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Mecánica de suelos
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Muestreo inalterado de suelos duros
Divisin Ciencias de la
Salud e Ingenieras
Morales Tamayo Ricardo
Cano Aboytes Luis Jess
Solrzano Martnez Octavio
Prez Garca Eduardo Daniel
Gonzlez Marduk
Carrera: Ingeniera Civil
Materia: Transporte II
MUESTREO
Para conocer las propiedades ndice, mecnicas e hidrulicas de los materiales del subsuelo (suelos y
rocas), es necesario obtener muestras durante los trabajos de exploracin, estas pueden ser alteradas e
inalteradas en algunos casos integrales. El muestreo se debe realizar de acuerdo a la metodologa
establecida apoyndose en los mtodos descritos a continuacin.
Muestras inalteradas.
Son aquellas cuya estructura no es afectada significativamente por el muestreo; se utilizan para
clasificar los suelos y hacer determinaciones de propiedades ndice, mecnicas e hidrulicas.
Porcin de suelo extrado con fines de estudio de laboratorio en donde requiera que se conserve en
estado real natural, para realizarle pruebas especiales y determinar las propiedades mecnicas de
dicho estrato.
Propiedades
A. Determinacin de lmites de consistencia y
contraccin lineal
B. Anlisis granulomtrico
C. Contenido natural de agua
D. Prdida por lavado, % de finos
E. Clasificacin de suelos segn el Sistema nico de
Clasificacin de Suelos (SUCS).
F. Permeabilidad bajo carga constante
G. Permeabilidad bajo carga variable
H. Peso volumtrico
I. Deformabilidad
J. Resistencia al esfuerzo cortante.
Pruebas de campo.
Son aquellas que se realizan in situ para
medir directamente propiedades mecnicas
e hidrulicas del suelo
La resistencia al esfuerzo cortante se
obtiene a partir de pruebas de corte directo.
REQUERIMIENTOS DE ESTUDIOS GEOTECNICOS EN ALGUNAS OBRAS
DE INFRAESTRUCTURA
Cimentaciones superficiales:
A. Tipo de suelo
B. Tipo de cimentacin
C. Profundidad de desplante
D. Capacidad de carga admisible
E. Asentamientos totales y diferenciales.
F. Anlisis de deformaciones
Cimentaciones profundas:
A. Tipo de suelo
B. Tipo de cimentacin
C. Profundidad de desplante
D. Capacidad de carga axial admisible
E. Capacidad de carga lateral
F. Anlisis de deformaciones
G. Proceso constructivo recomendable
H. Nivel fretico en presencia de agua
REQUERIMIENTOS DE ESTUDIOS GEOTECNICOS EN ALGUNAS OBRAS
DE INFRAESTRUCTURA
Excavaciones en suelo duro roca:
A. Anlisis de estabilidad
B. Recomendacin de taludes estables
C. Proceso constructivo recomendable
D. Control de voladuras y explosivos
Estructuras de retencin:
A. Tipo de material de relleno
B. Consideraciones de empujes de tierra
C. Diagramas de empuje de tierras, considerando en su
caso efectos hidrodinmicos y ssmicos
D. Condiciones de drenaje de las estructuras de retencin
y recomendaciones constructivas correspondientes
E. Recomendaciones de compactacin de los rellenos por
utilizar
F. Proceso constructivo recomendable
Pozo a cielo abierto
Son sin duda la tcnica de perforacin ms confiable que se puede adoptar, por que permite:
Observar directamente la estratigrafa del sitio.
Rescatar muestras casi inalteradas de los estratos principales.
Es particularmente recomendable en suelos secos y duros, aunque no es prctico, es obligado
instalar un sistema de bombeo para los suelos bajo el nivel fritico
Puede escavarse con seccin cuadrada o circular, la cuadrada requiere de una estabilizacin
estructural compleja y costosa; en cambio la forma circular es ms conveniente porque sus
paredes se estabilizan con malla de acero y concreto.
El equipo que se requiere es herramienta manual, aunque se puede recurrir a mquinas
perforadoras capaces de abrir pozos de por lo menos 80 cm de dimetro.
Excavacin manual
El equipo se integra por: picos,
palas, cable de manila, botes, un
malacate mecnico para 250 kg
(0.25 KN), escaleras.
