p.2.0111.01 Exp. y Muestreo de Suelos Para Proy. de Cimentacion 1 Parte

SUBDIRECCION DE TECNOLOGIA Y DESARROLLO PROFESIONAL UNIDAD DE NORM ATIVIDAD TECNICA

ESPECIFICACION TECNICA PARA PROYECTOS DE OBRAS.

EXPLORACION Y MUESTREO DE SUELOS PARA PROYECTOS DE CIMENTACION (PRIMERA PARTE). (EXPLORATION SAMPLING SOILS FOR FOUNDATION PROJECTS (FIRST PART))

P.2.0111.01 PRIMERA EDICION MAYO. 2001

EXPLORACIÓN Y MUESTREO DE SUELOS PARA PROYECTOS DE CIMENTACIÓN (PRIMERA PARTE) Primera Edición

P.2.0111.01: 2001 UNT

PREFACIO Pemex Exploración y Producción (PEP) en cumplimiento del decreto por el que se reforman, adicionan y derogan diversas disposiciones de la Ley Federal sobre Metrología y Normalización, publicado en el Diario Oficial de la Federación de fecha 20 de mayo de 1997 y con la facultad que le confiere, la Ley de Adquisiciones, Arrendamientos y Servicios del Sector Público y la Ley de Obras Públicas y Servicios Relacionados con las mismas, expide la presente especificación la cual aplica a la exploración y muestreo de suelos para proyectos de cimentación. Esta especificación se elaboró tomando como base la reproducción de la primera edición de la norma No. 2.0111.01, emitida en 1975 por Petróleos Mexicanos, de la que se llevó a cabo su revisión, adecuación y actualización, a fin de adaptarla a los requerimientos de Pemex Exploración y Producción. En la elaboración de estos lineamientos participaron: Subdirección de Región Norte Subdirección de Región Sur Subdirección de Región Marina Noreste Subdirección de Región Marina Suroeste Dirección Ejecutiva del Proyecto Cantarell Dirección Ejecutiva del Programa Estratégico de Gas Subdirección de Perforación y Mantenimiento de Pozos Coordinación Ejecutiva de Estrategias de Exploración Auditoria de Seguridad Industrial y Protección Ambiental Subdirección de Planeación Subdirección de Administración y Finanzas Subdirección de Tecnología y Desarrollo Profesional Unidad de Normatividad Técnica

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INDICE DE CONTENIDO

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PRIMERA PARTE

Página

0.

Introducción......................................................................

4

1.

Objetivo............................................................................

4

2.

Alcance.............................................................................

4

3.

Actualización.....................................................................

4

4.

Campo de aplicación.........................................................

4

5.

Referencias.......................................................................

4

6.

Definiciones......................................................................

4

6.1

Métodos de exploración indirectos (geofísicos)..................

4

6.2

Métodos de exploración semidirectos................................

5

6.3

Métodos de exploración directos........................................

5

6.3.1

Muestras representativas alteradas...................................

5

6.3.2

Muestras inalteradas.........................................................

5

6.4

Pruebas de campo............................................................

5

7.

Reconocimiento.................................................................

5

7.1

Recopilación de la información disponible..........................

5

7.2

Reconocimiento geológico.................................................

5

7.3

Definición del programa de explotación.............................

5

8.

Procedimientos de exploración..........................................

6

8.1

Métodos indirectos (geofísicos).........................................

6

8.1.1

Método geosísmico de refracción......................................

6

8.1.2

Método de resistividad eléctrica.........................................

17

8.1.3

Método de relación de caídas de potencial........................

20

8.2

Métodos semidirectos........................................................

20

8.2.1

Prueba de penetración a presión.......................................

20

8.2.1.1

Penetrómetro holandés.....................................................

24

8.2.2

Prueba de penetración dinámica........................................

29

8.2.3

Prueba de penetración Sermes..........................................

29

8.2.4

Prueba de penetración estándar (SPT)..............................

37

8.3

Muestreo alterado.............................................................

45

8.3.1

Métodos manuales............................................................

45

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8.3.2

Muestreo a percusión........................................................

45

8.4

Muestreo inalterado...........................................................

49

8.4.1

Métodos manuales............................................................

49

8.4.2

Tubo de pared delgada (Shelby)........................................

49

8.4.3

Barril tipo Denison.............................................................

50

8.4.4

Muestreador Pitcher..........................................................

54

8.4.5

Muestreador de pistón libre...............................................

57

8.4.6

Tubo rotatorio dentado......................................................

57

8.4.7

Barriles muestreadores......................................................

61

9.

Protección transporte y conservación de muestras............

63

9.1

Muestras representativas alteradas...................................

63

9.2

Muestras inalteradas.........................................................

67

9.3

Muestreo de roca..............................................................

67

10.

Bibliografía........................................................................

67

11.

Concordancia con normas internacionales.........................

68

12.

Anexos (Tablas)

12.1

Recomendaciones para definir el programa de exploración

69

12.2

Características de los oscilógrafos portátiles.....................

70

12.3

Velocidades de las ondas longitudinales en distintos tipos de rocas y suelos..............................................................

71

Características de algunos equipos portátiles usados en el método de resistividad eléctrica.........................................

72

12.5

Resistividad eléctrica de distintos tipos de rocas y suelos..

72

12.6

Comparación entre las variaciones de qc y de f s .................

73

12.7

Valores de K según la longitud de las barras y el peso del martillo..............................................................................

74

12.8

Valores de d según el tipo de suelo...................................

75

12.9

Cuadro para selección de coronas de diamante (ref.17)....

75

12.10

Velocidad de rotación de barriles muestreadores (rpm)......

76

12.11

Fuerza específica para diamantes de tamaño 20 p.p.q. (ref.17)..............................................................................

76

12.4

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0.

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Introducción.

costo. La confiabilidad del estudio geotécnico que se realice depende de la de los trabajos de exploración, por tanto, éstos deben realizarse en forma cuidadosa, siguiendo métodos y normas adecuadas.

Dentro de las principales actividades que se llevan a cabo en Pemex Exploración y Producción (PEP), se encuentran el diseño, construcción, operación y mantenimiento de las instalaciones para extracción, recolección, procesamiento primario, almacenamiento, medición y transporte de hidrocarburos, así como la adquisición de materiales y equipos requeridos para cumplir con eficiencia y eficacia los objetivos de la Empresa. En vista de esto, es necesaria la participación de las diversas disciplinas de la Ingeniería, lo que involucra diferencia de criterios.

3.

Actualización.

Pemex Exploración y Producción Unidad de Normatividad Técnica Dirección: Bahía de Ballenas # 5, 9° piso

Con el objeto de unificar criterios, aprovechar las experiencias dispersas, y conjuntar resultados de las investigaciones nacionales e internacionales, Pemex Exploración y Producción emite a través de la Unidad de Normatividad Técnica, esta especificación con el objeto de que sea utilizada, para exploración y muestreo de suelo para proyecto de cimentación (primera parte).

Col. Verónica Anzures México, D.F. C.P. 11300 Teléfono directo: 55-45-20-35 Conmutador: 57-22-25-00 Ext. 3-80-80 Fax: 3-26-54 Email:m [email protected].

1.

Objetivo. 4.

El objetivo de esta especificación es fijar criterios a seguir en cada fase de la exploración y estableciendo métodos de exploración y muestreo de suelos para casos comunes encontrados en las construcciones de Pemex Exploración y Producción.

2.

Campo de aplicación.

Este documento aplica en todas las áreas que laboren especificaciones y regulaciones técnicas para Pemex Exploración y Producción, sobre exploración y muestreo de suelos para proyectos de cimentación. (Primera Parte).

Alcance. 5.

Para diseñar la cimentación de una obra civil o una estructura de tierra, el proyectista necesita conocer la estratigrafía y propiedades del suelo; este conocimiento se obtiene a través de exploración, obtención de muestras y pruebas de laboratorio.

Referencias

No aplica.

6. La exploración se lleva a cabo en tres fases: el reconocimiento superficial del lugar, la exploración preliminar y la exploración detallada incluyendo el muestreo. La exploración debe permitir obtener resultados confiable en un mínimo de tiempo y

Definiciones.

6.1 Métodos de exploración indirectos (geofísicos).

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Recurren a la medición de alguna propiedad física de los suelos. Por medio de su interpretación permiten definir aproximadamente la geometría de la estratigrafía y extrapolar los resultados obtenidos por método directos. 6.2

El estudio geotécnico de debe iniciar con la recopilación de la información disponible sobre topografía, geología, y comportamiento de las estructuras construidas en la zona. Se emplean, en la forma que convenga, fotografías aéreas, planos topográficos, cartas geológicas así como datos estratigráficos y edafológicos (las instituciones mencionadas en la bibliografía, 31, 32, 33, 34 y 35 disponen de amplia información a este respecto).

Métodos de exploración semidirectos.

Consisten en realizar pruebas en el campo para estimar las propiedades de los suelos a partir de correlaciones empíricas. 6.3

7.2

Basándose en los datos obtenidos en la etapa anterior, un especialista de geotécnica debe hacer un reconocimiento de campo. Debe identificar las estructuras geológicas, localizar fallas, fracturas, fisuras y rellenos; clasificar las rocas y los suelos; interpretar el proceso de formación de los suelos y obtener información sobre sismología y clima de la región. También debe observar los cortes naturales y artificiales. En algunos casos es necesario abrir pozos y zanjas y realizar perforaciones someras con equipo manual. El alcance de este reconocimiento depende de la importancia de la obra y de las características del subsuelo. En todos los casos se deben proporcionar datos acerca de la accesibilidad, recursos humanos y materiales del sitio. Algunas veces basta este reconocimiento para desechar el sitio seleccionado para la obra.

Métodos de exploración directos.

Son aquellos que obtienen muestras del suelo para someterlas a pruebas de laboratorio. Las muestras pueden ser representativas alteradas o inalteradas. 6.3.1

Muestras representativas alteradas.

Son aquellas cuyo acomodo estructural está afectado en forma significativa por el muestreo; sirven para clasificar los suelos, hacer determinaciones de propiedades índice y para preparar especímenes compactados para pruebas de permeabilidad y mecánicas. 6.3.2

Muestras inalteradas.

Son aquellas cuyo acomodo estructural no está afectado en forma significativa por el muestreo; se utilizan para clasificar los suelos y hacer determinaciones de propiedades índice y mecánicas. No obstante que el muestreo se realice con cuidado las muestras inalteradas sufren cambios volumétricos debidos al cambio en el estado de esfuerzos; en algunos problemas es necesario considerar este efecto. 6.4

Reconocimiento geológico.

7.3 Definición explotación.

del

programa

de

Teniendo en mente la información obtenida en las etapas anteriores y en función de la importancia y magnitud de la obra, se define el tipo de pruebas que tengan que realizarse para obtener los datos necesarios para el diseño.

Pruebas de campo. Se deben utilizar métodos geofísicos cuando se trate de áreas grandes porque reducen el costo de la explotación.

Son aquellas que se realizan en el sitio para determinar directamente alguna propiedad del suelo.

El programa de pruebas de penetración y muestreo se hace tomando en cuenta las recomendaciones de la tabla 1; en sitios cuya 7.

Reconocimiento.

7.1 Recopilación disponible.

de

la

estratigrafía sea muy heterogénea, se debe incrementar el número de sondeos propuestos en la tabla 1 para poder obtener la información

información

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necesaria. La profundidad mínima de exploración debe cubrir al menos la zona en que los esfuerzos verticales sufran un incremento de 0.1 del esfuerzo vertical impuesto por la estructura y se puede reducir en suelos de gran resistencia o en roca sana no fisurada. La localización de los puntos para hacer las pruebas de penetración y muestreo se hace eligiendo zonas representativas o basándose en la exploración geofísica. En la Cláusula F se describen los cambios al programa de exploración que se hacen necesarios en casi todos los casos.

8.

Procedimientos de exploración.

8.1

Métodos indirectos (geofísicos).

tren de ondas semiesférico por los radios vectores de la mismas. Este método es aplicable sólo en medios sobre el nivel freático y cuando las velocidades en cada estrato se incrementan con la profundidad. Equipo de refracción geosísmica. El equipo consta de tres unidades básicas: el mecanismo de generación de la onda, el conjunto de géofonos captadores y el aparato registrador (Fig. 2). Generación de la onda. El mecanismo de generación de onda puede ser un martillo pesado, que golpea una placa asentada en la superficie y opera simultáneamente un microinterruptor conectado al registrador para indicar el inicio de la prueba. El martillo se usa para estudios a poca profundidad (10 m). Para estudios a mayor profundidad la onda se genera con la explosión de una pequeña carga de dinamita colocada en una perforación somera (menor de un metro) con detonador instantáneo también conectado al registrador.

