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Perforación Del Suelo
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Perforación del suelo.
Perforación que se hace en la corteza terrestre para obtener hidrocarburos, agua u otros recursos, como así también para investigación científica.
Métodos de Perforación de Pozos.
Una perforación es un hueco que se hace en la tierra, atravesando diferentes estratos, entre los que puede haber unos acuíferos y otros no acuíferos; unos consolidados y otros no consolidados. Cada formación requiere un sistema de perforación determinado, por lo que a veces un mismo pozo que pasa por estratos diferentes obliga a usar técnicas diferentes en cada uno de los estratos.
Una misma perforación puede atravesar varios acuíferos, por lo que es conveniente valorar cada uno de ellos para definir cuales deben ser aprovechados a la hora de terminar el pozo.
La determinación de si una formación es acuífera o no, así como de su permeabilidad, se hace con base en las muestras que el perforador obtiene durante el transcurso de la perforación; de aquí la gran importancia que tiene realizar un buen muestreo.
Existen métodos mecanizados y manuales para perforar pozos, pero todos se basan en dos modalidades: percusión y rotación. Así mismo, se emplea una combinación de ambas modalidades.
El sistema predominante para la excavación en roca es la perforación de taladros que se llenan de explosivo para producir voladuras. Una vez arrancada la roca ésta se carga con un cargador frontal adecuado sobre un equipo de transporte que la lleva hasta una planta de tratamiento. El sistema antes descrito se emplea en la excavación de roca tanto en trabajos de minería a cielo abierto como en obras públicas.
En los trabajos de obras públicas la extracción de roca tiene como objetivo la apertura de carreteras, canales, etc., los cuales tienen un corto periodo de duración, por lo que las características del equipo tendrán mayor flexibilidad que este equipo sea utilizado en obras de diferentes características y magnitudes.
Existen diferentes formas de perforación entre las cuales se encuentran: el de percusión, con trícono, rotativa con herramientas de corte y utilizando rotativa con corona de diamante.
Ø Por percusión
En este sistema la energía se transmite desde la perforadora hasta la roca a través de un varillaje que termina en un elemento de metal duro.
El elemento esencial de la perforadora es el pistón que se desplaza hacia delante golpeando el adaptador el cual transmite la energía recibida a través de las barras. La energía cinética generada en el movimiento del pistón se transmite en forma de onda de choque. Una porción de la barra se comprime a lo largo de su sección en una proporción dos veces la longitud del pistón. Al mismo tiempo se realiza un ensanchamiento de las barras (estos cambios son tan pequeños que prácticamente son inapreciables).
La onda de choque se transmite a través de la barra a una velocidad aproximada a los 5000 m/seg. La frecuencia de impactos en una perforadora normal es de 50 golpes.
Ø Con trícono
Cuando se perfora con trícono la energía se transmite mediante tubos hasta la boca, la cual se somete al mismo tiempo a un proceso de rotación. Los cabezales de carburo de tungsteno son presionados sobre la roca y producen la rotura de la misma en un proceso muy similar a la perforación por percusión.
Ø Rotativa con herramienta de corte
En este método la energía se transmite a través de tubos hasta la boca, donde sus elementos de rotura producen cortes en la roca originando su rotura de la misma.
Ø Rotativa con corona de diamante
Este tipo de perforación se utiliza principalmente en labores de investigación de suelos,para la extracción de suelos.
Ensayo de Penetración Estándar
Gráfica que se puede obtener del ensayo. Se observa que la resistencia en general aumenta con la
profundidad y que hay capas que presentan una resistencia importante mientras otras se muestran más
blandas.
El ensayo de penetración estándar o SPT (del inglés Standard Penetration Test), es un tipo de prueba de penetración dinámica, empleada para ensayar terrenos en los que se quiere realizar un reconocimiento geotécnico.
Constituye el ensayo o prueba más utilizado en la realización de sondeos, y se realiza en el fondo de la perforación.
Consiste en contar el número de golpes necesarios para que se introduzca a una determinada profundidad una cuchara (cilíndrica y hueca) muy robusta (diámetro exterior de 51 milímetros e interior de 35 milímetros, lo que supone una relación de áreas superior a 100), que permite tomar una muestra, naturalmente alterada, en su interior. El peso de la masa está normalizado, así como la altura de caída libre, siendo de 63'5 kilopondios y 76 centímetros respectivamente.
Índice
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1 Descripción del ensayo SPT.
2 Ventajas del SPT
3 Aplicaciones y correlaciones
o 3.1 Correlación entre el golpeo SPT y la consistencia del suelo atravesado
o 3.2 Influencia de la profundidad
Descripción del ensayo SPT.[editar]
Una vez que en la perforación del sondeo se ha alcanzado la profundidad a la que se ha de realizar la prueba, sin avanzar la entubación y limpio el fondo del sondeo, se desciende el toma muestras SPT unido al varillaje hasta apoyar suavemente en el fondo. Realizada esta operación, se eleva repetidamente la masa con una frecuencia constante, dejándola caer libremente sobre una sufridera que se coloca en la zona superior del varillaje.
Se contabiliza y se anota el número de golpes necesarios para hincar la cuchara los primeros
15 centímetros ( ).
Posteriormente se realiza la prueba en sí, introduciendo otros 30 centímetros, anotando el número de golpes requerido para la hinca en cada intervalo de 15 centímetros de penetración
( y ).
