EXPLORACIÓN, MUESTREO Y PRUEBAS DE LABORATORIO. OBJETIVOS Y ETAPAS DE LA EXPLORACIÓN El programa de exploración geotécnica deberá proporcionar información sobre las condiciones de presión de agua del subsuelo y las propiedades mecánicas de los suelos (resistencia, compresibilidad y permeabilidad), a fin de facilitar el diseño racional y de la selección del método constructivo adecuado para su ejecución (Figura, 29.0 Objetivos de la exploración). Para garantizar los objetivos de la exploración, los trabajos de campo los supervisará un ingeniero especialista en suelos y su realización estará a cargo de una brigada; entrenados para los trabajos de perforación, muestreo y ejecución de pruebas de campo.
CONOCER LA ESTRATIGRAFÍA DEL SITIO CONOCER LAS CONDICIONES DE PRESIÓN DEL AGUA DEL SUBSUELO OBJETIVOS DEL PROGRAMA DE EXPLORACIÓN GEOTÉCNICA
HUNDIMIENTOS REGIONALES DETERMINAR LAS PROPIEDADES MECÁNICAS DE LOS SUELOS
Figura, 29.0 Objetivos de la exploración
El incremento en el tamaño de la estructura ha despertado en los ingenieros constructores la inquietud de hacer más técnica y económica la actividad relacionada con trabajos del suelo; por lo tanto para las etapas de exploración es fundamental la experiencia del ingeniero especialista en mecánica de suelos y hacerse acompañar de un ingeniero geólogo que pueden identificar conjuntamente las características de cada suelo y como se comportara la estructura en si en ese tipo de suelo, también debe visitar las estructuras construidas en la zona e indagar sobre su comportamiento y por ultimo obtener información adicional que permita programar la investigación detallada. Las etapas de exploración para el programa de exploración geotécnica del sitio donde se construirá una estructura constan de tres etapas: la primera de investigación preliminar, deberá permitir la definición tentativa de los problemas geotécnicos del sitio; la segunda, la recopilación de la información disponibles lo que servirá para fundamentar la tercera etapa, de investigación de detalle, que incluye la realización de sondeos y pruebas de campo; la tercera ensayes de laboratorio para cumplir con dos objetivos esenciales: clasificar cuidadosamente los suelos encontrados y obtener sus parámetros de resistencia y deformabilidad para el diseño, para alcanzar estos propósitos, se realizan las pruebas índice y mecánicas. (Figura, 30.0 Etapas del programa de exploración geotécnica).
INVESTIGACIÓN 1.1.INVESTIGACIÓN PRELIMINAR PRELIMINAR
RECOPILACIÓN DE LA INFORMACIÓN DISPONIBLE DEL SITIO
INTERPRETACIÓN DE FOTOGRAFÍAS AÉREAS DE LA ZONA RECORRIDO DE CAMPO
INTERPRETACIÓN GEOLÓGICA DEL SITIO LEVANTAMIENTO GEOLÓGICO
EXPLORACIÓN GEOFÍSICA
2. INVESTIGACIÓN GEOTÉCNICA DE DETALLE
RECONOCIMIENTO DE DISCONTINUIDADES IDENTIFICACIÓN DE FENÓMENOS GEODINÁMICOS
MÉTODO GEOSÍSMICO DE REFRACCIÓN MÉTODO DE RESISTIVIDAD ELÉCTRICA
PRUEBAS DE PENETRACIÓN EXPLORACIÓN, MUESTREO Y PRUEBAS DE CAMPO
MUESTREO DE SUELOS Y ROCAS PRUEBAS DE RESISTENCIA Y DEFORMABILIDAD PRUEBAS DE PERMEABILIDAD
INDICADORES DEL NAF INSTRUMENTACIÓN DE CAMPO
PIEZÓMETROS BANCOS DE NIVEL PUNTOS DE REFERENCIA
GRANULOMETRÍA PROPIEDADES ÍNDICE
CONTENIDO DE AGUA LÍMITES DE CONSISTENCIA DENSIDAD DE SÓLIDOS COMPRESIÓN TRIAXIAL
3. ENSAYES DE
RESISTENCIA ALAL RESISTENCIA ESFUERZO CORTANTE ESFUERZO
LABORATORIO
PROPIEDADES PROPIEDADES MECÁNICAS
CORTANTE
COMPRESIÓN NO CONFINADA CORTE DIRECTO TORCÓMETRO
MECÁNICAS
DEFORMABILIDAD
COMPRESIBILIDAD EXPANSIVIDAD
Figura, 30.0 Etapas del programa de exploración geotécnica
INVESTIGACIÓN PRELIMINAR El objetivo de esta etapa es el de recopilar información geotécnica existente del sitio, para realizar una interpretación preliminar de los problema que podrían presentarse de características y requerimientos conocidos. Para realizar un plan de ataque y pensar que equipos y que personal se pueden utilizar. Para la recopilación de información disponible se puede acudir a las instituciones mexicanas que publican y distribuyen información geotécnica que se enumeran a continuación. • • • • •