Los métodos geofísicos usados en ingeniería civil recurren a la determinación de velocidades de trasmisión de ondas sísmicas y de la resistividad eléctrica del suelo, empleando para ello equipos portátiles. Estos métodos son aplicables en la exploración de áreas extensas; permiten definir la estratigrafía y por correlaciones de las velocidades o resistividades se infiere el tipo de suelo o roca en cada estrato del sitio. Para aumentar la confiabilidad de la interpretación es necesario realizar por lo menos un sondeo de correlación con obtención de muestras. 8.1.1

Geófonos. Los geófonos son dispositivos electromagnéticos que captan las oscilaciones del suelo y las transforman en señales eléctricas. Los geófonos, comúnmente empleados registran sólo la componente vertical del movimiento y tienen sensibilidad entre 5 y 100 c.p.s. (ciclos por segundo), son de construcción robusta y tienen una punta en el eje vertical para hincarse en el suelo (Fig. 3).

Método geosísmico de refracción.

Generalidades. Este método consiste en medir el tiempo requerido para que las ondas sístimas viajen del punto en que se originan, mediante el impacto de un martillo pesado o una pequeña explosión, a los detectores o geófonos colocados en línea, que recogen la señal de llegada y la envían al aparato registrador.

Aparato registrador. El registrador es un oscilógrafo, cuyos elementos sensibles son pequeños galvanómetros que vibran al recibir la señal de los geófonos. Los galvanómetros llevan adheridos pequeños espejos, en los que inciden rayos de una fuente luminosa fija y los reflejan a papel fotosensible que registra el arribo de las ondas.

Con el impacto o la explosión se originan ondas longitudinales (P), transversales (S) y de superficie (ondas Love y Raleigh). Las ondas logitudinales o primeras son las que se desplazan con mayor velocidad en el medio, ya sea directamente o

EL registro fotográfico tiene una escala de tiempos y registra también el inicio de la prueba. Existen oscilógrafos que registran el fenómeno en cinta magnética, pantalla luminosa o digitalmente.

refractadas; en la figura 1 se muestra esquemáticamente la propagación de ondas en un sitio con dos estratos paralelos, representando el

Las características más importantes de los oscilógrafos para exploración geotécnica se resumen en la tabla 2.

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V1, V2 = velocidad de propagación de las ondas en dos estratos en contacto.

En la figura 4 se muestra el registro de una prueba, captado en papel fotosensible; en éste se aprecia el “ruido” provocado por el viento, vehículo, maquinaria, flujo subterráneo, etc.

Con los datos obtenidos de la prueba se hace una gráfica tiempo-distancia o domocrónica; en las abscisas se dibujan las distancias de cada geófono al punto de tiro ( di ) y en las ordenadas los tiempos de arriba ( ti ) de la onda a cada geófono; en el caso más frecuente se tienen dos de estas gráficas que generalmente se dibujan en una sola tomando como orígenes los extremos de la línea de arreglo de los geófonos ( figs. 6, 7, 8 ). La estratigrafía se infiere de la forma de esta gráfica y las características de los materiales de las velocidades de propagación, deducidas también de la gráfica.

Procedimiento de prueba. Los geófonos se hincan en el suelo a lo largo de una línea, en un extremo se genera la onda y en el opuesto se coloca el oscilógrafo. La longitud de la línea está condicionada por la profundidad a la cual interesa hacer la exploración. Los geófonos se colocan equidistantes entre sí, o bien, más cercanos en el extremo en que se genera la onda; pero no a menos de 2 m y a distancias mayores en la parte más alejada, pero no a más de 20 m. En condiciones estratigráficas simples, en que las fronteras entre estratos sean paralelas a la superficie, una sola prueba puede dar información suficiente; en general es necesario realizar una segunda prueba, generando la onda en el otro extremo de la línea.

Caso 1. Estratigrafía uniforme. En la gráfica tiempo-distancia aparecen dos rectas simétricas respecto al centro de la línea de tendido (fig. 6). La velocidad del medio es igual a la tangente del ángulo formado por la vertical y la línea.

Se han desarrollado otras técnicas de ejecución de esta prueba (bibliografía 2); así, por ejemplo, para detectar una zona de menor velocidad se recomienda disponer los geófonos en forma semicircular alrededor del punto de tiro, de tal manera que las distancias sean constantes y pueda detectarse retraso en algunos geófonos. Para determinar las dimensiones y profundidad de la anomalía de hace variar el radio y/o la posición del punto de tiro. Estas anomalías pueden corresponder a zonas de baja resistencia, tubificadas, muy sueltas o con cavernas. En la figura 5 se muestra un esquema con el tendido propuesto.

Caso 2. Estratigrafía de dos capas paralelas. En este caso la gráfica también es simétrica pero cada prueba queda representada por dos rectas de diferente pendiente ( fig. 7 ); Las velocidades en cada estrato se calculan como en el caso anterior y el espesor del estrato superior se obtiene con la expresión. H= donde:

Interpretación de la prueba. La interpretación de la prueba de refracción se basa en que la primera onda que arriba a un geófono se propaga directamente o bien se refracta según un ángulo i crítico ( o ), figura 1, en que: Sen io =

do = distancia crítica del punto de generación de la onda al cambio de pendiente de la gráfica tiempo-distancia. Caso 3. Estratigrafía de 2 capas con contacto inclinado.

V1 V2

Donde:

io =

do V 2 − V 1 /(V 2 + V 1) 2

ángulo crítico.

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Geófono

V1

V2 > V1

V: Velocidad de propagación de las ondas Angulo crítico

Fig. 1

Propagación de las ondas sísmicas.

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V2


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Registrador

Generación de la onda Geófono

Fig. 2

Esquema del equipo sismográfico.

Resorte

Imán permanente

Bobina

Punta para ser hincado en el terreno

Fig 3 Esquema de un geófono tipo electromagnético

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Instante de la explosión

Trazo de referencia

Señal de geófono i

0

Fig. 4

0.1

0.2

Registro típico de un oscilógrafo.

10/76

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7


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La gráfica distancia-tiempo en este caso no es simétrica ( fig. 8 ), la velocidad del estrato superior (V1) se determina como en los casos anteriores; la velocidad del estrato inferior V2 y el echado del contacto ( ) se calculan con las expresiones siguientes:

Las velocidades de propagación de las ondas longitudinales o primarias permiten, por comparación, inferir los posibles tipos de materiales en cada estrato; en la tabla 3 se presenta una recopilación de velocidades longitudinales ( bibliografía 2, 3, 4 ) y en la figura 10 se muestra en forma de histograma.

1 -1 -1 sen V1/Ud sen V1/Uu) 2 V1 V2 = sen io 1 -1 -1 iO = (sen V1/Ud + sen V1/Uu) 2 ∞=

La interpretación de un estudio geofísico es más confiable si se apoya al menos en un sondeo convencional. Las velocidades de propagación de las ondas se han correlacionado con los procedimientos de ataque para movimiento de tierras; en la figura 11 se resume la experiencia obtenida.

donde:

=

Propiedades dinámicas. Para determinar el módulo de elasticidad dinámico y la relación de Poisson se acepta que el problema de trasmisión de ondas es un problema elástico, ya que las deformaciones que se inducen al medio son muy pequeñas. Se pueden obtener para la velocidad de la onda longitudinal y transversal, las siguientes expresiones. 1-γ Edin VL = ρ (1 + γ) (1 - 2γ) 1 Edin VT = ρ 2 (1 + γ)

inclinación del contacto (echado).

Uu = velocidad aparente (debida al echado) del estrato inferior cuando se mide subiendo por el contacto. Se determina de la gráfica. velocidad aparente (debido al echado) del Ud = estrato inferior se mide bajando por el contacto. Se determina de la gráfica. Caso 4. Estratigrafía de 3 capas paralelas. En este caso se tienen gráficas simétricas para cada prueba pero en cada una de ellas se tienen tres rectas de pendiente diferente (fig. 9); las velocidades en los tres medios (V1, V2, V3) se calculan como en los casos 1 y 2 y las profundidades de los contactos (h1, h2 ) con las expresiones siguientes: V1

T2 h1 =

1 h2 =

V3

2

2

- V1

T3 –2h1 2

V1

V2

V2 - V1

2

V2

donde:

2

2

VL =

velocidad de las ondas longitudinales, m/seg.

VT =

velocidad de las ondas transversales, m/seg.

γ=

relación de Poisson del medio.

Edin =

módulo de elasticidad dinámico del medio, 2. kg/m

ρ=

masa por unidad de volumen del material,

V2 V3 2

V3 - V2

2

2

kg seg

donde:

4

m T1 = tiempo de intersección al origen. Se determina de la gráfica.

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v v

Centro 1

Centro 2

v

v

Centro 3

Fig. 5

Disposición de tendidos para localizar una anomalía (las flechas indican los detectores que registraron tiempos distintos y delimitan la anomalía), ( ref. 2)

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t

ti

t2

ti

d

Geófonos

d1 Primer punto de tiro

d2 di

Segundo punto de tiro

Fig. 6 Gráfica distancia tiempo para el caso de estratigrafia uniforme

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t

-1

Tan V2

-1

ti

Tan V1

t2

t1 d0

d

d1

d2

Segundo punto de tiro

Geófonos di

punto de tiro

Medio 1

h

V1 V 2> V 1

Medio 2

Fig. 7

V2

Gráfica domocrónica para el caso de 2 capas con contacto paralelo a la superficie del terreno.

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t

d

S egundo p u n to d e t ir o

P r im e r p u n to d e t ir o

V1

α

V2

Fig. 8 Domocronica para caso de 2 capas con contacto con echado α.

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V 2> V 1


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t

V 3> V 2> V 1 t3

t2

d

P rim e r p un to d e tiro

G eófo nos h1

V1

h2

V2

V3

Fig: 9 Gráfica tiempo distancia para el caso de tres estratos paralelos

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S egundo punto de tiro

Primera Edición

EXPLORACIÓN Y MUESTREO DE SUELOS PARA PROYECTOS DE CIMENTACIÓN (PRIMERA PARTE)

Para determinar la velocidad de las ondas transversales se usan geófonos sensibles a la componente horizontal del movimiento, llamados geófonos de cortante.

muestra esquemáticamente el conjunto. Los equipos comerciales integran la fuente de poder con el voltímetro y el amperímetro en una unidad compacta. En la tabla 4 se presenta una recopilación de las características de los equipos portátiles.

Si la velocidad de las ondas longitudinales es mayor de 3000 m/seg se puede suponer una relación de Poisson igual 0.30 y aplicando la fórmula se calcula Edin; el error de esta determinación es del orden del 10%. Cuando la velocidad de las ondas longitudinales es menor de 3000 m/seg se necesita medir la velocidad de la onda transversal y usando simultáneamente las fórmulas anteriores se puede calcular Edin. 8.1.2

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Los electrodos son varillas usualmente de bronce de 2 cm de diámetro y 50 cm de longitud con un extremo en punta para hincarse en el terreno. Los cables de conexión son de cobre con forro de neopreno. Procedimiento de operación. El campo eléctrico se induce al terreno con dos electrodos denominados de corriente que se hincan y conectan con el cable a la fuente de poder y el amperímetro; entre estos electrodos se hincan dos de potencial conectados al voltímetro. Con el amperímetro se mide la intensidad de la corriente inducida al terreno y el voltímetro mide la diferencia de potencial entre los electrodos centrales.

Método de resistividad eléctrica.

Generalidades. El método de resistividad eléctrica se basa en determinar las resistividades aparentes de cada estrato induciendo un campo eléctrico en el sitio en estudio. Este método tiene ventajas sobre el geósismico ya que puede emplearse abajo del nivel freático y localizar fácilmente cavernas y estratos blandos que no se identifican con el geosísmico; por ello es que ambos métodos se complementan.

Las distancias entre electrodos pueden variarse dando lugar a diferentes arreglos; en el más usual, el de Wenner, los electrodos quedan en una línea con separación equidistante h; la determinación hecha es representativa del material a la profundidad h.

Para la exploración geoeléctrica se han desarrollado diversos, métodos (bibliografía 2, 3); el denominado método de Wenner es el más utilizado por su simplicidad; tiene dos técnicas de operación: sondeo eléctrico que estudia la estratigrafía según una vertical, y rastreo eléctrico, que lo hace según una horizontal a cierta profundidad; combinando ambas técnicas se puede tener una idea clara de las condiciones del sitio.