El resultado del ensayo es el golpeo SPT o resistencia a la penetración estándar:
= +
Si el número de golpes necesario para profundizar en cualquiera de estos intervalos de 15 centímetros, es superior a 50, el resultado del ensayo deja de ser la suma anteriormente indicada, para convertirse en rechazo (R), debiéndose anotar también la longitud hincada en el tramo en el que se han alcanzado los 50 golpes. El ensayo SPT en este punto se considera finalizado cuando se alcanza este valor. (Por ejemplo, si se ha llegado a 50 golpes en 120 mm
en el intervalo entre 15 y 30 centímetros, el resultado debe indicarse como en 120 mm, R).
Como la cuchara SPT suele tener una longitud interior de 60 centímetros, es frecuente hincar mediante golpeo hasta llegar a esta longitud, con lo que se tiene un resultado adicional que es
el número de golpes . Proporcionar este valor no está normalizado, y no constituye un resultado del ensayo, teniendo una función meramente indicativa.
Ventajas del SPT[editar]
Una ventaja adicional es que al ser la cuchara SPT un tomamuestras, permite visualizar el terreno donde se ha realizado la prueba y realizar ensayos de identificación, y en el caso de terreno arcilloso, de obtención de la humedad natural.
Aplicaciones y correlaciones[editar]
El ensayo SPT tiene su principal utilidad en la caracterización de suelos granulares (arenas o gravas arenosas), en las que es muy difícil obtener muestras inalteradas para ensayos de laboratorio.
Al estar su uso muy extendido y dispone de una gran experiencia geotécnica en estas pruebas, se han planteado correlaciones entre el golpeo SPT y las características de los suelos arenosos, así como con diversos aspectos de cálculo y diseño geotécnico.
También existen correlaciones en el caso de que el terreno sea cohesivo, pero al ser un ensayo prácticamente instantáneo, no se produce la disipación de los incrementos de presiones intersticiales generados en estos suelos arcillosos por efecto del golpeo, lo que claramente debe influir en el resultado de la prueba.
Por ello, tradicionalmente se ha considerado que los resultados del ensayo SPT (y por extensión, los de todos los penetrómetros dinámicos) en ensayos cohesivos no resultan excesivamente fiables para la aplicación de correlaciones. En la actualidad, este criterio está cuestionado, siendo cada vez más aceptado que las pruebas penetrométricas pueden dar resultados igualmente válidos en todo tipo de suelo. En cualquier caso, al margen de la
validez o existencia de correlaciones, el valor del golpeo obtenido en un ensayo de penetración simple es un dato indicativo de la consistencia de un terreno susceptible de su utilización para la caracterización o el diseño geotécnicos.
Cuando el terreno atravesado es grava, la cuchara normal no puede hincarse, pues su zapata se dobla. Con frecuencia se sustituye por una puntaza maciza de la misma sección (no normalizada). El ensayo SPT no proporciona entonces muestra. El golpeo así obtenido debe corregirse dividiendo por un factor que se considera del orden de 1'5.
Correlación entre el golpeo SPT y la consistencia del suelo atravesado[editar]
Existen diversas correlaciones entre el resultado del ensayo SPT y las características del terreno (compacidad, resistencia y deformabilidad), e incluso con dimensiones de la cimentación requerida para un valor del asiento que se considera admisible.
Sin embargo, las principales correlaciones que ligan el golpeo SPT con las características del terreno, lo hacen respecto a los parámetros ángulo de rozamiento interno e índice de
densidad en las arenas (siendo el índice de densidad
/ ). En los terrenos cohesivos, aún cuando no son tan aceptadas, existen correlaciones respecto a la resistencia al corte sin drenaje .
En algunas ocasiones, el valor del golpeo SPT debe ser afectado por unos factores correctores para tener en cuenta la profundidad a la que se realiza el ensayo, y la influencia de la ubicación de dicho ensayo sobre la capa freática.
Hay que tener cuidado, ya que en terrenos por ejemplo con gravas o bolos o en arcillosos duros, podemos tener mayorado nuestro SPT, no siendo éste ensayo entonces representativo de las características del terreno.
Influencia de la profundidad[editar]
La penetración en las arenas depende de la resistencia del terreno, que a su vez es función del ángulo de rozamiento, o del índice de densidad, y del estado tensional en el que se encuentre el terreno haciendo de antemano los anteriores ensayos. pelav
MUESTREO DE SUELOS
En el desarrollo de un proyecto civil, se requiere conocer previamente las condiciones del terreno donde se apoyara la estructura, o si la estructura a desarrollar es construida con tierra o roca, además de las condiciones del suelo es necesario conocer las posibles fuentes de material.
Cuando se analiza una estructura, desde el punto de vista de la mecánica de suelo, se puede hablar de tres categorías:
1. Estructuras donde el problema básico es el entendimiento de la interacción de la estructura con el suelo. Dentro de estas estructuras se incluyen: Fundaciones, estructuras de retención, líneas de túneles o sistemas de conducción
2. Estructuras construidas en tierra como vías, carreteras, presas de tierra o pedraplenes, bases y sub bases para pavimentos.
3. Estructuras de tierra o rocas en condiciones naturales, en estas incluimos los taludes naturales o los cortes generados ante alguna obra o acción desarrollada por el hombre.
En cualquiera de estos casos, el entendimiento de las propiedades del suelo ayuda a la mejor comprensión de los posibles problemas o situaciones generadas, de esta manera los diseños o acciones seguirán las condiciones de seguridad y economía de la obra.
Debido a que en la mayoría de los casos los costos del estudio de suelo son los mas exigentes al inicio de cada obra y que se debe asegurar siempre que los estudios cubran toda la zona de influencia de esta, es necesario desarrollar un adecuado programa de exploración y muestreo del área de interés.
