COMISIÓN FEDERAL DE ELECTRICIDAD MANUAL DE DISEÑO DE OBRAS CIVILES
CAPÍTULO B.2.1 CARACTERIZACIÓN DE LOS DEPÓSITOS DE SUELO
Efraín Ovando Shelley* María del Carmen Cabrera Velásquez** María Guadalupe Olín Montiel** Natalia del Pilar Parra Piedrahita**
Marzo de 2008
Elaborado por: Instituto de Ingeniería, UNAM Proyecto 7541
*Investigador, Instituto de Ingeniería, UNAM *Estudiante de posgrado, Instituto de Ingeniería, UNAM
Nota aclaratoria Este capítulo se divide en dos partes. La primera se refiere a la Identificación de suelos en el campo y la segunda, a la Exploración y muestreo de suelos. El primer tema se desarrolló con base en comentarios elaborados en torno a la aplicación del Sistema Unificado de Clasificación de Suelos (S.U.C.S.) a situaciones de campo. A esos comentarios se agregaron otros para la identificación de campo de suelos con problemas especiales, no incluidos explícitamente en el S.U.C.S. El material que aquí se presenta se concentra en un solo documento mientras que en los anteriores manuales apareció publicado, por separado, en diferentes secciones o incluso en tres fascículos diferentes.
SECCIÓN B GEOTECNIA
TEMA
2
CAPÍTULO 1
MECÁNICA DE SUELOS
CARACTERIZACIÓN DE LOS DEPÓSITOS DE SUELOS
CONTENIDO 1
CARACTERIZACIÓN DE LOS DEPÓSITOS DE SUELOS .......................................... 1
1.1 IDENTIFICACIÓN DE SUELOS EN CAMPO. .................................................... 1 1.1.1 Identificación en campo según el S.U.C.S. ...................................................... 1 1.1.1.1
Clasificación de suelos gruesos ............................................................... 2
1.1.1.2
Clasificación de suelos finos ................................................................... 11
1.1.1.3
Identificación de suelos de grano fino orgánicos. .................................. 16
1.1.1.4
Clasificación Geológica de los depósitos de suelo. ............................... 16
1.1.2
Identificación en campo de suelos con problemas especiales ........................ 18
1.1.2.1
Suelos orgánicos ..................................................................................... 18
1.1.2.2
Suelos expansivos .................................................................................. 24
1.1.2.3
Suelos residuales .................................................................................... 28
1.1.2.4
Suelos dispersivos .................................................................................. 30
1.1.2.5
Suelos colapsables ................................................................................. 31
1.2 EXPLORACIÓN Y MUESTREO DE SUELOS .................................................. 33 1.2.1 Programa de exploración geotécnica .............................................................. 33 1.2.1.1
Estudios preliminares .............................................................................. 33
1.2.1.1.1 Recopilación de la Información ........................................................... 34 1.2.1.2
Reconocimiento de campo. .................................................................... 36
1.2.1.3
Estudios de detalle .................................................................................. 37
1.2.2 1.2.3
Supervisión de los trabajos de exploración. ................................................... 38 Técnicas de Perforación.................................................................................. 39
1.2.3.1
Pozos a cielo abierto, cortes y zanjas. ................................................... 39
1.2.3.1.1 Equipo .................................................................................................. 42 1.2.3.1.2 Operación ............................................................................................. 43 1.2.3.2
Perforación por lavado ............................................................................ 43
1.2.3.2.1 Equipo. ................................................................................................. 43 1.2.3.2.2 Operación ............................................................................................. 44 1.2.3.3
Perforación a rotación con agua o lodo .................................................. 46
1.2.3.3.1 Equipo .................................................................................................. 48 1.2.3.3.2 Operación ............................................................................................. 49 1.2.3.4
Perforación en seco con barras .............................................................. 49
1.2.3.4.1 Equipo .................................................................................................. 50
1.2.3.4.2 Operación ............................................................................................. 51 1.2.3.5
1.2.4
Perforación mixta .................................................................................... 52
Equipo de perforación .................................................................................... 52
1.2.4.1
Máquinas perforadoras ........................................................................... 52
1.2.4.1.1 Máquinas de perforadora rotatoria ...................................................... 54 1.2.4.1.2 Máquinas de perforadora de percusión............................................... 54 1.2.4.2
Bombas de perforación ........................................................................... 56
1.2.4.3
Barras y Ademes de perforación ............................................................ 56
1.2.4.4
Brocas de perforación ............................................................................. 58
1.2.4.4.1 Broca tríconica ..................................................................................... 59 1.2.4.4.2 Broca Drag ........................................................................................... 59 1.2.4.4.3 Broca de aletas .................................................................................... 60 1.2.4.4.4 Broca de cola e pescado ..................................................................... 60 1.2.4.5
Lodos de perforación .............................................................................. 61
1.2.4.5.1 Lodos de perforación de agua dulce ................................................... 61
1.2.5
Técnicas de exploración ................................................................................. 66
1.2.5.1
Métodos Indirectos .................................................................................. 66
1.2.5.1.1 Exploración geofísica ........................................................................... 66 1.2.5.2
Métodos directos ..................................................................................... 68
1.2.5.2.1 Exploración y muestreo ....................................................................... 68 1.2.5.2.2 Tipos de sondeos................................................................................. 68 1.2.5.3 Determinación del tipo, número, espaciamiento, la localización y profundidad del sondeo ............................................................................................. 72 1.2.5.3.1 Número y espaciamiento de sondeos. ................................................ 73 1.2.5.3.2 Determinación de la profundidad del sondeo...................................... 78
1.2.6
Tipo de Muestras y Procedimientos de Muestreo ......................................... 81
1.2.6.1
Tipos de Muestras ................................................................................... 81
1.2.6.1.1 Muestras alteradas .............................................................................. 82 1.2.6.1.2 Muestras Inalteradas ........................................................................... 82 1.2.6.2
Calidad de las Muestras ......................................................................... 82
1.2.6.2.1 Muestras alteradas .............................................................................. 82 1.2.6.2.2 Muestras Inalteradas ........................................................................... 83 1.2.6.3
Muestreo Alterado ................................................................................... 86
1.2.6.3.1 Método Manual .................................................................................... 86 1.2.6.3.2 Muestreadores hincados a presión ..................................................... 89
1.2.6.4
Muestreo inalterado ................................................................................ 92
1.2.6.4.1 Método Manual .................................................................................... 92 1.2.6.4.2 Muestreadores hincados a presión ..................................................... 94 1.2.6.4.3 Muestreador de pistón ......................................................................... 98 1.2.6.4.3.1 Muestreadores Sueco y tipo Delft............................................... 108 1.2.6.4.4 Muestreador de Tubo Rotatorio Dentado .......................................... 113 1.2.6.4.5 Muestreadores de doble barril ........................................................... 117 1.2.6.4.6 Método de muestreo por congelación ............................................... 126 1.2.6.4.7 Criterios de selección de muestreadores .......................................... 129
1.2.7
1.3
Manejo de muestras ...................................................................................... 130
1.2.7.1
Muestras alteradas ................................................................................ 130
1.2.7.2
Muestras cúbicas inalteradas ............................................................... 131
1.2.7.3
Muestras inalteradas contenidas en tubos ........................................... 131
1.2.7.4
Recomendaciones para el embalaje de las muestras (ASTM D 4220-00) 134
REFERENCIAS................................................................................................... 144
1 CARACTERIZACIÓN DE LOS DEPÓSITOS DE SUELOS 1.1 IDENTIFICACIÓN DE SUELOS EN CAMPO. 1.1.1 Identificación en campo según el S.U.C.S. El Sistema Unificado de Clasificación de Suelos (S.U.C.S.) divide a los suelos en grupos que exhiben intervalos de propiedades mecánicas e hidráulicas semejantes, basándose en los siguientes conceptos: 1.- Los suelos están formados por un conjunto de partículas cuyo tamaño puede variar en un intervalo muy amplio, que va desde los cantos rodados, con más de 15 cm, de diámetro equivalente, hasta las partículas de arcilla coloidal, con menos de dos micras, muchas de las cuales son visibles solamente con la ayuda de un microscopio electrónico. Entre estos extremos se encuentran materiales en tamaños de partículas intermedias y que se denominan: gravas, arenas, limos y arcillas. 2.- Las propiedades mecánicas e hidráulicas de los suelos son el resultado de la interacción de sus partículas. La interacción depende de: • •
La granulometría, dada por las proporciones relativas de los diferentes tamaños de las partículas. La plasticidad, que es una propiedad físico-química de las partículas coloidales contenidas en la fracción más fina del suelo, constituida por partículas menores de 0.075 mm; este es el intervalo de tamaños asignado a limos y arcillas.
Es conveniente realizar la clasificación en campo con base en la clasificación manual y visual del suelo siguiendo las siguientes recomendaciones: La muestra a clasificar deberá ser lo más representativa posible del estrato de suelo para lo cual se requiere haberla obtenido siguiendo lineamiento estándar. La cantidad mínima de material para una descripción e identificación exacta de acuerdo con la siguiente tabla.
1
Tabla B.1. Tamaño mínimo de espécimen en función del tamaño de las partículas. Tamaño máximo de partículas 4.75 mm (Nº 4) 9.5 mm (3/8”) 19.0 mm (3/4”) 38.1 mm(1/2”) 75.0 mm (3”9
Tamaño mínimo del espécimen material seco 100 g (0.25 lb.) 200 g (0.5 lb.) 1.0 Kg. (2.2 lb.) 8.0 Kg. (18 lb.) 60.0 Kg. (132 lb.)
Nota: Si la muestra o espécimen de campo es menor que el mínimo recomendado deberá especificarse en las observaciones.
1.1.1.1 Clasificación de suelos gruesos a) Cuando las partículas de la muestra a clasificar sean de fracción gruesa, se estima el porcentaje de tamaños mayores que la malla N° 4 (para efectos prácticos puede usarse el tamaño de 5 mm como el equivalente a la malla N° 4, ver tabla B.2). b) Si más del 50% de la muestra resulto mayor que la malla N° 4 clasifique al suelo como grava, de lo contrario clasifíquelo como arena. c) Estime el porcentaje de partículas finas (menores que la malla N° 200) d) Si el porcentaje estimado de partículas menores que la malla N° 200 varía entre el 0% y 5%; el suelo se clasifica como grava o arena limpia, dependiendo de lo obtenido. e) Si el porcentaje estimado de partículas menores que la malla N° 200 varía entre el 15 y 50% del total de la muestra, clasifique al suelo como grava o arena arcillosa o limosa, dependiendo de la clasificación de los finos (ver figura B.2). f)
Para gravas y arenas limpias estime su graduación. Si la muestra contiene partículas de todos los tamaños y cantidades apreciables de todos los tamaños grandes e intermedios, se puede clasificar como grava o arena limpia bien graduada (ver figura B.1). Clasifique al suelo de acuerdo con lo establecido en la figura B.2 y apóyese en el anexo B.1.
g) La identificación de los finos como limosos o arcillosos deberá llevarse a cabo como se indica en el subcapítulo 1.1.1.2. h) Si el porcentaje de finos se estima entre 5% y el 15% deberá realizarse lo indicado en el punto anterior y se les deberá asignar símbolo doble por ejemplo una grava bien graduada arcillosa se clasificara como GW-GC tal como se indica en la figura B.2, apóyese en el anexo B.1.
2
Tabla B.2. Clasificación de suelos según su tamaño. Malla N°
mm
3”
750 200 76
4
4.76
200
0.074
m 0.75 0.20 0.076
Suelo grueso limpio
FRAGMENTOS EPICLASTICOS Grandes Fragmentos Medianos de Roca Chicos Gruesa Mediana Grava Fina Gruesa Mediana Arena Fina Grueso Mediano Limo Fino Gruesa Mediana Arcilla Fina
Suelo grueso con finos
FRAGMENTOS PIROCLASTICOS Gruesos Fino
Bombas y bloques
Lapilli
Gruesa Ceniza volcánica Fina
Suelo grueso y finos
Figura B.1. Tamaño y graduación de las partículas.
3
Figura B.2. Esquema para clasificar suelos de grano grueso (ASTM D 2488-06).
4
A continuación se proporciona información descriptiva para clasificación de suelos gruesos. a) Angulosidad.- Describe a las arenas (granos de algunos tamaños perceptibles a simple vista), gravas, guijarro y roca como angulosos, subangulosas, sub-redondeada y redondeados de acuerdo con el criterio de la tabla B.3 y la figura B.3. La angulosidad puede variar de redondeada a angulosa. b) Forma.- Describe la forma de las gravas a guijarros y de las rocas como tabular, alargadas, o equidimensionales, de acuerdo con el criterio de la tabla B.4 y las figuras B.4 y B.5. Se indica la fracción de las partículas que tienen la forma indicada como por ejemplo: “Una tercera parte de las partículas de grava de la muestra son tabulares”. c) Color.- Describe el color. El color es una propiedad importante en la identificación de suelos orgánicos, y para identificar los suelos de acuerdo a su origen geológico (ver tabla B.16). Si la muestra contiene estratos o manchas de colores variados, esto debe ser descrito adecuadamente (ver tabla B.5). El color que se reporte debe ser de muestras húmedas. Si el color representa la condición seca, este estado deberá reportarse en la clasificación (ver figura B.6). d) Olor.- Es necesario describir el olor, ya sea orgánico o alguno inusual. Los suelos que contienen una cantidad significante de materia orgánica usualmente tienen un olor distintivo de vegetación descompuesta. Esto aparece en muestras especialmente recientes, pero si las muestras son secas, el olor puede frecuentemente ser recuperados con la calefacción o el humedeciendo de la muestra. Si el olor no es peculiar como de productos derivados del petróleo, químicos o sus equivalentes, esto deberá ser descrito claramente. e) Condiciones de humedad.- describe las condiciones húmedas, secas, o saturadas de acuerdo con el criterio de la tabla B.6. f) Reacción al Acido clorhídrico.- Describe la reacción al acido clorhídrico como nula, débil y fuerte de acuerdo al criterio de la tabla B.7. g) Cementación.- Describe la cementación de integridad de suelos de grano grueso como débil, moderado y fuerte de acuerdo con el criterio de la tabla B.8 y la figura B.7. h) Estructura.- Describe la estructura del suelo de acuerdo al criterio de la tabla B.9. i) Dureza.- Describe la dureza de las partículas de arena grande y gruesa como dura o el estado que tengan cuando las partículas son golpeadas por un martillo.
5
Tabla B.3. Criterio para describir la angulosidad de partículas de grano grueso (ASTM D 2488-06). DESCRIPCIÓN
CRITERIO
Angulosa
Partículas que tienen esquinas agudas y bordes afilados.
Sub-angulosa
Similar a la descripción anterior pero con algunas esquinas redondeadas.
Sub-redondeada
Se distinguen pero no se siente las aristas ni los bordes.
redondeada
No se distinguen esquinas o bordes al rolarlo.
Tabla B.4. Criterio para describir las formas de las partículas de grano grueso (ASTM D 2488-06). La forma de las partículas se describen como sigue donde longitud, ancho y espesor de las partículas; mas grande, intermedia y de menos dimensiones respectivamente. DESCRIPCIÓN
CRITERIO
Tabular
Partículas con ancho y espesor ancho/espesor > 3 (ver figura B.5).
Alargada
Partículas con longitud/ancho > 3.
Equidimensional
Partículas con ambos criterios. Tabla B.5. Características de la coloración.
COLOR Uniforme Manchas Moteado Marmoleado Bandeado
DESCRIPCIÓN Un color discordante, de tamaño apreciable sobre un fondo uniforme. Manchas pequeñas (pecas) sobre un mismo fondo. Dos o más colores que ocurren con igual frecuencia. No hay predominio de color. Colores distintos dispuestos en banda.
6
Tabla B.6. Criterio para describir las condiciones de humedad (ASTM D 2488-06). DESCRIPCIÓN
CRITERIO
Seco
Falta de humedad, polvoriento, seco al tacto.
Húmedo
Con humedad pero el agua aun no es visible.
Saturado
Agua visible, usualmente el espejo de agua se ve por encima del suelo.
Tabla B.7. Criterio para describir la reacción al acido clorhídrico, HCL (ASTM D 2488-06). DESCRIPCIÓN Nula
CRITERIO Reacción no visible.
Débil o media pero no Poca reacción formando pequeñas burbujas. permanente Fuerte o permanente
Reacción violenta formando burbujas rápidamente.
Tabla B.8. Criterio para describir la cementación (ASTM D 2488-06). DESCRIPCIÓN
CRITERIO
Débil
Desmoronable o deleznable con las manos o con poca presión de los dedos.
Moderado
Desmoronable o frágil con considerable presión de los dedos.
Fuerte
No desmoronable ni frágil con presión de los dedos.
Nota: Cementante: Sustancia que une partículas de suelo proporcionándoles cierta cohesión.
7
Tabla B.9. Criterio para describir la estructura (ASTM D 2488-06). DESCRIPCIÓN Estratificada Laminada Fisurada Superficie de deslizamiento Bloques Lentes Homogénea
CRITERIO Estratos alternados de materiales variados o colores con estratos de menos de 6 mm de espesor. Estratos alternados de variados materiales o colores con estratos de menos 6 mm de espesor. Rotura o fractura a lo largo de Planos definidos con poca resistencia al fracturamiento. Planos de fractura con apariencia pulida. Suelos cohesivos que pueden quebrarse. Inclusiones de pequeñas bolsas de arena de diferentes suelos tal como pequeños lentes de arena dispersa y lentes de arcilla. Mismo color y apariencia.
Angulosa
Redondeada
Subangulosa
Subredondeada
Figura B.3. Angulosidad de las partículas de grano grueso.
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Equidimensional
Alargada
Tabular
Figura B.4. Forma de partículas.
W= Ancho T= Espesor L= Longitud
Plana o tabular: W/T>3 Alargada: L/W>3 Tabular y Alargada: ambos criterios
Figura B.5. Criterio para clasificar la forma de las partículas (ASTM D 2488-06).
9
Blanco: Caolin Granos de calcita Carbonatos vidrio volcánico Materia orgánica animal Cuarzo
-
Gris en diferentes tonos Negro: -
Minerales ferromagnesianos Biotita, hornblenda, magnetita, etc
-
Evaporación de algunos óxidos de fierro Materia orgánica Ceniza volcánica
Café amarillento (ocre): - De limolita
Blanco
Ocre claro
Negro
Café olivo
Café obscuro
Café:
Blanco
-Oxido de hierro
(en general orgánico)
Café claro Café grisáceo
Negro
Café obscuro (Minerales de materia orgánica)
Rojo:- Feldespato óxidos de Fe por gases sulfúricos, materia orgánica
Blanco
Rosa
Rojo obscuro Negro
Verde Olivo:-Reducción óxidos de Fe por gases sulfúricos, materia orgánica
Blanco
(Mineral, materia orgánica)
Verde olivo claro Verde olivo grisáceo
Negro
Verde olivo obscuro
Figura B.6. Materiales que pueden dar diferente coloración al suelo.
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Limo Arcilla Sílice Sesquióxidos Alúmina Compuestos orgánicos Cementantes Comunes: Ca (calcita) Mg (dolomita) Carbonatos
Fe (siderita) Ca, Mg, Fe (ankerita)
Figura B.7. Cementantes comunes.
1.1.1.2 Clasificación de suelos finos También en este caso el sistema considera a los suelos agrupados con un criterio similar al usado para los suelos gruesos (ver figura B.8 y apoyarse en el anexo B.1) y dando lugar a las siguientes subdivisiones: a) Limos inorgánicos de símbolo genérico M (del sueco mo y mjala). b) Arcillas inorgánicas, de símbolo genérico C (clay). c) Limos y arcillas orgánicas, de símbolo O (orgánica). A continuación se proporciona información descriptiva para la clasificación de suelos finos. a) Dilatancia (Prueba de movilidad de agua). Con los pasos siguientes se podrá realizar correctamente la prueba: •
Elimine a mano las partículas de suelos mayores a 0.50 mm.
•
Forme una pastilla de suelo húmedo, bien homogeneizada, aproximadamente 15 cm3 (que quepa en la palma de las manos).
•
En caso necesario añada agua para obtener una mezcla suave pero no pegajosa.
•
Coloque la pastilla en la palma de la mano y agite horizontalmente golpeando contra la otra mano varias veces.
•
Estime la velocidad con que le aparece el agua en la superficie de la pastilla y esta se torna lustrosa y aquella con la que desaparece al apretar la pastilla entre los dedos.
•
Catalogue la velocidad como rápida, lenta o nula (ver tabla B.10) y de acuerdo con lo establecido en la parte inferior izquierda del anexo B.1.
de
b) Prueba de resistencia en estado seco Con los pasos siguientes se podrá realizar correctamente la prueba:
11
•
Elimine de la muestra las partículas con tamaño mayor que 0.50 mm.
•
Moldee una pastilla de suelo hasta que alcance la consistencia de una masilla añadiendo agua si es necesario.
•
Deje secar totalmente la pastilla al sol y al aire.
•
Estime la resistencia de la pastilla seca tratando de desmoronarla o romperla con los dedos.
•
Catalogue la resistencia como nula ligera, media o alta y clasifique al suelo de acuerdo al criterio de la tabla B.11 y al anexo B.1.
c) Prueba de tenacidad Con los pasos siguientes se podrá realizar correctamente la prueba: •
Elimine de la muestra las partículas mayores de 0.50 mm.
•
Moldee un espécimen de suelo de aproximadamente 15 cm3 hasta alcanzar una masilla. Si el suelo está seco agregue agua; si al contrario está pegajoso, extiéndalo para formar una capa delgada de suelo que permita la pérdida de humedad por evaporación.
•
Cuando se tenga la consistencia esperada, role la pastilla de suelo con la mano sobre una superficie lisa, o entre las palmas tratando de formar un rollito de aproximadamente 3 mm de diámetro.
•
Repita esta operación varias veces, hasta que el rollito pierda su plasticidad (se ponga tieso y se desmorone).
•
Recolecte los pedazos y júntelos nuevamente amasando la pastilla con los dedos hasta que se vuelva a desmoronar.
•
Catalogue la debilidad del rollito en el límite plástico y la facilidad con que la pastilla se desmorona y pierde la cohesión una vez que se ha rebasado este límite, como baja, media o alta y clasifique al suelo de acuerdo al criterio de la tabla B.12 y anexo B.1.
d) Plasticidad Una de las observaciones básicas hechas durante la prueba de tenacidad es que se describe la plasticidad siguiendo los criterios de la tabla B.13. e) Consistencia Para la integridad de suelos de grano fino se describe la consistencia como muy blanda, blanda, firme, dura y muy dura de acuerdo al criterio de la tabla B.14. Esta condición se da únicamente en suelos finos que no tengan considerables contenidos de gravas. f) Ejemplos de clasificación. •
Identificación de suelos finos inorgánicos
•
Identificación del suelo como de baja compresibilidad, CL, si el suelo tiene media a alta resistencia en estado seco o baja dilatancia y media tenacidad y plasticidad apoyándose en la tabla B.15 y del anexo B.1.
12
•
Identificación de arcilla de alta compresibilidad, CH, si el suelo tiene alta a muy alta resistencia en estado seco, no dilatancia, y alta tenacidad y plasticidad apoyándose en la tabla B.15 y del anexo B.1.
•
Identificación de suelo como limos ML, si el suelo tiene baja resistencia en estado seco, dilatancia rápida, y de baja a media tenacidad y plasticidad apoyándose en la tabla B.15 y del anexo B.1.
•
Identificación de suelo como limo de alta compresibilidad apoyándose en la tabla B.15 y del anexo B.1. Tabla B.10. Criterio para describir la dilatancia (ASTM D 2488-06). DESCRIPCIÓN Nula
Lenta
Rápida
CRITERIO No hay cambio visible en el espécimen. El agua aparece lentamente sobre la superficie durante el agitado y no desaparece, y aparece lentamente sobre el suelo. El agua aparece rápidamente sobre la superficie del espécimen durante el agitado y desaparece rápidamente en el exprimido.
CLASIFICACIÓN CH
MH ó CL
ML
Tabla B.11. Criterio para describir la resistencia al estado seco (ASTM D 2488-06). DESCRIPCIÓN
CRITERIO
CLASIFICACIÓN
El espécimen seco se desmorona y se pulveriza con una simple presión de las manos.
ML
Nula
El espécimen seco de desmorona y se pulveriza con la presione de algunos dedos.
CL
Ligera
El espécimen seco se rompe en algunas piezas o desmorona con considerable presión de los dedos.
CL ó MH
Media
CL ó MH
Alta
El espécimen seco no se puede romper con presión de los dedos el espécimen se rompe en piezas entre el pulgar y una superficie dura. El espécimen seco no se puede romper entre el dedo pulgar y una superficie dura.
CH
Muy alta
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Figura B.8. Esquema para clasificar suelos de grano fino (ASTM D 2488-06). Tabla B.12. Criterio para describir la tenacidad (ASTM D 2488-06). DESCRIPCIÓN
CRITERIO
CLASIFICACIÓN ML
Baja
Se requiere una pequeña presión en el rollito para estar cerca del límite plástico y los rollito son débiles y blandos.
CL ó MH
Media
Se requiere de una presión media en el rollito para estar cerca del límite plástico. La masa y el rollito tienen mediana firmeza.
CH
Alta
Se requiere de una considerable presión para estar cerca del límite plástico. La masa y el rollito tienen muy alta firmeza.
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Tabla B.13. Criterio para describir la plasticidad (ASTM D 2488-06). DESCRIPCIÓN
CRITERIO
Nula
A 1/8” (3mm) no se puede hacer el rollito por el contenido de agua.
Baja
Se puede hacer escasamente el rollito y la masa no puede ser formada cuando es tan seco como el límite plástico.
Media
Se puede hacer fácilmente el rollito y no requiere mucho tiempo encontrar el limite plástico. El rollito no se puede rehacer cuando después de haber encontrado el limite plástico. La masa se desmorona cuando es tan seco como el límite plástico.
Alta
Se tarda un tiempo considerable en hacer el rollito, amasar y buscar el límite plástico. El rollito puede ser conformado varias veces antes de encontrar su límite plástico y puede ser formado con los restos del desmoronamiento cuando es tan seco como el límite plástico.
Tabla B.14. Criterios para describir la consistencia (ASTM D 2488-06). DESCRIPCIÓN
CRITERIO
Muy blanda
No se requiere presión para penetrar el pulgar en el suelo más de 1” (25 mm).
Blanda
El pulgar se hunde fácilmente. Se puede moldear fácilmente con los dedos.
Firme
Se requiere presión para que el pulgar penetre o deje huella. Es decir opone resistencia a la deformación.
Dura
El pulgar no penetra. Opone mucha resistencia a la deformación. Se puede marcar con la uña.
Muy dura
No se marca al suelo ni con el pulgar ni con la uña.
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Tabla B.15. Identificación de los suelos finos en la prueba manual (ASTM D 248806). SIMBOLO DEL SUELO
RESISTENCIA EN ESTADO SECO
DILATANCIA
TENACIDAD
ML
Nula o Baja
Lenta a Rápida
Baja o imposible formarse el rollito
CL
Media a Alta
Nula a Lenta
Media
MH
Maja a Media
Nula a Lenta
Baja a Lenta
CH
Alta a muy Alta
Nula
Alta
1.1.1.3 Identificación de suelos de grano fino orgánicos. Esta clasificación se encuentra descrita en detalles en el numeral 1.1.2.1.
1.1.1.4 Clasificación Geológica de los depósitos de suelo. En la tabla B.16 se muestran los nombres empleados en la Geología para designar diferentes clases de depósitos de suelos, así como la relación que existe entre el proceso de depositacion y su influencia en la textura, estructura y compacidad.
16
Tabla B.16. Clasificación de los suelos según su origen geológico (Tamez, 2001). CLASIFICACION
PROCESO DE FORMACION
Residuales
NATURALEZA DE LOS DEPOSITOS
TEXTURA
ESTRUCTURA
CONSISTENCIA
In situ
Granular o coloidal
Fracturas de la roca madre
Blanda a dura
Abanicos
Granular, media y subangulosa
Heterogénea
Suelta a semicompacta
Granular, fina a coloidal
Heterogénea, lenticular o estratificada
Suelta a compacta
Llanuras Terrazas
Aluviales
Deltas
Coluviales
Transportados
Marinos
Glaciares
Lacustres
Talus
Granular, media a fina o coloidal
Homogénea
Granular, gruesa y angulosa
Heterogénea
Morrenas Fluviales Marinos
Granular, gruesa o coloidal
Loess Eólicos
Piroclástico
Ninguno o Aluviales
Compacta
Granular, fina y uniforme
Homogénea
Muy suelta
Granular, gruesa a fina
Heterogénea, estratificada y homogénea
Suelta a compacta
Coloidal o fibrosa
Estratificada
Muy blanda
Lacustres Orgánicos
Suelta
Blanda a dura
Superficiales Marinos
Heterogénea
Blanda a dura
Estratificada
Lacustres Dunas
estratificada
Suelta a compacta
Residuales Marinos Lacustres
17
1.1.2 Identificación especiales
en
campo
de
suelos
con
problemas
El objetivo de este título, es dar una definición general de los suelos con problemas especiales que se pueden encontrar en la república mexicana y algunas recomendaciones para su identificación en campo. Los suelos que se consideran especiales para fines de este título son algunos suelos orgánicos; también se incluyen suelos expansivos, residuales, dispersivos y colapsables.