El sondeo eléctrico se realiza manteniendo el centro del arreglo fijo e incrementando la separación h. En el rastreo eléctrico únicamente se cambia de lugar al arreglo sobre una retícula trazada en la superficie. Se combinan el sondeo y el rastreo para definir las condiciones geológicas del lugar. Ambas técnicas deben iniciarse determinando la resistividad del estrato más superficial, colocando los electrodos con una separación menor que el espesor del primer estrato.

Con este método y empleando equipos portátiles es posible explorar hasta profundidades de 300 m; la información que se puede obtener es la estratigrafía, la posición del nivel freático y por correlación con la resistividad se puede inferir el tipo de material de cada estrato. La confiabilidad de la interpretación mejora siempre que se pueda hacer un sondeo de correlación con obtención de muestras.

Interpretación. El arreglo Wenner genera un campo eléctrico con profundidad h, ancho 0.75 h y largo 4.5 h. De la prueba se obtiene la diferencia de potencial V y la intensidad de la corriente I; la resistividad aparente se obtiene con la expresión:

Equipo. El equipo está integrado por una fuente de poder, un voltímetro, un amperímetro, cuatro electrodos y cables conductores; en la fig.12 se

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V

de utilizar esta gráfica es la siguiente: para la determinación de la resistividad del estrato superficial (ρ1) se utiliza alguna medición hecha con una equidistancia h, menor que el espesor de la capa, aplicando la fórmula de la resistividad aparente; cuando se tenga duda de este valor, se recomienda hacer una gráfica de variación de la equidistancia h y la resistividad aparente; extrapolando se puede determinar ρ1 como el valor de ρa cuando h tiende a cero. Conocidas ρ1 y ρa para un valor de h se traza en la gráfica una horizontal para ρa/ρ1 y se obtiene una serie de valores de K y h/H; de este conjunto de valores se dibuja la variación de K vs II ya que h es constante para cada medición. Se dibujan las curvas K vs H para los diferentes valores de h; si las curvas intersectan en un punto (H,K) (fig. 14) se tiene el caso de una capa sobreyaciendo a un estrato infinito. En caso de no intersectarse en un punto, se compara la curva ρa vs h con curvas teóricas para diferentes configuraciones de estratificación que han sido preparadas por algunos investigadores o instituciones, como Mooney y Wetzel (bibliografía 5) y Compagnie Général de Geóphysique (bibliografía 6). En general el número de capas involucradas en una prueba se puede detectar en la curva ρa vs h por medio del número de cambios de pendiente.

ρ a = 2 πh Ι donde:

ρ a = resistividad aparente a la profundidad h, ohms-m. V=

diferencia de potencial, volts.

Ι=

intensidad de la corriente, amperes

h=

distancia entre electrodos, m

Cuando se usen equipos portátiles que miden resistencia, se puede sustituir la relación por:

V I R= resistencia en ohms. Sondeo eléctrico. La interpretación se hace con el procedimiento de cálculo de Hummel, quien dedujo la expresión de la resistividad aparente para el caso de una capa de resistividad ρ1 sobreyaciendo sobre un estrato infinito de resistividad ρ2. n

ρ a = ρ1 + 4 ρ1 Σ

K -

1+(2nH/h)

n=1

Rastreo eléctrico. Para interpretar la prueba se hace una gráfica de distancias, de origen arbitrario al centro del arreglo, contra resistividades aparentes; las resistividades reales en cada zona a la profundidad h deben ser las que estén localizadas fuera de las zonas de transición (fig. 15 y 16).

n

K

∞

2

2

4+(2nH/h)

donde: n=

1, 2, 3... ∞

H=

espesor de la capa, m

h=

equidistancia entre electrodos, m

La exploración de toda la zona se hace, como ya se mencionó, con una retícula de observaciones a diferentes profundidades; el cálculo puede hacerse con ayuda de computadoras. La identificación de las posibles rocas o suelos se hace por correlación de los valores de la resistividad de cada estrato con valores obtenidos de experiencias anteriores como los presentados en la tabla 5 y en la fig. 17. La correlación directa con un sondeo convencional con recuperación de muestras es siempre más confiable.

ρ2 - ρ1 K=

ρ1 + ρ2

Mooney y Wetzel (ref. 5) obtuvieron la familia de curvas derivadas de la ecuación anterior para simplificar el cálculo de ρ2 y H (fig. 13). La forma

18/76


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0.6 Aluvión, arcilla, etc.

Granito, metamórficas

Arenisca, lutita.

Sal. anhidritas

Caliza, dolomita

0.4

0.2

0 0

1500

3000

4500

6000

7500

9000

VL, en m/seg

Fig.0

Histograma de velocidades de la onda longitudinal en distintos tipos de rocas y suelos (bibliografía 3) 8.1.3 Método de relación de caídas de potencial.

19/76


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Generalidades. Este método consiste en determinar la relación de caídas de potencial entre tres electrodos, de potencial, hincados a distancias iguales y en una línea ortogonal a la de los dos electrodos de corriente que inducen el campo eléctrico.

correspondientes a cuatro puntos diferentes en la superficie respecto a los cuales se ha hecho variar L, en uno de los puntos, a la profundidad L´, se presenta otro material.

Este método se utiliza para hacer exploraciones de detalle porque tiene mayor sensibilidad que el de resistividad y es más simple de aplicarse porque no se requiere medir la intensidad de la corriente.

Los métodos semidirectos consisten en hincar un penetrómetro para determinar la resistencia al corte de los suelos y deducir indirectamente la estratrigrafía. Con el penetrómetro estándar es posible obtener muestras alteradas del suelo.

8.2

Equipo. Se requieren 5 electrodos, 2 Yoltímetros, cables conductores y una fuente de poder de mayor capacidad que la usada en el método de resistividad; en la fig. 18 se muestra esquemáticamente la colocación del equipo.

Métodos semidirectos.

Las pruebas de penetración se clasifican, según el procedimiento de hincado del penetrómetro, en : de penetración a presión, dinámicas y de presiónpercusión. En las pruebas a presión hay dos criterios: a velocidad de deformación constante y a presión constante.

Procedimiento. Los tres electrodos de potencial se hincan en la línea recta, a una separación L/3, los de corriente se colocan en otra línea ortogonal a la primera, distantes cuando menos 5L; la distancia del electrodo de potencial del centro a la línea de los electrodos de corriente debe ser L. La profundidad a la que corresponde la medición que se obtiene con esta geometría es precisamente L; se hacen otras mediciones a diferentes distancias L.

Los penetrómetros son esencialmente dispositivos de acero de forma cónica que se hincan con una columna de tubos de acero (fig. 20). Las resistencias que se oponen al hincado son la resistencia en la punta (qc) y la de fricción lateral en los tubos (fs); en muchos de los diseños se busca eliminar o controlar la influencia de la resistencia a la fricción lateral para simplificar la interpretación de la información que se obtiene.

La medición de caídas de potencial se hace con los voltímetros que unen los tres electrodos de potencial.

8.2.1

Prueba de penetración a presión.

Generalidades. Consiste en hincar un cono de acero a presión en el subsuelo para determinar su resistencia a la penetración a distintas profundidades.

Interpretación. La caída de potencial entre los electrodos, ρ1, ρ2 es V12 y entre ρ2ρ3 es V23, la relación entre estas dos caídas (RCP), correspondiente a cada distancia L, es

Se han desarrollado dos tipos de penetrómetros de presión, diferenciándose en que operen con tubería sencilla o doble (fig. 20). Los penetrómetros de tubería sencilla miden la fuerza necesaria para vencer la resistencia de punta y la fricción lateral total; los de tubería doble permiten diferenciar la resistencia de punta de la de fricción. Los penetrómetros son fabricados con acero de alta resistencia, el diámetro del cono varía entre 3, 6 y 10 cm, usualmente. La fuerza axial necesaria para hincarlo se genera con un sistema hidráulico midiendo la fuerza indirectamente con la presión del fluido o bien con una celda de carga, con un anillo de carga o una celda electrónica.

V12 RCPL = V23 Esta relación se mantiene constante e igual a 2 siempre que el material involucrado sea el mismo; cuando sea diferente de 2 se está detectando otro material a la profundidad L correspondiente. Para facilitar la interpretación se hace una gráfica RCP vs L para localizar la zona en que se presentaron anomalías que tiene RCP diferente de 2; en la figura 19 se presenta un ejemplo de esta gráfica, donde se han dibujado cuatro curvas

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V e lo c id a d e n m /s e g x 1 0 0 0 0

1

2

3

4

S u e lo v e g e ta l A rc illa T illita R o c a ig n e a G r a n ito B a s a lto R o c a in te rm e d ia (D IA B A S A ) R o c a s s e d im e n ta r ia L u tita A re n isc a L im o n ita A rg ilita C o n g lo m e r a d o B re ch a C a lic h e C a liz a R o c a s m e ta m ó rfic a s E sq u is to s C u a rc ita G n e is s P iz a rra M in e ra le s C arbó n M . d e h ie rro

A ra b le

A ra d o y /o e xp lo s ivo s

E x p lo s iv o s

Fig. 11 Atacabilidad de algunos materiales según la velocidad de la onda longitudinal con escarificador estándar d7e (160 h.p.).

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Fuente de poder

Amperímetro F

A

Voltímetro V

Electrodo de corriente

Electrodo de potencial

h

Fig. 12

h

h

Esquema del equipo (resistividades, arreglo wenner).

22/76


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10

k

=1 .0

8

Pa

6 9 0.

P1

0.8

4

0.7

0.6

0.5

2

0.4

0.3 0.2 0.1 0

1

-0.1

0.8

-0.2

-0.3

0.6 -0.4

-0.

0.4

P1

C1 h H

P2 h

-0.6

h P1 P2

-0.7

P2-P1

0.2

5

C2

k=

-0.

P2+P1

8

-0.9

-1.0

0.1 0.1

0.2

0.4

0.6

0.8

1

2

4

6

8 h/H

Fig. 13

Curvas de resistividad aparente para el caso de una capa usando el arreglo de wenner (bibliografía 3)

23/76

10


P.2.0111.01: 2001 UNT

Se han construido numerosos penetrómetros de presión, entre ellos, el Holandés, el Frankipfahl y el Degebo alemanes, el Parez y el Soletanche franceses, el G. C. y el Franki belgas. (bibliografía 7). Entre todos, el penetrómetro holandés es el que más se ha difundido y para el que se tienen correlaciones más confiables. 8.2.1.1

Generalidades. El penetrómetro holandés de cono es un penetrómetro de presión de tubería doble con una funda deslizante para determinar la fricción lateral local (Fs) y la resistencia total de punta (Qc) independientemente. El campo de aplicación más extendido para este penetrómetro son las arenas, para las que se han desarrollado criterios confiables de interpretación aunque se usa también en arcillas.

Penetrómetro holandés.

K

h1

h2

3 - 31 K = ----------31 + 3 2

Fig. 14. Gráfica h vs k para el caso de una capa.

E S P E S O R D E L A C A P A H (m ).

Fig. 14

Gráfica h vs k para el caso de una capa.

24/76

hi


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3D

3

3

d

h

INTRUSION DE MAYOR RESISTIVIDAD

3

Fig. 15

3

3

Gráfica típica de resistividades aparentes para una intrusión.

3D

3 3

d

h

3

3 CO N TAC TO

Fig. 16

Gráfica típica de resistividades para el caso de un contacto.

25/76


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Rocas igneas

Rocas metamórficas

Rocas sedimentarias

Sedimentados y suelos no consolidados

10-1

10

103

105

107

109

Resistividad, en ohm/m

Fig. 17

Histogramas de resistividad eléctrica de distintos tipos de rocas y suelos (bibliografía 3).

26/76


P.2.0111.01: 2001 UNT P3

Electrodo de potencial L/3 V

Voltímetro P2

V

L/3

P1 L

Electrodo de corriente C2

C1

d > 5L

F

Fig. 18

Arreglo de electrodos para el método de relación de caídas de potencial.

RCP

L´ corresponde a la profundidad de la anomalía

L´

Fig. 19

Gráfica típica para el método de relación de caídas de potencial.

27/76

L


Características. La punta del holandés la integran tres piezas:

P.2.0111.01: 2001 UNT

penetrómetro

El registro de la prueba debe incluir datos generales del sondeo, profundidad de cada prueba, fuerza para hincar el cono (Qc), la funda y el cono (Rt) y observaciones; en la cláusula G se propone un registro tipo.