Los procedimientos para obtener información de las características del suelo se pueden dividir en dos categorías:
1. Métodos indirectos: Dentro de estos se incluyen fotografías aéreas, mapas topográficos, interpretación de mapas e informes de reportes geológicos o estudios de suelo previamente desarrollados.
2. Métodos directos: Realmente son los mas importante y los que mas información suministran desde el punto de vista del estudio de suelos, son:
Reconocimiento geológico de la zona. Incluye la inspección visual directa por un profesional de las condiciones de los materiales en su estado natural, visitando laderas de ríos o quebradas, cortes existentes de vías, túneles o conducciones naturales.
Realización de apiques, perforaciones, trincheras, que permitan la recuperación de muestras alteradas o inalteradas de la zona de interés.
Ensayos preliminares in-situ los cuales permiten correlacionar los resultados obtenidos con las propiedades ingenieriles o la información general obtenida.
Ensayos detallados in-situ, estos permiten medir directamente en campo las propiedades de los suelos.
El propósito de este primer aparte es presentar la información respecto a las diferentes técnicas y métodos de recuperación de muestras tanto alteradas como inalteradas para la posterior evaluación de sus propiedades tanto física como mecánica.
2. Tipos de muestras
Las muestras obtenidas en un proceso de muestreo son clasificadas en dos categorías dependiendo de la alteración que sufren al ser retiradas de su lugar original: Muestra alteradas y muestras inalteradas.
a. Muestras Alteradas: Una muestra alterada se define como aquella donde parte de ella o toda, ha sufrido una alteración tal que ha perdido la estructura que poseía in-situ, estas muestras no representan de forma real las propiedades ingenieriles de resistencia y permeabilidad del suelo. Una muestra inalterada generalmente es usada para los procesos de identificación y caracterización del suelo. Las muestras inalteradas también son usadas para preparar especimenes de laboratorio y evaluar en ellos propiedades de permeabilidad y resistencia mecánica, cuando la destinación del suelo sea como elemento de construcción.
b. Muestras Inalteradas: Son aquellas muestras obtenidas por medio de muestreadores y usando técnicas en las cuales es posible preservar de la estructura natural del material; aunque se use la expresión “inalterada” se debe tener en cuenta que una muestra de suelo al ser retirada de sus condiciones naturales sufre algún tipo de remoldeo o alteración, se denomina así por que representan fielmente las condiciones del suelo in-situ. En estas muestras se realizan todos aquellos ensayos que permiten evaluar las condiciones de resistencia del suelo y comportamiento ingenieril y las propiedades de permeabilidad, además determinar la humedad natural y todos los demás ensayos que se pueden ejecutar en las muestras alteradas.
Del tipo de muestra requerida dependerá el tipo de proceso de muestreo a planear.
3. Recolección de muestras
3.1 Muestras Alteradas: El proceso de muestreo debe efectuarse según el fin que se persiga. Normalmente la recuperación se puede hacer de dos maneras diferentes:
3.1.1 Muestras obtenidas de sondeo a cielo abierto: Generalmente son excavaciones que se realizan para permitir la exposición de la configuración del terreno, el procedimiento para la recuperación es el siguiente:
Se retira la primera capa que se encuentra en el suelo y se deposita aparte, en el proceso de muestreo nunca se desecha ni se contamina con la que se encuentra mas abajo. Esta
primera capa es de espesores variables, de color oscuro y olor a materia orgánica, es sobre la cual se desarrolla la vida, esta capa sirve de nutrientes a las plantas y de hogar a muchos animales. En los proyectos para el desarrollo de obras civiles esta primera capa se le conoce comunmente como “capa estéril” debido a que no aporta nada al desarrollo del proyecto, pero en casos donde el objetivo del trabajo son procesos de recuperación de suelos o desarrollo de zonas de cultivo, esta es la capa mas importante a estudiar.
Se toma muestras individuales de cada una de las capas a estudiar, este proceso se lleva a cabo con ayuda de palas, cuchillos, barras, siempre procurando no contaminar las capas entre si.
Las muestras son almacenadas en bolsas o recipientes cerrados, debidamente rotulados que permitan la plena identificación de la muestra. Posteriormente son enviados al laboratorio.
Es común que en vez de tomar muestras individuales se requieran muestras integrales, o sea de todo el perfil de suelo observado, para ello es necesario almacenar en un solo recipiente la muestra tomada de todo el perfil. En cualquiera de los casos es necesario tapar la excavación realizada una vez finalice el proceso, dejando siempre para ubicar el suelo orgánico en la superficie.
3.1.2 Muestreo por barrenos: Es muy común que en vez de realizar una excavación, se realicen pequeñas perforaciones con ayuda de barrenos, el procedimiento es el siguiente:
Con el barreno se avanza a lo largo del terreno extrayendo el suelo arrancado del perfil.
Se separa en montículos el material retirado, separándolos a medida que se observen cambios en el material extraído.
Los montículos se almacenan en bolsas o recipientes cerrados y rotulados, para luego ser enviados al laboratorio.
Si el objetivo es recuperar muestras integrales, se deposita todo en un solo montículo y es este el que se guarda y envía al laboratorio.
3.2 Recolección de muestras inalteradas: El caso mas simple corresponde al de cortar un determinado trozo del suelo deseado cubriéndolo con parafina para evitar perdidas de humedad y empacándolo debidamente para enviarlo al laboratorio. 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 excavación 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 señal cualquiera para conocer la posición que ocupaba en el terreno. Luego se aplican dos o tres capas de parafina caliente, se rotula y se envía al laboratorio.
Si la muestra no va a ser usada pronto, necesita una protección adicional además de las capas de parafina. Esta protección consiste en envolver la muestra en una tela blanda, amarrándola con un cordel, hecho esto se sumerge la muestra entera en parafina en repetidas ocasiones, de tal manera que se alcance un espesor mínimo de 3 mm, suficiente para garantizar su impermeabilidad.