1.1.2.1 Suelos orgánicos La identificación de suelos orgánicos en campo va ligada con la identificación durante la exploración y el reconocimiento de campo, de problemas de asentamientos importantes debido a la degradación de la fracción orgánica de los suelos y la presencia de suelos no recomendables como soporte para la cimentación de estructuras. Esto se debe a que la actividad de la materia orgánica es comparable con la de los minerales de arcilla, influenciando cambios en las propiedades geológicas del suelo. (Myslinska, 2003). Los suelos orgánicos presentan un alto contenido de materia orgánica. Están conformados por material vegetal en descomposición y/o por residuos sólidos orgánicos. Estos se pueden definir como aquellos que presentan reacción ante el agua oxigenada H2O2, tienen un contenido mayor del 2% de materia orgánica (Myslinska, 2003), índice de plasticidad alto y alta pérdida de masa por calentamiento a temperaturas por encima de 440ºC. También, son altamente compresibles, con baja resistencia al esfuerzo cortante no drenada y potencialmente corrosivos (Sabatini y colaboradores, 2002). De acuerdo al Sistema Unificado de Clasificación de Suelos S.U.C.S. (ASTM D 2488-06), los suelos de grano fino orgánico se clasifican como OL/OH, cuando se identifica la presencia de partículas de materia orgánica que influyen en las propiedades del suelo, como se mencionó anteriormente. El esquema para la clasificación de este tipo de suelos se observa en la figura B.9.
Figura B.9. Esquema para clasificar suelos orgánicos.
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La turba “Pt” y los suelos altamente orgánicos se identifican en campo fácilmente, por su color, olor, sensación esponjosa (Manual CFE, 1980) y por ser altamente compresibles (U.S. Army Corps, EM 1110-1-1804). A continuación se sugieren las siguientes características a identificar: •
Fábrica: los suelos orgánicos están conformados por materia orgánica parcialmente descompuesta, pasto y otro tipo de vegetación (U.S. Army Corps, EM 1110-1-1804).
•
Color: Su color es oscuro, variando desde el café mate al negro.
•
Textura: varía de grumosa finamente dividida en el caso de la turba resultado de una descomposición avanzada de tipo aerobio, a una textura fibrosa en la turba que ha estado siempre sumergida (Manual CFE, 1980).
•
Olor: los suelos orgánicos tienen un olor rancio que disminuye al exponerlo al aire. El olor puede ser reavivado con el calentamiento de la muestra húmeda o por la exposición de la muestra fresca (U.S. Army Corps, EM 1110-1-1804).
•
Contendido de Materia Orgánica: La presencia de materia orgánica en los suelos, se detecta adicionando a una muestra del suelo de interés, algunas gotas de Peróxido de Hidrógeno H2O2 (agua oxigenada).
La Turba “Pt”, es un suelo de origen natural, altamente orgánico de acuerdo al S.U.C.S., el cual está compuesto principalmente por fibras vegetales en varios grados de descomposición, que le dan una textura entre fibrosa y amorfa. Su color varía entre café oscuro y negro, y presenta olor orgánico. Este tipo de suelo no entra dentro de la clasificación presentada en la figura B.9., y se diferencia de otros suelos orgánicos por su bajo contenido de ceniza, menor al 25% (ASTM D 4427-92). La turba Pt, puede dividirse en tres tipos de acuerdo a la tabla B.17. De acuerdo a su origen geológico secundario, los depósitos de turba se forman en depresiones correspondientes a zonas de asentamiento o de topografía irregular, deltas, antiguos cauces, esteros, planicies de inundación fluvial y bordes de lagos. En ellos no se define estratificación. En el caso de suelos orgánicos no superficiales, se pueden identificar durante la exploración geotécnica de la siguiente manera: - Con la utilización del cono eléctrico con medición de punta y fricción, los suelos orgánicos presentan una relación de fricción mayor a 5.1% y con cono eléctrico esta relación es mayor a 8.1% (EPRI, Manual Soil Prop Estimating, section 2. Basic soil characterization). En la figura B.10, se observa la clasificación de distintos suelos usando la prueba CPT. Este método sólo proporciona una orientación o guía que debe verificarse. Otras clasificaciones de los suelos orgánicos, de acuerdo a la literatura existente, se puede realizar de acuerdo a diferentes criterios. Algunos de estos se presentan a continuación:
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Tabla B.17. Tipos de turba de acuerdo a su textura, según S.U.C.S. (ASTM D 442792) TIPOS DE TURBA
Fibrosa
Seudo-fibrosa
Amorfa
TEXTURA Contiene un 67% de fibra, está conformada por restos de materia vegetal parcialmente descompuesta en donde se puede identificar claramente las plantas. Esta turba no se escurre entre los dedos y el agua que arroja es clara o con una ligera turbidez. Consistencia media a firme, plasticidad baja a moderada y baja contracción por secado. Contiene entre 37% y 67% de fibra, está conformada por materia orgánica entre moderada y completamente descompuesta siendo difícil identificar las plantas. El agua que arroja es turbia o enlodada y la cantidad de turba que se escurre entre los dedos esta entre 0% y 30%. Plasticidad media a alta y alta contracción por secado. Contiene menos del 37% de fibra, está conformada por materia orgánica con alta descomposición. Entre el 50% y el 100% de la turba se escurre entre los dedos. El color de la turba puede varias entre negro, verde olivo y amarillo o combinaciones de estos. Alta contracción por secado.
Clasificación de acuerdo al origen del suelo orgánico: De acuerdo a su origen, la acumulación de suelos orgánicos tomando en cuenta los factores hidrogeológicos, tiene lugar en tres ambientes básicos (Tobolski, 2000 y Myslinska, 2003). Fluvial: típico para la formación de gyttja (Materiales de origen orgánico, como cadáveres de animales y plantas, que se descomponen en aguas estancadas, con un contenido de carbonato de calcio mayor al 80%). Fluvio-terrestre: Ambiente propicio para la formación de turba de ciénaga (fen-peat) y de lodos. Terrestre: responsable de la formación de turba de pantano (bog-peat), turba de transición y suelos húmicos (compuestos principalmente por el humus resultante de la descomposición de la materia orgánica vegetal y animal).
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Figura B.10. Clasificación de suelos con prueba CPT (Fuente: EPRI, Manual Soil Prop Estimating, section 2. Basic soil characterization). Clasificación biogénica: Esta se debe a Marks (1992), quien subdivide los depósitos biogénicos en los siguientes grupos: •
Depósitos sapropélicos de lago: Son aquellos que se originan de lodo rico en materia orgánica putrefacta, principalmente de restos de plancton animal. Estos se dividen también en dy y en gyttja. -
El dy se origina tanques distróficos (cuerpos de agua ácidos que contiene muchas plantas pero pocos peces, debido a la presencia de grandes cantidades de materia orgánica) y tiene contenidos mayores al 50% de materia orgánica coloidal alóctona (que no es originaria del lugar donde se encuentra) de color café oscuro, parecido a la turba, es ácido con pequeñas cantidades de calcio. Se puede incluir dentro de la gyttja o turba extremadamente descompuesta.
-
La gyttja se origina de depósitos sapropélicos (provenientes de lodo rico en materia orgánica putrefacta) de lagos eutróficos (abundantes en nutrientes como nitrógeno y fósforo que favorecen el crecimiento de algas y otros organismos) ricos en oxígeno y materia orgánica. Se caracterizan por la presencia de partículas orgánicas como plancton, presencia de materia orgánica, carbonato de calcio y partículas de minerales no carbonatados.
•
Depósitos húmicos de pantano: formados de restos de plantas.
•
Turbas: se forman en la orilla de las zonas de lago y en zonas cubiertas de plantas pero con humedad.
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Clasificación de acuerdo al contenido de ceniza: Esta clasificación fue propuesta por la Escuela de Agricultura de Varsovia (Wolski, 1996) y se basa en el contenido de ceniza (porcentaje de partículas minerales de tamaño inferior a 2 mm). Esta se presenta en la tabla B.18. Tabla B.18. Clasificación de suelos orgánicos de acuerdo al contenido de cenizas. Tipo de suelo orgánico
Contenido de ceniza
Turba de bajo contenido de ceniza.
0 – 25%
Turba de contenido medio de ceniza.
25% – 50%
Lodos con alto contenido de ceniza.
50% - 80%
Arcillas y arenas orgánicas (suelos orgánicos – minerales).
80% - 98%
Gyttja y marga de lago (suelos orgánico-calcáreos).
Clasificación independiente del contenido de ceniza.
Clasificación de acuerdo a los parámetros físicos del suelo orgánico: Esta clasificación, que se presenta en la tabla B.19, fue propuesta por Borys (1996) y se basa en valores de los parámetros físicos del suelo orgánico (tipo de suelo, grado de descomposición de la turba, contenido de carbonato de calcio, contenido de ceniza sin carbonato de calcio, humedad, ángulo de fricción interna, etc.). Tabla B.19. Clasificación de suelos orgánicos de acuerdo a parámetros físicos. Descripción del Suelo Orgánico Suelos orgánicos de madera (Warps) Lodos Turba fangosa Turba no fangosa (amorfa, amorfa – fibrosa, fibrosa) Gyttja mineral Gyttja orgánica Gyttja carbonatada Desechos
Contenido de Ceniza
Otros componentes
80% - 98%
-
25% - 80% 25% - 80% 0% - 25%
-
Mayor al 65% Menor al 65% Menor al 60% 20 – 98%
CaCO3 menor al 20% CaCO3 0% - 20% CaCO3 20% - 90% -
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Clasificación de acuerdo al contenido de materia orgánica (ISO 2001): En esta clasificación, que es la vigente en Europa, los suelos orgánicos se identifican microscópicamente por su color oscuro y su olor característico. Además, se subdividen con base a su contenido de materia orgánica (determinado en relación a la masa seca del suelo de tamaño de grano mayor a 2 mm de diámetro). Esta clasificación se presenta en la tabla B.20. Tabla B.20. Clasificación de suelos orgánicos de acuerdo al contenido de materia orgánica (ISO 2001(a) y 2001(b)). Tipo de suelo orgánico Suelos con bajo contenido de materia orgánica. Suelos con contenido medio de materia orgánica. Suelos con contenido alto de materia orgánica.
Contenido de Materia Orgánica C.M.O. 2% - 6% 6% - 20% Mayor al 20%
Además las normas ISO 2001(a) e ISO 2001(b), clasifica estos suelos por su origen y algunas propiedades así: -
Turba fibrosa: se caracteriza por su estructura fibrosa en donde se distinguen restos de plantas y algo de resistencia remanente.
-
Turba seudo-fibrosa: Se reconoce por contener restos de plantas pero presenta disminución en su resistencia.
-
Turba amorfa: no es visible una estructura de planta y su consistencia es blanda.
-
Gyttja: contiene restos de animales y plantas descompuestas y puede contener constituyentes inorgánicos.
-
Suelos húmicos: contiene restos de plantas, organismos vivientes y sus excretas, gran contenido de constituyentes inorgánicos. Forman la capa vegetal.
Clasificación de acuerdo al contenido de materia orgánica (ASTM D 2974): Esta clasificación fue propuesta por Landva y colaboradores (1983), de acuerdo al contenido de materia orgánica, según la norma “Standard Test Method for Moisture, Ash, and Organic Matter of Peat Material and Other Organic Soils ASTM D 2974. Landva dividió los suelos orgánicos en cuatro grupos: (1) turba (Pt), (2) Suelo orgánico con turba (PtO), (3) suelo orgánico (O), y (4) arcillas y limos con contenido orgánico. En la tabla B.II.23., se muestra dicha clasificación (Sabatini at al, 2002).
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Tabla B.21. Clasificación de suelos orgánicos y turbas de acuerdo al contenido de materia orgánica (ASTM D 2974). Tipo de Suelo
Contenido de materia orgánica
Contenido de agua (wn)
Gravedad específica (Gs)
Contenido de fibra
Pt
<20%
>500%
<1.7
>50%
PtO
20-40%
150 – 800%
1.6 – 1.9
<50%
O
10 – 95%
100 – 500%
>1.7
Despreciable
MO, CO
95 – 99%
<100%
>2.4
Ninguno
La materia orgánica influye de manera importante en las propiedades del suelo, haciéndolo altamente compresible y susceptible a asentamientos importantes, por lo cual este tipo de suelos no es recomendable como suelo de desplante. La identificación de suelos orgánicos en el campo es crucial para prevenir o mitigar oportunamente problemas como este. Dentro de las clasificaciones existentes para suelos orgánicos, las que están basadas en el contenido de materia orgánica, son las de mayor aplicación para la ingeniería práctica.
1.1.2.2 Suelos expansivos Los suelos expansivos, son principalmente arcillas cuya composición mineral es la motmorillonita. Están formados por una lamina alumínica entre dos sílicas con enlaces débiles, lo que facilita la penetración de moléculas de agua a su estructura reticular. Otros autores y dependencias clasifican a los suelos expansivos de la siguiente manera: Según la clasificación del sistema FAO-UNESCO, 1970, modificada por la Dirección General de Geografía del Territorio Nacional (Secretaria de Programación y Presupuesto, 1981) se utilizan las características morfológicas, físicas y químicas para separar los suelos en unidades que proporcionen información referente a su aplicación práctica con fines diversos, entre los que se encuentran los de Ingeniería civil. De acuerdo a la edafología, los vertisoles (suelos de color obscuro, de textura uniforme, fina a muy fina y con contenido bajo de materia orgánica, la mayoría de los cuales contienen carbonato de calcio) son el principal tipo de suelo expansivo. Donalson (1969) dividió en dos a los grupos de materiales que dan origen a suelos expansivos. El primer grupo comprende las rocas ígneas básicas (basaltos y gabros); el segundo a las rocas sedimentarias que contienen motmorillonita constituyente, las cuales se desintegran mecánicamente para formar los suelos expansivos (Chen, 1988). Los suelos expansivos abundan en aquellos sitios donde la evapotranspiración excede la precipitación. Un indicativo de la presencia de suelos expansivos en el campo es la desecación de la superficie, así como la aparición de grietas y fisuras en los depósitos de arcilla. También pueden observarse ondulaciones en el terreno. El procedimiento sugerido para la identificación de los suelos expansivos en campo es el siguiente:
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a) Estimar los cambios previsibles de humedad (datos meteorológicos del sitio). b) Estimar el espesor de la capa activa. c) Estimar visualmente las propiedades de expansión de la arcilla. d) Reunir información de la zona con los habitantes del lugar. e) Estimar de manera cualitativa el grado de expansión de la arcilla mediante la prueba de hinchamiento de campo. La prueba de hinchamiento de campo, consiste en tomar una muestra representativa del material, con la cual se moldea un cubo de aproximadamente 1.5 cm de lado. Luego se coloca dentro de una bureta con agua destilada y se registra su altura. Se toman lecturas antes y después de 24 horas. Si el hinchamiento presentado es mayor al 4%, el suelo podría ser expansivo (González de Vallejo, 2004). Para una mejor identificación del grado de expansibilidad de los suelos es recomendable seleccionar una muestra representativa del sitio y llevarla a laboratorio para identificar su mineralogía, obtener sus límites de consistencia (limite liquido, plástico y de contracción línea), realizar pruebas por los métodos USBR, método de la actividad y método del PVC (potencial del cambio de volumen), los cuales se describen en el volumen B.2.2 de este manual (Pruebas de laboratorio para determinar las propiedades de los suelos), y obtener otras propiedades como la expansión libre y su contenido coloidal La mayoría de las arcillas expansivas se clasifican al grupo CH de acuerdo con el SUCS. Los suelos expansivos generalmente presentan consistencia de mediana a firme, con capacidades de carga admisibles superiores a 100kN/m², su peso específico suele ser mayor que el de la mayoría de los suelos. En la figura B.11. se presenta una carta de plasticidad con los suelos mexicanos, en la cual se encuentran caracterizados algunos suelos expansivos de varias ciudades del país. p Simbología
90
T ijuana
Hermosillo
70
CH
Cd. Obregón
CH
Navojoa
Línea B
INDICE PLASTICO, en %
%
Mexicali
80
60 50
Los Mochis Culiacán Cd. Juárez Durango
ML
Irapuato
40
León Matamoros
30
Nvo. Laredo Querétaro
20
Reynosa
MH
OH
Salamanca
10
Celaya
CL-ML ML
0 0
10
ML
OL
20
30
40
Cuernavaca
50
60
70
80
90
100
110
120
LIMITE LIQUIDO, en %
Figura B.11. Carta de plasticidad de suelos expansivos en México (Zepeda y Castañeda 1987 y 1992). 25
En México los suelos expansivos se presentan en regiones con depósitos de arcilla donde ocurren variaciones significativas de humedad: en zona monzónicas, con estaciones muy diferentes, y en zonas semidesérticas en las cuales se alteran extensas temporadas de sequía con pequeños periodos de precipitación. En especial los suelos expansivos se encuentran en las zonas semiáridas de las regiones con clima templado y tropical en las cuales la evapotranspiración anual es mayor que la precipitación anual. Los estados que presentan el problema de arcillas expansivas son: Querétaro, Durango, Guanajuato, Michoacán, Tamaulipas, Morelos, Sonora, Baja California Norte, Veracruz, Chiapas y Campeche. En la figura B.12, se muestra esquemáticamente las zonas potenciales de suelos expansivos en México (Zepeda y Castañeda, 1987).
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Figura B.12. Representación de los suelos expansivos en México (Zepeda y Castañeda 1987).
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1.1.2.3 Suelos residuales Estos suelos se caracterizan por los cambios en sus propiedades mecánicas en estado seco y su tendencia a la expansión en presencia de humedad. El suelo residual, es el resultado de la intemperización (meteorización química) in situ de la roca madre y el cual sufre poca o ninguna alteración por transporte. Provienen de esquistos, arcillolitas y limolitas que se degradaron al contacto con el agua y el aire. Estos procesos son más acelerados en ambientes tropicales, donde existen cambios de temperatura con predominio de temperaturas altas y lluvias abundantes. Su naturaleza es casi invariable, pero con la profundidad llegan a ser más compactos y menos intemperizados. Pueden tener capas alternadas duras y blandas o estratificación de la roca madre, si la intemperización es incompleta. El producto de la intemperización completa es arcilla cuyo tipo depende del proceso de meteorización y de la roca madre, además de la cantidad de partículas de sílice resistente. El suelo en etapa intermedia refleja la composición de la roca madre. En la naturaleza este proceso, se presenta en tres etapas: la primera de ellas es la desintegración, en la cual se abren las discontinuidades y se desintegra la roca, formando más discontinuidades por fractura. En esta etapa hay disminución de la cohesión, aumento en la relación de vacíos y en la permeabilidad. La segunda etapa es la descomposición, en la cual se incrementa el contenido de arcilla debido a procesos químicos o biológicos. Entre los procesos químicos que ocurren están la hidrólisis y el intercambio iónico, mientras que entre los biológicos se incluyen los efectos de las raíces, la oxidación bacteriológica y la reducción de hierro y compuestos de azufre. La última etapa es la oxidación y recementación, en la cual aumentan los óxidos de hierro y aluminio, los cuales tienen propiedades cementantes que incrementan la cohesión y la estabilidad del suelo. El comportamiento geotécnico de estos suelos está influenciado por su mineralogía, su fábrica y las condiciones geoquímicas del medio (González de Vallejo, 2004). En las zonas de ladera y montaña, donde hay buen drenaje, por lo regular se forman suelos rojos con alto contenido de haloysitas (mineral arcilloso perteneciente la grupo del caolín, con apilamiento desordenado de las capas) los cuales presentan cambios en sus propiedades mecánicas debido a la desecación. En las zonas bajas y llanas con drenaje pobre, los suelos resultantes de la meteorización son de color negro debido a su contenido de esmectita (mineral arcilloso con presencia de cationes débilmente hidratados que favorece la penetración de moléculas de agua). Estos suelos se caracterizan por sus problemas de expansión al aumentar el contenido de agua. Por otra parte, se pueden formar suelos encostrados de buen comportamiento geotécnico en superficie, en zonas donde las condiciones de drenaje son deficientes y favorezcan la precipitación de altos contenidos de un mineral predominante, como aluminio en el caso de los suelos de tipo laterita, hierro en el tipo Ferricrita, sílicio en el tipo silcritas o calcio en el tipo calcrita. La meteorización avanza desde la superficie hacia abajo y a través de las discontinuidades de la roca, produciendo distintas intensidades y dejando bloques sin descomponer. En la figura B.13, se presenta un perfil tipo de suelos residuales.
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Figura B.13. Perfil típico en suelo residual. En la figura B.13, se puede observar que el perfil de un suelo residual típico, se puede dividir en tres zonas: una zona superior, conformada por los suelos completamente intemperizados, donde ocurre cierto arrastre de materiales; una zona intermedia, altamente intemperizada o saprolito, en cuya parte superior existe una cierta meteorización, pero también cierto grado de deposición hacia la parte inferior de la misma, y una zona ligeramente intemperizada que sirve de transición entre el suelo residual y a la roca original inalterada. Para la identificación de los suelos residuales en campo se sugiere lo siguiente: •
Identificar en el campo, afloramientos de roca o cortes producto de la disección de ríos o quebradas, o en taludes artificiales mayores a 10 m de altura.
•
Estimar el grado de meteorización mediante una prueba de consistencia en campo, como se explica a continuación:
La prueba de consistencia permite estudiar el grado de meteorización. Esta prueba consiste en raspar la superficie de la roca meteorizada usando una navaja o una puntilla y 29
se observa la facilidad con que se puede cortar. En la siguiente tabla se clasifica el grado de descomposición (Suarez, 1998). Tabla B.22. Medición del grado de descomposición de feldespatos. Grado de Descomposición
Consistencia
Poco
Dura
Moderado
Arenosa
Alto
Deleznable
Completo
Blanda
Modo de Reconocimiento No puede ser cortado por una navaja, ni raspado por una puntilla. Puede ser cortado por un cuchillo o raspado por una cuchilla. Puede ser desmoronado a fragmentos de limo con las manos. Puede ser moldeado fácilmente con las manos.
1.1.2.4 Suelos dispersivos Los suelos dispersivos tienden a flocular en presencia de agua, perdiendo parte de las partículas de arcilla con elevada concentración de sales disueltas. Al separarse el flóculo, quedan partículas de menor tamaño que son fácilmente arrastradas por el agua con cierta velocidad, causando la erosión interna de estos suelos. El fenómeno de dispersividad ocurre en arcillas firmes saturadas, con un contenido salino excepcional o en suelos ácidos, en las cuales las fuerzas repulsivas entre las partículas finas (arcillas), exceden a las fuerzas de atracción entre las mismas (González-De Vallejo, 2004). Las partículas pueden permanecer indefinidamente en contacto con el agua, sin sufrir alteración, pero si se secan, se dispersan rápidamente al ponerse nuevamente en contacto con el agua (Jiménez Salas, 1990). Cuando este tipo de arcillas se sumerge en agua, la fracción de arcilla tiende a comportarse de forma similar a las partículas granulares. Esto se debe a que en las arcillas dispersivas predominan los cationes de sodio en el agua de los poros (en arcillas ordinarias hay preponderancia de cationes de calcio, potasio y magnesio), los cuales tienen una única carga positiva (si se compara con las cargas por calcio e iones de magnesio) que produce un desequilibrio en las fuerzas electroquímicas que causa repulsión entre partículas. Como las partículas de la arcilla son muy pequeñas y tienen poca masa, se desagregan fácilmente y son transportadas por el agua (Garay, 1999). Los suelos dispersivos pueden identificarse en el campo a partir de reconocimientos visuales de la zona, buscando indicios superficiales como: •
Erosión visible en taludes expuestos en carreteras o huecos longitudinales a lo largo del cauce en corrientes naturales de agua o en cortes naturales o excavaciones.
•
Hondonadas profundas en terrenos planos o casi planos.
•
Turbidez excesiva en cualquier depósito de agua.
•
Áreas cultivables de bajo rendimiento o crecimiento mal desarrollado que puede indicar presencia de suelos altamente salinos.
•
Presencia de quebradas profundas y fallas por tubificación en presas pequeñas.
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Sin embargo, en ausencia de estas evidencias, no es posible descartar la posibilidad de encontrar arcillas dispersivas en estratos profundos. En campo se puede realizar el ensaye de la migaja (USBR 5400-89), con el fin de determinar si un suelo es dispersivo. El ensaye consiste en preparar un espécimen cúbico de 15 mm de lado, con el suelo y luego se deja secar al aire. Una vez seco, el cubo se coloca cuidadosamente en aproximadamente 250 ml de agua destilada en un recipiente transparente. Mientras el suelo se hidrata, se observa la tendencia de las partículas coloidales para deflocularse y entrar en suspensión, lo cual ocurre después de 5 a 10 minutos de inmersión. Luego se usa la guía de interpretación que se presenta en la siguiente tabla (Garay, 1999). La identificación de suelos dispersivos en campo, es indispensable en proyectos donde la presencia de agua es obligatoria, como en el caso de las presas e instalaciones de drenajes profundos, por ser propensos a la falla por tubificación. Tabla B.23. Identificación de grado de dispersión del suelo por el ensaye de la Migaja. Tipo de Comportamiento dispersivo
Descripción de la reacción
Grado 1
Ninguna reacción – No dispersivo
Grado 2
Reacción ligera
Grado 3
Reacción moderada
Nubosidad de coloides en suspensión fácilmente reconocible. Usualmente diseminado en trazas delgadas en el fondo del recipiente.
Reacción fuerte
Nubosidad coloidal que cubre casi la totalidad del fondo del recipiente, usualmente en una superficie muy delgada. En casos extremos, toda el agua del recipiente se vuelve turbia.
Grado 4
Modo de Reconocimiento El suelo se desmorona y se esparce en el fondo del recipiente formando una capa, sin ningún signo de turbiedad en el agua causada por coloides en suspensión. Insinuación de nubosidad en el agua en la superficie del suelo.
1.1.2.5 Suelos colapsables Los suelos colapsables se caracterizan por tener una estructura muy abierta y suelta, pero son estables en estado seco, debido a que están ligeramente cementados por cristales de sulfatos o por partículas más finas que llenan los poros. Cuando se incrementan los contenidos de agua en este tipo de suelo, se puede destruir su estructura inicial, lo cual hace que disminuya considerablemente su volumen, produciendo asentamientos importantes y arrastre de material. A este fenómeno se le llama colapso.
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El fenómeno del colapso puede presentarse casi en cualquier suelo, más o menos cementados, en determinado estado del mismo (Jiménez Salas, 1990). Este tipo de suelo se caracteriza por ser fácilmente erosionable y por sufrir colapso irrecuperable por inundación. Por tal motivo, es necesario evaluar las características del material en el contenido de humedad de diseño. Algunos de los suelos susceptibles de ser colapsables son: suelos de deposición eólica (loes cementados con carbonato de calcio), suelos compactados del lado seco, suelos en áreas cubiertas por zonas de inundación y en conos de deyección de ríos torrenciales, suelos en zonas desérticas, limos cementados con sulfato cálcico, suelos residuales cementados con hidróxidos o compactados, arcillas de cementación marina altamente preconsolidadas (Jiménez Salas, 1990), coluviones y arenas cementadas (Sabatini at al, 2002). Algunos de estos suelos se describen a continuación: Los loes son suelos de deposición eólica, conformados por partículas de tamaño de limo y con cohesión aparente resultado de la arcilla calcárea que sirve como aglutinante, manteniendo juntas las partículas de limo (Sabatini et al, 2002). El coluvión es un material erosionado que migra y se acumula en la ladera o en el pie de un talud. Está conformado por material granular fino o cuarzoso con fragmentos de roca, que puede formar estratos delgados débiles que influencian la estabilidad de los taludes y la acumulación de agua en la interfase roca-coluvión. Estas formaciones ocurren en ambientes húmedos y templados (Sabatini et al, 2002). Las arenas cementadas, consisten en suelos arenosos con sal o de vinculación calcárea en los puntos de contacto grano-grano. Si el agente cementante es soluble, el material puede ser potencialmente colapsable. En campo aparece como una arena densa, dando rechazo en el ensaye de penetración estándar, pero es quebradizo (Sabatini et al, 2002). Los rellenos no compactados, que quedan con una estructura suelta, permitiendo que el agua, en los contactos entre las partículas, forme meniscos de succión que aumentan las fuerzas intergranulares comprimiendo las partículas. Esto les otorga una resistencia aparente considerable en condiciones normales de humedad (Gonzalez-De Vallejo, 2004). Finalmente, las arcillas de cementación marina están conformadas por lodos y arcillas con baja compresibilidad que han sido filtradas por sal, lo que origina que su estructura sea inestable (Sabatini et al, 2002). En general, los suelos colapsables, se presenta en el terreno con valores bajos de peso unitario seco y contenido de agua, lo cual les da una apariencia resistente con una ligera cohesión aparente. En estado natural, estos suelos pueden soportar cargas moderadas y sufrir pequeños asentamientos, pero en presencia de agua, se pierde la cohesión en el suelo y ocurren asentamientos de gran magnitud bajo carga constante. En el caso de los Loes, se puede comprobar si es un suelo colapsable realizando la prueba del ácido, con el fin de detectar la presencia de carbonato de calcio. Esta prueba se realiza adicionando al suelo, algunas gotas de solución de acido clorhídrico (3 partes de agua por 1 parte de ácido). La cantidad relativa de ácido clorhídrico en el suelo, puede determinarse por la cantidad de efervescencia que ocurre (reacción de burbujeo). En suelos muy secos no-calcáreos se puede confundir la efervescencia con la absorción del ácido en el suelo, por lo que es conveniente humedecer la muestra antes de aplicar el ácido (U.S. Army Corps, EM 1110-1-1804).
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La identificación de suelos colapsables en campo es difícil en zonas planas. Sin embargo, en zonas de laderas se pueden identificar rasgos propios de movimientos de ladera asociados con el fenómeno de colapso. A continuación mencionan algunas de estos indicios (González-De Vallejo, 2004): •
Presencia de erosión y de acumulación de material en las laderas, que se visualizan como anomalías en la pendiente.
•
Identificación de deslizamientos antiguos en la zona.