2

El cono de 36 mm de diámetro exterior y 10 cm de área transversal, la funda deslizante de 36 mm de 2 diámetro exterior, 13 cm de longitud y 147.02 cm de área lateral y el cople de unión a la tubería exterior (fig. 21).

Con la información obtenida se hace una gráfica profundidad vs resistencia de punta qc y profundidad vs fricción lateral por unidad de área, fs (fig. 22). La fricción lateral por unidad de área se calcula con:

La tubería exterior tiene un diámetro externo de 36 mm y se acopla con cuerda en tramos de 1 m de longitud. La tubería interior tiene diámetro exterior de 1.5 cm también en tramos de 1 m de longitud.

Fs = Rt -Qc

El sistema de carga es un mecanismo hidráulico; consta esencialmente de dos cilindros de compresión que aplican fuerza axial a cada una de las tuberías; las cargas aplicadas se determinan con manómetros conectados a cada cilindro hidráulico, el sistema está diseñado para una capacidad máxima de 5 ton. La presión del sistema se genera con una bomba hidráulica operada con un motor de gasolina. El sistema de carga completo es un pequeño remolque de ruedas neumáticas, en el cual está soportado el sistema de reacción de la fuerza axial formado por dos anclas helicoidales de 1 m de longitud.

fs = Fs / At Donde:

Procedimiento de operación. Se hinca el penetrómetro aplicando la fuerza axial con las barras exteriores hasta llevarlo cerrado a la posición a la que se hará la prueba (fig. 21a); con las barras interiores se hinca el cono (fig. 21b) un longitud de 4 cm con velocidad de deformación de 2 cm/seg y se mide la fuerza necesaria para hincarlo (Qc); después de esta carrera se continúa hincándolo arrastrando así la funda deslizante (fig. 21c) y la fuerza que se mide es la necesaria para vencer la resistencia de punta y de fricción (Rt); se dispone también de una carrera de 4 cm para esta condición de hincado. Se continúa hincando el penetrómetro, pero ahora con la tubería exterior para cerrar nuevamente el aparato. Generalmente se hinca 25 cm y se hace otro juego de determinaciones.

Rt

fuerza necesaria para hincar el cono y la funda, kg.

Qc

fuerza necesaria para hincar cono, kg.

fs

fricción lateral por unidad de área, kg/cm

Fs

fricción lateral local en la funda deslizante kg.

At

área lateral de la funda = 147.02 cm

Generalmente fs se grafica en resistencia de punta se calcula con:

2.

2

2

ton/m .

La

qc =Qc/Ac Donde:

Para que la información de esta prueba sea confiable debe asegurarse que: los manómetros estén calibrados, los tubos exteriores e interiores estén rectos, en buenas condiciones y engrasadas las paredes.

Qc

fuerza necesaria para hincar el cono, kg.

qc

resistencia de punta, kg/cm

Ac

área transversal del cono = 10 cm

2

2

Interpretación. La interpretación de la prueba se hace identificado en la gráfica de penetración los estratos más significativos; en la tabla 6 se anotan las condiciones que generalmente se pueden

28/76


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La resistencia a la penetración, representada por el número de golpes necesario para hincar el penetrómetro una longitud fija con una energía establecida previamente, se correlaciona con la resistencia al corte de los suelos.

presentar y con la figura 23 se pueden correlacionar tentativamente la resistencia de punta y la fricción lateral por unidad de área con los tipos de suelos. 1. Turba, arcillas lacustres y arcillas de consistencia muy blanda.

En este trabajo se proponen dos tipos de prueba de penetración dinámica: de penetración estándar y de penetración Sermes. La primera está apoyada en una amplia base empírica que facilita su interpretación y tiene la enorme ventaja de recuperar muestras alteradas para hacer la clasificación y pruebas índice de los suelos del sitio. La prueba Sermes es una prueba de reciente creación y aún su uso no se ha extendido pero tiene amplias posibilidades de usarse por ser económica, eficiente y confiable.

2. Arena limosa suelta y depósitos de arena muy suelta. 3.

Arcillas blandas y arcillas limosas.

4.

Depósitos de grava suelta.

5.

Arenas sueltas o loess arriba del nivel friático.

6.

Arcillas de consistencia media y arcillas limosas.

7.

Arcillas medianamente duras.

8.

Arenas limosas medianamente densas y arenas limpias.

9.

Arcillas duras o arcillas limosas duras.

10.

Gravas limpias posiblemente con arena fina suelta.

11.

Arenas densas o mezclas densa de arena con limo o arcillas, gravas arcillosas.

12.

Arcillas muy duras.

13.

Gravas en una matriz de arena arcillosa densa.

14.

Arena densa y mezclas de grava.

15.

Grava suelta o arena limosa muy densa.

8.2.2

Prueba de penetración dinámica.

8.2.3

Prueba de penetración Sermes.

Generalidades. La prueba de penetración Sermes es una prueba dinámica, que consiste en hincar un cono de acero con una columna de tubos y un martinete de operación neumática. Un penetrómetro de funcionamiento similar se puede lograr simplemente con una masa en caída libre, sin embargo el diseño del martinete neumático permite a este penetrómetro una mayor eficiencia. El penetrómetro Sermes puede realizar un sondeo de 25 m en 2 horas por la rapidez del martinete y la facilidad de operación. El campo de aplicación en que su información es más confiable es en arenas, aunque se disponen también de experiencias en arcillas. El diámetro del cono es mayor que el de los tubos (1.73 veces) para reducir a un valor despreciable la fricción y considerar que se trata de una prueba de penetración de punta; si se genera fricción importante se puede inyectar lodo para reducirla. Características. El cono de penetración se muestra en la fig. 24a, es un cilindro de acero templado de 70 mm de diámetro, punta de 90° y altura de la parte cilíndrica de 70 mm, tiene dos orificios laterales para el paso de lodo.

Generalidades. Las pruebas de penetración dinámicas consisten en hincar un cono de acero, colocado en el extremo inferior de una columna de barras mediante impactos de una masa.

Los tubos son de 40 mm de diámetro con marcas cada 10 cm.

29/76


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fs

fs

∝

fs, Resistencia a la fricción lateral qc, Resistencia de punta qc

qc

Fig. 20 Penetrómetros de presión.

30/76


P.2.0111.01: 2001 UNT

Tubería exterior

Tubería inferior

Funda deslizante 13 cm. 13 cm.

(a)

(b) (c)

Punta

60

Corte esquemático

36 mm

Fig. 21 Penetrómetro holandés.

31/76


2500

1500

1400

1200

1300

1000

0

1100

800

900

700

600

500

400

300

200

150

50

0

250

P.2.0111.01: 2001 UNT

100

Primera Edición

2

P ro fu n d id a d , e n m

4

6 qc fs 8

10

12

14 0

1

2

3

4

5

6

7

8

Fig. 22 Representación gráfica de una prueba de penetración estática.

32/76

9

10

20


P.2.0111.01: 2001 UNT

4

12 fs, Kg/cm

13

2

15

3

9

2

11

14

7

1

6 3

8

10

5

1 2

4

10

Fig. 23

30

60

100

150

200

q c, Kg/cm

Gráfica para clasificación de suelos en función de fs y qc.

33/76

2

300


P.2.0111.01: 2001 UNT

El martinete funciona como una pequeña piloteadora, el cilindro neumático levanta la masa y al llegar a un tope la suelta en caída libre desde una altura constante de 40 cm.

Interpretación de la prueba. La prueba se interpreta considerando válido el principio de la conservación de la energía, analizando el sistema representando en la fig.25. 2

Mh

Después del impacto a la cabeza golpeadora el cilindro se retrae y entrampa a la masa para levantarla de nuevo y así sucesivamente. La frecuencia de impactos es de 52 golpes por minuto. El peso del martillo se puede ajustar con piezas de lastre que le dan un peso total de 30, 60 ó 90 kg; es interesante señalar que la cabeza golpeadora que recibe el impacto de la masa para transmitirlo a los tubos tiene una rondana de material ligeramente deformable para reducir el rebote del martinete.

Rd = Se (M+P) Donde: 2

Rd =

resistencia dinámica kg/cm .

M=

peso total del martillo, 30, 60 ó 90 kg.

h=

altura de caída del martillo, cm.

S=

El cilindro neúmatico funciona con aire a presión 2 de 1.5 a 3.5 kg/cm , dependiendo del peso con que se esté operando.

área de la sección transversal del 2 cono = 38.5 cm .

e=

penetración de la punta, en cm.

P=

El consumo de aire es reducido y un compresor portátil lo satisface. El penetrómetro Sermes cuenta con herramienta accesoria para facilitar la operación.

peso muerto que incluye el de las barras, el cono y aditamentos.

N=

número de golpes para hincar el penetrómetro una distancia e. (Para e = 10 cm N = N10).

Simplificando:

Procedimiento de operación. Para seguir el procedimiento detallado de operación debe consultarse el manual del aparato; básicamente consiste en colocar el aparato en posición vertical con ayuda de un tripié e iniciar la penetración desde la superficie. El peso del martinete se elige de acuerdo con la dificultad para penetrar; en suelos pocos resistentes se usará con el menor peso.

Rd = K N10 2

Mh K= ,Kg/cm 10S (M+P)

2

Los valores de K, se presentan en la tabla 7 y con ello se puede calcular el valor de Rd cada 10 cm y llenar la hoja de registro (capítulo 8.4, 2ª parte). Con los valores de Rd para cada profundidad se hace una gráfica como la mostrada en la fig. 26, para interpretar las condiciones estratigráficas.

En condiciones estratigráficas inestables y que provoquen fricción en las barras, la prueba conduce a resultados poco confiables; en estos casos se debe inyectar lodo bentonítico para reducir la fricción, utilizando una bomba de émbolo de operación manual.

La correlación entre la resistencia dinámica y las características de los suelos penetrados, se establece a través de la resistencia a la penetración estática (prueba de cono holandés) siguiendo los criterios que se describen a continuación: En suelos granulares se puede obtener la resistencia de punta (qc) con la expresión. Rd qc = 2

La información que se obtiene es el número de golpes para cada incremento de penetración de 10 cm (N10), el peso del martillo utilizado, presión y datos adicionales, como interrupciones, condiciones de hincado en seco o con lodo y presión de inyección. Esta información se debe anotar en el registro de campo; el registro tipo se incluye en el capítulo 8, inciso 4 (ver 2ª parte).

34/76


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c) Cilindro neumático 52 golpes/min. 2000 cm 3 14.0 Kg. Manguera (aire a presión 1.5-3.5 Kg/cm 2.)

b) Barra de perforación, Im:

Sistema de soporte de pesos adicionales (30, 60, 90 Kg)

10 cm

Marca 40 mm

Martillo

(3.65 Kg/m).

40 cm.

Barra guía

70 mm

a) Penetrómetro 1.8 Kg.

Cabeza golpeadora

Perforación para lodo

Barra de perforación

Fig. 24

Penetrómetro dinámico Sermes.

35/76

70 mm

90°


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h

M NIVEL DEL TER RENO

P

e

Rd S

Fig. 25

Esquema del funcionamiento del penetrómetro Sermes.

36/76


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Las características de los materiales se obtienen con la correlación empírica de la fig. 23 considerando que la fricción lateral por unidad de área es nula (fs = 0).

muestreador una canastilla o trampa para retener las muestras de arena suelta (fig. 28). El equipo de hincado consta de una masa golpeadora de acero de 64 kg guiada con una barra de 19 mm de diámetro. El diámetro de la masa golpeadora es generalmente de 15 cm. La energía se trasmite al penetrómetro mediante una cabeza de golpeo y tubos de diámetro mínimo AW (4.44 cm). Cláusula G (ver capítulo 8 (2ª parte). Para evitar flambeo excesivo de la columna de tubos de perforación en sondeos que lleguen a profundidades mayores de 15 m, es recomendable utilizar barras de mayor diámetro BW (5.40 cm) y NW (6.67 cm).

En los suelos cohesivos la correlación entre resistencia dinámica y estática es poco confiable, arriba del nivel freático puede aceptarse. qc = Rd Abajo del nivel freático puede desarrollarse mucha fricción y además el efecto de la presión de poro puede ser muy significativo, por ello la información que se obtenga sólo sirve para definir la estratigrafía.