En algunas ocasiones es conveniente además, empacar la muestra en una caja de madera para transportarla al laboratorio.
La excavación a cielo abierto brinda siempre una información correcta hasta donde llega, pues permite la inspección visual de los estratos del suelo, sin embargo en muchas ocasiones se requiere estudiar el suelo a profundidades mayores que las que pueden ser alcanzadas satisfactoriamente por excavaciones a cielo abierto, en estos casos es conveniente realizar perforaciones de profundidad. Esta perforaciones se pueden hacer mediante el uso de barrenas hasta llegar al estrato requerido y de allí sacar con un muestreador especial la muestra inalterada.
Las barrenas pueden ser de diferentes tipos, la mayoría de ellas son relativamente cortas variando fácilmente su tamaño. Esta barrenas se hincan por rotación o ejerciendo una presión constante para facilitar su entrada.
Una vez se ha llegado al sitio de interés, uno de los equipos mas sencillos y eficientes para extraer la muestra es el tubo shelby, que consiste en un tubo metálico de paredes delgadas con un extremo afilado, este borde tiene un diámetro ligeramente menor que el interior del tubo, garantizando que la muestra pueda deslizarse libremente dentro sin fricción alguna, la parte superior posee la facilidad de implementar una válvula que evita que la muestra se salga cuando se retira el tubo del terreno.
Obtención de muestras
La toma u obtención de muestras es el procedimiento que consiste en recoger partes, porciones o elementos representativos de un terreno, a partir de las cuales se realizará un reconocimiento geotécnico del mismo.
Las muestras son porciones representativas del terreno que se extraen para la realización de ensayos de laboratorio. Según la forma de obtención, pueden clasificarse de forma general en dos tipos:
Muestras alteradas: conservan sólo algunas de las propiedades del terreno en su estado natural.
Muestras inalteradas: conservan, al menos teóricamente, las mismas propiedades que tiene el terreno "in situ".
Muestras obtenidas en calicatas[editar]
Muestras alteradas:
Se toman de trozos de suelo arrancado por la pala excavadora, introduciéndolo en bolsas. Si se pretende obtener la humedad del terreno, puede guardarse la muestra en un recipiente estanco, o parafinarla.
Muestras inalteradas:
Requieren una limpieza superficial previa a la toma de la muestra, y un parafinado posterior de las caras de la muestra, en las que el suelo queda en contacto con el exterior. Pueden ser:
- En bloque: tallando a mano un bloque aproximadamente cúbico, con dimensiones superiores a 15 ó 20 cm. La calidad de esta muestra es excelente.
- Cilíndrica: mediante la hinca por golpeo manual de un tomamuestras cilíndrico de diámetro no menor de 15 cm.
Muestras obtenidas en sondeos[editar]
Muestras alteradas:
Obtenidas de trozos de testigo o de muestras de ensayo SPT. Análogamente al caso de muestras alteradas obtenidas en calicatas, se tienen en cuenta las mismas consideraciones.
Muestras inalteradas:
Se consiguen mediante tomamuestras adecuados. Los más utilizados son los tomamuestras abiertos de pared gruesa y el tomamuestras de pared delgada o Shelby. También, en suelos muy
sensibles a la alteración inherente a la maniobra, puede utilizarse el tomamuestras de pistón de pared gruesa o delgada.
El utilizado con mayor frecuencia es el primero de los citados. Consta de un tubo cilíndrico de pared gruesa dotado de una zapata separable. El resto del tubo es bipartido (por dos generatrices), para la extracción posterior de la muestra una vez tomada. En el interior se aloja una camisa fina que generalmente es de PVC, aunque puede ser metálica, donde se introduce la muestra para enviarla al laboratorio, habiendo parafinado previamente las caras extremas para evitar pérdidas de humedad.
En suelos blandos, el grosor de la zapata provoca una fuerte alteración de la muestra. Para evitarlo, se recurre al tomamuestras de pared delgada, también denominado Shelby. En este caso, no se introduce ninguna camisa en el interior del tomamuestras, sino que la muestra se envía al laboratorio dentro del mismo tubo Shelby, convenientemente tapado y parafinado.
En suelos arcillosos muy duros o en rocas, no se pueden introducir tubos tomamuestras mediante presión o percusión: en el caso de arcillas muy firmes, la introducción del tubo tomamuestras por medio de un gran número de golpes, provoca la total alteración del suelo. Por ello, debe obtenerse la muestra con la batería de perforación. Si este suelo duro o roca requiere agua para el avance, (y esto puede dar lugar a una alteración de la muestra), se debe utilizar tubo sacatestigos doble. El testigo que va a ser enviado como muestra al laboratorio, debe ser envuelto en un mallazo y parafinado posteriormente.
Muestras Alteradas
Una muestra alterada se define como aquella donde parte de ella o toda, ha sufrido una alteración tal que ha perdido la estructura que poseía in-situ, estas muestras no representan de forma real las propiedades ingenieriles de resistencia y permeabilidad del suelo. Una muestra inalterada generalmente es usada para los procesos de identificación y caracterización del suelo. Las muestras inalteradas también son usadas para preparar especímenes de laboratorio y evaluar en ellos propiedades de permeabilidad y resistencia mecánica, cuando la destinación del suelo sea como elemento de construcción. Están constituidas por el material disgregado o fragmentado, en las que no se toman precauciones especiales para conservar las características de estructura y humedad; no obstante, en algunas ocasiones conviene conocer el contenido de agua original del suelo, para lo cual las muestras se envasan y transportan en forma adecuada. Podrán obtenerse de una excavación, de un frente, ya sea de banco o bien, de perforaciones llevadas a profundidad con herramientas especiales. Las muestras deberán ser representativas de cada capa que se atraviese, hasta llegar a una profundidad que puede corresponder al nivel más bajo de explotación, al nivel de aguas freáticas o aquél al cual sea necesario extender el estudio.