•
Presencia de grietas y escarpes.
•
Daños en viviendas, construcciones, alcantarillas, cunetas, vías aledañas, etc.
•
Formas atípicas en la vegetación existente, como inclinación de los troncos de los árboles, desprendimiento de las raíces y zonas de pérdida de vegetación.
•
Investigación con la comunidad sobre antecedentes del fenómeno en la zona.
La presencia de suelos colapsables esta asociada a la inestabilidad de laderas, cuyo factor detonante es el cambio de humedad. En este caso, la mejor manera de reconocerlos, dada la amplia gama de suelos susceptibles al colapso, es buscando en campo los signos de movimiento en el terreno activos o inactivos. En el caso de proyectos en zonas planas, los suelos colapsables no se pueden detectar fácilmente con una inspección visual. Por este motivo, se debe realizar una investigación de campo con el apoyo de la comunidad, para encontrar antecedentes en la zona de problemas de colapso.
1.2 EXPLORACIÓN Y MUESTREO DE SUELOS 1.2.1 Programa de exploración geotécnica El programa de exploración geotécnica deberá proporcionar información sobre las condiciones estratigráficas del sitio en estudio y consta de 3 etapas. La primera, estudios preliminares, deberá permitir la definición tentativa de los problemas geotécnicos del sitio; la segunda, la recopilación de información, lo que servirá para fundamentar la tercera etapa de investigación de detalle; que incluye la realización de sondeos y pruebas de campo y laboratorio.
1.2.1.1 Estudios preliminares Consiste esencialmente en analizar la información existente de las áreas del proyecto incluye visitas de reconocimiento del sitio, a fin de contar con las observaciones y datos que permitan definir los lugares más adecuados para la construcción de la obra, con base en las condiciones geológicas y geotécnicas de la zona (CFE, 1979). A continuación se enlistan algunos puntos que usualmente se desarrollan en la investigación preliminar:
33
• • •
Recopilación de información geológica y geotécnica del sitio en estudio. Planos topográficos y planos del proyecto preliminar. Inspección del sitio por el especialista en geotecnia encargado del estudio acompañado del ingeniero geólogo asesor, para verificar o ampliar la información disponible. Planteamiento del programa de trabajos de campo necesarios para definir: -Estratigrafía general del sitio. -Clasificación geológica y geotécnica de cada estrato de suelo o de roca. -En rocas, las características de las discontinuidades naturales relativas a: orientación e inclinación de planos de estratificación o de flujo; orientación e inclinación de planos de fisuramiento; dimensiones de las rocas, presencia de las fallas geológicas, de zonas de contacto entre deformaciones rocosas, de zonas de alteración de las rocas y cavernas naturales o artificiales.
• •
Ejecución de trabajos exploratorios de campo. Presentación de un informe técnico que debe contener: -La descripción detallada de los trabajos realizados. -El análisis de la información geológica y geotécnica obtenida. -Las conclusiones de los análisis referentes a las características geológicas y geotécnicas del sitio estudiado. -La identificación de los problemas de diseño y construcción previsibles en función del análisis preliminar de la información geotécnica. -El programa de estudios adicionales, de campo y laboratorio, necesarios para medir, con precisión adecuada, las propiedades mecánicas e hidráulicas de los distintos suelos y rocas que serán afectados por la cimentación.
1.2.1.1.1
Recopilación de la Información
Es necesario obtener la mayor cantidad de información, derivada de estudios desarrollados en el área o cercana a ella, recurriendo a las dependencias u organismos que disponga de ella; ésta debe ser analizada y sintetizada para obtener datos generales relacionados con la topografía, hidrología, estratigrafía y problemas geotécnicos característicos de la región. El estudio geotécnico se inicia con la recopilación de la información disponible sobre topografía, geología y comportamiento de estructuras construidas en predios y zonas cercanas a las del proyecto. Conviene reunir planos topográficos, geológicos y edafológicos, cartas de uso potencial del subsuelo, así como datos de la estratigrafía y características estructurales de la región. La información que se reúna se estudiará para identificar, de manera preliminar, las condiciones geológicas y geotécnicas que prevalecen en el sitio de estudio. Parte de esta información puede consultarse en algunas instituciones, las cuales la distribuyen y publican; En la tabla B.24 se presentan algunas de estas instituciones.
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Tabla B.24. Información a consultar durante los estudios preliminares. Tipo Topografía
Geología
Geotécnia
Información
Institución
-Mapas topográficos -Fotografías aéreas -Mapas geológicos -Informes y memorias geológicas -Mapas edafológicos -Fotografías aéreas
-Instituto Nacional de Estadística Geografía e Informática (INEGI). -Instituto Nacional de Estadística Geografía e Informática, (INEGI). -Instituto de Geología UNAM.
-Publicaciones geotécnicas -Informes geotécnicos -Mapas geotécnicos
Hidrogeología e Hidrológica
-Mapas Hidrogeológicos. -Mapas topográficos. -Fotografías aéreas. -Datos de pozos y sondeos.
Datos Meteorológicos
-Registros pluviométricos temperaturas.
Datos Sísmicos
y
-Datos de Terremotos y normas sismorresistentes.
-Mapas de rocas industriales. -Registros de minas y canteras. -Mapas e inventarios. Minería y Carreteras
de
-Instituto de Ingeniería de la UNAM (IIUNAM). -Sociedad Mexicana de Mecánica de Suelos (SMMS). -Centro Nacional de prevención de Desastres (CENAPRED). -Comisión de Vialidad y Transporte Urbano (COVITUR)*. -Secretaria de Comunicación y Transporte (SCT). -Petróleos Mexicanos, PEMEX. -Instituto Mexicano del Petróleo (IMP). Comisión Federal de Electricidad (CFE). -Colegio de Ingenieros Civiles de México (CICM). -Reglamento de construcciones para el Distrito Federal (RCDF). -Secretaría de Desarrollo Urbano y Vialidad (SEDUVI). - Secretaria de Energía (SENER). -Comisión Nacional del Agua (CNA). -Instituto Mexicano de Tecnología del Agua (IMTA). - Secretaria de Energía (SENER). -Instituto de Geofísica, UNAM. -Servicio Meteorológico Nacional (SMN). -Centro de Ciencias de la Atmósfera (CCA). -Instituto de Ingeniería UNAM -Sociedad Mexicana de Mecánica de Suelos. -Instituto de Geofísica UNAM. -Servicio Sismológico Nacional. -Sociedad Mexicana de Ingeniería Sísmica. -Instituto Nacional de Estadística Geografía e Informática (INEGI). -Comisión de Vialidad y Transporte Urbano (COVITUR)*. -Secretaria de Comunicación y Transporte (SCT). -Secretaria de Transporte y Vialidad (SETRAVI).
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Tipo
Información
Usos de suelo
-Planes de ordenación y usos del suelo. -Mapas Topográficos. -Fotografías aéreas.
Construcciones y servicios existentes
-Mapas Topográficos. -Fotografías aéreas.
Institución - Secretaria de Energía (SENER). -Cámara de la Industria Minera -Instituto Nacional de Estadística Geografía e Informática (INEGI).
-Instituto Nacional de Estadística Geografía e Informática (INEGI). -Delegaciones. -Ayuntamientos.
*Ya no existe esta dependencia, únicamente se localiza información impresa.
1.2.1.2 Reconocimiento de campo. El reconocimiento es la inspección del sitio que permite evaluar la información recopilada previamente por el ingeniero con conocimientos en mecánica de suelos en compañía de un especialista en geología y completarla con observaciones de campo para determinar la factibilidad de construcción de alguna obra civil y fundamentar el programa detallado de exploración. El alcance de este primer contacto físico con la región dependerá de la importancia de la obra y las características del subsuelo. Algunas veces basta este conocimiento para desechar el sitio previamente elegido. El reconocimiento de campo deberá proporcionar información acerca de la accesibilidad, recursos humanos y materiales del sitio, permitir conocer el ambiente geológico general, identificar las estructuras geológicas (localizar fallas, fracturas, fisuras y rellenos) y clasificar a los suelos superficiales, conocer la geomorfología, los procesos erosivos actuales en el sitio, el tipo de drenaje superficial y subterráneo y el espesor del suelo y finalmente proponer y/o revisar el programa de exploración, el cual podría estar integrado por una investigación preliminar y posteriormente una investigación de detalle cómo se muestra en la figura B.14.
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Recopilación de la información disponible del sitio Interpretación de fotografías aéreas de la zona ESTUDIO PRELIMINAR Recorrido de campo Información fotografíca
Interpretación geológica del sitio LEVANTAMIENTO GEOLÓGICO
Reconocimiento de discontinuidades Identificación de fenómenos geodinámicos
EXPLORACIÓN GEOFÍSICA
Método geosísmico de refracción Método de resístividad eléctrica Pruebas de penetración
ESTUDIOS DE DETALLE EXPLORACIÓN, MUESTREO Y PRUEBAS DE CAMPO
Muestreo de suelos y rocas Pruebas de resistencia Pruebas de permeabilidad
PRUEBAS DE LABORATORIO
Propiedades índice Propiedades mecánicas Indicadores de nivel freático Piezómetros
INSTRUMENTACIÓN
DE CAMPO
Bancos de nivel Puntos de referencia superficiales
Figura B.14. Programa de Investigación Geotécnica (Enrique Santoyo Villa, 2001).
1.2.1.3 Estudios de detalle Los estudios detallados para un proyecto, se deberán hacer principalmente durante la etapa de exploración. Su uso no queda restringido a esta parte de la investigación de un sitio para lo cual deberá considerar la aplicación de las técnicas que se mencionan más adelante y fundamentar su propuesta en la información de la investigación preliminar, resultando útiles tanto en la etapa del anteproyecto como en las de construcción y operación de la obra. En términos generales, los procedimientos de estudio detallado de un sitio, se dividen en dos tipos: Métodos indirectos y directos. Con base en los planteamientos de las alternativas preliminares se puede definir la información de campo y laboratorio adicional, necesarias para determinar las propiedades
37
mecánicas de cada estrato, que serán la base del análisis cualitativo del diseño óptimo. Esta información adicional podrá requerir la obtención de las muestras inalteradas del subsuelo y/o la ejecución de pruebas decampo, como parte de la etapa final de los estudios de campo. Para verificar y complementar los resultados de la etapa preliminar del estudio geotécnico es necesario obtener muestras representativas de cada estrato de roca o suelo, con las cuales se podrá definir la estructura y consistencia o capacidad naturales de sus materiales constitutivos.
1.2.2 Supervisión de los trabajos de exploración. La exploración geotécnica debe realizarse bajo la dirección de un ingeniero capacitado en la planeación y ejecución de los trabajos. Deberá organizar los trabajos y recopilar la información que permita definir confiablemente las características del subsuelo. La profundidad a la que debe de ordenar se hagan los sondeos depende de las características de la obra y de las condiciones de cada sitio. Un criterio complementario consiste en llevarlo hasta donde el incremento de esfuerzos verticales sea de 10 por ciento del esfuerzo vertical inicial, salvo que se encuentre roca. Antes de iniciar los trabajos el ingeniero supervisor debe de informarse sobre el tipo de estructura que se construirá, las condiciones geológicas y probables tipos de suelos que encontrará en el sitio, debe conocer las condiciones de trabajo que le impondrían a los suelos. Lo anterior le permitirá juzgar si la información que está obteniendo es la adecuada; en caso contrario, deberá proponer modificaciones a las técnicas de muestreo y programa de trabajo. El ingeniero supervisor es el responsable de verificar que con la exploración se obtengan las muestras adecuadas y la información geotécnica necesaria para resolver el problema. A continuación se resumen las actividades en la supervisión de campo: a) Decidir qué tipo de muestreador debe utilizarse en cada etapa de un sondeo, basándose en la información del numeral 1.2.6. b) Definir la frecuencia con que se deben tomar las muestras. En general el muestreo debe ser casi continuo en los primeros metros y en los estratos poco uniformes que además se consideren problemáticos. Se reducirá el número de muestras en estratos más uniformes y más profundos. c) Supervisar y revisar la calidad del lodo de perforación (numeral 1.2.4.5.). d) Clasificar los suelos y rocas de acuerdo al numeral 1.1. e) Elaborar el perfil estratigráfico preliminar del sondeo con base en la clasificación de las muestras de acuerdo a la técnica de perforación empleada. f) Controlar cuidadosamente, el manejo, protección y conservación de las muestras, según el numeral 1.2.5. g) Recopilar toda la información generada durante los trabajos de campo. En la tabla B.25 se proporciona un resumen de los métodos de perforación y muestro que pueden aplicarse a los suelos que se presentan arriba y abajo del nivel freático, jerarquizando su aplicabilidad.
38
h) El ingeniero supervisor será el responsable de verificar que la calidad de las muestras que se obtengan sea aceptable; debe también recopilar la información de los sondeos y llenar los registros de campo. Para facilitar esta labor puede adoptar las abreviaturas y símbolos de las tablas B.26 y B.27. Finalmente, debe presentarse la localización de los sondeos en un plano que incluya las trazas de las estructuras que se construirán, las cargas que transmiten y los asentamientos permisibles.
1.2.3 Técnicas de Perforación Las técnicas para realizar perforaciones se presentan en la tabla B.28, en la cual se observa que en la elección de la técnica influye el tipo de suelo, la posición del nivel freático y la posición que debe alcanzar el sondeo. Para introducir los muestreadores a la profundidad donde interesa obtener muestras alteradas o inalteradas, se debe realizar perforaciones de acceso, salvo que se utilice muestreadores Denison o Pitcher de una manera continua y aún en ese caso conviene abocardar (ensanchar la boca de un tubo o de un agujero) la perforación a un diámetro mayor. El diámetro máximo de perforación para sondeos de exploración depende del diámetro de las barrenas y el mínimo aquel en el que pueda penetrar libremente el muestreador que se utilice. Existen técnicas especiales en las que se emplean diámetros mayores pero han sido poco usadas en nuestro país (CFE, 1979).
1.2.3.1 Pozos a cielo abierto, cortes y zanjas. En ocasiones es posible aprovechar excavaciones de acceso a la zona de la que interesa extraer muestras inalteradas o alteradas y que además permiten observar la estratigrafía y materiales del sitio. En caso de recurrir a los pozos a cielo abierto, su profundidad generalmente no es mayor a 10 m, excavados en sección cuadrada de 1.5 m de lado. Los cortes en laderas se utilizan poco, porque se requiere mover volúmenes grandes de material. Finalmente, las zanjas quedan limitadas a problemas cuya influencia sea superficial. Los pozos a cielo abierto excavados en materiales poco estables, deberán ademarse con marcos estructurales de madera. Cuando se excaven más abajo del nivel freático del sitio deberán instalarse un sistema de bombeo para extraer agua. Esta técnica puede aplicarse a todos los tipos de suelo, aunque resulte más eficiente en suelos cohesivos y presenta mayores dificultades en los granulares (CFE, 1979).
39
Tabla B.25. Criterio de selección de métodos de perforación, exploración y muestreo.
A
Suelos cohesivos duros o muy duros
R
A
Arenas sueltas
A
I
Arenas muy compactas
A R I A
Suelos cohesivos arriba del NAF
A
Rotación con lodo y ademe espiral
Adecuado Inadecuado
Lavado y rotación con agua o lodo ademe especial
A I
R
A
R
I
R
Puede no requerir ademe
A
Abajo el NAF
A Abajo el NAF
R
A A
A
A
A I
A I
I
I
R
I
I
A I
I
I Pozo a cielo abierto (zanja)
Nivel de aguas freaticas
A
A
R
I
I
Rocas y suelos muy duros
Recomendable
I
A
Barril N serie I
A
R
I
A
Suelos con estratos de diferente dureza
Suelos organicos bajo NAF
A
A
Picher
R
A
Tubo rotario dentado
Suelos expansivos
I
A
Se requiere ademe
Barril Denison
I
A
Shelby
Gravas
R
I
Piston libre
Suelos cohesivos medios
NAF
I
A
OBSERVACIONES
Muestras cubicas (labradas)
I
Holandes y sermes
R
SONDEO INALTERADOS
SONDEO DE EXPLORACIÓN
Estandar
Suelos cohesivos muy blandos
MÉTODO DE PERFORACIÓN
Rotación y ademe espiral
TIPO DE SUELO
40
Tabla B.26. Símbolos complementarios para formular los registros en campo. SUELOS Arcilla Limo Arena Grava Boleos Relleno Raíces Turba Conchitas y fósiles
VARIOS NF
Nivel freático Superficie del terreno Concreto Diámetro
φ
Tabla B.27. Abreviaturas complementarias para formular los registros en campo. ABREVIATURAS
SIGNIFICADO
SUCS
Sistema Unificado de Clasificación de los suelos
G
Grava
S
Arena
M
Limo
C
Arcilla
O PT
Suelo Orgánico
W
Turba
P
Bien graduado
L
Mal graduado
H
Alta plasticidad
SPT N NF PCA
Prueba de penetración estándar Numero de golpes en SPT Nivel freático Pozo a cielo abierto
BT
Broca ticónica
DG
Broca tipo Drag
F-3
Muestra alterada en frasco número 3
B-4
Muestra alterada en bolsa número 4
41
F-2L
Muestra lavada en frasco número 2
MI-8
Muestra labrada in situ número 8
TS-12
Tubo Shelby número 12
TD-9
Tubo Denison número 9
TP-11
Tubo Pitcher número 11
TPL-7
Tubo pistón libre número 7
TR-5
Tubo rotatorio dentado número 5
NXL-6
Muestra de roca tomada con barril N serie L numero 6
Rec 45/75
45 cm., de recuperación en 75 cm., muestreados
50/10
50 golpes en 10 cm., en el SPT
EW, AW, BW, NW
Barras de perforación
NW,HW
Ademes
BXL,NXL
Barril muestreadotes serie L
PA
Perdida de perforación
agua
o
lodo
de
Tabla B.28. Técnicas recomendables de perforación. TÉCNICA
SUELO EN EL QUE SE APLICA
OBSERVACIONES
Pozos a cielo abierto
Todos
Aplicable solo en sondeos someros
Con agua o lodo
Cohesivos blandos y arenas con poca grava Todos
Seco
Todos
Lavado con agua o lodo Rotación
Aplicable abajo del Nivel freático Aplicable abajo del Nivel freático Aplicable arriba y abajo del Nivel freático
1.2.3.1.1 Equipo Las excavaciones podrán realizarse utilizando herramientas de mano como palas, picos y barretas. Para sacar el material de los pozos se utiliza un bote con cable de Manila que jala manualmente o con un pequeño malacate. Los pozos se pueden excavar con máquinas rotatorias capaces de hacer perforaciones de 0.8 a 1.0 m de diámetro; en cuanto a las zanjas, hacerlas con máquinas retroexcavadoras resulta eficiente. Si los pozos a cielo abierto requieren de ademe, lo práctico suele ser hacerlos con marcos de madera. La técnica de perforación de barrenos exploratorios se debe elegir teniendo presente que la realización de sondeos depende de las condiciones de subsuelo. Es decir, se debe determinar el tipo y las características generales de los suelos.
42
En los suelos blandos es fácil inducir fisuramiento y remoldeo en el fondo de la perforación, lo que hace difícil obtener muestras inalteradas. Posteriormente se describen algunas técnicas para la perforación en suelos blandos. En los suelos duros bajo del nivel freático se puede recurrir a la perforación por rotación con broca escalonada (tipo drag) y aún con la broca tricónica. Como fluido de perforación se puede utilizar agua o lodo bentonítico. En suelos duros arriba del nivel freático debe hacerse sin agua o lodo, porque son susceptibles a sufrir cambios en sus propiedades mecánicas como consecuencia del humedecimiento que les puede inducir. En estos suelos sólo podrá usarse lodo si se admite cierto nivel de alteración en las muestras aun extrayéndolas del muestreador inmediatamente y removiendo el perímetro alterado.
1.2.3.1.2 Operación El ademado de pozos a cielo abierto se hará como se muestra en la figura B.15, y si se considera conveniente se puede hacer el cálculo estructural con las distribuciones de esfuerzo de la figura B.16. En los pozos excavados en arcillas se puede alcanzar una profundidad de Zmax sin necesidad de ademar sus paredes, donde:
Z max =
4C γ Ka
(Ecuación B.I.1)
Donde: Zmax
profundidad que se puede excavar sin ademe, en (cm).
C
cohesión del suelo, en (kg/cm²).
γ
Peso volumétrico del suelo, en (kg/cm³).
Ka
coeficiente de empuje activo (Ka = 1).
En la figura B.17, se presenta el formato de campo para pozos a cielo abierto.
1.2.3.2 Perforación por lavado La perforación se hace con trépano o cincel de percusión que simultáneamente a los impactos inyecta un fluido de perforación que erosiona y arrastra a la superficie el material cortado. Esta técnica es aplicable en suelos cohesivos blandos y suelos granulares de compacidad media con bajo contenido de gravas localizadas abajo del nivel freático. Es un método poco eficiente, pero la sencillez y economía del equipo lo hace útil.
1.2.3.2.1 Equipo. El equipo necesario para aplicar esta técnica consiste en un malacate de fricción para cable Manila de 500 kg, una bomba para lodo de 45 l/min de gasto a 5 kg/cm² de presión con accesorios, tripie con polea, barras y trépanos de perforación y ademe metálico.
43
El método de perforación por lavado es el que se usa con más frecuencia en la exploración de suelos ya que el equipo empleado es ligero y puede transportarse a sitios de difícil acceso (figura B.18).
1.2.3.2.2 Operación La operación consiste en levantar la columna de barras, con el trépano en la punta, de 0.5 a 1.0 m y dejarla caer libremente con una frecuencia hasta 60 golpes por minuto, girando manualmente la tubería en cada golpe para que cambie la posición del trépano y rompa con más facilidad. La bomba inyecta agua o lodo de perforación que arrastra a la superficie el material cortado; adicionalmente el fluido al salir del chiflón de descarga, erosiona y limpia la zona en que golpea el trépano. El lodo de perforación sirve también para estabilizar las paredes del sondeo, a diferencia del agua, cuyo uso suele obligar ademe metálico para evitar que se desprenda material de las paredes. Debe vigilarse que la capacidad erosiva del chiflón no altere la zona en que se tomará la muestra. Durante la perforación el operador debe vigilar la coloración del agua o el contenido de sólidos del lodo, así como la facilidad de penetración del trépano para advertir los cambios del material en el subsuelo. La profundidad máxima que puede alcanzarse con esta técnica es del orden de 30 m.
44
Larguero Esquinero 5 a 7.5 cm 1.50 15 a 20 cm
Tablestacado 1.50
15 a 20 cm
Larguero
15 a 25 cm Esquinero Larguero
1.5 a 2.0 cm
Decrementándose con la profundidad Tablestacado
Cuñas donde se requieran
Figura B.15. Ademado para pozos a cielo abierto.
a
a
EXCAVACIÓN EN ARCILLA 0.2H
b
a, b, c, d es la distribución de presión.
Cohesión C
La forma del diagrama y la magnitud de las presiones
b H
0.6H PH
EXCAVACIÓN ENEN ARENA
H
PH R c
c 0.2H
d
σH
e
B
A
d
σH
e
H
a, b, c, d es la distribución de presión en arena densa.
PH = (0.64)K AγH 2COSδ , actuando 0.5H de la base de corte. PH = (0.72 )K γHCOSδ , actuando 0.48H de la base de corte.
45
2
5
10
PH
0.76H6´H
0.76H6´H
6´
γ H-1.5(1+No)C
γ H-4C
A
0.15H
0.15H
(3-0.015No)H
0
B
0.55H
0.55H
(1.1-0.55No)H
0
C
0.46H
0.46H
0.38H
0.33H
(21-0.056No)H6´H γ H-(6-4No)C
20
Figura B.16. Distribución de presiones debidas a excavaciones en arcillas y arena.
1.2.3.3 Perforación a rotación con agua o lodo Esta técnica consiste en cortar el suelo con una broca que penetra a rotación y presión, inyectando simultáneamente agua o lodo para enfriar la roca y el suelo y arrastrar el material cortado hasta la superficie. Se puede recurrir a la perforación a rotación abajo del nivel freático en casi todos los suelos. En suelos granulares usualmente se requiere ademe metálico para estabilizar las paredes de la perforación, salvo que se opere con lodo de viscosidad y densidades adecuadas para estabilizar el sondeo. Arriba del nivel freático podrá operarse con lodo si se demuestra que la contaminación que induce al suelo es aceptable; debajo de este nivel puede usarse agua o lodo según sea la condición de estabilidad de las paredes.
46
SONDEO POZO A CIELO ABIERTO OBRA:
Prof. (m)
NOTAS
N-S
Corte E-W
SONDEO:
HOJA:
Local:
Z:
NIVEL FREÁTICO:
FECHA:
X:
Y:
OPERADOR:
SUPERVISOR:
Ademe
Observaciones
Muestra
Clasificación SUCS
MI=Muestras inalteradas F= Muestra alterada en frasco B= Muestra alterada en bolsa Clave Arcilla
Arena
Limo
Grava
Orgánico NF
Nivel freático
Figura B.17. Formato de pozo a cielo abierto en campo. 47
Trípode Cable de manila Manguera Maneral
Bomba
Malacate
Ademe Deposito para recolección de muestras
Tubo de perforación
Herramienta de ataque
Figura B.18. Perforación de suelos por lavado.
1.2.3.3.1 Equipo El equipo necesario consiste en una perforadora rotatoria con sistema hidráulico de carga con potencia mínima de 30 HP que generalmente va montada en un camión (figura B.19), una bomba para el manejo de lodo de perforación de 100 l/min de capacidad (Tabla B.29) y herramienta complementaria como brocas tipo drag y ticónicas (figura B.20), de 7 a 10 cm. de diámetro, además de barras de perforación como las que se describen en la tabla B.30.
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Torre
Gasto hidráulico
Caja de mandos
Malacate Bomba
Sistema rotatorio
Barras
Cárcamo de suministro
Cárcamo de sedimentación
Herramienta de corte
Figura B.19. Equipo de perforación a rotación.
1.2.3.3.2 Operación Esta técnica se aplica con mayor frecuencia utilizando lodos de perforación, por lo que el personal de campo debe estar familiarizado con los detalles de preparación y control de los mismos; conviene utilizar lodos con densidad entre 1.05 y 1.3 kg/l y viscosidades entre 30 y 90 seg medida con el cono de Marsh. En cuanto a la presión que se aplica a la broca, puede ser hasta de 3 t con velocidades de rotación de 200 a 500 rpm. Durante la perforación el operador debe vigilar la velocidad de penetración y estar al tanto de los materiales que salen con la corriente de lodo, porque fácilmente puede penetrar estratos blandos significativos sin advertirlos. La profundidad máxima que puede alcanzarse con esta técnica es prácticamente ilimitada.
1.2.3.4 Perforación en seco con barras Esta técnica se ha desarrollado fundamentalmente para la exploración geotécnica, utiliza barras con una helicoide lateral que transporta a la superficie en seco el material que corta la broca. La perforación en seco es la técnica más recomendable para realizar sondeos arriba del nivel freático, porque no altera el contenido del agua del suelo. También se utiliza debajo del nivel freático porque alcanza mayor eficiencia que los métodos antes descritos. Se puede usar en casi todos los suelos, con la condición de que la perforadora tenga la potencia necesaria para introducir la broca y que las paredes de la perforación sean estables; en caso contrario, se debe utilizar ademe espiral. La columna de barras helicoidales, formada por tramos que se unen con pasadores, lleva en la parte inferior un gavilán que permite cortar el material (figura B.20).
49
Existe una variante de estas barras, que es el ademe espiral. Funciona de igual forma que las barras helicoidales pero la columna se forma con tubos que permiten introducir muestreadotes como el penetrómetro estándar, el tubo shelby o el tubo rotatorio dentado. El ademe espiral puede usarse como un procedimiento de operación, que se describe en el método mixto de perforaciones el cual se describe en el numeral 1.2.3.5 (PEMEX, 2000).
Pasador
Gavilán
Figura B.20. Barras helicoidales.
1.2.3.4.1 Equipo Se requiere contar con una perforadora rotatoria con potencia mínima de 50 HP, y mecanismo hidráulico con carrera mínima de 1.5 m; sus características principales se muestran en la tabla B.31. La broca de corte consiste en un conjunto de buriles de carburo de tungsteno que continúan el plano del helicoide. El ademe espiral se muestra en la figura B.21 su diámetro interior más usual es de 10 cm, en tramos de 1.5 m de longitud que se enroscan entre sí y llevan un perno lateral que permite girar esta herramienta en cualquier sentido.
50
Diámetro int. 10.16 6.35 7.62
0.63
13.97
152.40
5.08
11.43
2.54
13.97
Figura B.21. Ademe helicoidal.
1.2.3.4.2 Operación La operación con barras helicoidales básicamente consiste en introducirlas a una velocidad de rotación del orden de 50 rpm para que saquen a la superficie el material cortado. Una vez que alcanza la profundidad necesaria se seca lentamente la columna, porque puede ejercerse succión que aflojaría el material del fondo. En el caso de que la perforación sea inestable es conveniente estabilizar lodo en las paredes de la perforación introduciéndolo desde la superficie. La profundidad máxima que se puede alcanzar con esta técnica es del orden de 30 m. La perforación en seco con ademe helicoidal es probablemente la técnica más eficiente para la exploración geotécnica; consiste en introducir el ademe con un tapón central que obtura su extremo, como se muestra en la figura B.22 (a); a continuación se retira el tapón con las barras centrales y queda libre el extremo (figura B.22 (b)), para permitir que se introduzca el muestreador con que se obtengan las muestras (figura B.22 (c)). En seguida se vuelve a colocar el tapón obturador y continuar la perforación. En la tabla B.29, se observan aplicaciones de varios métodos de perforaciones de suelo.