En la fig. 29 se presenta un penetrómetro que cumple las condiciones geométricas convencionales; la válvula esférica tiene soldada una barra de 20 cm de longitud que permite mayor libertad de operación como se describe posteriormente. En la fig. 30 se muestra el diseño de un martinete de hincado más eficiente que el convencional.

En el caso de la prueba de penetración Sermes siempre será necesario realizar sondeos complementarios para la obtención de muestras, con las que se pueden establecer correlaciones que auxilien la interpretación de los sondeos de penetración. 8.2.4

Prueba penetración estándar. Procedimiento de operación. El penetrómetro se hinca en el fondo de una perforación hecha con el procedimiento y equipo que aseguren el mínimo de azolves en el fondo y la estabilidad de las paredes de la perforación. Se puede emplear ademe metálico en suelos poco estables o bien recurrir al uso de lodos de perforación. El diámetro mínimo de la perforación es de 7.5 cm.

Generalidades. El penetrómetro estándar consiste de un tubo muestreador que se hinca a percusión y rescata muestras alteradas para identificar los suelos y realizar pruebas índice; el número de golpes necesarios para hincarlo se correlaciona con la resistencia al corte del suelo. El campo de aplicación de este penetrómetro es en materiales granulares finos, pero también se emplea en suelos cohesivos.

La prueba de penetración consiste en hincar el penetrómetro estándar de 45 cm empleando una masa de golpeo de 64 kg con caída libre de 75 1 cm, contando el número de golpes para 3 segmentos de 15 cm (fig.31). Se define la resistencia a la penetración como el número N de golpes en los últimos 30 cm. Si el penetrómetro no se pueden hincar los 45 cm la prueba se suspende cuando se han alcanzado 100 golpes y por extrapolación se deduce el número de golpes N. La intención de no considerar los primeros 15 cm es evitar la zona de alteración que se produce por la perforación. El control de la profundidad de hincado se hace marcando señales en las barras de perforación con referencia a un punto fijo. La masa metálica de 64 kg se levanta con un cable de manila de 19 mm y un malacate de fricción

El equipo necesario para realizar la prueba incluye un malacate ligero y tuberías de perforación. Características. El penetrómetro estándar debe tener las dimensiones que se muestran en la figura 27; la zapata debe ser de acero endurecido y debe sustituirse cuando pierda su filo. El tubo intermedio puede ser partido o entero, en cuyo caso se identifica como tubo liso, y debe tener las mismas dimensiones. La válvula de la cabeza permite la salida del azolve durante el proceso de hincado y evita que la muestra salga del penetrómetro durante la extracción. Se puede integrar en el

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R esistencia dinámica, en Kg/cm 5

10

50

100

2

500

1000

0

2

4

6

P rofundidada

, en m

8

10

12

14

16

18

20

22

24

Fig. 26

Representación gráfica de una prueba de penetración dinámica Sermes.

38/76


P.2.0111.01: 2001 UNT Zapata

Cabeza

Ajuste adecuado tubo partido 4 aberturas 12.7 mm (mín) 1.5

34.19

22.2

50.8

"A" 152.4 19.0

76.2

457.2

Esfera de acero 0 25.4 685.8

Notas: -- EL tubo partido puede ser de 38.1 mm de diámetro interior para introducir un forro de 1.5 mm de espesor. -- Se permite el uso de trampas de paso -- Las aristas en "A" deben estar ligeramente redondeadas.

Fig. 27

Penetrómetro estándar (ref. 8).

Fig 28

Trampa de paso.

39/76

Acotaciones en mm


P.2.0111.01: 2001 UNT

3.90

3.49

Cuerda BW

2.24

3.40

5.85 4.48

12.75

1.50

4.65

1.5

0.95 1.25

1.95

3.20

5.95 4.65

1.60

5.08 CABEZA

5.08 ZAPATA

Fig. 29 Penetrómetro estándar

40/76


P.2.0111.01: 2001 UNT

2.54

5.06

3.49

71.12

1.00

1.27

20.00

ACOTACIONES EN cm.

(Continuación)

VALVULA

Fig. 29

41/76

Penetrómetro estándar


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Cable manila

12.70 0.48 1.27 0.48

1.59

10.15 114.30

Martinete 18.41

4.44

Marca de referencia para altura de caída 2.54

6.67

1.27

6.35 121.92 76.20

4.27

Barra guía

Detalle. golpeador en barra guía

Barra AW ó BW (Ver detalle)

Acotaciones en cm.

Fig. 30

Martinete de 64 kg.

42/76


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Polea

Cadena

Masa golpeadora de acero Barra guía Malacate de fricción

Cabeza de golpeo

Barras AW, BW, NW

Penetrómetro estándar

Fig. 31

Prueba de penetración estándar.

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(cabeza de gato) cuidando que el cable sólo de una vuelta en el malacate, para evitar que frene la caída de la masa (fig.31).

debe describir con símbolos y con los adjetivos más precisos capítulo 8.4 (ver 2ª parte), si es necesario se utilizan notas aclaratorias; esta labor la debe hacer una persona formalmente entrenada, como se discute en la cláusula F. Finalmente se protegen las muestras como se describe en el capítulo 5 y se adhiere en los tubos la etiqueta de identificación, capítulo 8.4 (ver 2ª parte).

El nivel del agua o lodo debe mantenerse constante para evitar que ocurra flujo; en caso de presentarse artesianismo, si es posible, se debe colocar un tubo boquilla para levantar el nivel del agua y evitar el flujo. El movimiento de las barras al introducirlas y sacarlas de la perforación debe ser uniforme y lento para evitar que se produzca succión en el fondo. En particular debe vigilarse esto en pruebas en arenas ya que los resultados pueden fácilmente alterarse por estos fenómenos. No se deben emplear brocas de chiflón de descarga por la base.

Interpretación de la prueba. Con la información obtenida en el campo se elabora la parte A del perfil que se muestra en la fig. 32; la clasificación SUCS queda sujeta a modificaciones cuando se determinen las características de plasticidad en el laboratorio, parte B del perfil (fig. 32).

La limpieza de la perforación es también significativa, ya que el exceso se azolves puede incrementar el número N. El penetrómetro con válvula de esfera y varilla permite introducir el penetrómetro sin válvula y lavar inyectando agua a través de la tubería y penetrómetro; después se deja caer la válvula hasta su posición y se realiza la prueba. De esta manera se asegura la limpieza de la perforación.

La forma de la gráfica y la clasificación de los suelos permiten conocer la estratigrafía del sitio; para calificar la consistencia de los suelos cohesivos o la compacidad de los suelos granulares se recurre a correlaciones empíricas. La correlación entre la resistencia a la penetración estándar representa por N y la consistencia de suelos cohesivos se muestra en la fig. 33; conocido N se define la posible resistencia a compresión simple (qu) y la consistencia del suelo, que varía de muy blanda a durísima. Debe considerarse que esta prueba es poco confiable en suelos cohesivos.

Estas pruebas deben realizarse en cada estrato significativo; si el espesor de éste es considerable, se deben hacer varias determinaciones. La supervisión del ingeniero es muy importante para definir la frecuencia con la que deben efectuarse las pruebas. El control de la perforación se hace generalmente en metros, pero considerando que las barras miden 3.05 (10 pies), puede ser más fácil controlarla en pies. El registro de campo que se utiliza para realizar estas pruebas se presenta en la cláusula G (ver capítulo 8 (2ª parte); incluye la información general del sondeo, el número de golpes de cada prueba, la clasificación de los suelos, información complementaria e incluye varios renglones de notas para agregar todo lo imprevisto que sea significativo como tipo de lodo empleado, pérdidas del fluido, artesianismo, entre otras.

La correlación empírica entre la resistencia a la penetración estándar (N) y la compacidad de suelos granulares se muestra en la fig. 34; conocido en número de golpes N y el esfuerzo efectivo vertical a la profundidad en que se realiza la prueba ( σ vo) se determina un punto en la gráfica; por la zona en que quede se define la compacidad de suelta a muy densa; si N>50 se define como muy compacta. La compacidad relativa (Cr) se determina interpolando la intersección de una recta, que pase por el punto determinado y tenga una inclinación entre las 2 rectas gruesas vecinas, con el eje de la abscisas; puede determinarse también de esta gráfica el ángulo de fricción interna (3 ) si el material fuera arena media uniforme.

Una vez hincado el penetrómetro los 45 cm, se sube a la superficie y se extrae la muestra de él. La muestra se debe clasificar cuidadosamente de acuerdo con el criterio de campo del Sistema Unificado de Clasificación de suelos (SUCS) y se

El valor de σ vo sólo se puede calcular con precisión una vez que se han hecho las

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determinaciones de pesos en el laboratorio; en el campo puede calcularse tentativamente con la expresión.

σ vo =

seco h1 +

σ vo =

cortes y zanjas, se empleará herramienta manual o maquinaria para hacer la excavación. Procedimiento de operación. Las muestras se tomarán a medida que progrese la excavación, conservándola en bolsas de lona si no interesa mantener el contenido natural de agua y en bolsas de polietileno o frascos de vidrio de cierre hermético si es significativo conservar la humedad natural (capítulo 5). En las bolsas o frascos se adhiere la etiqueta de identificación (capítulo 8, 2ª parte). En el caso de bancos de préstamo es usual tomar muestras integrales a lo largo de una ranura que se hace en una de las paredes del pozo, para estudiar el material que se podría obtener atacando el frente completo del banco. La exploración mediante pozos a cielo abierto es un procedimiento que con la profundidad se hace muy lento y costoso; la profundidad máxima a la que usualmente se hacen es de 15 m, cuando el abatimiento del nivel freático es factible; en materiales muy permeables llega a ser excesivamente costoso.

h

2

1500 h1 + 900 h2 (ton/m

2

, valor

aproximado) Donde: h1 = profundidad del nivel freático, m h1 + h2 = profundidad de la prueba, m = peso volumétrico seco del material

=

peso volumétrico sumergido

h2 = profundidad abajo del nivel freático 8.3

Muestreo alterado.

La obtención de muestras representativas alteradas de un sitio, permite definir su estratigrafía y determinar en el laboratorio, sus propiedades índice para clasificar los suelos encontrados; pueden hacerse también pruebas mecánicas en muestras compactadas.

En el capítulo 8 (ver 2ª parte) se describe el criterio de ademado de los pozos a cielo abierto. Se pueden obtener muestras representativas alteradas también con herramientas manuales de perforación como la pala posteadora y las brocas helicoidales (fig. 35), Las muestras se protegen como se describe en el capitulo 5 y se adhiere en los recipientes la etiqueta de identificación, capítulo 8 (ver 2ª parte). La profundidad máxima que se puede alcanzar con las herramientas anteriores es de 10 m.

Las muestras alteradas se pueden obtener manualmente de pozos a cielo abierto, cortes y zanjas; en caso de que se requieran alcanzar profundidades en que los métodos manuales sean ineficientes se utiliza una máquina de perforación y se obtienen muestras a percusión. Los sondeos alterados se realizan con propósitos diversos: como parte de una exploración preliminar; para obtener muestras y correlacionar su clasificación con resultados de estudios geofísicos y pruebas de penetración de cono holandés y Sermes; como parte del programa de sondeos de un área grande y frecuentemente se emplean para obtener muestras de bancos de préstamo de materiales. 8.3.1

8.3.2

Muestreo a percusión.

Generalidades. Se requiere una máquina perforadora que permita alcanzar mayores profundidades que con herramientas manuales. La perforación puede hacerse con alguno de los métodos descritos en el capítulo 8 (ver 2ª parte). Procedimiento de operación. Para obtener muestras representativas alteradas se usa generalmente el penetrómetro estándar (4.2.4). Se han desarrollado otros muestreadores pero han

Métodos manuales.