Perforación de SuelosPrograma de exploración del subsuelo La exploración del subsuelo comprende varios pasos, incluidas la recolección de información preliminar, el reconocimiento y la investigación del sitio. Recolección de la información preliminar Debe obtenerse información relativa al tipo de estructura por construirse y acerca de su uso general. Para la construcción de edificios, se deben conocer las cargas aproximadas en columnas y su espaciamiento, el código de construcción local y requisitos de los sótanos. La construcción de puentes requiere la determinación de la longitud del claro y las cargas sobre estribos y pilas.Perforaciones exploratorias en el campoLos barrenos en el suelo se efectúan por varios métodos, como la perforación con barrena. Por lavado, por percusión y el sondeo rotatorio. La perforación con barrena es el método más simple para efectuar sondeos de exploración. La figura 8.2 mue s t r a dos tipos de barrenas manuales: la de agujeros para postes (o posteadora ) y la helicoidal. Las barrenas manuales no se usan para excavaciones a más de 3 a 5 m; sin embargo, se usan para trabajos de exploración de suelos en algunas carreteras y estructuras pequeñas. Existen barrenas helicoidales eléctricas portátiles (30 a 75 mm de diámetro), adecuadas para perforaciones más profundas. Las muestras de suelo obtenidas en tales perforaciones son sumamente alteradas. ConclusiónEn esta práctica de comportamientos de suelo, se hizo una introducciónDel tema. Se nos mostraba también como se estudiaba los suelos haciendoPerforaciones en el suelo para poder estudiarlo y determinar queResistencia tendrá y como se comportara con respecto a cargas sobre ella.En si aprendimos sobre cómo hacer un estudio de un suelo, que también Se hace muy cuidadosamente para poder obtener la forma natural del subsuelo,Y determinar y distinguir entre limos, arcillas, arenas y gravas que seUtilizan mucho en la vida diaria de los ingenieros
DENSIDAD IN SITU1.-OBJETIVOS.-
Determinar la determinar en sitio de una parte de suelo por el método del cono de arena.Aprender a determinar este cálculo en campo y cuales son ventajas y desventajas en la aplicación al diseño o construcción.Realizar la calibración del equipo que se utilizará para la realización de la práctica.Obtener el porcentaje de compactación alcanzado por dicho suelo.2.-FUNDAMENTO TEORICO.-
El concepto básico se refiere a la medida de la densidad en el terreno, esta puede hacerse extrayendo una muestra de la capa compactada y midiendo el volumen del hueco dejado por el material extraído.Densidad relativa y Densidad en sitioEl poder conocer la densidad que posee un suelo en terreno o en su estado natural, ha sido un gran reto para los investigadores de mecánica de suelos y científicos del área en general. Se realiza esta determinación para comprobar el grado de compactación en rellenos compactados artificialmente.Es muy útil en el caso de suelos sin cohesión (gravas y arenas), los cuales, por lo general no permiten obtener muestras inalteradas, y por medio de la densidad in situ se puede reproducir el suelo natural en la densidad natural a partir de una muestra alterada.La densidad relativa es una propiedad índice de los suelos y se emplea normalmente en gravas y arenas, es decir, en suelos que contienen casi exclusivamente partículas mayores a 0.074 mm (malla #200).La densidad relativa es una manera de indicar el grado de compacidad(compactación) de un suelo y se puede emplear tanto para suelos en estado natural como para rellenos compactados artificialmente. El uso de la densidad relativa es importante en mecánica de suelos debido a la correlación directa que ella tiene con otros parámetros como por ejemplo: el ensayo Proctor, el ensayo C.B.R. y oros relacionados con la capacidad de soporte de un suelo.Conceptualmente la densidad relativa indica el estado de compacidad de cualquier tipo de suelo.La densidad relativa se obtiene de la determinación de otros parámetros como lo son: Densidad Mínima, Densidad Máxima y la Densidad en Sitio, de estos, los dos primeros se realizan en laboratorio y el último se debe realizar en terreno.El ensaye es aplicable a suelos que contengan hasta un 12% de partículas finas y un tamaño máximo nominal de 80 mm.