51
a)
b)
c)
Figura B.22. Características y operación con ademe espiral
1.2.3.5 Perforación mixta La perforación mixta, consiste en perforar con ademe helicoidal, arriba del nivel freático y luego, usando el método de lavado o rotación, por debajo del nivel freático sin retirar el ademe helicoidal, es decir, introduciendo los tubos de perforación y la herramienta de corte una vez que se ha sacado la varilla central con la corona de corte del ademe helicoidal. Si la parte de la excavación hecha con lavado o rotación es inestable, se baja el ademe espiral y se prosigue la perforación. Alcanzado el nivel de muestreo se saca la herramienta de corte y se introduce en su lugar el muestreador adecuado. Este procedimiento de perforación es el más eficiente (PEMEX, 2000).
1.2.4 Equipo de perforación En la selección de la máquina de perforación debe tenerse en cuenta que por sus características se distinguen: las diseñadas para la perforación y muestreo de rocas, que no permite alcanzar la eficiencia y calidad de trabajo que puede obtenerse y las máquinas diseñadas para la exploración de los suelos. En cuanto a la bomba, las de cavidad progresiva han demostrado ser adecuadas para la exploración geotécnica, especialmente porque manejan lodos densos de perforación menor presión.
1.2.4.1 Máquinas perforadoras Las maquinas más adecuadas para la exploración geotécnica son aquellas capaces de operar a velocidades de rotación bajas (50 rpm) con potencia alta (mayor de 40 HP). Esas características son necesarias para trabajar con los muestreadores Denisón y Pitcher y sobre todo para el manejo de espirales de perforación. Su sistema de gatos hidráulicos para carga vertical debe tener una carrera mínima de un metro de longitud para hincar de manera continua los tubos de pared delgada y los muestreadores de rotación, sin interrupciones que afecten la calidad de la muestra. Existen muchos modelos y tipos de perforadoras pero en este manual se agrupan en rotatorias y de percusión. En la tabla B.30, se presenta un resumen de las características principales de las máquinas más comúnmente usadas para la exploración geotécnica.
52
Tabla B.29. Resumen de pruebas comunes in situ (CFEM, 1992). T IP O D E P R U E B A A P L IC A B L E Pru e b a d e p e n e tració n e stán d ar (S P T )
P ru e b a d e p e n e tració n d e co n o d in á m ico (D C PT )
A ren a A rcilla s m u y firm e s
A ren a
N O A P L IC A B L E A rcilla s b lan d as a firm e s
PRO PIED AD ES Q U E PU EDEN SER D E T E R M IN A D A S
E va lu a ció n cu alitativa d e co m p a cid ad . C o m p ara ció n cu alitativa d e e stra tifica ció n d e l su e lo .
A rcillas
O B S E R V A C IO N E S
V er in ciso B .2 .3 .1 .2 P o ten cial d e licu ació n d e aren as su e ltas
E va lu a ció n cu alitativa d e co m p a cid ad . C o m p ara ció n cu alitativa d e e stra tifica ció n d e l su e lo .
P ru e b a d e A re n a, lim o p e n e tració n d e co n o y a rcilla e lé ctrico (C P T )
P ru e b a d e p e n e tració n B e cke r (B P T )
M ate rial g ra n u lar
P ru e b a d e v e le ta d e cam p o (FV T )
A rcilla
P ru e b a d e p re sió m e tro (PM T )
P ru e b a d e p e rm e ab ilid ad
E stra to s d e ro ca , aren a d en sa, g rava.
G ra vas A re n a s m u y su e ltas
E v alu a ció n co n tin u a d e la d en sid a d y re site n cia d e a re n a s. E v alu a ció n co n tin u a d e la re siste n cia a l co rte n o d re n a d o en a rcilla s.
V e r in ciso B .2 .3 .1 .1 1 E sta p ru e b a es ap licab le p ara e l d ise ñ o d e las zap ata s, p ilas y p ilo te s e n aren a; p ru e b as e n a rcilla so n m ás fiab le cu an d o se u sa e n co n ju n to co n la p ru e b a d e v ele ta. P o te n cial d e licu ació n d e are n as su e ltas.
S u e lo s b lan d o s
A re n a s y g ravas
A rcillas lim osas su e ltas b lan d as se n sitivas y aren as
A re n as y g ravas
R e siste n cia al co rte n o d re n ad a
S u e lo s d u ro s o firm e s aren a ce m e n ta d a.
P e n etró m e tro M arch e tti.
A re n a su e lta a G ra vas co n b o le o s y su e los d e n sa. g ra vo so s A rcillas b la n d as a firm e s.
L a p ru e b a d e b e e je cu ta rse co n cu id ad o , p articu larm e n te si e stá fisu ra d a. arcillas lista d as y alta m e n te p lásticas.
C ap acid ad d e carg a, co m p re sib ilid ad y d e fo rm ab ilid ad . E v alu a ción d e l co e ficie n te d e p e rm e ab ilid ad .
F icó m e tro
V er in ciso B .2 .3 .1 .3
V er in ciso B .2 .2 .8 La pru e b a d e carg a va ria b le e n p e rfo ra cio n es q u e tie n e n lim ite d e co rre cció n .
A rcillas b lan d as y P arám etro s d e a ren as m u y su e ltas re siste n cia
D e form ab ilid ad la te ral
53
1.2.4.1.1
Máquinas de perforadora rotatoria
La máquina perforadora rotatoria, se ha diseñado para aplicación en exploración para exploración minera y geológica, en la cuales predomina la perforación en roca y frecuentemente se realiza desde túneles y galerías, con velocidades de rotación mayores de 700 rpm en las que la longitud de carrera del vástago de perforación no tiene mucha importancia. y para exploración geotécnica se han desarrollado maquinas montadas en vehículos o remolques de gran movilidad, con velocidades de rotación menores de 800 rpm y longitud de vástago de perforación mayor de 1.5 m. La diferencia fundamental entre ambas es la longitud del vástago de perforación (COVITUR, 1987).
1.2.4.1.2
Máquinas de perforadora de percusión
La máquina perforadora de percusión, una de las más antiguas, utiliza un elemento metálico que golpea y deshace el material térreo o rocoso. Cuenta con un pico o trépano, y un elemento que recoge el terreno triturado como una pala o una cuchara de válvula. Consta de armazón con mecanismo y un mástil. El armazón, que primitivamente fue de madera, está formado de diversos perfiles unidos por soldadura o tornillos. Su forma depende del fabricante así como la disposición de los distintos mecanismos. En el extremo contrario al mástil va el motor, que puede ser de explosión o de combustión; generalmente son motores diesel, cuya potencia es función del tamaño de la máquina la cual depende de las profundidades y diámetros que se hayan de perforar con ella. Este tipo de maquinaria debe de evitarse en los sondeos geotécnicos ya que altera significativamente el suelo (COVITUR, 1987). Las funciones que tienen que cumplir la máquina son: 1. Percusión. Se consigue por la repetición del ciclo de elevación y subsiguiente caída libre de una sarta de herramientas compuesta de distinta forma. 2. Extracción o limpieza de sondeo. Se hace con la cuchara de válvula y es preciso un mecanismo que permita, de forma rápida, su descenso al fondo del sondeo y su elevación a la superficie.
54
Tabla B.30. Maquinas perforadoras para geotecnia.
TIPO
Mobile Drill B61 Mobile Drill B40L Mobile Drill B305 Mobile Drill B53 Acker MP 100 Acker MP 50 Acker Hillbilly Pendrill PD Long year 34 Long year 44 Simco Mod. 2800Hs Chicago Pneumatic 8HD Chicago Pneumatic 15 Joy 22 Sprague & Henwood 40 c Sprague & Henwood 142 c
PROFUNDIDAD CON BARRAS en m.
AX
NX
ESPIRAL 6”
600 152 50
450 100
90 46 23
390 390
300 300 300
137 426
100 266
CAPACIDAD DE PERFORACIÓN (tamaño de las barras) en m. EW NW AW BW
EMPUJE VERTICAL en t.
CAPACIDAD DEL MALACATE
VELOCIDAD DEL MALACATE
POTENCIA DEL MOTOR
↓
(t)
(t)
(Hp)
4.8 4.2 2.9 8.6 8.5 3.2
6.3 3.0 3.8 8.6 5.2 4.2
3.4 2.5 3
3.1 3.2
3.1 3.2
2.9
2.9 3.8
65-350 0-518 58-455 27-716 43-287 50-335 156-1000 60-1100 22-1510 205-2200 0-300 225-1050
97 97 54 97 48 48 22.5 38 30 59 32 27.5
PESO
CARRERA DEL GASTO
(t)
(m)
↑
1.72 3.7 1.73 1.2 3.3 1.8 0.6 1.8 0.6* 0.6 1.9 0.6
380
305
230
200
1220
480 976
389 762
305 488
305
230
200
3.7 3.0 1.3 1.8 2.2 2.0 9.5 2.1 1.13 2.05 1.2 1.27
380 686
610
412
350
1.50
0.6
3.8
225-1050
34
1220 305
945 275
762
450
2.00 1.320
0.6 0.6
5.5 5.3
95-1200 235-1500
47.6 33
686
1067
915
732
1.95
0.6
6.1
215-1250
49.7
45 45 40
90
4.5 4.5 5.0 3 3 5.5
La tabla no es exhaustiva. Presenta los tipos de maquinaria de más uso en México.
55
1.2.4.2 Bombas de perforación Las bombas que se utilizan para la inyección del fluido de perforación pueden ser de dos tipos: las de pistón, capaces de manejar agua y lodos de muy baja densidad y las de cavidad progresiva, que manejan desde agua hasta lodos de densidad alta con sólidos en suspensión. Las más comunes son las de cavidad progresiva, porque operan a presiones bajas gastos altos y con ello reducen el efecto erosivo del chiflón de descarga; tienen la ventaja adicional de que con el lodo se elimina la necesidad de ademe metálico. En la tabla B.31, se muestran las características de las bombas más utilizadas en los trabajos de exploración aunque para sondeos someros se han venido utilizando bombas centrifugas de alta presión. En sondeos poco profundos (h < 50 m) se han venido utilizado bombas centrífugas de alta presión. Estas últimas son las más recomendables para la exploración geotécnica porque operan a presiones bajas, proporcionan gastos altos y con ello reducen el efecto erosivo del chiflón de descarga. Tienen la ventaja adicional de que con el lodo se elimina la necesidad de ademe metálico. Tabla B.31. Bombas de Perforación. MODELO
Moyno 3L6 Royal Bean420 Barnes Mod. caracol
TIPO
GASTO MÁXIMO (lt/min)
PRESIÓN MÁXIMA (kg/cm²)
POTENCI A (Hp)
PESO (kg)
OPERA
Cavidad progresiva
162
16
7.5
250
H2O y lodo denso
Pistón triple
132
35
7.5
350
H2O
Centrifuga de alta presión
150
8
10
Lodos medios
1.2.4.3 Barras y Ademes de perforación Se recomienda usar las barras de perforación de diámetro nominal EW para sondeos superficiales y pruebas de veletas; las AW y BW para la operación de muestreadotes y la ejecución de pruebas de penetración estándar y las BW y NW para la opera de muestradores rotatorios; las barras NW no deben utilizarse para la prueba de penetración estándar por su elevado peso. De lo anterior se concluye que las barras BW son las de uso más general en el trabajo de exploración geotécnica. Las barrenas de perforación que más se utilizan son las EW y AW, de pared uniforme corresponden a las de menor diámetro. Las primeras se usan en la prueba de penetración del cono eléctrico. Las AW son de empleo más general al igual que las BW, aunque estas son de pared aligerada (recalcadas). Las NW son poco recomendables para el muestreo de suelos. En la tabla B.32 se muestran sus diámetros y pesos. Los ademes metálicos recomendables son lo de diámetro nominal NW porque permite el paso del penetrométro estándar y el HW, que por su diámetro permite el paso de los muestreadotes shelby y Deninson. En cuanto a los ademes, utilizados en exploraciones geotécnicas, se observa que sus diámetro interiores, 76 y 101 mm (3 y 4 pulgadas), limitan el diámetro de los muestreadores que pueden pasar a través de ellos (figura B.23); es por eso que en sondeos en los que se pretenda utilizar muestreadotes de mayor diámetro, queda
56
obligado el uso de lodos de perforación que eliminen la necesidad del ademe metálico. En la tabla B.33 se muestran los diámetros y pesos de los ademes como ahí se ven. Los más útiles en geotecnia son las NW porque permiten el paso del penetrómetro estándar y las HW, permiten el paso de los muestreadores Shelby y Deninson. Tabla B.32. Medidas de las barras de perforación. Φi
Φe
Φc
PESO
CUERDAS
USO
BARRA
pulg
mm
pulg
mm
pulg
mm
Kg/ml
pulg
EW
1 3/8
34.9
7/8
22.2
7/16
12.7
4.6
3
CPT
AW
1 23/32
44.4
1 7/32
30.9
5/8
15.9
6.5
3
SPT
BW
2 1/8
54
1¾
44.5
¾
19
6.2
3
SPT
NW
2 5/8
66.7
2 1/4
57.2
1 3/8
34.9
8.0
3
SPT
Longitud estándar 3.05 m (10 pies)
Φe diámetro exterior. Φe diámetro interior. Φe diámetro interior del cople.
Tabla B.33. Medidas de ademes. Φi
Φe
PESO
BARRA
CUERDAS POR PULG.
pulg.
mm.
pulg.
mm.
Kg/ml
NW
3½
88.9
3
76.2
39.1
4
HW
4½
114.3
4
101.6
51.3
4
Φe diámetro exterior. Φe diámetro interior.
57
φe
φi Figura B.23. Ademes y coples.
1.2.4.4 Brocas de perforación Las brocas para perforación deben estar diseñadas para la perforación rápida y se eligen de acuerdo a la estratigrafía del sitio. Las brocas perforan barrenos de más de 2” o de menor diámetro, dependiendo de la dureza del material. Los tipos de brocas se describen en la parte de comentarios de este capítulo. Se eligen de acuerdo con la dureza de los materiales que deban perforarse. En la figura B.24, se muestra el criterio general para la selección de estas herramientas.
58
Tipo de broca
Blandos
Suelos
Blandos duros
Rocas
Duras
Broca tricónica Broca Drag Broca de aletas Broca cola de pescado
Figura B.24. Criterio de selección de brocas de perforación para suelos y rocas (Enrique Santoyo V., 2001).
1.2.4.4.1
Broca tríconica
La broca tricónica, consta de tres conos giratorios embalerados que tienen dientes de abrasión de forma esférica para rocas duras, y de prismas agudos para rocas blandas (figura B.25 (a)). Se fabrican en muy diversos diámetros (2 7/8”, 4”, 5” y 6” 7.3 cm, 10cm, 12.5 cm y 15 cm, respectivamente) y para enfriar la broca y arrastrar el material cortando a la superficie se utiliza un fluido de perforación (lodo, agua o aire) que sale del centro de la broca. Esta broca puede perforar desde rocas duras hasta suelos duros (figura B.24). Es inadecuada para perforar suelos blandos, porque los conos difícilmente giran e incluso se atascan, el chiflón no limpia eficientemente los dientes de corte. El uso de estas brocas queda restringido a los basaltos y rocas, aclarando que en los basaltos, los martillos neumáticos que cortan a roto-percusión son más eficientes y reducen significativamente los costos de perforación. De manera similar la broca “Drag” es más eficiente que la tricónica para perforar las tobas duras. La tricónica no debe usarse para perforar pozos de bombeo y sondeos, porque remoldea por amasado al suelo, reduciendo su permeabilidad y alterando su estructura (Santoyo y Contreras 2001).
1.2.4.4.2
Broca Drag
La broca Drag, es una pieza sólida que tiene tres planos radiales de corte, protegidos con pastillas de carburo de tungsteno (figura B.25 b). Se fabrica desde 2“ (5 cm) de diámetro. Para enfriar la broca y arrastrar el material cortando a la superficie se utiliza un fluido de perforación (lodo, agua o aire), que sale del centro de la broca. Su aplicabilidad abarca desde las rocas blandas a los suelos duros y no debe utilizarse para la ejecución de sondeos en suelos blandos, porque el chiflón de lodo o agua erosiona hasta 50 cm (1.6 pies) por debajo de la broca (Santoyo y Contreras 2001).
59
1.2.4.4.3
Broca de aletas
La broca de aletas, consiste en dos placas de acero duro (aletas) que forma una hélice corta; la salida de agua o lodo a presión incide en la superficie superior de las aletas (figura B.25 c). Esta broca es de fabricación artesanal y puede construirse desde 2” (5 cm) 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 generan las brocas drag. Esta broca se puede utilizar en suelos de consistencia media a blanda, y es la más adecuada para hacer perforaciones para sondeos e instalaciones de pozos de bombeo, porque deja agujeros limpios y poco alterados. Tiene las ventajas de ser significativamente más económica que la tricónica o la de tipo Drag, y sobre todo más eficiente (Santoyo y Contreras, 2001).
1.2.4.4.4
Broca de cola e pescado
La broca de cola de pescado, consta de dos placas triangulares ligeramente alabeadas con su vértice en la parte inferior (figura B.25 d), aunque también pueden ser rectangulares y entonces la parte inferior es recta. Esta broca siempre es ciega, esto es, no tiene salidas para fluido de perforación y por ello su uso se restringe a la llamada perforación de batido. Se puede utilizar en suelos de consistencia media a blanda y es la más adecuada para las perforaciones sin eliminar el material cortado.
d) Cola de pescado a) Tricónica
Aleta
b) Drag
Vista frente
Vista lateral
Salida de agua
Salida de agua
Aleta c) De aletas Aleta
Figura B.25. Tipos de Brocas (Santoyo y Contreras, 2001).
60
1.2.4.5 Lodos de perforación El fluido de perforación más empleado hasta ahora en las exploraciones geotécnicas ha sido el agua, cuando se desarrollaron los sistemas de exploración petrolera mediante máquinas rotatorias, fue introducida la técnica del lodo de perforación por las ventajas como estabilidad, enfriamiento del equipo de perforación, que presenta sobre el agua que anteriormente se venía usando. Posteriormente se amplió el campo de acción del lodo hacia los pozos de agua, la exploración geológica y de suelos. Se denomina lodo de perforación a una mezcla de agua con arcilla coloidal, generalmente bentonita, empleada como auxiliar en la ejecución de barrenos. Las funciones principales del lodo son: enfriar la broca, transportar el material cortado por la broca y mantener estable la pared y el fondo de la perforación. Las mismas funciones cumple el agua, pero el lodo es considerablemente más eficiente para transportar el material y en particular la supera en la estabilidad que puede dar la perforación eliminando la posible necesidad de ademe metálico. Los lodos también tienen la ventaja sobre el agua de alterar menos el contenido natural de humedad del suelo muestreado. Los tipos de lodos se identifican según su fase liquida. Así, se reconocen lodos de agua dulce, de agua salada, de emulsiones aceite-agua y de aceite. En las exploraciones geotécnicas sólo se utilizan lodos de agua dulce y cuando se perfora en zonas con agua salada se agregan aditivos.
1.2.4.5.1 Lodos de perforación de agua dulce Los lodos con agua dulce se pueden hacer con arcillas plásticas locales, bentonita natural o bentonita tratada. En la figura B.26, se presentan las viscosidades y densidades que se pueden obtener con diferentes dosificaciones (Manual de Diseño y Construcción de Pilas y Pilotes, 1989). Por su bajo costo y fácil preparación, el lodo de perforación más comúnmente usado en México, incluye agua dulce con menos de 1% de cloruro de sodio y menos de 120 ppm de sales de calcio en suspensión, mezclada con bentonita sódica o cálcica. Cuando el agua de mezclado es salada, como ocurre en las costas, se puede utilizar arcilla “atapulgita” que tienen la propiedad de hidratarse en aguas de alta concentración salina.
61
V is c o s id a d e n c e n tip o is e s , m e d id a e n v is c o m e tro a 6 0 0 r.p .m 5
1 .0 0 0
50 100
10 15 20
25
1 .0 5 0
150
A 1 .1 0 0
200 250 300 350
B
1 .1 5 0
C
1 .2 0 0
30 400 35
1 .2 5 0
450 500
40
45
1 .3 0 0
550 600
1 .3 5 0
Kg/m
% de arcilla en peso
A= Zeogel o aquagel B = B a ro c o C = R a n g o d e a rcilla típ ic a
Figura B.26. Relación de viscosidad-dosificación de arcilla en agua dulce, (Manual de Diseño y Construcción de Pilas y Pilotes, 1989). PROPIEDADES FÍSICAS Y CONTROL DE CAMPO: Los lodos de perforación deben elaborarse cuidando que tengan las propiedades físicas adecuadas y que éstas se mantengan durante el trabajo. Las propiedades más significativas son: densidad, viscosidad y tixotropía. Es importante también controlar la contaminación. Los métodos que se describen aquí para la medición y control de estas propiedades requieren sólo de equipo elemental y económico. Densidad: Se define como el peso de unidad de volumen. La densidad de los lodos que se pueden elaborar es función del tipo y cantidad de arcilla que se utilice. Puede variar de 1.2 a 1.25 kg/l, para lodos que por su viscosidad pueden ser manejados aun con bombas convencionales. Se puede utilizar barita en polvo para aumentar la densidad conservando la viscosidad, lo cual permite lograr lodos manejables con densidades hasta de 1.35 kg/l. La densidad se debe elegir en función del peso volumétrico y granulometría de los suelos. Así en arenas gruesas de cuarzo con pocos finos se requieren lodos con densidades hasta de 1.25 kg/l, en arcillas sin arenas se podrá operar densidades 1.05 kg/l. Se recomienda iniciar el sondeo con un lodo de densidad media de 1.1 kg/l y modificarla durante el proceso de trabajo según los materiales que se encuentren.
62
Viscosidad: Se define como la resistencia que opone un líquido a fluir. La determinación de la viscosidad se realiza con viscosímetros de rotación (figura B.27) y se mide en centipoises (unidad absoluta de viscosidad. 1 centipoises = 0.01poise). El viscosímetro rotacional hace girar un cilindro externo a 3, 5, 100, 200, 300 y 600 rpm, el cual, merced a la viscosidad del lodo en que está sumergido, hace girar a otro cilindro interno, coaxial con el anterior pero conectado a un resorte calibrado. La viscosidad de un lodo de perforación usualmente varía entre 10 y 25 centipoises; valores mayores dificultan el manejo del lodo y valores menores no garantizan su eficiente funcionamiento. Con este aparato también pueden determinarse la viscosidad aparente, el punto de cadencia, la resistencia del gel y la tixotropía.
Caratula
Selector de velocidad
Resorte calibrado
Cilindro giratorio exterior
Motor Recipiente Base
Cilindro giratorio exterior Cilindro interior
Figura B.27. Viscosímetro rotacional. De una manera simple y aproximada se puede determinar la viscosidad con el cono de Marsh (figura B.28). Para realizar el ensaye, se tapa con un dedo el orificio calibrado inferior del cono Marsh (de 5 mm de diámetro inferior) y se llena con lodo hasta el borde superior donde se encuentra la malla No. 10 la cual tienen como funcion retener las particulas gruesas (la cantidad requerida de lodo es de aproximadamente 1500 cm³). Luego se remueve el dedo al momento de iniciar el conteo del tiempo requerido para llenar un recipiente de 946 cm³. Varias mediciones permiten verificar y afinar resultados. El agua limpia a 22ºC ± 1.5ºC tarda 26 s ± 0.5 s; en el lodo bentonítico puede variar entre 35 y 60 seg, prefiriéndose los valores bajos por su mayor manejabilidad. Los lodos o fluidos deben tener una viscosidad que les permitan cumplir con su función y que además permitan su manejo eficiente en campo. Rendimiento: Se acostumbra llamar rendimiento de una bentonita a la cantidad en m³ de lodo bentonítico con 15 centipoises de viscosidad que se puede elaborar con una tonelada de bentonita seca.
63
Es muy importante que al elaborar el lodo, la mezcla se realice por algún método que permita la mayor dispersión posible de las partículas de bentonita evitando la formación de grumos y facilitando así su completa hidratación, la cual requiere tiempo.
M=D(0.85T-461/T) Malla No. 10
15 cm
35.5 cm
1000cc
4.5 cm 0.47 cm
Donde: D = densidad, kg/lt M = viscosidad, centipoises T = tiempo, seg
Figura B.28. Cono de Marsh. Filtración: Permite determinar la capacidad que tienen un lodo para formar una película impermeable (enjarre o costra) en las paredes de las perforaciones. Para ejecutar la prueba se emplea el filtro prensa (figura B.28), constituido por un recipiente metálico de 500 cm³ de capacidad, capaz de recibir una presión de gas (aire) a 7 kg/cm² y recoger en la parte inferior el agua filtrada expulsada a través del papel filtro y un orificio, después de 30 min.
64
T a p a s u p e rio r E n tra d a d e a ire
R e c ip ie n te S a lid a d e a g u a
P ro b e ta
Em paque
R e c ip ie n te P a p e l filtro M a lla Em paque T a p a in fe rio r S a lid a d e a g u a
Figura B.29. Filtro prensa. Al final del ensaye se mide el volumen de agua filtrada en cm³ y tambien el espesor de la costra que quedó pegada en el papel filtro. Un buen lodo tiene menos de 20 cm³ de agua filtrada, y una costra no mayor de 0.5 cm. Contenido de arena: Influye drásticamente en las operaciones de perforación, provocando daños en los equipos, herramientas y tuberías. Además, a mayor contenido de arena, se incrementa el agua de filtrado y el espesor de la costra. Para determinar la cuantía de arena se pasa una cierta cantidad de lodo por la malla No. 200 y la arena retenida se expresa en porcentaje respecto al volumen del lodo. Generalmente dicho porcentaje debe ser menor de 3 %. Potencial Hidrogeno (pH): Representa el grado de acidez o alcalinidad, y se determina a partir del color que adquiere el papel indicador al entrar en contacto con el lodo. Existen aparatos electrónicos especiales para medir el pH. El valor usual para conservar la viscosidad del lodo, está entre 7 y 10. DOSIFICACIÓN: Para determinar con precisión la cantidad de bentonita seca que debe mezclarse con agua, para producir un lodo cuyos valores de propiedades quedan dentro de los rangos antes mencionados, es necesario realizar pruebas previas con diferentes concentraciones dejándolas en reposo un tiempo aproximado de 24 horas para que alcancen su completa hidratación. Con agua dulce, se pueden emplear porcentajes en peso de 5 a 10% con relación al agua. Los sistemas de mezclado están integrados por una o varias bombas que permiten recircular el lodo. Algunos realizan la mezcla con aspas girando dentro de recipientes, siendo esto menos eficiente. Existen también mezcladores de chiflón, empleados cuando se requieren pequeños volúmenes de lodo. Es común emplear entre 3 y 10 minutos de mezclado para lograr una buena hidratación inicial.
65
Para lograr un aprovechamiento máximo de la bentonita se pudo dejarla en reposo de 8 a 24 horas. Sin embargo, el costo extra que implica la realización de instalaciones adicionales debe compararse con el ahorro de bentonita. Por otro lado, hay cierto tipo de suelos granulares en los que es conveniente dejar que la bentonita termine de hidratarse dentro de la perforación para lograr mayor obturación de posibles fugas.
1.2.5 Técnicas de exploración El objetivo del programa de exploración deberá enfocarse a ratificar ampliar, corregir o modificar los resultados del reconocimiento de campo en lo que refiere a las condiciones estratigráficas del sitio, la presión del agua del subsuelo y las propiedades estáticas y dinámicas de los suelos, todo ello con el fin de efectuar un diseño geotécnico confiable. A continuación se enlista que características que se deben de tomar en cuenta: •
Estratigrafía del sitio.
•
Clasificación geotécnica de los suelos que forman cada estrato.
•
Compacidad relativa o consistencia de cada tipo de suelo identificado en el perfil estratigráfico.
•
Resistencia al esfuerzo cortante, compacidad, permeabilidad, compresibilidad de los suelos de cada uno de los estratos.
rigidez
o
1.2.5.1 Métodos Indirectos Deben utilizarse en el reconocimiento preliminar de la zona, donde se requiera principalmente una orientación y/o datos aproximados relacionados con la estratigrafía, discontinuidades y condiciones geológicas generales. Los métodos de exploración que incluyen sensores remotos y los métodos geofísicos que se basan en la medición de ciertas propiedades físicas de rocas y suelos, permiten conocer la probable estratigrafía, y por correlación alguna de las características de los materiales.