Sociedad Mexicana de Mecánica de Suelos (SMMS) Instituto Nacional de Estadística Geográfica e Informática (INEGI) Instituto de Ingeniería UNAM Instituto de Geología UNAM Instituto de Geografía UNAM
La interpretación de las fotografías aéreas permite identificar de manera preliminar las características geológicas del sitio, tales como fallas y fracturas y los fenómenos geodinámicos relacionados con zonas de taludes inestables y zonas erosionables. Con respecto a los suelos se pueden identificar las características probables de los suelos superficiales, así como definir posibles bancos de préstamo. Esto de debe complementar con el recorrido de campo con el objetivo de corroborar la interpretación fotogeológica además de identificar y clasificar los suelos superficiales. En este caso solo se recolija información ya que los siguientes pasos de la investigación preliminar no es necesario efectuarlo. 3.6.3 INVESTIGACIÓN GEOTÉCNICA DE DETALLE El ingeniero especialista en geotecnia deberá formular el programa de la investigación de detalle. En el levantamiento geológico excepcionalmente se realiza ya que usualmente la geología de la región donde se donde se construirá ha sido estudiada anteriormente o se considera que el recorrido de campo proporciona la información geológica necesaria. Ver figura, 31.0 objetivos del levantamiento geológico. LITOLOGÍA 1. IDENTIFICACIÓN DE
ESTRATIGRAFÍA ESTRUCTURAS FALLA
2. RECONOCIMIENTO DE DISCONTINUIDADES
FRACTURAS Y JUNTAS ESTRATIFICACIÓ CAVERNAS O CAVIDADES DE DISOLUCIÓN TALUDES INESTABLES EXTERNOS
ZONAS DE ALTERACIÓN ZONAS DE EROSIÓN
3. IDENTIFICACIÓN DE FENÓMENOS GEODINÁMICOS
FALLAS ACTIVAS INTERNOS
VULCANISMO Y SISMICIDAD TECTÓNICA
La exploración geofísica en los métodos de exploración se basan en la medición de la variación de la velocidad de propagación de ondas sísmicas o de la resistividad eléctrica (poco confiable) de los suelos, y mediante su interpretación y correlaciones se deducen las características estratigráficas, posición del nivel freático y posibles tipos y propiedades de los suelos y rocas. Dentro de la investigación geotécnica de detalle; abarca muchos cambos de investigación; no realizaremos todos sus campos de acciones ya que la zona de interés en una zona urbana con estas características no se puede efectuara un levantamiento geológico, ni una exploración geotécnica solo utilizaremos exploración, muestreo y pruebas de campo y algunos instrumentos de campo. En este aspecto el proyecto no es tan estricto y ya que este trabajo de tesis esta enfocado a la construcción de las lumbreras solo hablaremos de las pruebas de penetración, pozos a cielo abierto, piezómetros y cierto número de pruebas de laboratorio que se utilizaron en el proceso constructivo de las lumbreras. A demás toda esta información se puede encontrar en los textos de Mecánica de Suelos. PRUEBAS DE PENETRACIÓN.- los penetrómetros son conos o tubos de acero que se hinca a presión (estáticos) o con el impacto de una masa (dinámicos) y permiten definir indirectamente la estratigrafía del sitio y la variación de la compacidad relativa y la resistencia al corte (drenada) de las arenas con la profundidad, así como a la resistencia al corte no drenada de las arcillas. Tabla, 6.0. Con el penetrómetro estándar se recuperan, muestras alteradas que permiten definir confiablemente la estratigrafía. Cabe aclarar que la resistencia al corte drenada de las arenas dependen de la permeabilidad de éstas, así como de sus condiciones de frontera para el flujo de agua; aunque esto ciertamente es cuestionable cuando las arenas están contaminadas con limos y se trata de ensayes de penetración dinámica. En la exploración de un sitio, los penetrómetros se emplean de acuerdo con tres criterios de aplicación: •
Como instrumento de exploración, para definir la estratigrafía y facilitar con ello la selección de los muestreadotes de suelos que deberán emplearse
•
Para disminuir el costo de realización de sondeos complementarios para cubrir un área grande
•
Como técnica única de exploración, en proyectos de bajo costo que no pueden justificar sondeos de muestreo.