UNIV: SANCHEZ BALLESTEROS EDDY ALVARO LABORATORIO DE MECANICA DE SUELOS / CIV 221
Métodos para determinar la densidad en sitioUna vez que se han definido los criterios de compactación - en la forma de especificaciones técnicas - para las obras en terreno, es necesario utilizar un método para determinar la densidad o
peso unitario que el suelo alcanza luego de la compactación.Para obtener estas densidades existen los siguientes métodos en terreno que son los más importantes:➢ Métodos con muestras disturbadasa) Método del cono de arenab) Método Volumenómetro (Globo)c) Método del aceite➢ Métodos con muestras inalteradasd) Método moldecilíndricoe) Método nuclearf) Método Speedy Moisture testerMétodo del cono de arena.- El método del cono de arena, se aplica en general a partir de la superficie del material compactado, este método se centra en la determinación del volumen de una pequeña excavación de forma cilíndrica de donde se ha retirado todo el suelo compactado (sin pérdidas de material) ya que el peso del material retirado dividido por el volumen del hueco cilíndrico nos permite determinar la densidad húmeda. Determinaciones de la humedad de esa muestra nos permiten obtener la densidad seca.El método del cono de arena utiliza una arena cuarzosa uniforme normalizada y de granos redondeados para llenar el hueco excavado en terreno. Previamente en el laboratorio, se ha determinado para esta arena la densidad que ella tiene para las mismas condiciones de caída que este material va a tener en terreno. Para ello se utiliza un cono metálico.El aparato del cono de arena consistirá de un frasco de aproximadamente un galón (3.785lts.) y de un dispositivo ajustable que consiste de una válvula cilíndrica con un orificio de 12.7mm (1/2”) de diámetro y que tiene un pequeño embudo que continua hasta una tapa de frasco de tamaño normal en un extremo y con un embudo mayor en el otro. La válvula deberá tener topes para evitar su rotación cuando este en posición completamente abierta o completamente cerrada. El aparto deberá estar de acuerdo con las exigencias indicadas.Placa base para su uso esto puede hacer mas difícilla nivelación pero permite en el ensayo abrir agujeros de diámetro mayores y puede reducir la perdida de suelo al pasarlo del agujero de ensayo al recipiente, así como también ofrecer una base mas constante para ensayos en suelos blandos. Cuando se usa la placa de basedeberá considerarse como una parte del embudo en el procedimiento de este método de ensayo.UNIV: SANCHEZ BALLESTEROS EDDY ALVARO LABORATORIO DE MECANICA DE SUELOS / CIV 221
Al seleccionar una arena para ser usada, deberá hacerse, como mínimo, cinco determinaciones de peso unitario aparente de cada bulto y para que la arena sea aceptable, no deberá existir entre cada uno de los resultados individuales y el promedio una variación mayor que el 1% del promedio. Antes de usar una arena deberá secarse y dejarse luego en reposo hasta que obtenga la condición de “seca al aire”, en la zona en que va a ser usada.-Ventajas, este método se utiliza en cualquier tipo de suelo, según la ventaja es el método más exacto.-Desventajas, es un método lento porque se tiene que hacer una previa calibración en laboratorio.
Método del speedy moisture testerPocas personas saben el importante papel que juega la humedad en la construcción. Demasiado o muy poco de humedad puede hacer que el tejido mismo de un edificio a derrumbarse, o una carretera para convertirse en un crack y muerte-trampa. Podría ser un problema importante. Pero lo que rara vez los problemas profesionales dentro de la industria que son responsables de laconstrucción de carreteras, puentes y edificios. La industria de la construcción en todo el mundo pone su confianza en una valiosa pieza de equipo - la humedad de rápido ensayo. Esta ayuda esencial ha ganado una reputación envidiable como el único tipo de los equipos de ensayo diseñados para realizar en el lugar en la más exigente de los ambientes y condiciones climáticas extremas.3.-MATERIAL Y EQUIPO.-
Calibración de los equipos:➢ El aparato del cono de arena➢ Placa base de metal➢ arena que pasa por el tamiz #30 y es retenido por el tamiz #10.➢ Dos balanzas➢ Equipo de secado➢ BrochaPara el terreno:➢ Combo, o martillo para el golpeado y cavado del suelo➢ Cincel o punta➢ Pala jardinera o cucharón.➢ Brocha.➢ Huincha de medir.➢ Placa base.➢ Cono de densidad.➢ Bolsas o recipientes
4.-PROCEDIMIENTO.-
Calibración de la botellaPara este ensayo se usará una arena especialmente calibrada que no tenga finos tamizado entre #30 y #10, el cual se le echará en la botella por sobre el cono para poder conocer el volumen de la botella incluido el orificio de la válvula, luego del pesado del conjunto del aparato vacío y lleno de arena determinando el volumen del conjunto este proceso se lo realiza por 4 veces para obtener un volumen promedio de las 4 lecturas. De la misma manera se toma el promedio del cono mayor por 4 lecturas volteando sobre la planchuela y determinando su volumen luego del cierre de la válvula y elpesado de la botella y el cono con la arena restante, por diferencia se obtiene el volumen del cono mayor, recogiendo la arena que se acumuló en el cono.Ensayo en obraEl ensayo se realizará en el terreno donde se compactó para verificar si este está de acuerdo a las
especificaciones del contrato y se debe buscar un área donde se haya compactado y se procede al cavado del suelo una profundidad de 2/3 de la capa que se compactó. En nuestro caso la capa es de 18 cm. de alto y los 2/3 de suelo a cavar son 12 cm. , con la planchuela puesta y fijada en el suelo se procede al cavado con el martillo y el cincel en forma cilíndrica se hace el hoyo de 12 cm. En el que se le pone volcada el cono lleno de arena y se espera para que se vacíe la arena contenida en el hoyo para que luego del pesado del resto que no quepo en el hoyo por simple diferencia de pesos poder obtener el volumen del hoyo, y no se debe tirar el suelo extraído del hoyo ya que este se lo lleva al horno para luego secarlo y obtener el peso húmedo y seco para poder determinar el contenido de humedad que tiene el suelo.
UNIV: SANCHEZ BALLESTEROS EDDY ALVARO LABORATORIO DE MECANICA DE SUELOS / CIV 221
5.-DATOS Y CALCULOS.-
Calibración de la botellaWBOTELLA + CONO = 775 gr.|Peso de la botella + cono + arena (gr.) || W1 |6373 || W2 |6370 || W3|6378 || WPROMEDIO |6373.67 |
WBOTELLA LLENA DE ARENA = 6373.67 gr.determinación del volumen del frascoWBOTELLA + CONO +agua =4932 gr[pic]Volumen del frasco=[pic]Densidad de la arena[pic]|Peso del cono mayor || |Peso que se quedo |Peso del cono ||W1 |4808 |1565 ||W2 |4854 |1516 ||W3 |4819 |1559 ||WPROMEDIO |------- |1546.67 |
WARENA LLENA DEL CONO = 1546.67gr.