1.2.5.1.1 Exploración geofísica Los métodos geofísicos, en la exploración de un sitio, son especialmente útiles en el caso de proyectos para grandes estructuras, carreteras, canales, grandes proyectos hidroeléctricos, túneles, etc. Se justifica plenamente su uso tanto en estudios de factibilidad como en las otras etapas de la exploración y construcción de las obras mencionadas. Siempre será necesario calibrar los resultados obtenidos de estas investigaciones comparándolos con los de un sondeo convencional con obtención de muestras para darles mayor confiabilidad y no es recomendable su utilización sin el reconocimiento geológico previo. En geotecnia los más utilizados son el método sísmico y el método de resistividad. Los métodos de exploración geofísica aplicada a la geotecnia se basan en la medición de la variación de la velocidad de propagación de ondas sísmicas o de la resistividad eléctrica de los suelos y mediante su interpretación y correlaciones se deducen las características estratigráficas posición del nivel freático y posibles tipos de propiedades de 66
los suelos y rocas. Estos métodos se utilizan para obtener información preliminar del subsuelo, para complementar la información geológica y para reducir el número de sondeos. •
Método de refracción sísmica
La principal aplicación de este método puede ser la de determinar la profundidad de la roca bajo el depósito de suelo de difícil exploración directa. Permite determinar la profundidad y los espesores de depósito de suelo o roca con propiedades elásticas diferentes. Es deseable correlacionar la prueba con la información de sondeos convencionales con extracción de muestras, pues tiene limitaciones básicas que se describen más adelante. Este método se basa en medir las velocidades de propagación de las ondas elásticas en los diferentes estratos del lugar, provocando artificialmente perturbaciones dinámicas en un punto de suelo que dan origen a: ondas longitudinales y transversales. El estudio de sus reflexiones y refracciones permiten deducir las profundidades, espesores de capas y calidad de los materiales. El método de refracción consiste en medir el tiempo requerido para que las ondas longitudinales viajen del punto en el que se generan, a los detectores o geófonos colocados en la línea que captan la señal de llegada y que, a su vez, la envía a un aparato registrador. En el numeral 3.2.1, se describe con más detalle esta prueba. •
Método de resistividad eléctrica
El método de resistividad se suele usar bajo el nivel freático lo que permite localizar cavernas o estratos blandos que no se identifican fácilmente con el método sísmico. En general el método resistivo es apto cuando los cortes geológicos acusan buenos contrastes de resistividad. En esta condición el método es útil en la cuantificación de bancos de materiales, localización de cavernas y algunas zonas de debilidad y es de ayuda en la búsqueda de agua subterránea, localización de minerales y estructuras geológicas. En el caso más general, la profundidad de exploración se considera igual a la cuarta parte de distancia entre los electrodos de corriente. La precisión de este método para predecir la estratigrafía de un sitio es generalmente menor que la refracción sísmica y por ello se utiliza menos; sin embargo es más confiable para determinar la posición del nivel freático. El método de resistividad eléctrica se basa en la generación de un campo eléctrico creado por la circulación de una corriente eléctrica en el subsuelo (natural o artificial). Las características de este campo permiten establecer una relación entre los parámetros físicos que intervienen en la propagación de la corriente y las características físicas de los materiales. Para ello se emplean aparatos receptores y transmisores. Este método consiste en la determinación de las resistividades de cada estrato, generando un campo eléctrico mediante con dispositivo cuadripolar que mide la intensidad de la corriente eléctrica creadora del campo y la caída del potencial en dos puntos del campo, para visualizar en forma independiente o global la imagen de la estructura geológica del subsuelo.
67
•
Método con Geo-Radar
El Método de GEO-RADAR o radar de penetración terrestre (GPR), es una técnica de prospección geofísica que emplea impulsos electromagnéticos de alta frecuencia que se propagan hacia el interior del suelo. Estas ondas son reflejadas por anomalías del subsuelo (irregularidades, interfaces o discontinuidades) a diferentes profundidades que después se captan por medio de una antena en la superficie del suelo. Como resultados se genera una serie de registros permiten conocer que algunos de los rasgos generales de la estratigrafía en general la profundidad máxima de exploración no sobrepasa los 30 m, pero la mayoría de las prospecciones de georadar se limitan a unos cuantos metros. Está técnica es muy similar al sonar y a la reflexión sísmica, se basa en la misma teoría electromagnética del radar convencional, excepto que las ondas electromagnéticas son transmitidas al interior de la tierra. Las principales aplicaciones son: determinación del contenido de agua, de espesores de capas de hielo, exploración de depósitos, yacimientos de carbón y metales pesados, mapeo de detalles estratigráficos, contorno de túneles de minas, aplicaciones arqueológicas y estudios de contaminación ambiental.
1.2.5.2 Métodos directos Estos métodos permiten obtener puntualmente información precisa acerca de las condiciones del sitio y las características de los materiales. Los resultados obtenidos en campo, se deben enriquecer con los ensayes o estudios de laboratorio de las muestras obtenidas. Las técnicas de exploración mediante la obtención de muestras de suelo y rocas y la observación de sus características in situ permiten conocer las condiciones geológicas y geotécnicas del sitio de estudio. Incluyen los levantamientos superficiales, sondeos, socavones, trincheras y pozos a cielo abierto.
1.2.5.2.1 Exploración y muestreo La obtención eficiente de muestras de suelo se realiza con la ayuda de muestreadores. El tipo de muestreador depende del tipo de material que se vaya a extraer y de las condiciones en las que se encuentre. Cuando en parte del sondeo se localicen suelos blandos, deben adoptarse los métodos descritos en el numeral 1.2.3 de este manual. La información que se obtenga de los sondeos debe permitir identificar la estratigrafía del sitio y recuperar muestras que puedan ser sometidos a ensayes de laboratorio.
1.2.5.2.2 Tipos de sondeos La información proporcionada por los sondeos deberá obtenerse de: • • • •
Los análisis de los registros de perforación El estudios de las muestras recuperadas La inspección de las paredes del pozo, en su caso Los resultados de los ensayes de laboratorio de las muestras 68
El registro de un sondeo debe dar una relación exacta y completa de las condiciones geotécnicas encontradas junto con información complementaria obtenida durante la propia perforación. Un registro preciso requiere cuidado y vigilancia para la obtención de datos por parte del perforista y del ingeniero en geotecnia encargado de la supervisión. Durante la perforación deben vigilarse las condiciones del fluido de retorno y el estado de los niveles freáticos, así como las pérdidas del fluido debido a las condiciones de permeabilidad in situ. Conviene que el ingeniero supervisor realice un estudio preliminar de las muestras a la brevedad posible después de su recuperación, para clasificar e identificar el suelo y sus características. La información se enriquecerá posteriormente con los estudios de laboratorio de las muestras. Los resultados de las pruebas de laboratorio en lo que se refiere a las propiedades mecánicas de los suelos, deberán manejarse con cuidado, dado que tales resultados, aún cuando dan una idea de las características del material muestreado, pueden no ser representativos del estrato por ser valores límites obtenidos en muestras inalteradas o alteradas. La información obtenida en los sondeos se registrará en formatos de perforación (figura B.30); posteriormente se integra en los perfiles geotécnicos como se muestra en la figura B.31 (CFE, 1979). Se entiende por sondeo en suelo a la perforación y recuperación de muestras las cuales pueden ser alteradas e inalteradas. Las muestras deberán ser representativas con lo cual servirán para identificar las características y propiedades del suelo, su comportamiento, tamaño de partículas, cambio de estrato, resistencia, permeabilidad, etc. El tipo de sondeo se selecciona de acuerdo a las características de la obra, al costo y a las necesidades del proyecto. Los sondeos o métodos de prueba pueden dividirse en dos grupos: métodos de registro y métodos específicos. Comúnmente, los métodos de registro son pruebas de penetración, usualmente rápidas y relativamente económicas. Estos métodos requieren de correlaciones para obtener los valores de parámetros geotécnicos. Los métodos específicos son generalmente más especializados y frecuentemente más lentos y más caros para su ejecución. Los métodos de registro son mejores para estudios estratigráficos preliminares ya que se obtiene una evaluación cualitativa de los parámetros, mientras que los métodos específicos proporcionan información más detallada de la zona de estudios. La investigación puede incluir muestreo alterado y pruebas de laboratorio (C.G.S., 1992). A continuación se describen los aspectos generales de los tipos de sondeos y en el numeral 3.1 se describen cada una de las pruebas de campo. •
Sondeos con recuperación continúa.
Los sondeos con recuperación continua de muestras alteradas con la herramienta de penetración estándar (volumen B.2.3 “Pruebas de campo para determinar propiedades de los suelos”) se usan para evaluar la consistencia o compacidad de los materiales superiores y estratos resistentes con el objeto de obtener un perfil estratigráfico continuo del sitio, del contenido de agua y otras propiedades índice. No es aceptable realizar pruebas mecánicas usando especímenes obtenidos en dichos sondeos.
69
•
Sondeos mixtos con recuperación alternada.
En los sondeos mixtos se emplean las técnicas de penetración estándar con las de muestreo para recuperar alternadamente muestras inalteradas y alteradas. Solo las primeras serán aceptables para determinar las propiedades mecánicas. Las profundidades de muestreo inalterado se deban determinar a partir de los resultados del sondeo de recuperación de muestras alteradas o bien, de los resultados de cono eléctrico. •
Sondeos de verificación estratigráfica o de tipo selectivo.
Los sondeos de verificación estratigráfica ó de tipo selectivo, con o sin recuperación de muestras generalmente se realizan recurriendo a la penetración estándar o al uso de un cono mecánico o eléctrico u otro dispositivo similar. Estos sondeos tienen por objetivo verificar los resultados de estudios exploratorios previos. •
Sondeos con equipo rotatorio.
Los sondeos con equipo rotatorio y muestreadotes de barril, se usan en materiales firmes y rocas a fin de recuperar núcleos para clasificación. Los sondeos también pueden clasificarse de acuerdo al tipo de maquinaria de perforación que se utilice. •
Sondeos de percusión o con equipo tríconico.
Los sondeos de percusión o con equipo tricónico o sondeos con variables de perforación controladas, es decir sondeos con registros continuos de la presión en las tuberías o mangueras de la máquina de perforar, de la velocidad de avance, de la torsión aplicada, serán aceptables para identificar tipos de material o descubrir oquedades. •
Pozos a cielo abierto.
Adicionalmente, las exploraciones a cielo abierto o con perforadoras neumáticas, dependen del tipo de suelo existente del sitio estudiado y objeto de la exploración; permiten observar directamente las características estratigráficas del suelo y permiten la extracción de muestras inalteradas de los estratos principales. Usualmente, la excavación es de sección cuadrada de 1.5 m de lado, con una profundidad normalmente menor de 10 m. Si se localiza el nivel de aguas freáticas antes de esta profundidad se requiere de bombeo con pozos de punta hincados perimetralmente y si la permeabilidad es baja, pueden utilizarse bombas centrífugas eléctricas. Otras técnicas de exploración manual requieren de herramienta de perforación pueden ser de forma manual, se requieren herramientas como la pala posteadora y barrenas helicoidales cuando estas son de pequeños diámetros (máximo 10 cm).
70
REGISTRO DE CAMPO
Prof. (m)
SONDEO:
MAQUINA:
HOJA:
Local: X: Y: Z:
NIVEL FREÁTICO:
FECHA:
OPERADOR:
SUPERVISOR:
Muestreo
N (SPT) Clasificación SUCS
Muestra No.
Ademe 1 15 cm
2 15 cm
3 15 cm
presión
rec
Hora
NOTAS
Figura B.30. Registro de campo.
71
PROF. m-pie
MUESTRA No TS-1 F-1 - F-2
10
5
TS-2
CL
PENETRACIÓN ESTANDAR
W
WI 20
40
60
TORCOMETRO SV WL COMP. SIMPLE qu/2 1
80
2
X O
PROPIEDADES
CL
café ML gris arenoso CH gris
CH
F-3 F-4
SM
F-5
gris, fina
F-6
20
30
F-7 F-8
SP-SM SP-SM gris fina con gravas
F-9 SM F-10
10
DATOS FICTICIOS
gris, muy fina SM
40
CL F-11 - F-12
OH café oscuro GP
15
REC %
CLASIFICACIÓN
50
F-13 - F-14 F-15 F-16
60 F-17 - F-18
20 70
gris, con arena media y gruesa
OH café oscuro SM gris verdoso, fina y media con gravas aisladas CL OH café oscuro
F-19 - F-20 OH café oscuro F-21 F-22 SM
80 25
F-23
gris, muy fino
F-24
SM
90 F-25
30 A
B
FECHA DE EJECUCIÓN:
EQUIPO DE PERFORACIÓN:
SUPERVISOR:
SONDEO:
X:
Y:
C FECHA LABORATORIO: Z:
REVISO: HOJA:
Figura B.31. Perfil estratigráfico.
1.2.5.3 Determinación del tipo, número, espaciamiento, localización y profundidad del sondeo
la
Los sondeos se localizan de acuerdo con el conocimiento previo de las condiciones geológicas, para lo cual se puede recurrir a los métodos indirectos y los levantamientos geológicos superficiales. Los sondeos estarán ligados siempre al sistema de referencias topográficas del lugar. En la exploración de zonas estrechas y alargadas (torres de transmisión, presas, túneles, vías terrestres y canales), se realizarán sondeos a lo largo del eje longitudinal propuesto. La selección del número, espaciamiento y profundidad de sondeos depende del carácter de la exploración que se esté llevando a cabo. Así, los sondeos pueden ser: de factibilidad, preliminares, de investigación de detalle y finalmente, de verificación. Normalmente en el estudio de factibilidad se hace un número reducido de sondeos distribuidos en zonas o con una separación relativamente grande. El número de ellos
72
aumenta cuando se trata de estudios preliminares o de detalle. Su número se reduce en los trabajos de verificación. En la tabla B.34, se presentan un resumen de las pruebas comunes in situ para definir el programa de exploración (C.G.S., 1992). En la tabla B.35, se presentan un lineamiento para definir el programa de exploración y muestreo (U.S. Army Corp, 2001). La tabla B.36, presenta una guía preliminar para la planeación del programa de exploración y muestreo. Esta guía proporciona recomendaciones para orientar trabajos de campo. El programa final de muestreo debe ser suficientemente flexible para permitir al ingeniero en mecánica de suelos la obtención un amplió conicimiento del sitio, incluyendo la detección de anomalías u otras fallas (U.S. Army Corp, 2001).
1.2.5.3.1 Número y espaciamiento de sondeos. El número de sondeos dependerá de las características del terreno (uniforme o errático), de la longitud de las cargas impuestas por la estructura al terreno y de las características y funciones de las obras proyectadas (susceptibilidad a los asentamientos diferenciales, por ejemplo). Si de los estudios geológicos previos se puede suponer que el subsuelo es uniforme, se separarán los sondeos de 100 a 150 metros para áreas de mediana extensión localizando los iniciales en las esquinas y los siguientes hacia el centro. En el caso de boquillas de las presas, la distancia entre sondeos puede variar de 20 a 100 metros. Cuando a raíz de los estudios geológicos previstos o de los primeros resultados de sondeos, se infiere que el subsuelo presenta condiciones muy erráticas, la distancia entre sondeos deberá reducirse (CFE, 1979). No hay regla que permita definir exactamente el número de sondeos, pues este depende de las características del sitio por investigar. Es decir el tipo de suelo, nivel de aguas freáticas así como de la magnitud, el costo, el tipo de obra. Inicialmente se deben realizar sondeos de factibilidad los cuales permiten definir las condiciones geotécnicas generales del lugar. Los sondeos preliminares, son aquellos que inicialmente permiten definir las características, la profundidad del nivel freático y las condiciones preliminares del suelo. Cuántos sondeos se deben de realizar en la investigación de detalle. Este tipo de sondeos suelen localizarse en las partes más importante de la obra o las áreas donde se concentran las cargas, o bien, en las esquinas o vértice del área de estudio. Finalmente, los sondeos de verificación son aquellos que permiten validar las condiciones estratigráficas o de diseño. Usualmente el número de sondeos está en función del área o del perímetro por estudiar, sin embargo; esta recomendación es aplicable únicamente para el caso de áreas pequeñas. En obras de gran magnitud rigen la topografía y la geología. En la tabla B.37 se presentan algunas recomendaciones para definir el programa de exploración a partir del tipo de investigación que se va a efectuar.
73
Tabla B.34. Resumen de pruebas comunes in situ (C.G.S., 1992). T IP O D E P R U EB A
A P LICA BLE
P ru e b a d e p e n e t r a c ió n e stá n d a r (S P T )
A re n a
P ru e b a d e p e n e t r a c ió n d e c o n o d in á m ic o ( D C P T )
A r c illa s m u y fir m e s
A re n a
N O A P LIC A B LE A r c illa s b la n d a s a fir m e s
P R O P IED A D ES Q U E PUEDEN SER D ETER M IN A D A S
E v a lu a c ió n c u a lit a t iv a d e c o m p a c id a d . C o m p a r a c ió n c u a lit a t iv a d e e s t r a t ific a c ió n d e l s u e lo .
A r c illa s
O B SER V A CIO N ES
V e r in c is o B . 2 .3 . 1 . 2 P o t e n c ia l d e lic u a c ió n d e a r e n a s s u e lt a s
E v a lu a c ió n c u a lit a t iv a d e c o m p a c id a d . C o m p a r a c ió n c u a lit a t iv a d e e s t r a t ific a c ió n d e l s u e lo .
P ru e b a d e A r e n a , lim o p e n e t r a c ió n d e c o n o y a r c illa e lé c t r ic o ( C P T )
P ru e b a d e p e n e t r a c ió n B e c k e r (B P T)
M a t e r ia l g r a n u la r
P r u e b a d e v e le t a d e cam p o (FV T)
A r c illa
P ru e b a d e p r e s ió m e t r o ( P M T )
P ru e b a d e p e r m e a b ilid a d
E s tra to s d e ro ca , a re n a densa, g ra v a .
G ra v a s A r e n a s m u y s u e lt a s
E v a lu a c ió n c o n t in u a d e la d e n s id a d y r e s it e n c ia d e a re n a s. E v a lu a c ió n c o n t in u a d e la r e s is t e n c ia a l c o rte n o d re n a d o e n a r c illa s .
V e r in c is o B .2 .3 .1 .1 1 E sta p ru e b a e s a p lic a b le p a r a e l d is e ñ o d e la s z a p a t a s , p ila s y p ilo t e s e n a re n a ; p ru e b a s e n a r c illa s o n m á s fia b le cuando se usa e n c o n ju n t o c o n la p r u e b a d e v e le t a . P o t e n c ia l d e lic u a c ió n d e a r e n a s s u e lt a s .
S u e lo s b la n d o s
A re n a s y g ra v a s
A r c illa s lim o s a s s u e lt a s b la n d a s s e n s it iv a s y a r e n a s
A re n a s y g ra vas
R e s is t e n c ia a l c o r t e n o d re n a d a
S u e lo s d u ro s o fir m e s a re n a c e m e n ta d a .
P e n e tró m e tro M a r c h e t t i.
A r e n a s u e lt a a G r a v a s c o n b o le o s y s u e lo s densa. g ra v o so s A r c illa s b la n d a s a fir m e s .
L a p ru e b a d e b e e je c u t a r s e c o n c u id a d o , p a r t ic u la r m e n t e s i e s t á fis u r a d a . a r c illa s lis t a d a s y a lt a m e n t e p lá s t ic a s .
C a p a c id a d d e c a r g a , c o m p r e s ib ilid a d y d e fo r m a b ilid a d . E v a lu a c ió n d e l c o e fic ie n t e d e p e r m e a b ilid a d .
F ic ó m e t r o
V e r in c is o B . 2 . 3 .1 .3
V e r in c is o B . 2 .2 .8 L a p ru e b a d e carg a v a r ia b le e n p e r fo r a c io n e s q u e t ie n e n lim it e d e c o r r e c c ió n .
A r c illa s b la n d a s y P a rá m e tro s d e a r e n a s m u y s u e lt a s r e s is t e n c ia
D e fo r m a b ilid a d la t e r a l
74
Tabla B.35. Lineamientos generales para definir un programa de sondeos (U.S. Army Corp, 2001).
ÁREAS POR INVETIGAR
ESQUEMA DEL SONDEO.
Sitio nuevo de ancho amplio.
Espacio preliminar de sondeos 61 a 153 m a partir del área entre cualquier cuarto sondeo incluyendo aproximadamente 10% del área total. En exploración a detalle, además un sondeo para establecer áreas geológicas para una mejor orientación.
Desarrollo en sitios en estratos blandos compresibles.
Espacio de sondeos 31 a 61 m para posibles localizaciones construidas
Estructuras largas con cimientos estrechamamente espaciados.
Espacio de sondeos aproximadamente 15.3 m en ambas direcciones, incluyendo un sondeo para una posible cimentación exterior de maquinaria o cubo de elevador, y para establecer secciones geológicas útiles para una mejor orientación.
Bodegas de capacidad baja construidas en áreas largas definidas.
Mínimo de 4 sondeos en las esquinas más un sondeo intermedio de la cimentación interior suficiente para el perfil del subsuelo.
Cimentaciones aisladas ríguidas de 233 m² a 930 m² de área.
Mínimo de 3 sondeos alrededor del perímetro. Un sondeo adicional dependiendo de los resultados iniciales.
Cimentaciones aisladas ríguidas menos de 233 m² de área.
Mínimo de 2 sondeos en las esquinas opuestas. Un sondeo adicional para las condiciones erráticas.
Estructuras importantes de la línea de costa, tales como muelles secos.
Si el sitio definido esta establecido, el espaciamiento de los sondeos generalmente no son muy alejados que 15.24 m, ádemas de un sondeo intermedio de la localización critica, tal como un sello de bomba de pozo, tunel o alcantarillas.
Muro de contención o muro de atracadero largo.
Sondeos preliminares en linea del muro con espaciamiento de 61 m. Además de sondeos intermedios para disminuir el espaciamiento a cada 15.3 m. Ciertos lugares los sondeos intermedios fuera y dentro de la línea del muro para determinar los materiales de la zona de socavación.
Estabilidad del talud, profundidad del corte, altura del terraplen.
Proporcionar 3 o 4 sondeos en linea en la dirección crítica para proveer la seción geológica para los análisis. El número dependede la sección geológica de la extensión de la problematica de la estabilidad. Para una deslizamiento activo, localice almenos un sondeo hasta la pendiente o el talud del áre adeslizante.
Presas y estructuras de retención de agua.
Separación de sondeos prelimiares aproximadamente 61 m en toda el área de cimentación. Disminuyendo el espaciamiento en el centro de 30.5 m para sondeos intermedios. Incluyendo sondeos debajo de la localización, lugares crítios de empotramiento, en el vertedero y obras de desfogue.
75
Tabla B.36. Criterios generales para definir el número, espaciamiento y la profundidad de sondeo (U.S. Army Corp, 2001).
TIPO DE ESTRUCTURA
ESTRU CTU RA D EL TRANVIA RÍGIDA
NÚM ERO Y ESPACIAM IENTO DE SOND EOS
1 sondeo por cada 230 m²
(1)
de área.
PROFU ND ID AD D EL SOND EO 1-1/2 veces la dimension mínima de la zapata debajo de la base de cimentación. Pilotes de cim entación - 1-1/2 veces la dimension m ínima de la cim entación prelim inar localizada a 2/3 de la profundidad esperada de la prueba del CPT.
COM EN TA RIOS Suelos cohesivos
Suelos no cohesivos -obtener m uestreo inalterado (si es posible) o llevé acabo un sondeo in situ SPT. Suelos cohesivos
M ínimo un sondeo por cada estribo/pie
1-1/2 veces la dimension mínima de la zapata debajo de la base
Tamaño de estribo <250 m ² m ínimo 5 muestras inlalteradas continuas en cada pies.
Pilotes de cim entación - 1-1/2 veces la dimension m ínima de la cim entación prelim inar localizada a 2/3 de la profundidad esperada de la prueba del CPT.
PU ENTE ATIRANTADO CONTINUO
D IQU ES
Altura del dique = 3 a 6 m; espaciam iento en intervalos de 300 m. Profundidad del sondeo - 6 m . Altura del dique = 6 a 12 m ; espaciamiento en intervalos de 230 m . Profundidad del sondeo - por lo m enos igual a la altura del dique. Altura del dique = 12 a 18 m; espaciam iento en intervalos de 150 m . Profundidad del sondeo - por lo m enos igual a la altura del dique.
PRESAS DE TIERRA
Ver columna de com entarios
Profundidad por lo menos igual a la altura de la cortina o dos veces la carga máxim a, dibuje la línea superior de la zona impermeable.
CARRETERAS
Use una cuadricula de 60 m de espaciamiento. Para cada 2 vías de la carretera: 1 sondeo por 150 m a lo largo del eje y a cada cam bio principal del estrato del suelo. Para varias vías de la carretera: 1 sondeo por 75 m a lo largo del eje; el sondeo puede ser alternado.
M áxim a profundidad del nivel freático o la profundidad del equipo de trabajo. Para excavaciones y nivel de terreno: 3 m debajo la rasante terminada. Para terraplenes com pactados: aplicar los requerimientos para diques. Para roca: Extender 0.75 m dentro de la roca.
AEROPU ERTOS
Ver columna de com entarios.
Ver columna de comentarios.
CASAS
Un sondeo por cada 800 m ² en una nueva subdivisión. Un sondeo por cada lote (terreno).
H asta la roca sana o hasta 4.5m por lo menos.
(1)
-Tamaño de estribo < 50 m² muestreo continuo inalterado por cada estribo. -Tamaño de estribo < 50 a 100 m ² 2 m uestreos continuos inalterados por cada estribo.
-Tamaño de estribo < 100 a 250 m², 4 muestreos continuos inalterados por cada estribo. -obtener m uestreo inalterado o sondeos de acuerdo a los suelos Suelos no cohesivos cohesivos. -Trazo de la form ación para cada estribo. Roca sana -En duda de la calidad de la roca, perforar por lo menos 6 m dentro de form ación. Suelos cohesivos
- muestreo continuo inalterado.
Suelos no cohesivos - muestreo continuo inalterado o sondeos localizados a lo largo del eje de la estructura propuesta. Investigación prelim inar - el esfuerzo m áxim o ocurre aproximadam ente en el punto m edio del talud entre el eje y el pie de la estructura propuesta. Establezca una cuadrícula aguas arriba y aguas bajo del punto m edio del eje de la presa en una cierta dirección respecto al centro de la misma. - trazar los lím ites de los diferentes estratos, por ejem plo arena. - tratar plantas de poder, vertedero y otra estructura de control com o estructuras de marco rígido. - obtener datos adecuados de la superficie para definir al apoyo. Obtención de la permeabilidad y m ediciones de la presión de poro in situ . Investigación primaria
Suelos cohesivos Suelos no cohesivos EXCAVACIÓN PARA PRESTAM O
-muestreo continuo inalterado en los primeros 3 m. -muestreo intercalado en intervalos de 1-1/2 a 3 m. -muestreos después de cada cam bio de estrato del suelo.
- m uestreo continuo inalterado. - m uestreo continuo inalterado o sondeos.
M uestras alteradas son satisfactorias; puede usar barrena para obtener muestras. Suelos cohesivos
- muestreo continuo inalterado.
Suelos no cohesivos
- muestreo continuo inalterado o sondeos.
Investigación prelim inar - localizé los sondeos en una cuadricula a intervalos 300 m de lado, a la profundidad de 6 m. Las muestras pueden estar alteradas. - pista de aterrizaje - situe dos líneas de perforación en una cuadricula de 30 m por lado, sobre el eje de la pista y Investigación primaria perfore a profundidad de 6 m en suelo y/o 1.5 m en roca. - pista de rodaje -localizé los sondeos a intervalos de 60 a 76 m a lo largo del eje a la profundidad de 6 m. - faja de estacionam iento (frente a los angares) - localizé sondeos de 60 a 75 m en una cuadrícula a la profundidad de 6m. Obtener m uestras a intervalos de 1.5 m utilizando técnicas de m uestreo inalterado para suelos cohesivos o técnicas de m uestreo inalterado para suelos no cohesivos.
1m= 3.28pies; 1m²=10.76 pies²
76
La distancia entre sondeos puede ser sumamente variable en el caso de obras de gran extensión, por ejemplo, si las condiciones geológicas son muy favorables en una línea de transmisión basta con un sondeo para cada torre de ataque. Sin embargo; en condiciones desfavorables, puede ser necesario estudiar con atención zonas reducidas en donde se conozca la ocurrencia de derrumbes, deslizamientos, creep (CFE, 1979). Actualmente se puede recurrir a la geoestadística para reducir el número de sondeos en sitios donde anteriormente se ejecutaron estudios. Si el sitio por investigar se localiza cercano al área donde se tiene información geológica y geotécnica, se puede hacer uso de esta técnica. Sin embargo, no es válido consideraría a como un sustituto para la realización de sondeos. En todo caso, la geoestadística puede usarse para orientar y en algunos casos, precisar y definir, la magnitud de un programa de exploraciones geotécnicas y sus alcances. Tabla B.37. Recomendaciones para definir el programa de exploración.