Adems, si el nivel fretico est
cercano a la superficie, puede
requerirse una bomba elctrica o
puntas eyectoras, es factible que
tambin se necesiten martillos
elctricos o neumticos para
atravesar suelos muy duros, as
como algunas tobas.
Picos y Palas
Excavacin pozo cuadradoCables y
cubeta
Excavacin pozo circular
El procedimiento consiste en excavar el
pozo con un dimetro de 1 a 1.5 m, en
cuyas paredes se fija una malla de acero
electro-soldada, separada por lo menos
2cm de la pared, se fija con anclas
cortas de varilla corrugada hincadas a
percusin, y despus se aplica
manualmente el mortero con un espesor
mnimo de 5 cm.
Labrado de la muestra
Se limpia un rea de unos 50cm de
dimetro; a continuacin se maraca
la seccin deseada y se labran los
lados del cubo de suelo,
posteriormente, la muestra se
envuelve con manta de cielo, que
se impregna con una mezcla
caliente de parafina y brea
mediante una brocha.
En la parte superior de la muestra
se coloca una etiqueta de
identificacin
Excavacin con maquinaria
Se puede utilizar una mquina perforadora a rotacin del tipo de la que se emplea para la
construccin de pilas de cimentacin. La seleccin de la maquina quedara condicionada por
la profundidad que se requiera alcanzar, como gua, puede decirse que perforando en seco
suelos duros:
Las ms ligeras pueden perforar hasta unos 25mts en dimetros de 0.8 m.
Y las ms pesadas, hasta unos 30mts de profundidad, con dimetros de 1.0 a 1.5 m.
Si la perforacin presenta paredes inestables, se deber perforar en tramos cortos y
proceder a estabilizarlos con de malla de acero y mortero
Tubo dentado simple
En esencia es un muestreador que penetra a rotacin y presin, sin recurrir al empleo de agua o
lodo de perforacin.
Se ha demostrado ser adecuado para muestra de los suelos duros, aunque tiene el riesgo de inducir
remoldeado cuando se le opera sin habilidad.
Permite obtener muestras de arcillas duras y limos compactos o cementados con un mnimo de
alteracin, en estos materiales presenta claras ventajas de operatividad y costo sobre
muestreadores de barril doble.
Descripcin del equipo
Lo constituye un tubo de pared delgada de
lmina de 10cm de dimetro y su longitud de
100cm, cuya parte inferior tiene 8,16 y 32
dientes los cuales su tamao se decide en
funcin de la dureza del suelo, entre 5 y 10 mm;
para suelos muy duros lo usual son 16 dientes de
0.5cm de altura.
La geometra de los dientes es igual que una
sierra para cortar madera, se alteran, un diente
es ligeramente doblado al interior y el siguiente
doblado 2mm al exterior.
Tubo dentado con vlvula esfrica de pieLa cabeza tiene perforaciones
laterales y una vlvula esfrica
de pie que se abre durante la
etapa de muestreo para permitir
el alivio de la presin del interior
del tubo.
Posteriormente se cierra para
proteger a la muestra de las
presiones hidrodinmicas que se
generan durante extraccin.
Tubo dentado con vlvula deslizante
Se sustituye la vlvula esfrica por
un mecanismo que se acopla de la
unin a la columna de barras de
perforacin, tiene un tramo
cuadrado al que se enrosca una
barra circular que termina en una
ampliacin con un aro-sello, sobre
esta barra se desliza la pieza, a la
que se fija el tubo muestreador y
que tiene horadaciones para la
extraccin del fluido de
perforacin del interior del tubo.
Operacin del equipo Se hinca operndolo a rotacin con velocidades menores de 100 RPM y presin vertical para que
avance con velocidad constante de 1 cm/s, hasta penetrar 75 cm; de esta manera queda sin
muestra una longitud mnima de 15 cm donde se alojan los azolves que pudieran haber quedado
dentro del tubo.
Despus del hincado se deja el muestreador en reposo unos 5 minutos a fin de que la muestra se
expanda en su interior y aumente su adherencia contra las paredes del tubo.
Enseguida se corta la base del espcimen, girando dos vueltas el muestreador y se procede a
sacarlo al exterior, donde se limpian sus extremos y se identifica.
Las muestras obtenidas con esta tcnica presentan alteracin en un anillo perimetral de 2 a 4 mm
de espesor.