Generalidades. Para la obtención de muestras representativas alteradas de pozos a cielo abierto,

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P RO F . m - ft

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M U ESTR A N o:

C LA S IF ICA CIO N

REC. "/"

P E N E T R A CIO N E S T A N DA R 20 40 60

W LP

LL 20

40

60

80

T O RC O M E T R O S v X C O M P : S IM P LE q u /2 ° 1 kg /c m 2 2

P R O P IE DA DE S

CL

T S -1 F -1 -F 2

10 5 20

T S -2 F -3 F -4 F -5 F -6 F -7 F -8

30 10

C afé

CL

1 7/3 0

CH

28 /3 0

M L gris, grano s o C K gris SM gr is, fina

S P -S M SP -SM gr is, fino con g ra v as

F -9 F -1 0

SM gr is m uy fina SM

40 O H café obs c uro

F -1 1 -F -1 2

15

50

F -1 3 -F -1 4 F -1 5 F -1 6

60

GP gr is, con are na m ed ia y grues a O H café obs c uro SM gr is ve rd os o, fina y m ed ia, c on grav as aislad as SM O H café obs c uro

F -1 7 -F -1 8

20 70

F -1 9 -F -2 0

O H café obs c uro

F -2 1 F -2 2

80 25

SM gr is m uy fina

F -2 3

90

F -2 4

SM

F -2 5

30 A P EM E X E X P L O R A C IO N Y P RO D U C C IO N P E R F IL E S T R A T IG R A F IC O

F E C H A D E E J EC U C IO N

B

C

E Q U IP O P E R FO R A C IO N

S U P E R V IS O R

F E C H A LA B O R A TO R IO

X =

X =

Z =

SO NDEO

R EV IS O H OJA

Fig. 32 Gráfica de una prueba de penetración estándar.

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EXPLORACIÓN Y MUESTREO DE SUELOS PARA PROYECTOS DE CIMENTACIÓN (PRIMERA PARTE) P.2.0111.01: 2001 UNT

CONSISTENCIA

N 0

10

2

20

IDENTIFICACION DE CAMPO

Primera Edición

30

Muy blanda

Facilmente penetrable con el PUÑO (varios centímetros)

Blanda

Facilmente penetrable con el PULGAR (varios centímetros)

Media

Puede ser penetrada con el PULGAR con un esfuerzo moderado (varios centímetros)

5

10

Facilmente marcada con el PULGAR pero penetrada solo con gran esfuerzo

Dura qu, en t/m 2 Muy dura

Facilmente marcada con la UÑA DEL PULGAR

Durísima

Marcada con dificultad por la UÑA DEL PULGAR

50

100 qu = 1.5 N

Fig. 33 Correlación entre n y qu. identificación en el campo, (ref 9).

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N 20

0

40

60

0

10

vo, en ton/m2 100

20

90

30 40

50

35

Cr

70

80

65

Suelta 0

60

Media 30

85 Muy densa

Densa 35

40

Valores tentativos de 0 para arena media uniforme como suelo típico

Fig. 34

Cr, en %

Correlación entre n ,

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vo y Cr.


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caído en desuso. Se pueden obtener muestras alteradas directamente del suelo que sale de la perforación, en particular cuando se usan brocas helicoidales. Prueba poco recomendable porque las muestras están contaminadas y no se precisa la profundidad de obtención.

las muestras; en el capítulo 8 (2ª parte) se incluye un registro tipo. Las etiquetas de identificación se deben fijar en la parte superior de las muestras, orientándolas al norte.

8.4

Generalidades. El tubo de pared delgada, conocido también como tubo Shelby, se hinca a presión en el suelo para recuperar muestras relativamente inalteradas. Este muestreador es el de uso más difundido para el muestreo de suelos, finos blandos o semiduros y opera arriba y abajo del nivel freático. Características. Este muestreador está constituido por un tubo metálico, usualmente acero o latón, montado en una cabeza que lo une a la columna de barras con que se hinca, aplicando presión desde la superficie.

8.4.2

Muestreo inalterado.

Los objetos que se buscarán con un sondeo inalterado son: definir la estratigrafía del sitio y obtener muestras que conserven la estructura del suelo (muestras inalteradas) para realizar con ellas pruebas mecánicas que permitan interpretar su comportamiento bajo las condiciones de trabajo que se impondrán. La extracción de muestras inalteradas se puede hacer con métodos manuales o con muestreadores adecuados a las diferentes condiciones que pueden presentarse. Los muestreadores que se describen en esta especificación son los que han demostrado ser de mayor utilidad y simplicidad de operación; no se incluyen muestreadores muy especializados que quedan fuera de una exploración convencional. 8.4.1

Tubo de pared delgada (Shelby).

El tubo es usualmente de 7.5 ó 10 cm de diámetro exterior con espesor máximo de pared de 1.5 mm y longitud generalmente de 90 cm. La cabeza tiene perforaciones laterales para aliviar la presión dentro del muestreador y una válvula para proteger a la muestra de las presiones hidrodinámicas que se generan al extraerlo.

Métodos manuales.

Generalidades. Consisten en labrar muestras cúbicas en pozos a cielo abierto, cortes o zanjas, con herramienta manual. Las muestras así obtenidas pueden ser las de menor alteración posible si la operación se hace correctamente pero el método es poco aplicado por su baja eficiencia y costo elevado.

En la fig. 37 se presenta este muestreador con dos tipos de unión entre el tubo métalico y la cabeza, el primero con cuatro pernos “allen” y empaques aro-sello; en el segundo la unión se hace con cuerda repujada semicircular tipo “rope” que no requiere de empaque por el ajuste de la cuerda (bibliografía 10). Este segundo tipo de unión ha mostrado ser más confiable aún en suelos duros.

Equipo. Se requieren picos, palas, espátula, parafina, manta de cielo, brochas y etiquetas de identificación de muestras (capítulo 8, ver 2ª parte).

EL hincado de este muestreador origina esfuerzos que se ejercen sobre la muestra (fig.38).

Procedimiento de operación. Se inicia la operación limpiando y nivelando el terreno en un área de unos 50 cm de diámetro, luego se marca la sección deseada y se labran los lados de la muestra; si el suelo es muy blando se cubre la muestra con manta de cielo o con una caja (fig. 36); luego se proteje la muestra con parafina y brea (20% brea), finalmente se recorta su base y se cubre con la misma mezcla. Se debe hacer un registro detallado del sondeo incluyendo la estratigrafía y profundidades a las que se toman

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W=

peso de la muestra

p=

presión del fluido sobre la muestra

N=

fuerza normal

F=

fuerza de fricción

u=

presión de poro en la base

RT =

resistencia a la tensión del suelo


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H=

longitud hincada

L=

longitud de la muestra

En la fig. 37 se muestra una válvula esférica con una barra de 20 cm, alternativa de la válvula convencional esférica, que permite mayor libertad en la operación como se describe adelante. Los tubos deben estar pintados por dentro para reducir la corrosión.

Las fuerzas normales y de fricción se reducen cuidando que la punta del muestreador tenga la geometría de la fig. 39 y se cumplan las relaciones geométricas siguientes: 2

Procedimiento de operación. Este muestreador se hinca a velocidad constante entre 15 y 30 cm/seg una longitud de 75 cm (considerando tubos de 90 cm de largo) para dejar 15 cm libres se alojan los azolves que pudieron quedar; se deja un minuto estático para que la muestra expanda en el interior y aumente su adherencia; se gira el muestreador para cortar la base de la muestra y se saca al exterior donde se limpia, clasifica y protege (capítulo 5 y 8).

2

De – Dm relación de áreas =

< 10%

2

Dm D1

Dm

relación de diámetros =

< 2% Dm

Donde: De =

diámetro exterior

D1 =

Diámetro interior

Dm =

Diámetro de la muestra

En el registro de campo (capítulo 8, ver 2ª parte) se anotan los datos generales del sondeo, la profundidad de la parte superior de la muestra, la presión del sistema hidráulico de fuerza axial de la perforadora, la relación de recuperación y la hora de extracción de la muestra. En el tubo se adhiere la etiqueta de identificación a mostrada en el capítulo 8 (2 parte) agregándose la relación de recuperación.

La presión del fluido sobre la muestra es muy significativa durante la extracción, por ello las barras deben sacarse lentamente pues la muestra se puede salir por exceso de presión en caso de que la válvula no selle correctamente; esta presión hace también necesario el empaque de aro-sello o la unión de cuerda.

8.4.3

Generalidades. Este muestreador consta de dos tubos concéntricos montados en una cabeza con baleros; el tubo exterior gira para cortar al suelo mientras que el interior permanece sin girar y por presión toma la muestra. Durante el muestreo se inyecta agua o lodo que circula entre los dos tubos, enfriando así a la broca y arrastrando al exterior el material cortado.

Para la extracción, si la resistencia a la tensión es significativa, se gira el tubo antes de subirlo para romper la base de la muestras. La cantidad de la muestra se juzga por la relación de recuperación expresada por:

El barril Denison puede muestrear los suelos en los que el tubo Shelby no puede penetrar, como el caso de arcillas duras, limos compactados o cementados con pocas gravas. Abajo del nivel freático se puede utilizar agua a lodo como fluido de perforación, arriba del nivel freático es necesario utilizar lodos para disminuir la contaminación que provoca el agua.

L Rec =

Barril tipo Denison.

(100) H

donde: Rec = relación de recuperación, % Un muestreo de buena calidad es aquel en el que la relación de recuperación se acerca a 100%.

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Barreno helicoidal

Pala posteadora

Fig 35 Herramientas manuales para muestreo alterado (ref. 11).

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(a)

(b)

(c)

(d)

Fig. 36 Procedimiento de obtención de muestras cubicas.

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2.40

6.0

1.60

Perno allen

2.0 1.0

AW Cuerda BW NW

2.7

Perforación

0.6

Válvula esférica

3.7

0.95 3.7

2.6 Aro sello de hule

Cuerda repujada tipo "rope" 2.95 1.27

91.4

Tubo

Tubo

7.62 7.22 0.20

Válvula con barra

1.20 Unión con cuerda

Unión con pernos allen

Acotaciones en cm

Fig. 37

Tubo de pared delgada (ref 10)

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8.4.4

Caracteristicas. En la fig. 40 se muestra el diseño más convencional del muestreador Denison que tiene tubos exterior, interior y camisa para alojar la muestra, la cual es usualmente de 10 cm de diámetro y 55 cm de altura; los 16 cm que restan del tubo son para los azolves que no hayan sido eliminados.

Muestreador Pitcher.

Generalidades. Este muestreador es similar al Denison que utiliza tubos de pared delgada, salvo que tiene un resorte axial en la cabeza para regular automáticamente la distancia entre la broca y el tubo interior. Los suelos en los que el uso de este muestreador es adecuado son los que tienen estratos de diferentes durezas y espesores: en ellos se pueden obtener mejores muestras que el Denison. Características. El muestreador Pitcher tiene dos tubos concéntricos separados por baleros radiales que mantienen sin girar el tubo interior que aloja la muestra, mientras que el exterior, que lleva la broca, gira, unido a la tubería de perforación. Un resorte axial separa el tubo interior y el exterior (fig. 43). El tubo interior satisface las características de tubo de pared delgada (8.4.2) para asegurar la buena calidad del muestreo; el diámetro de la muestra puede ser 7.5 ó 10 cm y su longitud de 75 cm. La broca de corte tiene ocho dientes de sierra con pastillas de carburo de tungsteno en la zona de ataque.

Un detalle muy significativo en el muestreador Denison es que la posición relativa del tubo interior respecto a la broca es ajustable. La distancia d (fig. 41) entre el tubo interior y la broca debe variarse con el tipo de suelo; en la tabla 8 se anotan los valores usuales. La broca de corte es una pieza de acero, con pastillas de carburo de tungsteno en las partes de mayor desgaste; básicamente puede cortar en toda el área simultáneamente o en escalones para disminuir las vibraciones (fig. 42). Recientemente se han desarrollado diseños de muestreadores Denison en los que se sustituye al tubo inferior con camisa por tubos de pared delgada y con ello se obtienen muestras de mejor calidad; estos tubos son iguales a los descritos en el párrafo capítulo 8.4.2; incluso tienen cuerda repujada para fijarse a la cabeza.

Procedimiento de operación. Al introducir el muestreador a la perforación, el tubo interior queda saliendo del tubo exterior y obturando el espacio anular entre los tubos; simultáneamente la válvula deslizante queda abierta (fig. 43a).

Procedimiento de operación. Se baja el muestreador al fondo de la perforación, ajustando previamente la distancia d según el suelo que se esté muestreando (tabla 8), se hinca unos centímetros para evitar que el tubo inferior gire y después se inicia la rotación aplicando continuamente presión. La velocidad de rotación varía entre 50 y 200 r.p.m. La longitud de muestreo debe ser menor que la longitud del tubo para poder alojar los azolves; en el Denison que usa tubo de pared delgada se pueden obtener muestras de 10 cm de diámetro y 75 cm de longitud con tubos de 90 cm de largo. Una vez alcanzada la longitud de muestreo se extrae el muestreador y de él la muestra, protegiéndola inmediatamente después de hacer la clasificación (capítulos 5 y 2ª parte). Se anotan en el registro los datos generales del sondeo y se adhiere a la muestra la etiqueta de identificación ver fig. 78 (ver 2ª parte).