INVESTIGACIÓN PARA:
Sitios inexplorados de gran extensión Sitios con suelos blandos de gran espesor Estructuras grandes cimentadas en zapatas aisladas cercanas entre sí
Almacenes de gran área para cargas ligeras
NÚMERO Y LOCALIZACIÓN DE SONDEOS
PROFUNDIDAD MÍNIMA DEL SONDEO (d)
a = 0.1A 30 < b < 60m b = 15 m y en sitios de concentraciones de cargas
n = 5, 4 en las esquinas y 1 en el centro. Intermedios si son necesarios para definir la estratigrafía
d = 10 m, o hasta que el incruento en el esfuerzo vertical sea menor de 0.1 del esfuerzo vertical impuesto por la estructura, o d = cB (1 < c < 2)
Cimentaciones rígidas aisladas con área 250 < A < 100 m²
n = 3, 2 en el perímetro y en el centro. Intermedios si son necesarios para definir la estratigrafía
Cimentaciones rígidas aisladas con área 250 < A < 100 m²
n = 2 en esquinas opuestas, Intermedios, si son necesarios para definir la estratigrafía
a b n A d B
área tributaria máxima por sondeo, m² espaciamiento entre sondeos, m número de sondeos área de la cimentación, m² profundidad mínima de sondeo a partir de la profundidad de desplante de la cimentación, m ancho de la cimentación, m
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1.2.5.3.2 Determinación de la profundidad del sondeo La profundidad de los sondeos dependerá de la función y características de la obra proyectada, así como del incremento de esfuerzos en el suelo causado por las cargas de cimentación. Por otra parte, el espaciamiento dependerá de la variabilidad del suelo, de las condiciones del sitio, del tipo de proyecto, de los requerimientos de ejecución, experiencia y juicio. Por lo tanto, se hace necesario realizar un mayor número de sondeos cuando existe una baja correlación estratigráfica o reducir el espaciamiento de los mismos para sitios que no han sido explorados anteriormente. Los sondeos a realizar en el sitio de estudio, se llevarán a una profundidad que penetre la zona del suelo o de la roca afectada, por los cambios causados por la estructura o futura construcción. El diseño de un plan de exploración adecuado, dependerá finalmente del criterio del ingeniero geotecnista, apoyado en los criterios técnicos que se encuentran en la literatura, los cuales se enumeran a continuación. 1. Para investigar si la estructura a construir no sufrirá asentamientos excesivos, es preciso efectuar por lo menos, un sondeo hasta una profundidad mayor que 1.5 veces el ancho de la superficie rectangular cargada. La teoría de Boussinesq demuestra que a tal profundidad los esfuerzos netos normales inducidos en el suelo son del orden de 0.1 veces la sobrecarga impuesta. 2. Si la superficie cargada es irregular, resulta apropiado determinar la distribución de incrementos de esfuerzos verticales inducidos por la carga, a lo largo de una vertical que pase por el centro del área cargada. Tal incremento, a la profundidad máxima de exploración, no debe sobrepasar el 10 por ciento del esfuerzo vertical inicial a esta misma profundidad, figura B.32. 3. Otro criterio que se podría utilizar, es llevar el sondeo a una profundidad tal que el incremento del esfuerzo neto del suelo, bajo el peso de la estructura sea menor del 10% de la carga aplicada, o menos del 5% del esfuerzo efectivo del suelo a esa profundidad. Una reducción en la profundidad del sondeo se podría considerar si se encuentra roca o suelo duro a menor profundidad que la mínima, teniendo en cuenta una penetración en el estrato competente de al menos 3.0 m. 4. La profundidad mínima del sondeo no debe ser menor de 6m, a menos que se localicé un estrato rocoso o material denso superficial. En el caso de localizar un estrato de roca o boleos, se deberá penetrar 3 m o más para confirmar la continuidad de dicho estrato. 5. No todos los sondeos deben estar a la misma profundidad desde la superficie. Los sondeos intermedios pueden proveer información adecuada para cimentaciones ligeramente cargadas. 6. En proyectos en donde el mecanismo potencial de falla sea un deslizamiento por cortante de los materiales, se recomienda llevar los sondeos hasta una profundidad mayor de aquella donde ocurren los máximos esfuerzos cortantes. Tal profundidad es igual a 1.25 L para cortes y L para presas de tierra, siendo L la proyección horizontal del talud, figura B.33. 7. En el caso de excavaciones profundas, la estabilidad de los cortes es el factor predominante. Por este motivo, se recomienda llevar los sondeos hasta una
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profundidad igual al ancho del fondo de la excavación, medida a partir de dicho fondo, figura B.34. 8. Si se trata de túneles, la profundidad de exploración deberá alcanzar por lo menos el nivel de la parrilla del túnel. En casos de topografía muy accidentada en el que diversas condiciones impidan o hagan impracticable la ejecución de perforaciones desde la superficie del terreno, es aconsejable realizar perforaciones desde el frente de ataque del túnel, a fin de conocer de antemano las condiciones de las rocas que van a ser excavadas; en ocasiones estas perforaciones se hacen en abanico. 9. La permeabilidad de los materiales del subsuelo también puede ser un factor decisivo, como en el caso de las presas. Se recomienda entonces seguir el criterio de Lugeon: para presas mayores de 30 m, se prolongarán los sondeos hasta encontrar materiales de permeabilidad inferior a una unidad Lugeon (unidad Lugeon es la permeabilidad que permite la admisión de 1 litro de agua por minuto y por metro lineal de sondeo, a una presión de 1 kPa (10 kg/cm²)). Tratándose de roca sana, se recomienda que las perforaciones penetren en ella por lo menos 5 m. Si en un caso particular pueden aplicarse varios criterios debe preferirse el más exigente. Los sondeos se orientarán, por lo general, según la vertical. Se recomienda utilizar sondeos horizontales o inclinados, para explorar valles sepultados, las zonas de falla o el subsuelo de estructuras existentes (CFE, 1979). En la tabla B.38, se muestran los requerimientos sugeridos para escoger la profundidad del sondeo.
A
A' h
Plano de cimentación
Corte A-A'
Superficie del terreno Incremento de esfuerzos verticales
Profundidad mínima de exploración, D, en m.
h
Δσ z=incremento de esfuerzos verticales inducidos por la carga de la estructura
0.1x σ z =10% del esfuerzo vertical inicial en el suelo
Profundidad en m
Figura B.32. Profundidad mínima de exploración para cimentaciones.
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Tabla B.38. Lineamientos para definir la profundidad del sondeo (U.S. Army Corp, 1986).
ÁREAS POR INVETIGAR
PROFUNDIDAD DEL SONDEO.
Estructuras largas con cimientos estrechamamente espaciados.
La profundidad del sondeo donde el incremento de esfuerzo vertical para la combinación de cimentación es menor del 10% de esfuerzo efectivo de la sobrecarga .
Cimentaciones aisladas rígidas.
La profundidad hasta donde el esfuerzo vertical sea de 10% de la presión de la carga superficial. Generalmente todos los sondeos deben extenderse no menos de 9.2 m debajo de la cimentación a menos que se localicé roca a una profundidad superficial.
Muros de contensión y muros para muelles.
Profundidad debajo de la línea de dragado: entre 3/4 y 1-1/2 veces la altura del muro. Donde la estratificación indique la posible profundidad de estabilidad del problema, el sondeo seleccionado deberá alcanzar el estrato resistente.
Estabilidad del talud.
Llevar el sondeo hasta una elevación debajo de la falla activa o potencial en la superficie y dentro del estrato duro, o a una profundidad tal que intercepte la superficie posible de falla.
Cortes profundos.
Profundidad entre 3/4 y 1 vez la dimensión de labase del corte angosto. Donde el corte está por encima del nivel de aguas freáticas de materiales estables, a profundidades de 1.21 y 2.44 m bajo la base.
Terraplenes altos.
La extensión de la profundidad entre 1/2 y 1-1/4 veces la longitud horizontal del lado de talúd en cimentaciones relativamente homogéneas.
Presas y estructuras de retención de agua.
Profundidad igual a la mitad del ancho de la base de la presa de tierra o 1-1/2 veces la altura mínima de la presa de concreto, en cimentaciones relativamente homogéneas. Los sondeos pueden terminarse después de penetrar 3.0 a 6.0 m dentro de estratos resistentes o impenetrables o antes si la continuidad de estos estratos es conocida.
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L
H
D
2L 2L
D
2L
H D
L=Longitud horizontal del talud H=Altura del talud D= Profundidad mínima de exploración =1.25L
Figura B.33. Profundidad mínima de exploración para cortes, rellenos y presas de tierra.
1.2.6 Tipo de Muestras y Procedimientos de Muestreo 1.2.6.1 Tipos de Muestras Las muestras que se pueden extraer en campo, por métodos manuales o mecánicos, pueden ser alteradas o inalteradas. Los procedimientos de muestreo son las técnicas que se aplican para obtener especímenes alterados o inalterados de diferentes profundidades del subsuelo, con los que posteriormente se realizan pruebas de laboratorio para conocer sus propiedades índice y mecánicas.
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1.2.6.1.1 Muestras alteradas Son muestras cuyo acomodo estructural se pierde a consecuencia de su extracción; se utilizan en el laboratorio para clasificar e identificar suelos, para realizar pruebas índice y para preparar especímenes compactados para someterlos a pruebas mecánicas.
1.2.6.1.2 Muestras Inalteradas Todo procedimiento de muestreo induce alteraciones en el suelo. En el muestreo inalterado se procura que las afectaciones al acomodo estructural del suelo sea el menor posible. Estas muestras se utilizan en el laboratorio para identificar el tipo de suelo a que corresponden, realizar pruebas índice y mecánicas.
B D
D=B
D= profundidad mínima de exploración. B= ancho del fondo de la excavación.
Figura B.34. Profundidad mínima de exploración para excavaciones
1.2.6.2 Calidad de las Muestras 1.2.6.2.1 Muestras alteradas Las muestras alteradas se pueden clasificar como muestras representativas y muestras no representativas (Hvorlev, 1949). Muestras no representativas Estas muestras consisten en una mezcla de suelo y fragmentos de roca de diferentes tamaños, con pérdida de finos. Su uso debe limitarse a la obtención de parámetros de clasificación de suelos y no es recomendable en la investigación de sitios. Estas muestras se obtienen por medio de perforaciones con percusión y lavado o usando algunos tipos de broca.
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Muestras representativas Son aquellas que han sido removidas o cuyo contenido de agua pudo haber cambiado durante el muestreo, sin haber sido alteradas químicamente o contaminadas con partículas de otros estratos. Estas muestras pueden ser obtenidas con broca, con muestreador de tubo partido, con tubos de pared delgada o de pared gruesa. En laboratorio, este tipo de muestra se debe emplear para determinar contenidos de agua, límites de Atterberg, gravedad específica, análisis granulométrico y ensayos de compactación.
1.2.6.2.2 Muestras Inalteradas Durante la extracción de muestras inalteradas con métodos mecánicos, hay varios factores críticos que pueden ocasionar la alteración de la misma (Hvorslev, 1949), como son: la relación de áreas, la fricción entre el tubo muestreador y el suelo, la relación entre la longitud y el diámetro de la muestra, la técnica de muestreo, el alivio de esfuerzo y los errores en el recobro de muestras (U.S. Army Corp, 2001). Una muestra se considera como alterada o como inalterada dependiendo de los valores que adopten los siguientes parámetros, todos ellos relacionados con la geometría de la muestra: La relación de áreas, debe controlarse para reducir las fuerzas normales y de fricción. Este parámetro se define como la relación entre el volumen desplazado del suelo sobre el volumen de la muestra:
Dw2 − De2 ………………(Ecuación B.1) Ca = De2 En donde, Dw= Diámetro externo de la zapata de corte. De= Diámetro interno de la zapata de corte. La relación de la compensación interna, Ci, está asociada con la reducción en la fricción entre la pared del muestreador y la muestra de suelo, la cual se logra reduciendo ligeramente el diámetro de la muestra, con respecto a diámetro interno de la zapata de corte o del muestreador Shelby.
Ci =
D s − De ………………. (Ecuación B.2) De
En donde: Ds= Diámetro interno del tubo muestreador. La relación de compensación externa, Co, esta relacionado con la disminución de los efectos en la muestra de la fricción externa en el tubo durante el hincado. Esta fricción de la pared del tubo, se puede transmitir a la muestra por el suelo remoldeado que se aloja al final del muestreador, produciendo una falla por capacidad de carga, que deja la muestra en condiciones no aceptables.
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Co =
Dw − Dt ………………….. (Ecuación B.3) Dt
En donde, Dt= diámetro exterior del tubo muestreador. Otro aspecto que se debe controlar, es la geometría de la punta del muestreador o de la cabeza de corte según el caso, la cual se puede observar en la figura B.35 y la tabla B.39.
PUNTA DE CORTE EN ÁNGULO
Figura B.35. Diámetro externo e interno de muestreadores para muestras inalteradas. En la siguiente tabla se indican las tolerancias para los distintos parámetros que deben cumplir los muestreadores para la extracción de muestras inalteradas: Las muestras inalteradas de la más alta calidad, son cúbicas, obtenidas de forma manual desde pozos a cielo abierto, zanjas o trincheras. Con los métodos de exploración profunda, se pueden obtener también muestras de buena calidad pero que han sufrido una pequeña alteración (US Army Corp, 2001). En laboratorio, las muestras inalteradas se emplean para ensayes de resistencia al esfuerzo cortante, pruebas dinámicas, compresibilidad y permeabilidad.
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Tabla B.39. Parámetros admisibles que deben cumplir los muestreadores para muestras inalteradas (Hvorslev, 1949). Parámetro Ca
Ci
Descripción Relación de área
⎛ Volumen de suelo desplazado ⎞ ⎜⎜ ⎟⎟ ⎝ Volumen de la muestra ⎠ Relación de compensación interna (control de la fricción externa)
Relación Longitud – Diámetro
Co
Valor tolerable < 10% 0.5% – 2% muestras de longitud media (90 cm a 100 cm de longitud). > 2% muestras largas (mayor a 100 cm de longitud). 5 – 10 suelos no cohesivos. 10 – 20 suelos cohesivos.
Relación de compensación externa (control de la fricción interna)
Suelos cohesivos 2% – 3%.
Velocidad de hincado
15 a 30 cm/seg.
Suelos no cohesivos 0%.
A continuación se presenta una tabla con las diferentes causas de alteración en muestras de suelo antes, durante y después del muestreo (U.S. Army Corp, 2001). Tabla B.40. Causas de alteración del suelo. ANTES DEL MUESTREO Empuje en la base Tuberías Cavidades Expansión Esfuerzo de alivio Desplazamientos
DESPUÉS DEL MUESTREO Cambios químicos Falla en la recuperación Migración de agua Mezcla o segregación Cambios en el contenido de Remoldeo agua. Esfuerzo de alivio Esfuerzo de alivio Desplazamientos Piedras a los largo del Congelación Vibración borde de corte. Alteración causada durante la extrusión. Alteración causada durante el manejo y transporte. Alteración causada debido al almacenamiento. Alteración causada durante la preparación de la muestra. DURANTE EL MUESTREO
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1.2.6.3 Muestreo Alterado 1.2.6.3.1
Método Manual
La obtención de muestras representativas alteradas de cualquier tipo de suelo localizado arriba o abajo del nivel freático puede hacerse con herramientas de mano, mediante pozos someros de pequeño diámetro, pozos excavados a cielo abierto, cortes o zanjas. La limitación de este método radica en su baja velocidad de avance y en que sólo se pueden alcanzar, eficientemente y con seguridad, profundidades someras (menos de 10 m). Las herramientas de tipo barreno y la pala posteadora, tienen como desventaja que se obtienen muestras contaminadas por el suelo de otras capas, aunque su principal uso debe limitarse a identificar los cambios de estrato. Este método se emplea para la obtención de muestras representativas de pozos a cielo abierto, cortes y zanjas, en la etapa de exploración preliminar, con el fin de obtener muestras para ensayos de clasificación que podrán ser correlacionadas con el resultado de estudios geofísicos o de penetración con cono. También se utiliza para obtener muestras de bancos de préstamo de material (PEMEX, 2001). Equipo Cuando el muestreo se hace en perforaciones de pequeño diámetro (máximo 10 cm), se requieren herramientas manuales de perforación, como la pala porteadora (Figura B.36) y barrenos de mano tipo Iwan (Figura B.37), barrenos tipo barril, barrenos helicoidales o barrenos tipo cubo (Figura B.38, Figura B.39 y Figura B.40) (Hvorslev, 1949). Cuando el muestreo se hace en zanjas o pozos a cielo abierto se utilizan picos y palas para la excavación y espátulas para el muestreo. Podría requerirse ademar las paredes de la excavación y contar con bombas para extraer el agua en sondeos que se lleven abajo del nivel freático. Operación Las muestras que se pueden obtener en pozos hechos con herramienta de perforación manual, como pala posteadora o brocas helicoidales, están conformadas para pequeños fragmentos que se rescatan a medida que progresa la excavación; estas muestras se conservarán en bolsas de polietileno o frascos de vidrio. Las muestras que se obtengan de pozos a cielo abierto o zanjas podrán tomarse de las paredes y del fondo; debe eliminarse el material superficial contaminado y tomarse la muestra de suelo recién descubierto. El tamaño de la muestra depende de las pruebas que se realizarán; para un sondeo convencional, las muestras deben ser de 0.5 kg; para estudiar el suelo como material de préstamo se deben tomar muestras de 10 kg de los estratos explorables o una muestra integral de 30 kg, obtenida de una ranura vertical lateral hecha en el pozo o corte; se elige el criterio de muestreo acorde al método de exploración del banco. Las muestras se colocarán en bolsas de polietileno. Registro de datos Cuando el muestreo se hace con herramienta manuales de perforación, se podrá utilizar el registro propuesto en el numeral 1.2.4.5 para recopilar la información. Cuando se trate de pozos a cielo abierto se utilizará el registro de la figura B.30.
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Pala posteadora
Barrena helicoidal
Figura B.36. Herramienta manual de perforación.
Figura B.37. Fotografía de un barreno de mano tipo Iwan.
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(a)
(b)
Figura B.38. Barrenos de tipo barril (a) Vicksburg sólido y partido, (b) McCart partido.
(a)
(b)
Figura B.39. Barrenos helicoidales (a) de trayectoria corta, (b) de trayectoria continua.
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Manija cerrada
Manija abierta
Bisagra de cierre
Aquí se toma la muestra
Bisagra
Material cayendo
SIN TAPA FONDO CERRADO FONDO ABIERTO
a. PARA MATERIAL COHESIVO Manija cerrada
Manija abierta
Sobre tamaños ruedan por fuera de la pila. Tapas instaladas (Se abre para dejar entrar el material y se cierra para ser retirado del pozo).
Se escoge una muestra representativa de la parte superior de la pila. FONDO ABIERTO
FONDO CERRADO
b. PARA MATERIAL GRANULAR
Figura B.40. Barreno tipo cubo.
1.2.6.3.2
Muestreadores hincados a presión
Este tipo de muestreador se hinca por presión en el suelo sin rotación, con el fin de obtener muestras alteradas en la mayoría de suelos. Los tubos hincados a presión son de dos clases, muestreadores de tubo abierto y muestreadores con pistón. La ventaja del uso de muestreadores de tubo abierto, es la simplicidad y economía de la operación, pero se pueden obtener muestras no representativas cuando no hay una limpieza adecuada de la perforación o por el colapso de las paredes del sondeo (U.S. Army Corp, 2001). A continuación se describe cada uno de estos tipos de muestreadores. 1- Muestreador de tubo abierto Estos pueden ser de pared gruesa o de pared delgada. Se colocan fijos por su cabeza a la tubería de perforación, y admite el suelo una vez la punta del tubo entra en contacto con el suelo. Estos pueden tener una válvula en la cabeza para crear vacío y asegurar la retención de la muestra y evitar la entrada del lodo de perforación durante la extracción del tubo. Otros aditamentos adicionales para estos muestreadores es la colocación de una zapata de corte y una rejilla para retener la muestra (U.S. Army Corp, 2001).
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Los muestreadores de pared delgada son ideales para obtener muestras alteradas en suelos cohesivos de consistencia media a firme, pero no es posible la obtención de muestras en suelos duros, cementados o muy gravosos, o aquellos muy blandos o húmedos que no pueden ser retenidos dentro del muestreador. Los muestreadores de pared gruesa, en cambio, pueden ser utilizados para la extracción de muestras alteradas en todo tipo de suelo, tanto arriba como por debajo del nivel freático. Estos pueden ser enteros o partidos longitudinalmente y asegurados en un extremo por medio de la zapata de corte y el otro extremo por el cabezal. También se le adapta un retenedor tipo canasta en la punta de la cabeza de corte (U.S. Army Corp, 2001). 2- Muestreador de Pistón Este tipo de muestreadores se utiliza para la extracción de muestras alteradas en la mayoría de suelos. El pistón hace la función de un tapón retráctil, el cual es liberado cuando se alcanza la profundidad deseada de muestreo (U.S. Army Corp, 2001). 3- Muestreador de Tubo partido El muestreador de tubo partido, es una herramienta para obtención de muestras alteradas a percusión y a profundidades mayores de las que alcanza el método manual. Para su utilización en la prueba de Penetración Estándar (volumen B.2.3 “Pruebas de campo para determinar propiedades de los suelos”), se requiere de una máquina perforadora y del uso de un penetrómetro estándar. El muestreador utilizado consiste, de acuerdo a la norma ASTM D 1586-99, en un tubo de diámetro interno el cual esta partido en dos de forma longitudinal, con una cabeza de corte fabricada de acero templado la cual puede ser reemplazada o reparada cuando se distorsiona o se abolla la punta. Este muestreador puede tener incorporado un retenedor de tipo canasta en la punta y en su cabezal una esfera que hace las veces de válvula de vacío para la retención de la muestra. El diámetro interno del muestreador es constante y de 35 mm aproximadamente. Se pueden fabricar de longitud efectiva variable entre 0.457 a 0.762 m, como se puede observar en la Figura B.41. Este equipo es ideal para la extracción de muestras alteradas en casi todo tipo de suelo, excepto en los suelos gravosos o pedregosos.
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ZAPATA ABIERTA
TUBO
CABEZA
ESFERA
PASADOR CILÍNDRICO
ORIFICIO DE VENTILACIÓN (2 de 3/8” de diámetro)
A= 25 a 50 mm. B= 0.457 a 0.762 m. C= 34.93 ± 0.13 mm. D= 38.1 ± 1.3 – 0.0 mm. E= 2.54 ± 0.25 mm. F= 50.8 ± 1.3 – 0.0 mm. G= 16.0º a 23.0º
Figura B.41. Muestreador de tubo partido (ASTM D 1586-99). 4- Muestreadores vibratorios Este tipo de muestreador se utiliza para la obtención de muestras alterada representativas de materiales friccionantes saturados, como limos y arenas finas, en playas o depósitos deltaicos en los cuales otros métodos convencionales son poco efectivos (U.S. Army Corp, 2001). El método de muestreo consiste en aplicar vibración o energía de oscilación al tubo muestreador, con ayuda de un martillo de percusión o por una máquina hidráulica. Para hacer esta operación se requiere de un trípode para soportar la tubería durante el muestreo y la extracción de la misma. La oscilación del tubo muestreador induce presión de poro positiva, lo que origina una reducción en los esfuerzos efectivos dentro del material muestreado. En la Figura B.42 se observa un ejemplo de este tipo de muestreador.
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Figura B.42. Fotografía de un muestreador vibratorio portátil.
1.2.6.4 Muestreo inalterado 1.2.6.4.1 Método Manual La obtención manual de muestras inalteradas, permite obtener las muestras con la menor alteración posible. Puede aplicarse en suelos finos; en los granulares sólo es aplicable en aquellos que tengan un contenido de finos tal que les impongan una pequeña cohesión. La limitación de este método radica también en su baja velocidad de avance y en que sólo se puede utilizar en profundidades someras (menor a 10 m). Consiste en labrar con herramienta de mano, muestras cúbica de 30 cm de lado. Con este método se pueden obtener muestras que conserven el acomodo estructural de las partículas de suelo, de pozos a cielo abierto, cortes o zanjas. Las muestras se protegen con un forro de manta de cielo impregnado con parafina y brea.
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Equipo Para el labrado de muestras de suelos blandos se requieren espátulas, para los duros un cincel ancho y un martillo ligero. Para la protección de la muestras manta de cielo, brochas y parafina con brea y una estufa portátil. Además, disponer de etiquetas de identificación de muestras. Operación Se limpia, se nivela y se enraza una superficie horizontal de 50 cm de diámetro, en cuyo centro se marca un cuadrado de 30 cm de lado. Luego, se coloca encima manta de cielo que se impregna de parafina y brea caliente, aplicándolas con la brocha. Enseguida se labran dos de los lados verticales, que se protegen con la manta impregnada de parafina y brea. Se continúa con los otros dos lados, protegiéndolos también y se corta la superficie de base de la muestra. Una vez que se corta la muestra, se voltea y se protege de la misma forma que los demás lados. Por último, se refuerzan los vértices de la muestra con cintas de manta impregnadas de parafina. El procedimiento se representa en la figura B.43. Si el suelo es muy blando, colocar una caja protectora conviene antes de cortar la base de la muestra.
Figura B.43. Procedimiento de obtención de muestras cúbicas. Registro de datos La información de los pozos a cielo abierto se recopilará en el registro propuesto en el numeral 1.2.4.5.
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Protección y transporte de muestras En el numeral 1.2.7, se describen los cuidados que requieren las muestras inalteradas para su conservación y transporte.
1.2.6.4.2 Muestreadores hincados a presión Este tipo de muestreador es el más utilizado para obtener muestras inalteradas de suelos finos blandos a semiduros, sin gravas, localizados arriba o abajo del nivel freático. Los muestreadores hincados a presión, pueden dividirse en dos grupos: muestreadores de tubo abierto (shelby) y muestreadores de pistón. El tubo Shelby, con un diámetro mínimo aceptable de 7.5 cm, por ser un tubo abierto, tiene como desventaja que puede introducirse suelo antes de llegar a la profundidad de muestreo, aspecto que se puede controlar con la utilización de muestreadores de pared delgada con pistón interno. Los muestreadores de pared delgada con pistón, además, tienen la ventaja de que mantienen la forma cilíndrica de la muestra mientras el suelo penetra en el muestreador, pero su desventaja es el incremento de los costos de perforación (U.S. Army Corp, 2001). Los muestreadores hincados a presión se dividen en dos grupos, los muestreadores de tubo abierto y los muestreadores de pistón. 1- Muestreador de tubo abierto – tubo Shelby Dentro de los muestreadores de tubo abierto existen dos categorías, los de pared gruesa y los de pared delgada. Sin embargo, los muestreadores de pared gruesa no cumplen la relación de área de Hvorslev y por lo tanto no se pueden obtener muestras inalteradas de buena calidad. Por este motivo, dentro de esta categoría, se tratará solamente los tubos de pared delgada Shelby para la obtención de muestras inalteradas. El tubo de pared delgada o Shelby es un tubo liso afilado, usualmente de 7.5 a 10 cm de diámetro, que se hinca a presión para obtener muestras relativamente inalteradas de suelos finos blandos a semiduros, sin gravas, localizados arriba o abajo del nivel freático. Características Este muestreador está constituido por un tubo de acero o latón, con el extremo inferior afilado y unido por una cabeza superior, a una columna de tubos de perforación. Estos a su vez, están unidos en el otro extremo a la máquina de perforación, la cual empuja al muestreador desde la superficie. En la figura B.44, se presenta este muestreador con los dos tipos de unión tubo – cabeza usuales; el primero con tres tornillos allen y el segundo con cuerda, que ha mostrado ser más confiable en el primero aun operando en suelos duros (PEMEX, 2001). La cabeza tiene perforaciones laterales y una válvula esférica de pie que abre durante la etapa de muestreo. Las perforaciones permiten el alivio de la presión al interior del tubo y la válvula tiene como función, una vez se cierra, de proteger a la muestra de las presiones hidrodinámicas que se generan durante la extracción del muestreador.
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La figura B.45. Corresponde a un muestreador de 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 esta barra desliza la pieza a la que se fija el tubo muestreador y que tiene agujeros para el drenaje del fluido de perforación del interior del tubo. En las figuras B.44 y B.45, se anotan la dimensiones que necesariamente deben satisfacer estos muestreadores para los diámetros usuales de 7.5 y 10.0 cm (Hvorslev, 1949 y ASTM D 1587-00). Por lo regular, estos presentan un espesor máximo de pared de 1.5 mm y una longitud de 90 cm (PEMEX, 2001).
Figura B.44. Muestreador de pared delgada.
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Figura B.45. Muestreador de válvula deslizante.
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El procedimiento de afilado del tubo debe ser lo suficientemente preciso para que se obtengan tubos con las dimensione especificadas en la figura B.35. Hvorslev (1949), describe dos métodos para esta operación; el más sencillo consiste en afilar primero el tubo en un torno y después con un bloque para doblar, darle la forma de la figura B.35. Otro cuidado que se debe tener con este muestreador, es el de pintarlo para reducir el fenómeno de corrosión de la lámina, el cuál induce cambios fisicoquímicos al suelo muestreado. Condiciones geométricas 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 Hvorslev fundamentar las relaciones de áreas y diámetros que deben satisfacer estos muestreadores para asegurar un buen funcionamiento, y se resumen en la tabla B.39. Además de acuerdo al tipo de suelo que se desea muestrear, se debe prestar particular atención al cumplimiento de la relación de compensación interna. Por ejemplo, para suelos cohesivos y ligeramente expansivos se requieren relaciones mayores que para suelos poco cohesivo o friccionantes (U.S. Army Corp, 2001), pero dentro de los rangos estipulados en la tabla B.39. En la figura B.45 se muestra un diagrama de la operación de muestreo usando tubo Shelby. Operación El muestreador Shelby se hinca, con velocidad constante entre 15 y 30 cm/s, una longitud 15 cm menor a la del tubo, para dejar espacio donde alojar los azolves que pudieran haber quedado dentro del tubo mismo. Después del hincado, se deja en reposo durante 0.5 min para que la muestra se expanda en su interior y aumente su adherencia; enseguida se corta la base de la muestra girando dos vueltas el muestreador y se procede a sacarlo al exterior, donde se limpia e identifica, se clasifica y se protege. Registro de datos Se utilizará el registro de campo propuesto en el numeral 1.2.2, con la información que se va obteniendo durante la ejecución del sondeo; conviene utilizar abreviaturas, para simplificar la presentación; las notas al pie del registro son observaciones que se hacen durante la ejecución y que pueden ayudar en la interpretación del sondeo. Debe también anotarse la presión necesaria para hincar el muestreador y el porcentaje de recuperación de muestra que expresa cualitativamente la calidad que se alcanza en cada operación del muestreado (ecuación B.4), como se muestra en la tabla B.41.
Re c =
L *100 …………. H
(Ecuación B.4)
En donde: Rec: % de recuperación. L: longitud recuperada.
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H: longitud muestreada. Tabla B.41. Recuperación de muestras. % de Recuperación (Rec)
Calidad
100%
Excelente
80%
Bueno
50% - 80%
Malo
< 50%
Inaceptable
Protección y transporte de muestras En el numeral 1.2.7, se describen los cuidados que requieren las muestras inalteradas para su conservación y transporte. Los muestreadores deben estar limpios y bien pintados, sin tener zonas o fragmentos oxidados. Debe desecharse cualquier muestreador que no sea perfectamente circular o que muestre abolladuras. Ventajas y desventajas La utilización de los tubos Shelby tiene como ventaja la austeridad, facilidad y simplicidad de la operación. Sin embargo, en ocasiones es posible la obtención de muestras poco representativas debido a una limpieza deficiente del sondeo o colapso del mismo. Otra desventaja es la posibilidad de alteración de la muestra ya sea durante el muestreo (incremento de presión encima de la muestra) o en la extracción de la misma (disminución de presión).