Tubo dentado con camisa exterior La caracterstica ms significativa de este muestreador es que puede operar en seco; esto es, para hincarlo
no se requiere utilizar agua o lodo como con el Denison o Pitcher. El ejemplo de fluidos altera drsticamente
a los suelos secos con materiales arenosos de bajo contenido de agua. Con este muestreador se pueden
recuperar muestras de suelos duros, que incluso con el tubo dentado simple no se pueden recuperar.
El tubo exterior de acero tiene soldada una helicoide que se encarga de rezagar el material cortado por la
punta para reducir la presin necesaria de hincado y evitar que la temperatura se incremente.
En su interior se encuentra la camisa de aluminio anodizado para contener las muestras, esta segmentada en
tramos de 20cm para facilitar la extraccin de la muestra; su zapata es dentada, revestida con granulado de
tungsteno.
La vlvula es una esfera de hule de menor densidad que el agua, que sella con ayuda de una barra de acero
introducida desde la superficie a travs de las barras, lo cual se hace al finalizar una toma de muestra.
Barril Denison
Este muestreador opera a rotacin y presin, permite recuperar muestras con poca
alteracin, en arcillas duras, limos compactos y limos cementados con pocas gravas, abajo
del nivel fretico; las muestras recuperadas son de 7.5 y 10 cm de dimetro.
El barril Denison es el mejor muestreador para las tobas duras, si se muestrea arriba del
nivel fretico, se debe utilizar aire como fluido de perforacin. En ambos extremos de
cada muestra inalterada se deben realizar pruebas de resistencia con torcmetro y
penetrmetro de bolsillo. Esta doble determinacin de resistencia se efecta
inmediatamente antes de proceder a sellar muestras.
El sellado tiene por objeto proteger las muestras contra las vibraciones y la prdida de
contenido natural de agua, usando para ello papel de estao y una mezcla de brea y
parafina.
Caractersticas de operacin:
Velocidad 50rpm para suelos blandos y 200rpm para
suelos duros
Dimetro de barril de 60 a 150mm
Profundidad de penetracin de 2-5 ft.
Muestreador Pitcher.
Es similar al Denison, excepto porque la posicin
del tubo interior se regula con un resorte axial;
mientras que el exterior, con la broca de corte en
su extremo, gira y corta el suelo alrededor . Es de
gran utilidad en suelos de diferentes durezas y
espesores, pues en suelos blandos funciona como
un tubo Shelby y en suelo duros como un
muestreador Denison con lo que logra buena
calidad de muestras.
El caso mas simple corresponde al de cortar un
determinado trozo del suelo deseado cubrindolo
con parafina para evitar perdidas de humedad y
empacndolo debidamente para enviarlo al
laboratorio.
Muestreador Pitcher.
El proceso para obtener este tipo de muestras es el siguiente:
* Se limpia y pule la superficie del terreno y se marca el contorno del trozo.
* Se excava una zanja alrededor del trozo deseado.
Se ahonda la excavacin y se cortan los lados del trozo empleando un cuchillo de hoja delgada.
Una vez tallada la muestra, de corta el trozo y se retira del hoyo. La cara del trozo que
corresponda al nivel del terreno se marca con una seal cualquiera para conocer la posicin que
ocupaba en el terreno. Luego se aplican dos o tres capas de parafina caliente, se rotula y se
enva al laboratorio.
Muestreador Pitcher.
Si la muestra no va a ser usada pronto, necesita una proteccin adicional adems de las capas de
parafina. Esta proteccin consiste en envolver la muestra en una tela blanda, amarrndola con un cordel,
hecho esto se sumerge la muestra entera en parafina en repetidas ocasiones, de tal manera que se
alcance un espesor mnimo de 3 mm, suficiente para garantizar su impermeabilidad.
En algunas ocasiones es conveniente adems, empacar la muestra en una caja de madera para
transportarla al laboratorio.
En algunas ocasiones es conveniente adems, empacar la muestra en una caja de madera para
transportarla al laboratorio.
Muestreador Pitcher.
El tubo Pitcher se puede utilizar para obtener una calidad excelente de muestras de una gran
variedad de condiciones del suelo.
Es adecuado cuando se presentan intercalados estratos delgados de materiales blandos y duros.
Es de gran utilidad en suelos de diferentes durezas y espesores, pues en suelos blandos funciona
como un tubo shelby y en suelos duros como un muestreador Denison con los que logra buena
calidad de muestras.
Fue diseado especficamente para recuperar muestras que son demasiado difciles de obtener
usando el tubo shelby de pared delgada.