LA PRUEBA DE PENETRACIÓN ESTÁNDAR.- es el procedimiento directo que proporciona resultados más confiables sobre el suelo explorado. Es también el de mayor uso en nuestro país. Este método tiene la ventaja de recuperar muestras alteradas representativas del suelo además que, mediante correlaciones, permite conocer la resistencia al corte de este. El penetrómetro estándar es un tubo de pared gruesa dispuesto en media caña para facilitar la extracción de la muestra, de forma y dimensiones especificadas (figura 00 a). La cabeza de este muestreador tiene una válvula esférica que durante el hincado se levanta permitiendo aliviar la presión
del fluido de perforación y azolves que se acumulan en el interior del muestreador y al extraerlo, cae por peso propio impidiendo la expulsión de la muestra por efecto del fluido. El penetrómetro se enrosca al extremo de una columna de barras de perforación y se hinca mediante energía proporcionada por un martinete de 63.5 kg. de peso que cae libremente desde una altura de 75 ±1 cm. e impacta sobre una pieza yunque integrada a la tubería de perforación, contando el número de golpes dados para que el muestreador penetre 30 cm. Cada 60 cm. de avance se extrae el muestreador retirándose la fracción de suelo del interior, lo que constituye una muestra. La prueba de penetración estándar.- es el procedimiento directo que proporciona resultados más confiables sobre el suelo explorado. Es también el de mayor uso en nuestro país. Este método tiene la ventaja de recuperar muestras alteradas representativas del suelo además que, mediante correlaciones, permite conocer la resistencia al corte de este. El penetrómetro estándar es un tubo de pared gruesa dispuesto en media caña para facilitar la extracción de la muestra, de forma y dimensiones especificadas (figura 32.0). La cabeza de este muestreador tiene una válvula esférica que durante el hincado se levanta permitiendo aliviar la presión del fluido de perforación y azolves que se acumulan en el interior del muestreador y al extraerlo, cae por peso propio impidiendo la expulsión de la muestra por efecto del fluido. El penetrómetro se enrosca al extremo de una columna de barras de perforación y se hinca mediante energía proporcionada por un martinete de 63.5kg de peso que cae libremente desde una altura de 75 ±1 cm. e impacta sobre una pieza yunque integrada a la tubería de perforación, contando el número de golpes dados para que el muestreador penetre 30cm. Cada 60cm. de avance se extrae el muestreador retirándose la fracción de suelo del interior, lo que constituye una muestra. Para considerar la falta de apoyo, los golpes dados para la introducción de los primeros 15cm. no se toman en cuenta; los necesarios para que penetre los siguientes 30cm. definen la resistencia a la penetración estándar. Por último se introduce el penetrómetro en toda su longitud. Si no se logra introducir los 60cm. cuando se han dado 50 golpes, la prueba se suspende y por extrapolación se deduce el número de golpes N. Cuando se opere en suelos arenosos puede proveerse al aparato de una trampa en forma de canastilla para la retención de muestras. La resistencia a la penetración estándar se plasma en un perfil dibujando el número de golpes dados para hincar los 30cm. intermedios a la profundidad media de realización de la prueba. En la tabla, 10.0 se presentan una recopilación sobre los penetrómetros de uso más difundido.
Aplicación al suelo Penetrómetro
ESTÁTICOS
Cono holandés mecánico de 3.6 m (1.42 in) de diámetro y 60º de ángulo de ataque (CTP) Cono holandés eléctrico de 3.6 cm (1.42 in)de diámetro y 60º de ángulo de ataque (CTP)
Recomendable Arena y limo
Aceptable Arcilla
Inaceptable Grava
Arena y limo
Arcilla
Grava
Se obtiene
Operación
Comentarios
La variación de la resistencia de punta (qc) y de fricción (fs) que se generan durante su hincado de 20cm (8 in) La variación continua de la resistencia de punta (qc) y de fricción (fs) con mayor precisión que el cono mecánico
Se hinca a presión con velocidad de 1.2m/min (2cm/s) con la ayuda de un sistema de carga hidráulica
Es una prueba precisa pero debe correlacionarse con pruebas de laboratorio. En arcillas conviene correlacionarla con pruebas de veletas. Igual que el anterior.
Igual que el anterior. Se ha elaborado una norma tentativa para su operación (ASTM-D-344175T, 1975). Es másque el cono mecánico.