UNIV: SANCHEZ BALLESTEROS EDDY ALVARO LABORATORIO DE MECANICA DE SUELOS / CIV 221Ensayo en obraWTARA = 223 gr.WMUESTRA HUMEDA + TARA = 2281 gr.
WMUESTRA SECA + TARA= 3378 gr.WBOTELLA + ARENA = 2664 gr. (después densayo)WARENA QUE LLENÓ EL HOYO = WBOTELLA LLENA DE ARENA - WBOTELLA + ARENA - WARENA LLENA DEL CONOWARENA QUE LLENÓ EL HOYO = 6373.67 – 2664 – 1546.67 = 2163 gr.Volumen del hueco[pic]Densidad húmeda del suelo
[pic]
determinación del porcentaje de humedadCapsula19- B = 44grCapsula+ muestra =122grWMUESTRA SECA + capsula 19-B= 119 gr.[pic]Densidad seca del suelo[pic]
UNIV: SANCHEZ BALLESTEROS EDDY ALVAROLABORATORIO DE MECANICA DE SUELOS / CIV 221
7.- CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES.-• Esta práctica es muy interesante ya que por medio de ella podemos conocer el grado de compactación de una capa en campo, es muy sencilla, no necesita mucho tiempo (con excepción de esperar a que se seque la muestra extraída del terreno ), además de que la información que nos proporciona es muy cercana a la realidad.• El porcentaje de humedad obtenido de suelo compactado es de 5.36 % con una densidad seca de 1.57 gr./cc.• No se hizo la comparación con las especificaciones técnicas para aceptar o rechazar el compactado ya que se lo hizo en un suelo de compactación desconocida, y este ensayo sirva como estudio y conocimiento de la realización del ensayo por su importancia por su manejo en obra y su control.
• El ensayo realizado fue aceptable ya que no tuvimos ningún contratiempo o algún problema con los instrumentos, materiales o con el suelo• El suelo que fue parte de nuestro ensayo estaba compactado debido a la consolidación, porque no se utilizó ningún mecanismo para compactar el suelo.
MÉTODOS DE EXPLORACIÓN
Los métodos de exploración tienen la finalidad de tener un conocimiento razonable de las propiedades físicas y la disposición de los materiales del subsuelo. A las operaciones de campo y de laboratorio necesarias para obtener esta información se les llama exploración del suelo.Debido a lo complejo de los depósitos naturales no hay método de exploración que sea el adecuado para todos los casos.
Cuando se necesita información general sobre la ubicación de fronteras con materiales firmes, por ejemplo la frontera entre mantos de roca y depósitos mas blandos sobreyacentes, pueden usarse algunas veces con ventaja los métodos geofísicos
EXPLORACIÓN GEOSÍSMICA.
Los métodos sísmicos son especialmente útiles para determinar la profundidad del estrato apto para cimentar, sobreyacida por estratos blandos o sueltos.Para la exploración sísmica se necesita:
1. Un equipo que produzca una onda elástica, como una pequeña carga de explosivo y detonador, incluso, un marro para golpear una placa colocada en su superficie.2. Una serie de sensores, o geófonos, colocados a intervalos a lo largo de una línea que parte del punto de origen de la onda.3. Un oscilógrafo, que es un mecanismo que registra el momento en que se origina la onda así como el lapso de llegada a cada sensor.
Cuando la estratigrafía del subsuelo es sencilla, por medio de los datos obtenidos se puede conocer la profundidad de cada uno de los mantos, de igual manera se puede saber algo de la naturaleza de los estratos analizando las velocidades de las ondas sísmicas al atravesar los estratos del subsuelo.Si la roca sana esta cubierta por boleo o roca fracturada los datos obtenidos por exploración sísmica brindan mejores resultados acerca de la superficie de la roca sana que los datosarrojados por sondeos, sin embargo no puede detectarse la presencia de material blando si este se encuentra por debajo de un material duro.
|Material |Velocidad (m/seg) ||Limo seco, arena, grava suelta, lama, roca |180-750 ||suelta, argayos y tierra vegetal húmeda. | ||Morrena compacta, arcillas endurecidas, grava |750-2300 ||bajo el nivel freático, *grava arcillosa | ||compacta, arena cementada, y mezclas de arcilla| ||y arena. | ||Roca meteorizada, fracturada o parcialmente |600-3000 |
|descompuesta. | ||Lutitas sanas |750-3300 ||Arenisca sana |1500-4200 ||Caliza y creta sana |1800-6100 ||Roca ígnea, sana |3600-6100 ||Roca metamórfica sana |3000-4800 |
* La velocidad del sonido en el agua es aproximadamente de 1433 m/seg y los materiales completamente saturados deben tener velocidades iguales o mayores que ésta.
RESISTIVIDAD ELÉCTRICA
Los resultados obtenidos a través de una exploración por resistividad eléctrica pueden delinear una frontera bien definida entre un material de baja resistencia eléctrica , como un suelo fino, y un material de alta resistencia eléctrica como una roca sana, sin importar la posición de cada material.Un procedimiento común emplea cuatro electrodos hincados en el terreno a distancias iguales a lo largo de una línea recta, Se aplica al terreno una corriente eléctrica I , generalmente continua, a través de los dos electrodos exteriores se mide el potencial inducido E entre los dos electrodos interiores. La resistividad eléctrica de la tierra se calcula con la fórmula:[pic]
Como en el caso de los levantamientos sísmicos se requieren sondeos ocasionales para confirmar las interpretaciones o para investigar posibles anomalías , no obstante el método permite reconocer rápidamente una cierta área.