1.2.6.4.3 Muestreador de pistón Los muestreadores de pistón, como su nombre lo indica, tiene incorporado un pistón interno para impedir que haya ingreso de suelo dentro del tubo muestreados antes de llegar a la profundidad de muestreo y para reducir la pérdida de muestra durante la extracción del muestreador. Hay dos tipos de muestreadores de pared delgada con pistón adecuados para muestras inalteradas: muestreador de pistón libre y muestreador de pistón fijo. El muestreador de pistón libre, se sujeta durante su inserción y extracción, pero está libre para moverse respecto al nivel del terreno y el tubo muestreador (U.S. Army Corp, 2001). Este no es recomendable para suelos cohesivos muy blandos, arenas sueltas y suelos orgánicos bajo el nivel freático (PEMEX, 2000). El muestreador de pistón fijo, se baja a la profundidad deseada con el pistón fijo en el fondo del muestreador, luego se libera de la cabeza aunque queda fijo con respecto a la superficie del terreno. Una vez extraída la muestra, el muestreador es fijado de forma relativa a la cabeza del muestreador, antes de su extracción. Este tipo de muestreador es ideal para la extracción de muestras inalteradas en suelos cohesivos muy blandos, suelos orgánicos y también en arenas finas arriba y abajo del nivel freático usando lodo de
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perforación (U.S. Army Corp, 2001), pero no son recomendados en suelos con gravas, suelo cementados o suelos de difícil penetración. Dentro de los muestreadores de pistón fijo existen dos mecánicamente, que incluyen los muestreadores Hvorslev, muestreador TGC; y los activados hidráulicamente a muestreadores Osterberg y Osterberg modificado. Las herramientas se describen a continuación.
categorías, los activados Hvorlev simplificado y el los que pertenecen los características de estas
SUPERFICIE DEL TERRENO
TUBERÍA DE PERFORACIÓN SONDEO AMPLIADO Y LIMPIO
VENTILACIÓN CABEZA DEL MUESTREADOR
TUBO MUESTREADOR MUESTRA
INICIO DEL HINCADO
MUESTRA
CAVIDAD RESULTANTE AL REMOVER LA MUESTRA.
FIN DEL HINCADO
EXTRACCIÓN
Figura B.45. Diagrama de la operación de muestreo usando tubo Shelby (U.S. Army Corp, 2001). 1- Muestreador de Pistón fijo Hvorslev Este muestreador se encuentra en la categoría de los activados mecánicamente, en el cual se utiliza un equipo mecánico de avance hidráulico para la introducción de la tubería de muestreo.
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La cabeza del muestreador se adapta a tubos de diámetros de entre 7.5 cm y 12.5 cm, que tienen adaptado un anillo y un pistón. En la figura B.46 se puede observar la sección transversal de este muestreador. Cuenta con un pistón, cuyo vástago puede ser desconectado del muestreador y retirado antes de extraer la muestra. La succión para la retención de la muestra se realiza con el mismo movimiento del pistón durante el hincado del muestreador, gracias a las ranuras de ventilación ubicadas en la cabeza del muestreador. Operación Se debe tener en cuenta, que al llegar a la profundidad de muestreo se debe hacer la limpieza del sondeo antes de introducir el muestreador. En la figura B.47, se puede observar la operación de muestreo utilizando el muestreador Hvorslev. Para comenzar la operación, se ensambla el pistón con la punta del tubo muestreador debidamente alineada. Luego se sujeta el muestreador a la tubería de perforación y al vástago del pistón y se baja el muestreador al fondo de la perforación. Entonces, la tubería de perforación se sujeta al mecanismo de avance hidráulico de la tubería, el vástago del pistón rota en dirección a las mancillas del reloj y libera el pistón, el cual se asegura a la torre de perforación. El hincado del tubo se hace de igual forma a la descrita para el tubo Shelby. Una vez obtenida la muestra, el vástago del pistón es girado en sentido contrario a las manecillas del reloj para asegurar el pistón a la cabeza del muestreador y desconectarlo del muestreador. Este puede ser sacado antes de hacer la extracción de la muestra o dejarse sujetado a durmiente cónico que se indica en la figura B.46. Registro de datos El registro de datos se realizará de igual manera a la descrita en el numeral 1.2.2. Protección y transporte de muestras En el numeral 1.2.7, se describen los cuidados que requieren las muestras inalteradas para su conservación y transporte. Ventajas y desventajas La utilización de muestreadores de pistón fijo como el Hvorslev, tiene como ventajas que se previene la entrada de escombros y la contaminación de la muestra con suelo de otros estratos durante el muestreo, además que se incrementa el porcentaje de recuperación. Por otra parte, la complejidad de la operación de muestreo y el costo de este tipo de muestreadores representan una desventaja para su utilización.
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TUBERÍA DE PERFORACIÓN EXTENSIÓN DEL PISTON
CUERDA DEL PISTÓN
COPLE CON SECCIÓN DE ROSCA CABEZA DEL PISTÓN Y TOPE DEL ACOPLE RESORTE ACOPLE CON LOMO QUE DESENGANCHA EL DURMIENTO DURMIENTE CÓNICO PARTIDO. ARAÑA PARA EL DURMIENTE CÓNICO.
CABEZA DEL MUESTREADOR VENTILACIONES
TUBO MUESTREADOR TUBO QUE INTERRUMPE EL VACÍO
PISTÓN TUERCA CORONA DEL PISTÓN CUBIERTA DE CUERO BASE DEL PISTÓN
Figura B.46. Sección transversal muestreador de pistón fijo Hvorslev.
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EMBOLO DEL PISTÓN TUBERÍA DE PERFORACIÓN
SUPERFICIE DEL TERRENO
PARED DE LA PERFORACIÓN
TUBERÍA DE PERFORACIÓN
LODO DE PERFORACIÓN
EMBOLO DEL PISTÓN
TUBO QUE INTERRUMPE VACIO INTERNO EN EL EMBOLO
DURMIENTE DEL EMBOLO MUESTRA VENTILACIÓN LODO DE PERFORACIÓN PISTÓN PISTÓN
TUBO MUESTREADOR CAVIDAD SOSTENIDA POR LODO DE PERFORACIÓN
INICIO DEL HINCADO
FINAL DEL HINCADO
EXTRACCIÓN DE LA MUESTRA
Figura B.47. Diagrama esquemático de la operación de muestreo con muestreador de pistón fijo Hvorlev (US Army Corp, 2001).
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2- Muestreador de Pistón fijo Hvorslev simplificado El muestreador Hvorlev simplificado o Butters, contiene menos partes y conexiones a tornillos, lo cual lo hace más sencillo en su utilización. Como se puede observar en la figura B.48, este muestreador está equipado con un pistón simplificado y un mecanismo de fijación y liberación del pistón. Está diseñado para diámetros de tubería de hincado de 7.5 cm adaptable a 12.5 cm. Operación Se debe tener en cuenta, que al llegar a la profundidad de muestreo se debe hacer la limpieza del sondeo antes de introducir el muestreador. Para comenzar la operación, se ensambla el pistón con la punta del tubo muestreador alineada correctamente. Luego se sujeta el tubo muestreador a la tubería de perforación y al vástago del pistón y se baja el muestreador al fondo de la perforación. Entonces, las extensiones del vástago del pistón, son sujetadas al ancla de la tubería de perforación y se gira en sentido de las manecillas del reloj para liberar el pistón, el cual se asegura a la torre de perforación. El hincado del tubo se hace de igual forma a la descrita para el tubo Shelby. Una vez obtenida la muestra, el vástago del pistón se gira en sentido contrario a las manecillas del reloj para asegurar el pistón a la cabeza del muestreador y desconectarlo del muestreador para luego ser removido antes de la extracción de la muestra con ayuda de un resorte de tensión en su parte superior y al unidad de cierre del pistón que se indica en la figura B.48. Registro de datos El registro de datos se realizará de igual manera a la descrita en el numeral 1.2.2. Protección y transporte de muestras En el numeral 1.2.7, se describen los cuidados que requieren las muestras inalteradas para su conservación y transporte. Ventajas y desventajas La utilización de muestreadores de pistón fijó como el Hvorslev, tiene como ventajas que se previene la entrada de partículas y la contaminación de la muestra con suelo de otros estratos durante el muestreo, además que se incrementa el porcentaje de recuperación. Por otra parte, la complejidad de la operación de muestreo y el costo de este tipo de muestreadores representan una desventaja para su utilización. 3- Muestreador TGC El muestreador TGC, es un tubo de pared delgada que puede operar con un pistón auxiliar. Está conformado por un tubo de acero, el cual aloja en su interior un tubo de
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aluminio cortado en segmentos. En la punta, el muestreador está provisto de una zapata de corte de acero templado. Su diseño reduce los problemas de extracción de la muestra y la corrosión de los tubos, muy comunes en los tubos delgados que normalmente se emplean. Está equipado también con una válvula muy ligera, para la salida del lodo de perforación durante el hincado del muestreador. Este muestreador puede trabajar como muestreador de pared delgada o como muestreador de pistón automático, para lo cual cuenta con un cilindro neumático con el cual se genera un cierto vacío en el cabezal de la muestra, asegurando la retención de los suelos muy blandos en el interior del tubo durante la extracción (Santoyo y Contreras, 2001). En la figura B.49, se pueden apreciar las características y dimensiones de este muestreador. Operación Se debe tener en cuenta, que al llegar a la profundidad de muestreo se debe hacer la limpieza del sondeo antes de introducir el muestreador. Su operación es similar a la de los muestreadores Hvorslev. Durante la etapa de hincado, la válvula ligera se encuentra abierta, permitiendo la salida del aire o el fluido de perforación. Cuando se termina el hincado, la válvula se cierra con ayuda de una varilla de acero de 1 a 2 m de longitud que se introduce a través de la columna de barras de perforación. Registro de datos El registro de datos se realizará de igual manera a la descrita en el numeral 1.2.2. Protección y transporte de muestras En el numeral 1.2.7, se describen los cuidados que requieren las muestras inalteradas para su conservación y transporte. Ventajas La utilización del muestreador TGC, tiene como ventajas que se previene la entrada de partículas y la contaminación de la muestra con suelo de otros estratos durante el muestreo y se incrementa el porcentaje de recuperación. Además, el tubo seccionado de aluminio, reduce las dificultades de extracción de la muestra y reducen la corrosión. Por otra parte, este muestreador puede ser construido de acuerdo con las dimensiones que se recomienda en la figura B.49, lo cual lo hace más accesible que otros muestreadores de pistón. Otra ventaja, es que puede trabajar como tubo de pared delgada hincado a presión o como muestreador de pistón. Este muestreador fue diseñado para suelos muy blandos y los mayores rendimientos se obtienen cuando se aplica en estos suelos.
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EXTENSIÓN DEL PISTÓN
TUBERÍA DE PERFORACIÓN
UNIDAD DE CIERRE DEL PISTÓN
CLAVIJA DE ACOPLE
RESORTE CABEZA DEL MUESTREADOR
GOMA LIMPIADORA
TUBO MUESTREADOR
CLAVIJA PARA LIBERAR EL VACIO
EMBOLO DEL PISTÓN CUBIERTAS DE CUERO
PISTÓN
Figura B.48. Sección transversal de un muestreador de pistón fijo Hvorslev simplificado.
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Figura B.49. Tubo muestreador TGC.
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4- Muestreador de Pistón fijo Osterberg Este tipo de muestreador se activa hidráulicamente, haciendo su operación más rápida y simple que los muestreadote activados mecánicamente ya que no requiere del vástago de extensión para el pistón. En la figura B.50, se observa un esquema de la operación de este muestreador. El muestreador Osterberg está diseñado para tubería de 7.5 a 12.5 cm de diámetro y requiere de un diseño especial del muestreador de pared delgada. No es recomendable su utilización con lodo de perforación para la extracción de la muestra, debido a que las partículas de arena suspendidas en el lodo actúan como un abrasivo que puede dañar los sellos de tipo aro sello. Por este motivo, se recomienda realizar la perforación con agua limpia, así como, enjuagar y purgar el muestreador después de cada muestreo. Existe también el muestreador Osterberg modificado, el cual utiliza un muestreador de acero de pared gruesa el cual contiene una funda interior de aluminio y está equipado con una zapata de corte. El Osterberg modificado, está diseñado con un sistema de vacío que reduce los problemas de extracción de la muestra. Este consiste en un orificio de ventilación en el tubo de pared gruesa, cuya función es cortar el sello de vacío, facilitando la remoción de la funda interna. Para sacar la muestra inalterada, se remueve la zapata de corte para extraer la funda interna. El Osterberg modificado no se encuentra disponible en el mercado, pero se puede construir para diámetros entre 7.5 y 12.5 cm. Por ser más rígido que el Osterberg convencional, resulta apropiado para el muestreo inalterado de suelos que contienen gravas finas (U.S. Army Corp, 2001). Operación Se debe tener en cuenta, que al llegar a la profundidad de muestreo se debe hacer la limpieza del sondeo antes de introducir el muestreador. Para comenzar la operación de muestreo, el pistón se alinea con la punta del tubo muestreador y fijado a la cabeza principal del muestreador. Luego se enrosca a la tubería de perforación para bajar al fondo del sondeo. La tubería de perforación se ancla a la perforadora y se bombea a presión el fluido de perforación a través de la tubería para que el muestreador avance dentro del suelo inalterado. Cuando ha penetrado toda su longitud se libera la presión por un bypass localizado al final del pistón. El avance total del pistón se comprueba observando burbujas de aire o retorno del fluido de perforación en la parte superior del lodo de perforación. Una vez obtenida la muestra, el muestreador se gira en el sentido de las manecillas del reloj, para cortar la muestra en la punta del muestreador. Luego el muestreador se retiene la posición para su extracción. Se debe tener extremo cuidado en la extracción del tubo para no perder la muestra. En la figura B.35 se puede observar un esquema de la operación con este tipo de muestreador. Registro de datos El registro de datos se realizará de igual manera a la descrita en el numeral 1.2.2.
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Protección y transporte de muestras En el numeral 1.2.7, se describen los cuidados que requieren las muestras inalteradas para su conservación y transporte. Ventajas y desventajas La utilización de muestreadores de pistón fijo como el Osterberg, tiene como ventajas que se previene la entrada de escombros y la contaminación de la muestra con suelo de otros estratos durante el muestreo, además que se incrementa la muestra. Además, por ser un muestreador activado hidráulicamente su recuperación es más rápida y fácil que los de tipo Hvorslev. Por otra parte, el muestreador de pistón fijo Osterberg, no cuenta con un control para la velocidad de ascenso de la muestra y tampoco es posible separar el pistón del tubo muestreador debido a su sistema de vacío. La complejidad de la operación de muestreo y el costo de este tipo de muestreadores, también representan una desventaja para su utilización. 1.2.6.4.3.1 Muestreadores Sueco y tipo Delft El muestreador Sueco es una versión modificada de los muestreadores de pistón fijo. Fue desarrollado para la obtención de muestras inalteradas continuas y largas en suelos cohesivos blandos (Kjellman, Kallstenius y Pager, 1950). La reducción de la fricción entre el suelo y el muestreador, se logra revistiendo progresivamente la muestra con cintas delgadas de metal, a medida que avanza el muestreador. El muestreador Sueco, consiste en una cabeza de corte fabricada con una punta filosa, la cual está fija al extremo inferior del cilindro muestreador. El extremo superior de la cabeza de corte tiene doble pared en donde se almacenan los rollos de cinta. La cinta metálica, pasa a través de una pequeña ranura horizontal localizada encima de la cabeza de corte y están fijas a un pistón ajustable suelto. Los muestreadores Suecos, se encuentran en dos diámetros diferentes. El muestreador de diámetro 6.8 cm, contiene en su cabeza 16 rollos (30 m) de cinta delgada de acero liviano, de aproximadamente 12.5 mm de ancho, en la cabeza del muestreador, mientras que la presentación de 4.0 cm de diámetro alberga 12 m de cinta. Los espesores de estas cintas metálicas varían entre 0.05 y 0.12 mm. En la figura B.51 se puede observa un esquema de este tipo de muestreador. Una variante del muestreador Sueco, es el denominado de tipo Delft, con el cual se obtienen muestras de 6.6 cm de diámetro. Este protege la muestra usando una funda plástica tubular. La longitud máxima de las muestras obtenidas es de 19 m. En la figura B.52 se observa un esquema de este muestreador.
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TIBERÍA DE PERFORACIÓN CABEZA EXTERNA DEL MUESTREADOR
CABEZA INTERNA DEL MUESTREADOR
VÁLVULA CHECADORA DE ESFERA
VENTILACIÒN DE AIRE
AGUA A PRESIÓN CILINDRO DE PRESIÓN
RECIRCULACIÒN DE AGUA
EMBOLO HUECO DEL PISTÓN
VENTILACIONES
PERFORACIÒN INTERNA EMBOLO DEL PISTÓN
PISTÓN FIJO
INICIO DEL HINCADO
TUBO DE PARED DELGADA
MUESTRA
DURANTE EL HINCADO
FINAL DEL HINCADO
Figura B.50. Esquema de operación del muestreador Osterberg.
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CADENA O CABLE DEL PISTON ESTACIONARIO QUE AYUDA DURANTE EL HINCADO DEL MUESTREADOR
TUBERÍA DE PERFORACIÓN
PISTÓN FLOTANTE
CINTA DE LÁMINA METÁLICA QUE SE DESENRROLLA A MEDIDA QUE AVANZA EL MUESTREO.
DEPÓSITO DE LA LÁMINA METÁLICA.
CABEZA DEL MUESTREADOR.
BORDE CORTANTE.
Figura B.51. Diagrama esquemático de un muestreador Sueco.
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CABLE
TUBO DE REVESTIMIENTO DE PLÁSTICO
DISPOSITIVO DE CIERRE PARA RETENER LA MUESTRA EN EL TUBO.
NYLON FORRADO Y ALMACENADO EN EL DEPÓISITO
TUBO DE DEPÓSITO
PISTON PEGADO AL CABLE Y FIJO AL DEPÓSITO
ZAPATA DE CORTE DENTADA
Figura B.52. Diagrama esquemático de un muestreados de suelo continuo tipo Delft.
111
Este tipo de muestreadores fueron diseñados para obtener muestras de mayor longitud y relaciones de diámetros, que son requeridas cuando se requiere mayor entendimiento de masas de suelo complejas y heterogéneas, como es el caso de las arcillas estratificadas, o para obtener muestras en arcillas blandas o en turbas. Operación La operación del muestreador sueco es similar a la de los demás muestreadores de pistón. A medida que se va hincando el muestreador, el pistón se retrae desde la cabeza del muestreador. En esta, se encuentra una recamara interna de la cual se desenrosca una funda deslizante. El hincado de este muestreador en el suelo, se hace sin perforación previa a una presión rápida, continua y homogénea. Durante la operación de muestreo, el pistón se mantiene estacionario en la superficie del terreno para garantizar que la cinta metálica sea empujada a la misma velocidad de penetración del tubo en el suelo. El muestreador tipo Delft, utiliza un tubo plástico tubular que soporta la muestra de suelo durante el muestreo y se cierra conforme la muestra se almacena en el tubo. De esta forma puede operar con el uso de lechada de bentonita-agua sin que se aumenten los esfuerzos in situ, por el fluido atrapado entre el muestreador y la muestra. El avance de la perforación, se realiza de manera continua con incrementos de 1.0 m de manera similar al ensayo de penetración con cono (CPT). Registro de datos El registro de datos se hará igual que al usar el muestreador Shelby, agregando la velocidad de rotación con que operó el muestreador. Protección y transporte de muestras En el numeral 1.2.7, se describen los cuidados que requieren las muestras inalteradas para su conservación y transporte. Ventajas y desventajas La utilización de muestreadores de tipo Suelo o Delft, tiene como ventajas que se previene la entrada de escombros y la contaminación de la muestra con suelo de otros estratos durante el muestreo, además de que se incrementa el porcentaje de recuperación. Su diseño especial permite obtener muestras inalterada de diámetros pequeños y gran longitud, sin que la velocidad de hincado afecte la calidad de las mismas (U.S. Army Corp, 2001). Por otra parte, el uso de zapatas de corte de relación de área mayor, incrementa la posibilidad de causar alteración en la muestra. Además, la complejidad de la operación de muestreo y el costo de este tipo de muestreadores, también representan una desventaja para su utilización.
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1.2.6.4.4 Muestreador de Tubo Rotatorio Dentado Este muestreador, es similar a un tubo Shelby, pero con dientes de sierra en la punta, los cuales trabajan a rotación. Con este se recuperan muestras alteradas en la zona perimetral. La zona de alteración forma un anillo de 2 a 4 mm de espesor. Estos requieren de experiencia en su utilización en distintos tipos de suelo, si se quieren obtener muestras de tipo inalterado. Se pueden obtener muestras, con poca alteración en arcillas duras, limos compactos y limos cementados con pocas gravas. Características Está conformado por un tubo de acero, unido a un cabezal que lo fija a la columna de barras de perforación, que a su vez está unida a una máquina de perforación a rotación. La columna de barras transmite la rotación al muestreador. El tubo de acero es del tipo de pared delgada, en cuya parte inferior tiene ocho dientes de corte, dispuestos simétricamente. En la figura B.52 se muestra un esquema de este muestreador. Los dientes miden de 0.8 a 1.0 cm de altura y 3.0 cm de base. La sierra de corte, se forma con un diente recto y otro doblado 0.2 cm hacia fuera. Este detalle tiene la función de reducir la fricción entre el muestreador y el suelo. Los tubo dentados, se pueden encontrar de diámetros de 7.5 cm o 10 cm y una longitud estándar de 90 cm (PEMEX, 2001). En la figura B.53 se aprecia este tipo de muestreador con dos tipos de unión tubo-cabeza: con tornillos Allen y con cuerda repujada. En la cabeza, se alojan unas perforaciones laterales y una válvula esférica de pie. La válvula tiene como función permitir el alivio de la presión del interior del tubo durante la perforación. Cuando está cerrada, protege a la muestra de las presiones hidrodinámicas que se generan durante la extracción del muestreador. Otro tipo de estos muestreadores, es el de válvula deslizante, cuyo mecanismo reemplaza la válvula esférica. Este se puede observar en la figura B.54. El cople de unión 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 perforaciones para la extracción del fluido de perforación del interior del tubo. (Santoyo y Contreras, 2001) Operación Su operación es a rotación. Las labores de muestreo se deben realizar a velocidades menores de 100 rpm y una presión vertical con el fin de lograr una velocidad de avance continuo de 5 cm/s. La muestra obtenida debe tener una longitud máxima de 75 cm. Los 15 cm restantes sirven para alojar azolves que pudieran haber quedado dentro del tubo.
113
Para aumentar la adherencia de la muestra contra las paredes del tubo, una vez terminado el hincado, se recomienda dejar el muestreador en reposo por tres minutos. Luego se corta la base de la muestra, girando dos vueltas el muestreador y se saca del sondeo con cuidado. (Santoyo y Contreras, 2001). Registro de datos El registro de datos se realizará de igual manera a la descrita en el numeral 1.2.2. Protección y transporte de muestras En el numeral 1.2.7, se describen los cuidados que requieren las muestras alteradas para su conservación y transporte. Ventajas Estos muestreadores tienen como ventaja su simplicidad de operación y bajo costo.
Figura B.52. Tubo Rotatorio Dentado (PEMEX, 2001).
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Figura B.53. Muestreador de tubo dentado con válvula esférica de pie (PEMEX, 2001).
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7.00 cm
2.54φ cm
SECCIÓN CUADRADA 7.50 cm
BARRA CUADRADA PERFORACIONES ARO SELLO
9.50 cm
ARO SELLO BARRA CIRCULAR
CUERDA REPUJO 100.00 cm UNION CON CUERDA
0.8 a 1.0 cm 9.61φ cm 10.16φ cm
Figura B.54. Muestreador de tubo dentado con válvula deslizante.
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1.2.6.4.5 Muestreadores de doble barril Esta categoría de muestreadores, consta de dos tubos concéntricos los cuales están sujetos a una cabeza, alineados en la punta. El principio de operación consiste, en que por medio de rotación el tubo exterior corta la muestra, mientras el tubo interior permanece sin rotar, tomando la muestra por presión a medida que avanza el muestreador. El torque se aplica desde la superficie utilizando una máquina de perforación, la cual se conecta al muestreador por una columna de tubos de perforación. La perforación debe realizarse con un fluido de perforación (agua o lodo) que se hace circular por la columna de perforación y entre los dos tubos concéntricos. Existen tres tipos de muestreadores de doble barril: Denison, Pitcher y tubo hueco con broca helicoidal. 1- Muestreador Denison Con este muestreador que opera a rotación y presión se obtienen muestras que difícilmente pueden tipificarse como inalteradas. Se usa en arcillas duras, limos compactos y limos cementados con pocas gravas, localizados abajo del nivel freático en donde se puede utilizar agua o lodo como fluido de perforación. El muestreador Denison consiste de dos tubos concéntricos; en el interior que se hinca a presión, se rescata la muestra de suelo, mientras que el exterior, con la broca de corte en su extremo gira y corta el suelo del derredor. Para operar este muestreador se requiere fluido de perforación, que se hace circular entre ambos tubos. Características En la figura B.55, se muestra el diseño actualizado de este muestreador que esencialmente consiste de dos tubos concéntricos acoplados a una cabeza con valeros axiales, que los une a la columna de barras de perforación y permite que el tubo interior se hinque a presión en el suelo, en inducir esfuerzos de torsión a la muestra; mientras que el exterior, gira y corta el suelo circundante. La cabeza del muestreador tiene una tuerca de ajuste que controla la posición relativa entre ambos tubos; así durante el muestreo, el tubo interior penetra en el suelo la distancia, “d” (figura B.55) antes que la broca, para proteger a la muestra de la erosión y contaminación que le puede ocasionar el fluido de perforación.
117
Tabla B.42. Ajuste "d" entre broca y tubo interior Tipo de suelo d (cm) Blando 2 Duro 0.5 Muy duro 0 ó el menor
Figura B.55. Muestreador Denison.
118
La broca de corte es una pieza de acero con pastillas de carburo de tungsteno que protegen las zonas de mayor desgaste; en la figura B.56, se muestran las dos brocas tipo más usuales.
Figura B.56. Tipos de broca Denison. Tabla B.43. Dimensiones de los tubos Denison (en cm). Tubo interior
Diámetro Nominal
De
Di
7.5
7.62
7.22
10
10.15
9.76
Dm 7.11 7.17 9.61 9.69
Tubo Exterior L
De
Di
L
Lm
Barras de operación
75
8.52
7.92
90
60
BW
90
11.16
10.46
105
75
NW
En donde: De: Diámetro exterior, Di: Diámetro interior, Dm: Diámetro de la muestra, L: Longitud de tubo, Lm: Longitud de la muestra.
Las dimensiones del muestreador Denison que permiten obtener muestras de 7.5 y 10.0 cm de diámetro nominal, se anotan en la tabla B.43. Para el muestreo de materiales granulares conviene adaptarle una trampa de canastilla que consiste en lengüetas de lámina de acero flexible remachadas al tubo interior, como se muestra en la figura B.55. Operación Antes de introducir el muestreador al sondeo se debe ajustar la distancia “d” entre el tubo interior y la broca, como se indica en la figura B.55 de acuerdo con el material que se va a muestrear; también se debe verificar que la cabeza esté limpia, engrasados los valeros y que la válvula opere correctamente. A continuación se baja el muestreador al fondo de la perforación y se hinca por al menos la profundidad “d” para evitar 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 varía entre 50 rpm para materiales blandos y 200 rpm para los duros. En cuanto a la fuerza vertical puede ser hasta de 3 t.
119
Una vez que se ha penetrado la longitud prevista o que el muestreador no pueda avanzar, se suspende la rotación y la fuerza axial, se deja 30 segundos en reposo para permitir que la muestra expanda; después se gira para desprender la muestra de su base y posteriormente extraer el muestreador. La extracción del material que corta la broca, así como el enfriamiento de la misma se hace con un fluido de perforación que circula por el espacio anular que dejan los dos tubos; en muestreo arriba del nivel freático se debe utilizar aire; podría ser admisible utilizar lodo, sólo si se demuestra que la contaminación que induce a la muestra es tolerable. En muestreos abajo del nivel freático puede utilizarse agua o lodo. La presión de operación del fluido de perforación debe ser la mínima con que se mantenga limpia la perforación. Registro de datos El registro de datos se hará igual al muestreador Shelby, agregando la velocidad de rotación con que operó el muestreador. Protección y transporte de muestras En el numeral 1.2.7, se describen los cuidados que requieren las muestras inalteradas para su conservación y transporte. Ventajas y desventajas La ventaja de este muestreador, es que permite manejar relaciones de área más grandes y los esfuerzos en la cabeza de corte van disminuyendo durante la operación de perforación. Sin embargo, presenta algunas desventajas: se manejan relaciones de compensación interna que hacen que la retención de la muestra no sea adecuada. Además se pueden presentar daños en la muestra por las vibraciones que se producen durante la perforación con rotación. En el caso de suelos localizados arriba del nivel freático, las muestras pueden contaminarse con el fluido de perforación. También, la posición del tubo interior respecto a la cabeza de corte, se debe ajustar conforme se avanza en la perforación dependiendo del tipo de suelo que se vaya encontrando (U.S. Army Corp, 2001). Por estos motivos, su uso es poco recomendable. 2- Muestreador Pitcher Con este muestreador que opera a rotación y presión se pueden obtener muestras, que pueden ser inalteradas, de arcillas duras, limos compactos y limos cementados con pocas gravas; resulta particularmente adecuado en los suelos con capas delgadas (hasta de centímetros) de materiales de diferente dureza. Este muestreador es similar al Denison excepto porque la posición del tubo interior se regula con un resorte axial; mientras que el exterior, con la broca de corte en su extremo, gira y corta el suelo del derredor. Su operación requiere también la inyección de un fluido de perforación.
