4221. Standard Test Method for Dispersive Characteristics of Clay Soil by Double Hydrometer. Estados Unidos de América.
[13] American Society for testing and materials
ASTM D4647. Standard Test Method for Identification and Classification of Dispersive Clay Soils by the Pinhole Test. Estados Unidos de América.
[14] American Society for testing and materials
ASTM D6066. Standard Practice for Determining the Normalized Penetration Resistance of Sands for Evaluation of Liquefaction Potential. Estados Unidos de América.
ABERTURA EN MILIMETROS 0.074
0.149
0.250
0.420
0.841
2.00
4.76
9.51
19.0 25.4
38.1 50.8
100 90 80
ZONA 3 70
% QUE PASA MALLA
60
ZONA 2
ZONA 1
50
40
30
20
200
100
60
40
20
10
MALLA FIGURA 1
4
3/8”
3/4” 1 1
1/2
” 2”