El tubo se fabrica en varios dimetros desde 4 hasta 7 , los cuales toman muestras de 2 y
5 7/8 respectivamente. El tubo ms comercial es el de 4 7/8 que toma muestras de 3, cuenta
con dos largos, 5 ft. Y 3ft.
Obtencin de las muestras
Obtencin de las muestras
Equipo auxiliar para la obtencin de las muestras
Prueba de corte directo
Consiste en inducir dos esfuerzos, uno normal y otro de corte a un bloque de suelo previamente labrado
en el sitio y por arriba del nivel fretico.
Es de gran utilidad en suelos en los que es casi imposible recuperar muestras inalteradas para ensayarse
en el laboratorio o porque las pruebas de campo antes descritas tampoco resultan confiables por la
dificultad de realizar las perforaciones con un remoldeo mnimo.
Se deben hacer en por lo menos tres bloques cercanos para definir la evolvente de falla del material
que se est evaluando, en casos difciles, se recomienda que se hagan hasta 4 pruebas para demostrar
la validez de los parmetros de resistencia al corte, la cohesin y el ngulo de friccin interna.
Lo usual es realizarla en condiciones y sitios como son: taludes, paredes de excavaciones y en el fondo
de pozos a cielo abierto.
Equipo necesario
Herramienta para labrar el bloque
Depender del suelo que se ensaye, ejemplo:
a) En suelos fciles de labrar, bastar con
esptulas, martillo de gomo y sierras de
mano
b) En suelos duros, requerimiento de cinceles,
partillo de mano, neumtico, taladro,
esmeriladora.
Gatos hidrulicos
La capacidad de los gatos se eligen en funcin de
la resistencia esperada y equipados con
manmetros; tanto uno como otro deben estar
previamente calibrados, con una precisin del 2%
de la mxima fuerza alcanzada.
Equipo necesario
Placas para la carga vertical
Son dos placas de acero de 30 x 30 cm y
espesor de 1, entre estas se colocan
varillas redondas de acero cuya funcin es
asegurar que para todo nivel de carga
normal, la resistencia por friccin al
desplazamiento sea menor al 1% de la
fuerza cortante aplicada durante la
prueba.
Placa para la carga de corte
La fuerza de corte se aplica con una
placa de acero de 30 x 20 cm que se
apoya en la cua lateral inclinada de
mortero. Esto para distribuir
uniformemente la fuerza aplicada sobre
la cara del espcimen.
Equipo necesario
Cua de apoyo
Para inducir la carga de corte se adhiere
la cua lateral de mortero con una
inclinacin precisa de 15, la base de esa
cua debe estar sobre dos membranas
gruesas de polietileno con grasa entre
ellas para evitar que se transmita carga a
la superficie externa del bloque.
Micrmetros
La deformaciones se miden con estos equipos,
de una precisin de 0.01 mm con carrera de 5
cm para los de la placa horizontal y de 8cm para
los laterales.
Micrmetros
4 de estos dispositivos de 5cm de
carrera se colocan sobre la placa
superior, uno en cada esquina (n-1 a 4);
2 en la cara vertical opuesta a la fuerza
de corte (T-1 y 2) y otros 2 en la cara
lateral frontal para medir posibles giros
de la muestra (L-1 y 2).
Marco de referencia
Es un marco estructural
apoyado en puntos separados
del bloque por lo menos a una
distancia de 15 cm y en el
cual se fijan los micrmetros.
Preparacin de la prueba
Seleccin del sitio de la prueba
Dentro de una cavidad.
Procedimiento de labrado
Se empieza por excavar alrededor de lo
que ser el bloque, hasta dejar extenso un
tozo grande del suelo, se empieza a
devastar el material para empezar a darle
forma en cortes de 1 a 2 cm de espesor
que se reduce a medida en que se est
llegando a la superficie del cubo, al final
se pule la superficie con una regla.
Preparacin de la prueba
Geometra del bloque
El bloque se describe de 30 cm x 30 cm y 15
cm de altura, puede variar las dimensiones
conservando la relacin de base con la
altura de 2:1.
Proteccin durante el labrado
Se debe de proteger cada una de las caras
con una membrana de polietileno. Tambin
se le puede colocar un recubrimiento de
mortero sobre la pelcula de polietileno,
incluso colocarle una malla de gallinero,
ser de 2cm.