120
Características El muestreador Pitcher consiste de dos tubos concéntricos, acoplados a una cabeza compuesta de dos piezas: la superior es fija para transmitir la rotación al tubo exterior, en cuyo extremo va la broca de corta, mientras que la inferior, separada de la fija por un resorte axial, soporta al tubo interior de 7.5 ó 10 cm de diámetro en que se aloja a la muestra; la función del resorte es de regular la posición longitudinal del tubo interior con respecto al exterior. En la figura B.57, se observa que la unión del tubo interior-cabeza se hace por medio del tornillo Allen, aunque también puede hacerse por medio de rosca, como en el tubo Denison. La parte fija de la cabeza tiene un balero axial cuya función es mantener estático al tubo interior mientras gira el exterior y soportar la reacción del resorte axial. El resorte se elige con una constante que depende de la resistencia del suelo. La broca de este muestreador es similar a la que se utiliza en el barril Denison.
FLUIDO DE PERFORACIÓN
TUBERÍA DE PERFORACIÓN
RESORTE
VÁLVULA DESLIZANTE (ABIERTA) RETORNO DEL FLUIDO DE PERFORACIÓN RESORTE VÁLVULA VÁLVULA DESLIZANTE (CERRADA)
TUBO EXTERIOR GIRATORIO BROCA TORNILLO DEL TUBO INTERIOR
TUBO INTERIOR FIJO DE PARED DELGADA
c
a b
Figura B.57. Muestreador Pitcher.
121
Operación El muestreador se introduce en el sondeo con el tubo interior totalmente salido del exterior y la válvula deslizante abierta (figura B.57.a); poco antes de llegar al fondo de la excavación se inyecta fluido de perforación que sale por el tubo interior e impide que se introduzca el azolve del sondeo al tubo (figura B.57.a). Al iniciarse el hincado, el tubo interior toma su posición de muestreo, la válvula deslizante se conecta para dar salida al fluido que queda dentro del tubo interior y el resorte transmite la fuerza axial; en ese momento se puede iniciar la rotación del tubo exterior (figura B.57.b). Si durante el muestreo se encuentra un estrato duro, el resorte se contrae (figura B.57.c) y almacena energía, que impulsa automáticamente el tubo interior si llega a encontrarse suelo blando nuevamente. Este muestreador se opera con velocidades de rotación menores entre 100 y 200 rpm; la presión vertical debe permitirle avanzar con velocidades máximas de 5 cm/s. La longitud de la muestra que puede obtener es de 75 cm para tubos de 90 cm. Además, el gasto para el fluido de perforación varía entre 80 y 240 l/min, con presión máxima de 15 kg/cm2 (PEMEX, 2001). Registro de datos El registro de datos se hará igual al del muestreador Shelby, agregando la velocidad de rotación con que se operó el muestreador. Protección y transporte de muestras En el numeral 1.2.7, se describen los cuidados que requieren las muestras inalteradas para su conservación y transporte. Ventajas y desventajas La ventaja de este muestreador, es que permite manejar relaciones de área más grandes y los esfuerzos en la cabeza de corte van disminuyendo durante la operación de perforación. En suelos blandos este muestreador trabaja como tubo de pared delgada, en donde la broca sirve solo para recortar el material alrededor del tubo. En cambio, en suelos duros, funciona como un muestreador Denison, logrando buena calidad de muestras (PEMEX, 2001). Sin embargo, presenta algunas desventajas: se manejan relaciones de compensación interna con las que la retención de la muestra no resulta adecuada. Además se pueden presentar daños en la muestra por las vibraciones que se producen durante la perforación con rotación (U.S. Army Corp, 2001). 3- Muestreador de broca helicoidal Este muestreador, también opera a rotación y presión. Con este, se pueden obtener muestras que pueden ser inalteradas, de arcillas duras, limos compactos y limos cementados con pocas gravas. También permite obtener muestras inalteradas en
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materiales secos sin usar lodos de perforación o en materiales inestables sin utilizar revestimiento. Este muestreador consiste en una broca helicoidal externa que perfora a rotación, la cual está equipada con una ceja de corte en la punta y un barril interno estacionario, ajustable con una zapata de corte. Su operación requiere también la inyección de un fluido de perforación. Características Este muestreador está provisto de una broca helicoidal que tiene en su punta unas cejas de corte y por medio de rotación se introduce en el suelo. La ceja hace que debajo del muestreador el diámetro del sondeo sea más amplio. La función de la espiral helicoidal, es sacar los restos de suelo que quedan después del corte para evitar que se contamine la muestra de suelo. Este muestreador hace las veces de revestimiento en el interior del sondeo. Tiene en su interior un tubo de pared delgada, el cual permanece estacionario, mientras el exterior está rotando. La broca helicoidal está definida por el espaciamiento, la trayectoria, el diámetro externo y el diámetro interno. Los diámetros de avance recomendado se muestran en la siguiente tabla. Tabla B.44. Diámetros recomendados para muestreadote de broca helicoidal. Diámetro del sondeo (mm)
Recorrido de la broca (Diámetro externo) (mm)
Broca axial (Diámetro interno) (mm)
Diámetro de la muestra (mm)
159
127
57
51
171
146
70
64
184
159
83
76
Las cejas de corte están equipadas con 4 a 12 dientes, que son ajustados con inserciones reemplazables de carburo. El barril interno contiene un muestreador y una funda, la cual puede ser una sola de 1.5 m de sección o dos de 0.76 m de sección. Estas fundas, pueden ser de acrílico o de metal. Las fundas de acrílico tienen la ventaja que permiten la inspección visual de la muestra y se pueden reutilizar si no presentan deterioro. Las fundas metálicas generan menos fricción en la pared que las de acrílico. En la figura B.58 se muestra un esquema de este muestreador.
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CABEZA DEL SACA NÚCLEO TIPO GIRATORIO.
CABEZA EXTERNA DEL MUESTREADOR
LAMINA HELICOIDAL DE LA BARRENA
CABEZA INTERNA DEL MUESTREADOR VÁLVULA DE CHECADORA DE ESFERA
BARRENA
TUBO DE PARED DELGADA
BARRENA
CEJA DE CORTE
PUNTA DE CORTE DEL TUBO MUESTREADOR
Figura B.58. Muestreador de Broca Helicoidal.
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Operación La operación es similar al de los otros dos muestreadotes de barril doble. La broca helicoidal penetra el suelo por rotación, mientras las cejas de corte aumentan el diámetro del sondeo debajo de la muestra. Los cortes de suelo, son sacados de la perforación por la broca helicoidal en el tubo externo. El esquema de este muestreador puede apreciarse en la figura B.58. Las cejas de corte dejan un espacio para el que tubo interno pase. Durante el muestreo el tubo interno se clava en la superficie de la muestra y avanza conforme penetra la broca helicoidal. El tubo interno se puede colocar por delante o atrás de las cejas de corte por medio de un vástago ajustable. Cuando se trabaja con el tubo interno por delante de la cejas de corte, la alteración de la muestra es mínima, si se maneja una distancia de aproximadamente 75 mm. Si la distancia es menor a 75 mm se presenta alteración de la muestra por la acción de raspado de las cejas de corte. En esta herramienta, se pueden obtener muestras continuas con el avance de la perforación. En el caso que no se requiera muestrear, se usa un pistón central que impide la entrada del suelo. Este pistón es una broca izquierda que fuerza al material a salir por la broca helicoidal externa. Así permite que la broca helicoidal se encargue del corte de la superficie. Este pistón central se reemplaza por el barril interno en el momento que se requiera tomar la muestra. Cuando se utilice para el muestreo de suelos bajo el nivel freático, se debe mantener la presión hidrostática durante todo el tiempo al interior de la tubería para prevenir cavitación y socavación en la perforación. Si se utiliza el pistón central, se deben emplear empaques tipo aro sello para mantener el agua por fuera de la tubería de perforación. Registro de datos El registro de datos se hará igual al del muestreador Shelby, agregando la velocidad de rotación con que se operó el muestreador. Protección y transporte de muestras: En el numeral 1.2.7, se describen los cuidados que requieren las muestras inalteradas para su conservación y transporte. Ventajas y desventajas La ventaja de este muestreador, es que permite manejar relaciones de área más grandes y los esfuerzos en la cabeza de corte van disminuyendo durante la operación de perforación. Además, permite el avance del sondeo en materiales secos sin fluido de perforación o en materiales inestables sin revestimiento (U.S. Army Corp, 2001). Sin embargo, presenta algunas desventajas: se manejan relaciones de compensación interna con las que la retención de la muestra no es adecuada. Además se pueden presentar daños en la muestra por las vibraciones que se producen durante la perforación con rotación (U.S. Army Corp, 2001).
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1.2.6.4.6 Método de muestreo por congelación Este método, consiste en congelar un volumen de suelo “in situ”, un área transversal circular. Es apropiado para muestrear arenas relativamente limpias y gravas, en estado saturado o parcialmente saturado, con drenaje libre, en donde se asegure la formación de suficiente hielo durante el proceso de congelación, de manera que el material adquiera una resistencia adecuada (cohesión aparente) para la extracción de núcleos. No es recomendable usarlo en material granular con altos contenidos de finos (limos y arcillas), ya que esto podría impedir el drenaje, haciendo que el agua en los poro se expanda durante el cambio de fase a hielo. Esto produciría la alteración de la estructura de la arena. Otra consecuencia de la presencia importante de finos, es que podría causar la migración del agua en los poros hacia el frente frío, lo cual resultaría en la formación de cristales de hielo y un consecuente cambio de volumen (U.S. Army Corp, 2001). La principal aplicación de los muestreos por congelamiento, es la obtención de muestras inalteradas de alta calidad, en arenas con alto potencial de licuación. Su utilización, dado los altos costos de este procedimiento, solo es viable en proyectos donde la magnitud y el nivel de riesgo así lo ameriten (Hofmann y colaboradores, 2000). Esta metodología consiste en realizar perforaciones en el área de estudio, con espaciamiento de 0.6 a 0.9 m. Luego se hace circular un refrigerante, por las perforaciones de enfriamiento que se identifican con el símbolo F (Ver figura B.59). El congelamiento avanza radialmente y eventualmente hace traslape entre los otros frentes fríos, formando una masa congelada continua, como se ve en la figura B.59. La localización de los frentes fríos, se realiza por simetría desde el monitoreo de temperatura en los sondeos de control identificados con la letra T (ver figura B.59). Estos deben ubicarse a una distancia tal del área de muestreo, que las labores de perforación de los mismos no alteren la estructura del suelo. En el caso de la ampliación del área congelada para muestreo, es necesaria la circulación de refrigerante desde perforaciones secundarias, posterior a la congelación completa del área inicial. Los refrigerantes reportados en la literatura para esta operación pueden ser entre otros: nitrógeno líquido (Hofmann y colaboradores, 2000) y una mezcla de etanol y hielo seco triturado (Yoshimi et al, 1978).
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ZONA DE MUESTREO
ZONA DE MUESTREO
DISTRIBUCIÓN SEMI-CIRCULAR DE SONDEOS
DISTRIBUCIÓN LINEAL DE SONDEOS
CONVENCIONES
F: SONDEOS DE CONGELACIÓN T: SONDEOS DE CONTROL DE TEMPERATURA
Figura B.59. Distribución de perforaciones de enfriamiento y sondeos de control de temperatura. (a) Distribución lineal, (b) Distribución semicircular. La muestra es extraída en forma de núcleo, usando algún método de rotación con broca. La selección del método, depende del tipo de suelo, la temperatura y el grado de saturación del hielo en los vacíos del suelo o contenido de hielo (Hvorslev y Goode, 1960). La obtención núcleos de buena calidad, con buena recuperación, se realiza con brocas con incrustaciones de tungsteno o diamante, en diámetros entre 125 y 150 mm., usando técnicas de doble o triple barril, comunes para la obtención de núcleos de roca. También es necesaria la utilización de fluido de perforación enfriado, con el fin de evitar el descongelamiento del suelo. Esto se logra, circulando el fluido por un refrigerador, que a su vez se conecta a una planta de refrigeración. No es recomendable el uso de aire como fluido de perforación, ni aire comprimido debido a consideraciones ambientales. Los fluidos de perforación que se pueden utilizar son: etileno, glicol de propileno y combustible diesel, considerando los efectos de la potencial contaminación ambiental que se produce por la utilización de estos productos. 127
La ejecución del muestreo por congelamiento, requiere del diseño de un sistema adecuado de planta de congelamiento, que consiste en tres sistemas separados: •
Un sistema de refrigeración, similar a un congelador doméstico el cual consiste en un motor, un compresor, un condensador y un evaporador. Su función es enfriar el líquido congelante el cual es circulado a temperaturas por debajo de los 0ºC y enfriar el fluido de perforación para evitar que se funda el núcleo durante su perforación. Las plantas de refrigeración son normalmente de 30 a 60 kW para realizar el enfriamiento de cada uno de los líquidos usados en sistemas separados.
•
El sistema de sondeos de congelación, consiste de un refrigerador, de un tanque de almacenamiento del fluido de perforación refrigerado, una bomba de inyección, tubería de circulación del líquido congelante para el sondeo. Estos se perforan con un diámetro ligeramente mayor al de la tubería de recirculación y estar alineados verticalmente para evitar invasión de estos en la zona de muestreo.
•
El sistema de perforaciones de control de temperatura, se construyen de forma similar a los sondeo de enfriamiento pero sin la tubería de circulación. Su alineamiento vertical es importante, para conservar una distancia constante entre estos y los sondeos de congelación en toda la profundidad.
Y un sistema de monitoreo de presión, temperatura y sensores de velocidad de flujo, durante la inyección y en el retorno de los líquidos utilizados en el proceso.. Operación La selección del área de muestreo debe efectuarse, después de una investigación del subsuelo en la que se evalué el potencial de licuación del material y las condiciones del nivel freático. Además se debe confirmar que la técnica de congelamiento en la zona es apropiada para la extracción de muestras inalteradas, haciendo un estudio de la distribución del tamaño de partículas, mineralogía de los finos y contenido de agua descongelada. También se deben estudiar las condiciones del sitio en lo que respecta a la caracterización de los esfuerzos de sobrecarga, estratigrafía, condiciones de drenaje, temperatura del agua freática, salinidad y velocidad de flujo. Con el fin de evitar la alteración de la relación de vacíos del suelo in situ o de su fábrica, se debe asegurar, que el área comprometida, en la cual se realizará la congelación del terreno in situ, esté libre de restricciones física y que el suelo se congele a una velocidad suficientemente baja comparada con la permeabilidad del suelo con el fin de permitir una generación de no más del 9% de exceso de presión de poro. Durante la operación en campo, el líquido congelante se enfría en el sistema de refrigeración, circulado a través de la tubería por la bomba de inyección, devuelta a la planta de refrigeración y recirculada a través del refrigerador. Una técnica similar se utiliza para enfriar el fluido de perforación. Para la extracción de las muestras, se debe detectar la masa congelada utilizando el sistema de monitoreo de temperatura. Luego se hace la perforación utilizando rotación con broca y muestreadores de doble y triple barril (U.S. Army Corp, 2001).
128
Protección y transporte de muestras Una vez se ha extraído la muestra, se debe llevar a un cuarto de almacenamiento frío donde se hace la identificación, registro de la misma, según se describe en el numeral 1.2.7. Luego la muestra es guardada en un contenedor hermético, para prevenir el descongelamiento y proteger la muestra durante el transporte y almacenamiento en el laboratorio. Las muestras en laboratorio, deben ser manejadas bajo condiciones de extremo control y a muy bajas temperaturas, durante la preparación de los especimenes para las pruebas estáticas y dinámicas (U.S. Army Corp, 2001). Ventajas y desventajas La ventaja de este procedimiento, es que permite la obtención de muestras inalteradas de suelos de alta calidad en suelos difíciles bajo el nivel freático (Yoshiaki et al, 1978). Sin embargo, la implementación de este procedimiento de muestreo implica la adquisición de equipos adicionales operados por expertos en el tema, lo cual incrementa considerablemente los costos. También requiere de un manejo especial de las muestras que conlleva a adecuar instalaciones para este fin (U.S. Army Corp, 2001).
1.2.6.4.7
Criterios de selección de muestreadores
De acuerdo a lo anterior, se presenta una guía para la selección de muestreadores en la tabla B.45 según el tipo de suelo (U.S. Army Corp, 2001). Tabla B.45. Guía para la selección de inalteradas. Tipo de Suelo Suelos cohesivos muy blandos Suelos orgánicos Arcillas estratificadas Suelos cohesivos consistencia blanda a media Arenas media a fina por encima del nivel freático Arenas finas a medias por debajo del nivel freático Capas alternativas de suelo y roca dura, o suelos cohesivos densos. Rocas.
muestreadores para alta calidad de muestras Método o tipo de muestreador sugerido. Tubo Shelby de acero o lámina, muestreador de pistón fijo, muestreador TGC. 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. Muestreador de barril en perforación a rotación con broca.
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1.2.7 Manejo de muestras 1.2.7.1 Muestras alteradas Estas muestras proceden de sondeos alterados como penetración estándar, pozos a cielo abierto, bancos de préstamo, etc. Se conservaran en bolsas de plástico o frascos de vidrio (ver numeral 1.2.7.4) y se debe identificar tal como se muestra en la figura B.61. Para realizar análisis químicos a los suelos, las muestras requieren ser enviadas en frascos de vidrio color ámbar.
Proyecto: Sondeo: Muestra N°: Supervisor: Clasificacion de campo:
Tipo de perforacion: Profundidad: Fecha:
Use tinta indeleble o recubra con parafina
Figura B.60. Etiquetas para identificación de las muestras alteradas e inalteradas.
Figura B.61. Frascos de cristal para el guardado de las muestras de suelo para análisis químicos.
130
1.2.7.2 Muestras cúbicas inalteradas Las muestras cubicas de 30 o 25 cm de lado deben identificarse con una etiqueta común que se muestra en la figura B.60, adherida en la parte superior de la muestra, y colocarse en una caja de madera confinada tal como se ve en la figura B.62, las muestras deben protegerse contra agentes atmosféricos, vibraciones y golpes que podrían dañar la estructura del suelo. También es importante que la muestra esté debidamente identificada tal y como se muestra en la figura del numeral 1.2.7.4.
1.2.7.3 Muestras inalteradas contenidas en tubos Las muestras contenidas en tubos de los muestreadores de pared delgada, pistón, Denison, Pitcher, Shelby, etc., se someten al mismo procedimiento: después de desmontar al tubo de la cabeza que lo sostiene se coloca en el soporte para muestras de la figura B.63, con la parte inferior hacia abajo; se limpia la superficie exterior y del interior se eliminan los azolves con la veleta figura B.64; enseguida se coloca el sello mecánico de la figura B.65, o se vierte parafina con brea caliente (15% de brea a 70 °C), para formar un sello de 0.70 cm de espesor (ver más opciones en el numeral 1.2.5.4). A continuación se invierte la posición del tubo; se le extrae 1.0 cm de muestra con la veleta o una espátula para hacer lugar al sello mecánico de la figura B.65 o el de parafina con brea; con el material extraído se clasifica en el campo el suelo. Enseguida se identifica el tubo adhiriéndole una etiqueta (figura B.60) con parafina, señalando además la parte superior de la muestra. Un cuidado adicional que debe tenerse con muestras de arena sueltas, es el de colocar un tapón temporal con perforaciones en la parte inferior de la muestra, antes de sacar completamente el tubo muestreador de la boca del sondeo. Se evita con esto que la muestra se pierda por la succión que se ejerce al sacar el muestreador y permite drenar el agua libre de la muestra. Las muestras inalteradas contenidas en tubos deben transportarse en cajas de madera, recubiertas interiormente con espuma de poliuretano de 5 cm de espesor (ver numeral 1.2.5.4), cuidando que no sufra golpes ni vibraciones que dañen su estructura.
131
Figura B.62. Preparación y colocación de muestras cúbicas.
132
Figura B.63. Soporte para muestra.
Figura B.64. Veleta para limpiar tubos.
133
Figura B.65. Sello mecánico.
1.2.7.4 Recomendaciones para el embalaje de las muestras (ASTM D 4220-00) Es importante que el supervisor de campo identifique perfectamente cada contenedor de acuerdo a la figura B.66 incluyendo la clasificación del suelo. Para su traslado al laboratorio debe tomar en cuenta el clima y la distancia que recorrerá, el tipo de muestras que obtuvo (su fragilidad y sensibilidad) y con base en eso, seleccionar el tipo de contenedor que utilizará para enviarlas. Debido a la importancia de que las muestras alteradas e inalteradas lleguen al laboratorio sin sufrir ningún tipo de alteración se dan cuatro opciones para el empacado y sellado de las muestras las cuales se dividen en cuatro grupos como se muestra en la tabla B.46.
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IDENTIFICACIÓN DE MUESTRAS Proyecto: Enviado por: Para: Comentarios:
Número de Localización muestra
Identificación de Campo
Fecha
Tipo de Número de Análisis/ensaye identificación muestra Contenedor de laboratorio(1) requerido(1)
(1) Para llenar en laboratorio por el Jefe de Proyecto Envio preparado para: Recibido por el laboratorio:
Fecha: Fecha:
Figura B.66. Etiquetas para envío de muestras alteradas e inalteradas. Tabla B.46. Clasificación de muestras alteradas e inalteradas.
INALTERADAS
ALTERADAS
GRUPOS A
B
C
D
DESCRIPCION Muestras para las cuales únicamente en general es necesaria la identificación visual. Muestras a las cuales se les realizaran contenidos de agua y clasificación en laboratorio, prueba proctor, densidad relativa, pruebas de calidad y resistencia en materiales compactados. Obtenidas en campo de modo inalterado para las cuales se requieren realizar ensayes como determinación de densidad, prueba de consolidación, prueba de permeabilidad, resistencia al esfuerzo cortante, pruebas dinámicas y cíclicas. Muestras que son frágiles o altamente sensibles y se las realizaran las mismas pruebas del grupo C, el procedimiento usado tiene que ser incluido en la especificación del proyecto o definido por la persona responsable del proyecto.
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El grupo A y B.- Son para muestras alteradas que lo único que se tiene que cuidar es que no pierdan humedad o sufran algún tipo de alteración. El grupo C y D.- Son para muestras inalteradas que además de cuidar su contenido de agua, se debe vigilar que no sufran alteraciones en su estructura por efecto de vibraciones o golpes. Para un buen manejo de las muestras es muy importante que el ingeniero supervisor de campo tome en cuenta las siguientes recomendaciones: • Los contenedores de las muestras deben especificar siempre el tipo de muestra que contiene (por si alguna muestra contiene algún químico o cualquier otra material contaminante). • Las muestras inalteradas requieren de mucho cuidado en el traslado por lo que se debe garantizar que este sea lo más directo posible al laboratorio y cuando se envíe por un servicio de paquetería se debe especificar claramente lo que contienen las cajas con un letrero de frágil e informar al encargado de la importancia que éstas tienen (ver figura B.66). • Antes de empacar las muestras para ser enviadas al laboratorio se debe cuidar que estén propiamente identificadas con etiquetas o rótulos para el manejo y traslado como se indica a continuación (ver figura B.60): • Nombre y número de proyecto o ambos. • Datos de la muestra. • Número y localización de la muestra y el sondeo. • Profundidad o elevación o ambos. • Orientación de la muestra. • Datos de la prueba de penetración si es aplicable. • Profundidad del nivel freático, si lo hay. • Subdividiendo a las muestras puede ser identificado mientras se mantenga la asociación de la muestra original. • Si el envío se realiza por una empresa de paquetería que se identifiquen muy bien las cajas o lo que ocupe para empaquetarlo. Procedimiento de empaquetado de cada muestra: Grupo A: El traslado de las muestras no requiere trato especial por ser muestras alteradas. Si es un transporte comercial el contenedor necesita solamente agregar los requerimientos mínimos del servicio de paquetería y algún otro requerimiento necesario para que la muestra no sufra ningún daño o alteración. Grupo B: Para la conservación y traslado de estas muestras es necesario que se cuide que las muestras estén selladas perfectamente en un recipiente resistente para que no sufran golpes, pierdan contenido de agua u sufran otro tipo de alteración. Los contenedores sellados pueden ser: bolsas o cubos de plástico, recipientes de plástico o
136
vidrio, etc. Estas muestras deben ser empacadas para los traslados largos en cajas de plástico, cartón y madera. A continuación se describen los diferentes tipos de cubiertas para el sellado de las muestras: • Bolsas de plástico.- Bolsas de plástico tan herméticamente selladas como sea posible alrededor de la muestra. • Recipiente de plástico o vidrio.- Sellados con goma o con cera. • Cubetas plásticas.- Sellados con cera también, pero es importante que no se deje pasar el aire. Sellado para los tubos de pared delgada • Plástico adhesivo.- Sellar los tubos a los lados con este tipo de plástico. • Tapas de madera con cera.- Usar sello de madera con parafina para un tiempo máximo de 3 días de lo contrario usar una mezcla de parafina microscristalina y un 15% de cera de abeja o resina. • Tapas de los tubos.- Sello de metal, goma, plástico, o usar cinta para un tiempo máximo de tres días para más tiempo usar más estratos de parafina. • Estopa y cera.- Usar sello de estopa y parafina (mínimo dos estratos) en los extremos del tubo para estabilizar la muestra. Muestras cubicas, cilíndricas u otras envueltas en plástico como polietileno o polipropileno o laminas que pueden ser protegidas con tres capas de cera. • Muestras cubicas, cilíndricas u otras envueltas en estopa de algodón y cera deben ser selladas con un mínimo de tres capas. • Muestras en cartón.- Colocar la muestra cubica en una caja de cartón pero rellenando los espacios entre la caja y la muestra de parafina caliente de modo que fluya y cubra todos los espacios aunque no debe estar muy caliente para que no penetre a los poros del suelo. Generalmente la muestra debe ser envuelta en plástico, manta de cielo o laminas antes de ser recubiertas con cera. Grupo C: Preservar y sellar estas muestras en contenedores con cubierta como las descritas anteriormente. También deben estar protegidos contra golpes, vibración y el efecto de climas extremosos. Para el traslado de este tipo de muestra se tiene que tomar en cuenta la distancia del proyecto al laboratorio por lo que se recomienda que si el traslado lo hará el supervisor de campo en su automóvil o camioneta que se coloque en el asiento de la misma o se envíe por paquetería requiere colocarlas en cajas o contenedores similares bien identificados de ser posible con cartulina para evitar caídas, golpes o vibraciones. Independientemente del método de traslado utilizado (camionetas, automóviles, servicios de paquetería, barcos o avión, etc.), las muestras deben estar perfectamente selladas ya
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sea con madera, metal u otros, de modo que proporcionen el aislamiento o amortiguamiento para las muestras; también se recomienda que no se hagan envíos en paqueterías de dudosa procedencia. Los materiales de amortiguamiento (serrín, goma, poliestireno, etc.) deben acomodar perfectamente a cada muestra. El material de amortiguamiento entre la muestra y los lados de la caja o envase debe tener un espesor mínimo de 1” (25 mm) y en la base de 2” (50 mm). Siempre se debe procurar que las muestras se envíen colocándolas en la misma dirección en la que fue extraída en campo. Grupo D: Estas recomendaciones son adicionalmente se requiere lo siguiente:
las
mismas
que
las
anteriores
pero
Las muestras deben ser colocadas con la misma orientación que fue muestreada, incluyendo durante el traslado o envío, identificadas apropiadamente en las cajas en las que serán enviadas. El ingeniero supervisor debe vigilar durante todo el traslado de carga y descarga de las cajas el manejo de las muestras. Contenedores Las siguientes características deben ser incluidas en el diseño de los contenedores para los grupos antes descritos. • Deben ser reutilizable. • Deben estar construidos para que las muestras puedan mantenerse todo el tiempo, en la misma posición como cuando se extrajo o se empacó o ambos. • Deberán incluir material suficiente para el embalaje para amortiguar y aislar o ambos, a los tubos de los efectos como vibración y choque y deben incluir suficiente material de aislamiento para prevenir que los climas extremosos dañen a las muestras (en donde sea el caso). Los diferentes tipos de contenedores recomendados por la norma ASTM D 4220-00 se observan en las figuras B.67 a B.71. •
Cajas especiales para el transporte de tubos de pared delgada de diámetro de 3”.
•
Contenedores de canales de madera: Marco exterior hecho de madera laminada con un espesor de 13 a 19 mm la tapa debe estar asegurada con bisagra y pasador o con tornillos. Para la protección ante temperaturas extremas todo el contenedor debe ser forrado con un espesor de aislamiento mínimo de 50 mm.
•
Contenedores de metal: igual al anterior.
•
Contenedores de estireno: Fibra de estireno acanaladas con dimensiones del tubo de la muestra. Es apropiado que estas se manejen en cajas de madera laminada o cartón reforzado.
138
Figura B.67. Caja para tubos de pared delgada de 3” (76 mm).
139
Figura B.68. Caja para el envío de muestras (tubos pequeños).
140
Figura B.69. Barriles para envío de tubos de pared delgada.
141
Figura B.70. Contenedores de sistemas de suspensión para tubos de pared delgada.
142
Figura B.71. Contenedores de estireno para tubos de pared delgada de 3” (76 mm).
143
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