Cuando el muestreador está por tocar el fondo de la perforación, se inyecta agua o lodo que sale por el tubo interior eliminando así los azolves. Cuando el tubo interior toca el fondo queda estático y el tubo exterior continúa bajando; se abre el espacio anular y el fluido sale por él. Después, el resorte toca la cabeza transmitiendo la fuerza axial al tubo interior quedando el muestreador preparado para iniciar el muestreo. En el muestreo de materiales blandos el resorte se comprime poco y el extremo del tubo interior queda fuera de la broca hasta 15 cm (fig. 43.b); si el material es duro se comprime el resorte, quedando el tubo interior hasta 1.2 cm por dentro de la broca (fig. 43.c). la posición relativa entre los extremos del tubo interior y de la broca queda condicionada por la dureza del material, quedando en el resorte una energía que impulsa al tubo de pared delgada

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P erforación P

N W F

L

U

RT

Fig. 38

Esfuerzos de muestreo. De

Di

1.2 cm. (mínimo)

Dm

Fig. 39 Geometría del tubo de pared delgada.

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H


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61

25.4

34.5

15

14.9

10.2

Tubo inferior Broca Zapata

Válvula de pie

Camisa

Tubo exterior

Para barra "N" Cabeza embalerada

Acotaciones en cm.

Fig. 40 Barril tipo denison (ref. 11).

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al encontrar un material blando después de un material duro.

fija en otra posición con ayuda de esferas metálicas (balines) que deslizan en un plano inclinado y que por fricción sostienen a la barra vertical, estos balines están dentro de una caja llena de aceite. El pistón sella contra el tubo de pared delgada con empaques aro-sello y tiene en su parte inferior una veleta de 4 aspas para hincarlo en el suelo.

En suelos blandos el muestreador Pitcher funciona como tubo de pared delgada, la zapata sirve sólo para recortar el material alrededor del tubo y en suelos duros funcionan como muestreador Denison logrando con este mecanismo muestras de buena calidad.

El muestreador puede ser de 7.5 ó 10 cm de diámetro y rescatar muestras de 75 cm de longitud.

La velocidad de rotación para este muestreador varía entre 100 y 200 r.p.m., el gasto del fluido de perforación, agua para muestreo bajo el nivel freático y lodo para muestreo sobre el nivel freático, varía de 80 a 240 lt/min; con presión 2 máxima de 15 kg/cm . La longitud de hincado es de 75 cm para tubos de 90 cm.

Procedimiento de operación. La operación se inicia hincando la veleta en el suelo, después se gira el muestreador 90°, quedando fijo el pistón y la barra interior, para soltar el pasador y liberar el pistón: enseguida se hinca el muestreador de forma similar al tubo Shelby (8.4.2); terminando el muestreo se extrae el muestreador, se limpia y se identifica y protege la muestra (capítulos 5 y 8). En el registro se anotan los datos del sondeo y se adhiere al tubo la etiqueta de identificación (ver 2ª parte).

El tubo con muestreo se sube a la superficie y se limpia para identificar el material y luego se protege (capítulos 8). Se anotan en el registro de campo los datos del sondeo y se adhiere al tubo la etiqueta de identificación (capítulos 8). 8.4.5

8.4.6

Tubo rotatorio dentado.

Generalidades. Este muestreador es un tubo de pared delgada con dientes de sierra que opera a rotación; su desarrollo es muy reciente y aún no se tienen suficientes experiencias que permitan conocer su rango de aplicación (bibliografía 10), básicamente funciona en los suelos en los que el Denison y el Pitcher son adecuados; la ventaja sobre estos muestreadores en su simplicidad de operación y bajo costo.

Muestreador de pistón libre.

Generalidades. Los muestradores de pistón se clasifican en: de pistón fijo, pistón retráctil y pistón libre; los dos primeros requieren tubería doble concéntrica para su operación, lo que los hace poco eficientes comparativamente con el de pistón libre que sólo requiere tubería simple. Existen diversos diseños de muestreadores de pistón libre, algunos tan compactados con el sueco (bibliografía 14). En esta especificación se muestra el diseño de Meijn (bibliografía 14) adaptado para utilizar los tubos de pared delgada convencionales (8.4.2). El campo de aplicación de los muestreadores de pistón está en los suelos muy blandos, en los que fácilmente se pueden perder las muestras cuando se utilizan tubos de pared delgada, por la presión que ejerce sobre ellas el fluido de perforación que queda en el muestreador y que con el muestreador de pistón se elimina formándose vacío.

El estandar ASTM- D 1587-67 (ref. 15) recomienda evitar el muestreo con tubos Shelby a rotación, pero no excluye específicamente el uso de tubos dentados; de todas maneras es necesario acumular experiencias con este muestreador en diferentes suelos. Características. El tubo rotatorio dentado es igual al tubo de pared delgada con cuerda repujada tipo "rope" descrito en 4.4.2; salvo que en la parte inferior tiene ocho dientes de corte dispuestos simétricamente (fig. 45) que miden de 0.8 a 1 cm de altura y 3 cm de base; la sierra se forma con un diente recto y otro doblado 0.2 cm hacia el exterior, con objeto de reducir la fricción entre el

Características. Este muestreador de pistón libre consta de un tubo de pared delgada montado en una cabeza con un mecanismo de pasador que fija el pistón en su posición inicial (fig. 44); el pistón se

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Primera Edición

Tubo exterior


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Broca

Vías para fluido de perforación

Tubo interior d

a) Simple

Fig. 42

Tipos de brocas denison (corte)

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Fig. 41 Ajuste del muestreador denison ( corte).

b) escalo nado


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Cuerda BW

80 cm

Tornillo

Cabeza

23 cm

Empaque

CORTE

Aceite

A-A

Aro-sello Esferas de acero

Barra interior (aluminio) 90 cm

Tubo de pared delgada

CORTE B-B Empaque aro-sello

Veleta de 4 aspas 7.5 cm

Fig. 43

Muestreador de pistón libre.

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Fluido de perforación

Tubo de perforación

Soporte

Válvula deslizante (abierta)

Regreso del fluido de perforación

Válvula deslizante (cerrada)

Resorte Válvula Tubo exterior giratorio Broca

Tornillo del tubo interior Tubo interior fijo de pared delgada

(a)

(b)

Fig. 44 Muestreador Pitcher (ref. 13).

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(c)


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muestreador y el suelo. El diámetro del tubo es 7.5 ó 10 cm y su longitud 90 cm.

por una rondana de hule de deformidad calibrada, que cuando se acuña la muestra se ejerce una fuerza sobre esta rondana y se expande impidiendo el paso al agua, aumentando así la presión del fluido de perforación. El anillo estriado (core lifter) impide que la muestra salga del muestreador; en formaciones muy fracturadas se utiliza una canastilla de láminas flexibles de acero (fig. 46).

Procedimiento de operación. Este muestreador se opera a rotación con velocidades menores que 100 r.p.m. y presión vertical para que avance con velocidad de 5 cm/seg; la longitud de la muestra es de 75 cm como máximo. Las muestras obtenidas con este muestreador presentan alteración de la zona perimetral, de 2 a 4 mm de espesor.

La broca y la rima son piezas de acero con diamantes industriales, su procedimiento de fabricación permite gran elasticidad en su diseño. Las características que deben tenerse en cuenta al elegir la broca y la rima son las siguientes;

Los tubos con la muestra se limpian, identifican y protegen (capítulos 5 y 8). Se anotan en el registro los datos del sondeo y se adhiere al tubo la etiqueta de identificación (capítulo 8). 8.4.7

a)

El número y tamaño de diamantes, que se define en base a la tabla 9.

b)

La dureza del metal de la matriz en las que se empotran los diamantes. En la tabla 9 se resumen las posibilidades entre las que se puede elegir.

c)

La forma, que básicamente puede ser escalonada o convencional (fig. 42) y que puede tener un número variable de canales para salida del fluido de perforación, usualmente 2 a 8. La forma escalonada, que reduce las vibraciones durante la perforación, es adecuada en formaciones blandas en las que la perforación avanza rápidamente; La forma convencional es de uso general, y adecuada en formaciones duras y/o fracturadas.

Barriles muestreadores.

Generalidades. El muestreo de suelos muy duros y rocas se realiza con barriles muestreadores que tienen broca de insertos de carburo de tungsteno o diamantes industriales. Los barriles muestreadores se pueden clasificar en: barril sencillo, rígido y doble giratorio. Este último es el más confiable para obtener muestras de buena calidad, consta de dos tubos concéntricos montados en una cabeza con baleros que permiten que el tubo interior permanezca sin girar. Los fabricantes de estos equipos han desarrollado diferentes modelos con características diversas que han llegado hasta la complejidad del sistema de perforación con cable (wire line) para la exploración geológica. En la exploración geótecnica generalmente no se profundiza excesivamente en roca y se pueden utilizar barriles muestreadores dobles giratorios. Los barriles muestreadores se identifican según su diámetro como EX, AX, BX y NX y las muestras que se recuperan varían de 22 mm a 54 mm de diámetro; en la exploración geótecnica se deben obtener muestras NX de 54 mm de diámetro ya que a mayor diámetro se incrementa la calidad del muestreo, particularmente en rocas fracturadas.

Para la elección de la broca se debe tener la asesoría del fabricante para reducir las posibilidades de error, que siempre será costoso. Procedimiento de operación. En el muestreo con brocas de diamante los factores más significativos que deben considerse son: la velocidad de rotación, la fuerza axial sobre la broca y el gasto del fluido de perforación que se inyecte. La experiencia del operador y el cuidado en la supervisión son también muy significativos.

Características. El barril doble giratorio serie L se muestra en la fig. 46, tiene una longitud de 3 m y está integrado por dos tubos concéntricos montados en una cabeza con baleros para independizar sus movimientos, su característica más importante es la válvula de paso, constituida

La velocidad de rotación de las brocas es función de la dureza de la roca y del diámetro de aquéllas, porque experimentalmente se ha encontrado que

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7.62

91.4

0.2

0.8 a 1.0

CORTE A-A

A

A 0.2

Sentido de la rotación

VISTA SUPERIOR Fig. 45

Tubo rotatorio dentado (ref. 10).

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Acotaciones en cm.


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la velocidad tangencial más adecuada varía de 1 a 4 m/seg; en la tabla 10 se anotan los valores más usuales de operación.

las cajas en que se colocan las muestras, descritas en el capítulo 5. La información que debe recopilarse durante la ejecución del muestreo de rocas (capítulo 7), incluye el índice de calidad de la roca (RQD = Rock Qualty Designation) que se calcula con:

La fuerza axial que se aplica al barril es función de la dureza de la roca, del número de diamante que tiene la broca y de la fuerza que puede aplicarse a cada diamante; en la tabla 11 se presenta una correlación que puede servir de orientación para definir esta fuerza.

suma de las longitudes de los tramos de muestra mayores de 10 cm de longitud RQD (%) = 100 longitud de muestreo

El fluido que se inyecta a la perforación, agua o lodo, sirve para arrastrar el material cortado y enfriar la broca; considerando que los fragmentos de roca tienen un tamaño medio de 1 mm y que el fluido sea agua, se requiere una velocidad de flujo de 0.3 a 0.6 m/seg (0.5-1.0 lt/seg para diámetro N y 0.3-0.6 lt/seg para diámetro B), dada la dimensión del espacio anular.

Los tramos de roca que ajusten con precisión deben tomarse como uno solo. En el cuadro de observaciones deben registrarse, en caso de haberse presentado , el acuñamiento, el uso de ademes y su tipo, la pérdida del fluido de perforación ya sea total o parcial, la naturaleza de los cortes sacados por el fluido de perforación, el descenso brusco del muestreador y cualquier otra condición que se considere de utilidad para la exploración.

Como se mencionó anteriormente, cuando la muestra se acuña la válvula de hule se expande y hace que la presión del fluido de perforación aumente; el operador al percatarse por el manómetro de la bomba, debe aliviar la fuerza axial impuesta a la tubería y comprobar si la obstrucción desaparece. Si no es así, deberá sacar el barril; de esta manera siempre se obtendrán muestras de buena calidad.

9. Protección transporte y conservación de muestras.

En formaciones muy fracturadas será necesario estabilizar la perforación empleando ademe metálico con zapata de diamantes o bien utilizando cemento para llenar la zona inestable; una vez que fragüe, se reinicia la perforación.