Aplicación al suelo Penetrómetro Recomendable Arena y arcilla dura
Aceptable Arcilla media
Inaceptable Arcilla Blanda
Cono Simple hincaa percusión de 5. 1 cm (2in) de diámetro y 60º de ángulo de ataque
Grava y arena
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Arcilla
Penetrómetro Sermes de 7 cm (2.7 in de diámetro y 90º de ángulo de ataque
Arena con poca grava
Arcilla dura
Arcilla blanda
DINÁMICOS
Penetrómetro estándar 5.1 cm (2in) de diámetro exterior y 3.6 cm (1.42 in) de diámetro interior (SPT)
Se obtiene
Operación
Comentarios
Muestras alteradas de cualquier profundidad y el número de golpes necesario para hincarlo
Se hinca a percusión con el impacto de una masa de 64kg (141 ib) dejada caer de 75 cm (2.5 ft)de altura. Se cuenta el número de golpes para hincarlo 30 cm (1 ft) después de haber penetrado 15 cm (0.5 ft) Semejante al penetrómetro estándar, y en ocasiones con martillos de 128 kg (282 lb)
Es una prueba de poca presicion pero probablemente la más utilizada por que se tienen numerosas correlaciones con las propiedades y comportamiento de los suelos
La variación con la profundidad del numero de golpes necesario para hincarlo El número de golpes necesarios para hincarlo 10 cm (4in)
Se hinca a persecución con una masa de 30, 60 ó 90 kg (66, 132 ó 198 lb) que la levanta automáticamente un cilindro neumático y la deja caer de 40 cm (1.31 ft) de altura
Es una prueba burda, pero es la única que hasta ahora proporciona información en suelos con alto contenido de gravas Es un sistema muy eficiente pero de uso poco extendido y por ello no se ha acumulado experiencia en su empleo
Tabla, 10.0 Penetrómetros para la exploración de suelos
En suelos friccionantes la prueba permite relacionar -a modo muy aproximado- el valor de la compacidad y el ángulo de fricción interna (figura, 33.0). También se han elaborado gráficas que relacionan la resistencia a la penetración estándar con la presión vertical y la compacidad relativa (figura, 34.0). En una forma menos aproximada, en arcillas se estima el valor de la resistencia a la compresión simple, en función también de la resistencia a la penetración estándar (tabla, 10.0).
Figura, 32.0 Penetración estándar.
Figura, 34.0 Relación entre la penetración estándar la presión vertical y la compacidad relativa para arenas
Figura, 33.0 Correlación entre el número de golpes y el ángulo de fricción interna en arenas
CONSISTENCIA
NO DE GOLPES, N
MUY BLANDA
MUY FIRME
<2 2–4 4–8 8 – 15 15 – 30
DURA
> 30
BLANDA
MEDIA FIRME
RESISTENCIA A LA COMPRESIÓN SIMPLE qU
kg/cm2
< 0.25 0.25 – 0.50 0.50 – 1.00 1.00 – 2.00 2. 00 – 4. OO > 4.00
Tabla, 11.0 Valor de resistencia a la compresión simple
TUBO DE PARED DELGADA. También conocido como tubo Shelby, se utiliza para el muestreo inalterado de suelos blandos a semiduros localizados arriba y abajo del nivel freático; tiene de 7.5 a 10cm (3 a 4in) de diámetro y se hinca a presión. En la Figura, 35.0 se muestra este tubo de acero, con un extremo de ataque afilado. El tubo se une a la cabeza con tornillos Allen o mediante cuerda repujada. La cabeza tiene cuatro drenes laterales para la salida del fluido de perforación y de los azolves durante el hincado. La válvula de bola impide que la muestra se vea sujeta a presionas hidrodinámicas durante la extracción del muestreador. En la Figura, 36.0 se ha dibujado la cabeza muestreadora del tipo deslizante que logra un sello más contable que la de válvula esférica.