Desarrollo de la prueba
Esta prueba se realiza con un valor preestablecido del esfuerzo normal y como resultado se deduce
el esfuerzo cortante a la falla del bloque; con estos dos factores se define un punto de la envolvente
falla del suelo de ese lugar y se hace necesario determinar por lo menos otros dos puntos para
precisarla.
Ajustes de la prueba
Ya instalado todo se suele aplicar una pequea carga para producir una deformacin de 1mm y se
procede a descargar, de nuevo se ajustan micrmetros y manmetros en ceros para iniciar la prueba.
Desarrollo de la prueba
Aplicacin de carga normal
Esta carga se aumenta gradualmente en un tiempo del orden de 1 min. hasta alcanzar el valor
especificado para la prueba y despus se debe mantener constante. Una vez alcanzada la carga
especificada de inmediato se inicia el registro de las deformaciones detectadas por los 8 micrmetros y
las presiones de los 2 manmetros con la siguiente secuencia de tiempo: 15, 30 s, 1, 2, 4, 12, 15 y 30 min.
La estabilizacin de las deformaciones por la carga normal aplicada se asemeja a un proceso similar al de
consolidacin del bloque.
Desarrollo de la prueba
Desarrollo de prueba
Aplicacin de la carga de corte
Se empieza por hacer una prediccin de la carga de falla que podr soportar el bloque y se procede a
alcanzar esa condicin en por lo menos seis incrementos de carga. El tiempo para aplicar cada incremento
es de 1min. Una vez alcanzada la magnitud del incremento en turno, es esencial que las cargas normal y
de corte, se mantengan constantes.
Etapa de falla
La falla del bloque se alcanza cuando para un cierto incremento de carga de corte, conservando siempre
constante la carga normal, ocurra:
A) El desplazamiento del bloque
B) Que la deformacin est entre 0.02 y 0.2 mm/min en un lapso de 10 min.
Desarrollo de la prueba
Los resultados de cada prueba de corte se evalan en funcin de los esfuerzos desarrollados en el
mximo de la grfica esfuerzo-deformacin. Criterio de falla de Mohr Coulomnb.
Desarrollo de la prueba
Envolvente de falla
Se requiere hacer tres pruebas de
bloques cercanos, para contar
con tres pares de valores de los
esfuerzos normales y cortantes.
Es la tcnica ms confiable para
definir esta falla,
lamentablemente son tardadas y
costosas.
Aplicaciones de los resultados del ensayo a fallas de terreno
Capacidad de carga en bases y fundaciones para estructuras en arcillas
homogneas saturadas, inmediatamente despus de la construccin. El
terreno bajo una fundacin, es presionado por la falla y asume fallar por
corte, en la forma como indica la figura a.
La presin de tierra en el muro de contencin, prevalece inmediatamente
despus de la construccin. Figura b.
Presin de tierra contra la entibacin de una excavacin temporal. Figura c
Prevencin contra el levantamiento de fondo de las excavaciones. Figura d
Estabilidad de los taludes, inmediatamente despus de la excavacin.
Figura e
Estabilidad en diques de tierra, durante perodos cortos de construccin.
Figura f
Prueba de corte directoVentajas La mquina de corte directo es mucho ms adaptable a
los equipos electrnicos de medicin, de forma que no
se requiera la presencia continua de un operario para
efectuar ensayos consolidados- drenados, que puedan
durar varios das.
Se ha encontrado que los parmetros de
suelo t y c obtenidos por el mtodo de corte directo son
casi tan confiable como los valores triaxiales
(probablemente esto se debe ms a problemas del
operador que al hecho de que los equipos tengan igual
capacidad de comportamiento).
El principio puede aplicarse a suelos granulares y otros
materiales que contienen grandes partculas que seran
muy caras de ensayar por otros medios.
Puede medirse el ngulo de friccin entre suelo y roca, o
entre suelo y otros materiales.
Limitaciones
La muestra est obligada a fallar en un plano
predeterminado.
La distribucin de esfuerzos en sta superficie no es
uniforme.
No es posible controlar el drenaje de la muestra, slo se
puede variar la velocidad de desplazamiento.
No puede medirse la presin de poros.
Las deformaciones aplicadas estn limitadas por recorrido
mximo de la caja.
El ensayo usa una muestra muy pequea, con el
consiguiente resultado de que los errores de preparacin
son relativamente importantes.
No es posible determinar el mdulo de elasticidad ni el
de la relacin de Poisson.