9.1

Estas muestras deben protegerse de contaminación de otros materiales y de los cambios de humedad si se necesita conocer el contenido natural de agua. Para ello se utilizarán frascos de vidrio de boca ancha, de 0.5 lt de capacidad con tapa hermética; se pueden sellar adicionalmente con una mezcla de parafina y brea (20% brea) que permite conservar el contenido natural de agua durante meses. Debe cuidarse que cada frasco quede identificado como se describe en la capítulo 8.

La calidad del muestreo se debe juzgar a través del por ciento de recuperación (Rec) calculando con: Longitud de la muestra Rec (%) =

Muestras representativas alteradas.

100 Longitud de muestreo

Si la recuperación es mayor de 85% el muestreo es bueno y si es mayor de 95% es excelente.

Pueden usarse también bolsas de polietileno como recipientes, aunque son poco confiables. En los casos en que no interese el contenido natural de agua se pueden utilizar bolsas de lona; debe tenerse cuidado que cada bolsa esté identificada con la etiqueta descrita en el capítulo 8.

La clasificación y descripción de las muestras debe hacerse usando las ideas expuestas en el capítulo 8. Será conveniente tomar fotografías a color de

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Cabeza Válvula de paso

Anillo estriado

Baleros

Tubo interior no rotatorio

Rima

Tubo exterior

Broca

Canastilla

Fig 46 Muestreador de barril doble giratorio serie L (ref. 16).

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Según diámetro del tubo

Tubo

Varilla 7.5 mm

30

cm

cm 30

Fig. 47 Soporte para tubos shelby

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1.2 cm 80 cm

Según diámetro de tubo

Fig. 48

Veleta de limpieza.

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Los frascos y las bolsas de polietileno se colocarán en cajas de cartón o madera para ser transportadas.

plenamente identificadas correspondiente (capítulo 8). 9.3

9.2

con

la

etiqueta

Muestreo de roca

Muestras inalteradas. Las muestras de roca se colocan en cajas de madera acanaladas, de 10 x 50 x 100 cm.

Las muestras inalteradas deben protegerse de contaminación, cambios de humedad y temperatura, golpes y vibraciones. Los cubos labrados in situ se van protegiendo mientras se van labrando (4.4.1) con una manta de cielo impregnada con una mezcla de parafina y brea (20 % de brea) que se aplica con una brocha cuando la mezcla está a punto de solidificarse (60° a 70° ), para que sufra menores contracciones y agrietamientos; se colocan después en una caja de madera con empaque de serrín húmedo de 5 cm de espesor, que debe cubrir todas las caras de la muestra. Las muestras obtenidas en tubos metálicos se colocan en el soporte mostrado en la fig. 47, se limpian y eliminan de ellos los azolves y la zona alterada; para esto se utiliza la veleta de limpieza (fig. 48) que corta como cepillo de carpintero. Luego se clasifica el material muestreado (capítulo 8), se mide la longitud recuperada y finalmente se sellan sus extremos con la mezcla de parafina y brea indicada antes. Los tubos con muestras inalteradas deben transportarse en cajas de madera recubiertas inferiormente con una placa de hule espuma de 7.5 cm de espesor; esta medida reduce a un mínimo la posibilidad de que las muestras pierdan su estructura original debido a golpes y vibraciones. Al llegar los tubos al laboratorio se cortan en tramos de 25 cm, se extraen de ellos las muestras con un gato hidráulico, se envuelven con plástico auto-adherible y se protegen con tela, parafina y brea. Al hacer lo anterior se debe reclasificar el material y tomar una porción de él para realizar las pruebas índice. Las muestras así protegidas se conservan en un cuarto con humedad de 100%. Debe tenerse cuidado de que al almacenar las muestras queden

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10.

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11. Concordancia internacionales.

con

normas

Esta especificación no concuerda con ninguna norma internacional mexicana.

Ministere de l’Amenagement du Territoire, de l’Equipment, du Logement et du Tourisme. Foundations Courantes. D’Quvrages d’Art, found 72. LCPC Setra.

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12.

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Anexos.

12.1

Tabla 1 Recomendaciones para definir el programa de exploración. Número y localización de sondeos

Investigación para: Sitios inexplorados extensión.

de

gran

Profundidad mínima del sondeo (d)

a = 01.A

Sitios con suelos blandos de gran espesor.

30 < b < 60 m

Estructuras grandes cimentadas en zapatas aisladas cercanas.

b = 15 m y en sitios de concentraciones de cargas.

Almacenes de gran área para cargas ligeras.

n = 5, 4 en las esquinas y 1 en el centro. Intermedios si son necesarios para definir la estratigrafía.

d = 10 m, ó hasta que el incremento en esfuerzo vertical sea menor de 0.1 del esfuerzo vertical impuesto por la estructura, ó d = c B

Cimentaciones rígidas ailasdas con área 250< A<1000m²

n = 3, 2 en el perímetro y 1 en el centro. Intermedios si son necesarios para definir la estratigrafía.

(1 < c < 2).

Cimentaciones rígidas aisladas con área A<250m²

n = 2 en esquinas opuestas. Intermedios, si son necesarios para definir la estratigrafía .

Tal que la superficie probable de falla esté por arriba del fondo del sondeo.

3 < n < 5 en la sección crítica.

d = 0.5 del ancho de la base del dique de tierra ó 1.5 de la altura para diques pequeños de concreto.

Diques y estructuras de retención de agua o líquidos.

Preliminares b = 60 m detalle b =30 m y en zonas críticas.

d = 3 m.

Aeropuertos para tránsito ligero.

b = 30 m en el eje de la pista. Intermedios para difinir la estratigrafía.

Taludes.

a = área tributaria máxima por sondeo, m².

d = profundidad mínima de sondeo a partir de la profundidad de desplante de la cimentación, m.

b = espaciamiento entre sondeo, m.

B = ancho de la cimentación, m.

n = número de sondeos. A = área de la cimentación, m².

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12.2

Tabla 2 Características de los oscilógrafos portátiles.

Perturbación provocada con:

Registro

Fuente de poder

Número de canales (ms)

Rango de tiempos

Peso (kg)

Capacidad (m)

10

Martillo

Digital pantalla luminosa

Pilas

1

0-10

5

Explosivos

Papel

batería recargable

2 a 12

0-100

10

12 ó más

0-1,000

30

Foto Sensible

100

Cinta Magnética ms = milisegundos En la figura 4 se muestra el registro de una prueba captado en papel fotosensible; en éste se aprecia el “ruido” provocado por el viento, vehículos, maquinaria, flujo subterráneo, etc.

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12.3

Tabla 3. Velocidades de las ondas longitudinales en distintos tipos de rocas y suelos. VELOCIDAD (m/seg)

MATERIAL suelo superficial

170 - 500

Arcilla

1,000-2,800

arcilla arenosa

975 –1,160

arcilla arenosa cementada

1,160-1,280

Limo

760

Aluvión

550 –1,000

aluvión ( terciario )

800–1,500

aluvión profundo

1,100-2,360

depósito glaciar

490–1,700

Dunas

500

Loess

375 - 400

arena seca

300

Arenisca

2,400-4,000

Lutita

1,800-3,800

Marga

3,000-4,700

Caliza

3,000-5,700

Dolomita

5,000-6,200

Granito

4,000-5,600

gneiss masivo

5,100-7,500

esquistos o pizarra

2,290-4,700

rocas ígneas de basamento

5,500-6,600

Agua

1,435-1,490

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12.4

Tabla 4

Características de algunos equipos portátiles usados en el método de resistividad eléctrica. Fuente de poder

batería

Capacidad (m)

Intensidad de corriente (m a)

Rango de mediciones

Peso total (kg)

30

20

0.-1,000 Ω

20

20

50

0.1-1,000 Ω

15

0.002-10 V.

60

0.000,2-100 V.

75

recargable

300

100-150

baterías

200

0-1000

m a.: miliamperes 12.5

Tabla 5 Resistividad eléctrica de distintos tipos de rocas y suelos. MATERIAL

RESISTIVIDAD (ohm-m) -3

galena

-2

5 x 10 – 5 x 10 -3

pirita

1 x 10

serpentina

2 x 10

granito

1 x 10

diorita

1 x 10

gabro

1 x 10 - 1.4 x 10

gneis

2 x 10 – 6 x 10

2 6 4

5

7

5

pizarra

6

2

4

3

4

6.4 x 10 - 6.5 x 10

conglomerados

2 x 10 - 1.3 x 10

arenisca

7 x 10 – 7 x 10

1

3

2

caliza

1.8 x 10

marga

7 x 10

depósito glaciar

5 x 10

1 2 2

arena

4-2.2 x 10

suelos

10-1 x 10

4

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12.6

Tabla 6

Comparación entre las variaciones de qc y de fs

fs qc d e c r

decrece

constante

Transición entre dos capas diferentes, la inferior de menor resistencia. No ocurre

crece

Una grava o boleo empujado por el cono ha quedado acuñado contra la funda deslizante.

e c e c o n s

Una grava de diámetro Suelo homogéneo que mayor que del cono ha puede ser clasificado sido empujada por éste usando la fig. 23 en un estrato cohesivo blando o granular suelto.

t

No ocurre

a n t e c r e c e

Una grava de diámetro mayor que el del cono ha sido empujada por éste en un estrato cohesivo de consistencia media o granular denso.

El penetrómetro está en Estrato cuya resistencia roca blanda o en un aumenta con la estrato duro que no profundidad o cuya puede ser penetrado. resistencia última no ha sido alcanzada.

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12.7 Tabla 7 Valores de K según la longitud de las barras y el peso del martillo.

No. de la barra

30 Kg

Peso del martillo

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30

1.78 1.66 1.56 1.47 1.40 1.32 1.25 1.19 1.14 1.09 1.04 1.00 0.96 0.93 0.89 0.86 0.84 0.81 0.78 0.76 0.74 0.72 0.70 0.68 0.66 0.64 0.63 0.61 0.60 0.58

4.51 4.31 4.14 3.97 3.82 3.68 3.55 3.43 3.32 3.21 3.11 3.02 2.93 2.84 2.77 2.70 2.63 2.56 2.49 2.43 2.38 2.32 2.27 2.22 2.17 2.13 2.08 2.04 2.00 1.96

74/76

7.41 7.18 6.96 6.75 6.55 6.37 6.19 6.03 5.87 5.72 5.58 5.45 5.32 5.20 5.08 4.97 4.86 4.76 4.66 4.57 4.48 4.39 4.31 4.23 4.15 4.08 4.00 3.93 3.87 3.80


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12.8

Tabla 8Valores de d según el tipo de suelo Suelo

d (cm)

Blando

2

Duro

0.5

Muy duro

0 ó menos*

* remetido el tubo interior

Granito

x

Cuarcita

Gneis

x x

Cuarcita

Gneis

Mármol

Arenisca cuarcítica

Esquisto

x x

Pizarra

Caliza

x

Dolomia

Marga Dureza Abrasividad Tamaño piedra Calidad (piedra/quilate) diamante Matriz

Recomendaciones para Diamantes y Matrices

Estructura

Petrografía

Roca

Arenisca calcárea

Tabla 9 Cuadro para la selección de coronas de diamante (ref. 17).

Mica-Esquisto

12.9

x

x

x

x

+

+

Blanda Medio dura Dura Muy dura Extremadamente dura No abrasiva Moderada abrasividad Abrasiva Muy abrasiva Grano basto Grano grande Grano Medio Grano fino Denso/sólido Extra Primera Segunda 10 - 15 15 - 20 20 - 30 30 - 40

x x x

x x

x

x

x x

x

x

40 - 60 Normal

HRC 20-30

Dura

HRC 30-40

Extra dura

x

+

+

+

+ +

+

+

+ +

HRC 40-50

75/76

x

+ +

+


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12.10 Tabla 10 Velocidad de rotación de barriles muestreadores (rpm).

Velocidad de rotación

Dureza de la roca

Velocidad tangencial m/seg

Velocidad de diámetro N

Rotación diámetro B

Muy dura

Alta

4.0

1,000

1,250

Dura

Media

2.1

550

650

blanda

baja

1.2

300

350

12.11 Tabla 11. Fuerza específica para diamantes de tamaño 20 p.p.q.* (ref. 17)

roca

Fuerza específica P kg/piedra

Granito

1-5

pórfido cuarcífero

2-10

Basalto

2-9

lava basáltica

0.5-3

Diabasa

2-5

Arenisca

1-5

Pizarra

1-2

Caliza

0.1-6

* p.p.q: piedras por quilate.

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