Figura, 35.0 Características del muestreador de pared delgada
Las condiciones geométricas que debe satisfacer este muestreador pira recuperar muestras de buena calidad se definen con las relaciones de la Fig. 35.0 (Hvorslev, 1949). Estas relaciones conducen a las dimensiones de tubos muestreadores de la Fig. 35.0c, considerando que los diámetros más usuales son de 7.5 y 10cm (3 y 4in) y las longitudes de 75 y 90cm (2.5 y 3ft) , respectivamente. El muestreador se hinca con un sólo movimiento una longitud igual a la del tubo menos 15cm (6in), para dejar espacio a los azolves; la velocidad de hincado debe ser entre 15 y 30 cm/s (0.5 y 1 ft/s). Después se deja en reposo 0.5mín, para permitir que la muestra se expanda y se adhiera al muestreador; a continuación se gira para cortar la base y posteriormente se extrae a la superficie y se mide la longitud de muestra recuperada. Un criterio para juzgar en el campo la calidad del muestreo se indica en la Tabla, 12.0. En el laboratorio, la calidad de las muestras se define observando cortes longitudinales para identificar la alteración que pudieran mostrar lentes delgados de algún material o bien, observando el proceso de secado lento de placas delgadas de suelo cortadas longitudinalmente (ASTM - D-1586 - 67). RECUPERACIÓN
CALIDAD
Rec = 100 Rec = 80 50 < Rec < 80
Excelente Buena Mala Inaceptable
Rec < 50
Tabla, 12.0 Calidad del muestreo, recuperación de muestras Figura, 36.0 Operación del muestreador de válvula deslizante
La recuperación se define de la siguiente forma:
Re c = donde: Rec = recuperación L = longitud recuperada (cm, m) H = longitud muestreada (cm, m)
L (100) H
MUESTREO INALTERADO. Consiste en obtener especimenes de suelo que conservan el acomodo estructural de sus partículas sólidas; sin embargo, es imposible evitar la relajación de esfuerzos y sus consecuencias en el comportamiento mecánico, que pueden ser ligeras o importantes dependiendo del cuidado y la técnica con que se obtengan. Las muestras inalteradas se utilizan en el laboratorio para identificar los suelos y determinar sus propiedades índice y mecánicas. Las muestras inalteradas se obtienen mediante técnicas manuales y con muestreadores adecuados según el tipo de suelo. Se describen aquí los más usuales. POZO A CIELO ABIERTO (PCA). Esta técnica puede ejecutarse mediante excavación manual o excavación con máquina. El pozo a cielo abierto permite observar directamente las características estratigráficas del suelo y rescatar muestras inalteradas de los estratos principales. Este procedimiento de exploración y muestreo es particularmente recomendable en suelos secos y duros. El pozo puede excavarse con sección cuadrada o circular, la forma se elige de acuerdo con la técnica de estabilización de las paredes de la excavación. Si se utilizan tablones y marcos estructurales, la forma cuadrada es la más adecuada; en la Figura, 37.0 se muestra cómo se adema un pozo. Por otra parte, la forma de pozo circular es la conveniente cuando se estabilizan sus paredes con tubo de lámina corrugada o con ferrocemento. Esta última solución se ha venido empleando con mucha frecuencia por su sencillez y bajo costo; esencialmente consiste en colocar anillos de malla electrosoldada separados por lo menos 2cm de la pared de excavación. La malla se fija con anclas cortas de varilla corrugada hincadas a percusión, y después se aplica manualmente el mortero con un espesor mínimo de 4cm. Los anillos generalmente empleados son de l m de altura; si el terreno es estable, este valor puede incrementarse. Las muestras cúbicas que se extraen de pozos a cielo abierto, zanjas y cortes consiste en labrar in situ cubos de suelo de 20 a 30cm de lado que se protegen con manta de cielo impermeabilizada. Para obtenerlas se empieza por eliminar el suelo alterado y después con espátula se labran las paredes, que se cubren con polietileno delgado conforme se termina cada una; una vez terminados los lados se cubren con tela de manta de cielo que se impregna con una mezcla, líquida de parafina y brea; a continuación se coloca la caja de protección y se corta la base del cubo, que después se cubre con manta Figura 38.0 En suelos duros es admisible el empleo de cinceles delgados para conformar las muestras. Se identifican con una etiqueta colocada en la cara superior. Con esta técnica se pueden obtener muestras de muy buena calidad, pero es un procedimiento lento, difícil de realizar abajo del nivel freático y limitado a profundidades no mayores de 10m.
Figura, 37.0 Ademado para un pozo a cielo abierto
Figura, 38.0 Procedimiento de labrado de muestras cúbicas de suelos blandos
REPORTE DE LABORATORIO (ESTUDIO DE MECÁNICA DE SUELOS)
SONDEO DE CONO ELÉCTRICO OBRA: Construcción del colector del drenaje para la terminal II del A ICM UBICACIÓN: Aeropuert o Internacional de la Ciudad de México, México, D.F. 2 SONDEO: SCE-1 L4 LUMBRE RA 4 Área del cono 10.36 cm