Los métodos de resistividad son muy útiles para averiguar la ubicación de bolsas de grava limpia (de alta resistencia eléctrica) dentro de depósitos glaciales o suelos finos ( de baja resistencia eléctrica).
Valores representativos de resistividad de materiales térreos|Material |Resistividad || |(ohmios-cm) ||Arcilla y limo saturado |0-10,000 ||Arcilla arenosa y arena limosa húmeda |10,000-25,000 ||Arena arcillosa y arena saturada |25,000-50,000 ||Arena |50,000-150,000 ||Grava |150,000-500,000 ||Roca meteorizada |100,000-200,000 ||Roca sana |150,000-4,000,000 |
METODOS SEMIDIRECTOS
Dentro de los métodos para investigar la consistencia de los depósitos cohesivos( o la compacidad relativa de los granulares sin necesidad dehacer sondeos o extraer muestras en el campo se encuentran los penetrómetros. Estos instrumentos se basan en la medición de la resistencia que ejerce el terreno al avance del penetrómetro.Si el empuje es uniforme, el procedimiento se llama prueba de penetración estática. Si se encaja a golpes se le denomina prueba de penetración dinámica.Como regla general son recomendables las pruebas estáticas en depósitos blandos y las dinámicas en duros.
PRUEBA DE PENETRACIÓN ESTÁNDAR (ASTM D-1586)
Es la prueba mas difundida de penetración dinámica y aplicada solo en materiales finos, el objetivo es conocer la consistencia y compresibilidad del subsuelo. Se realiza golpeando el suelo desde una altura de 76 cm con un martillo de 63.5 Kg . El número N de golpes necesarios para producir una penetración de 30 cm se considera la resistencia a la penetración.Los primeros 15 cm de profundidad no se consideran por la falta de apoyo; los necesarios para aumentar la penetración de 15 a 45 constituyen el valor de N.Una vez obtenidos los resultados se correlacionan con algunas propiedades físicas importantes del suelo por medio de la siguiente tabla.
|Arenas |Arcillas ||(bastante segura) |(relativamente insegura) ||Número de golpes por 30 cm, N |Compacidad |Número de golpes por 30 cm, N |Consistencia || |relativa | | || | |Menos de 2 |Muy blanda||0-4 |Muy suelta |2-4 |Blanda ||4-10 |Suelta |4-8 |Media ||10-30 |Media |8-15 |Firme ||30-50 |Compacta |15-30 |Muy firme ||Más de 50 |Muy compacta |Más de 30 |Dura |
Es importante moderar las consideraciones, dado que los resultados en una exploración pueden variar con los valores dados en la tabla, y es preferible hacer comparaciones directas con los resultados de otras pruebas apropiadas en cada caso.
La correlación en arcillas solo puede tomarse como aproximaciones, pero para las arenas los valores N son suficientemente seguros para un proyecto de cimentaciones.
En arenas saturadas, finas o limosas, compactas o muy compactas los resultados deben ser tomados conservadoramente, debido a la tendencia del material en condiciones no drenadas a dilatarse cuando se deforman bajo esfuerzo cortante.
La facilidad de penetración del muestreador no sólo depende de la resistencia del suelo, sino también de su compresibilidad, debido a esto la prueba de penetración estándar no puede considerarse como un método refinado y completamente seguro sin embargo los valores de N dan útiles indicaciones preliminares de la consistencia o de la compacidad relativa de la mayoría de los depósitos.
PENETRÓMETRO HOLANDÉS DE CONO
Es la prueba de penetración estática mas usada se emplea en depositos demateriales finos, fue desarrollada en el laboratorio de Mecánica de Suelos de Delft, en Holanda. En su forma mas elemental, el aparato consiste en un cono a 60( con un área en la base de 10 cm2 unido al extremo de una varilla protegido por un ademe. El cono es empujado con una velocidad de 2 cm/seg; la resistencia que ejerce el suelo al avance es la fuerza aplicada al cono entre el área de su base, y se expresa en Kg/cm2 .[pic]En otra forma mas refinada del aparato considerada estándar en muchos lugares el aparato puede medir la fricción en la pared exterior del ademe y la resistencia en la punta del cono.
En regiones experimentadas en la aplicación del penetrómetro de cono los valores de la resistencia a la penetración se han relacionado con propiedades como el ángulo de resistencia al corte de la arena ( o con la consistencia de las arcillas.
MÉTODOS DIRECTOS.
POZO A CIELO ABIERTO
Cuando la situación lo permite resulta ventajoso inspeccionar las formaciones subterráneas en su estado natural, lo que puede realizarse haciendo excavaciones in situ a cielo abierto y socavones de diámetro grande o perforando túneles a través de los materiales. Ordinariamente no resulta económico efectuar un programa completo de exploración de esta manera, sin embargo es ideal cuando se trata de un depósito demasiado variable ya que proporciona una impresión mas segura que la proporcionada por otros medios permitiendo obtener muestras inalteradas esenciales para ejecutar pruebas de carga en suelos o rocas.
Pueden perforarse barrenos de inspección relativamente baratos con diámetros entre 0.9 y 1.2 metros utilizando brocas con balines de acero. Existen grandes barrenos hasta de 2 metros usados para explorar depósitos de suelo a profundidades mayores de 15 m, siempre que dichas perforaciones puedansostenerse, usándose para tal fin ademes de gran diámetro con compuertas capaces de cerrarse.
El diámetro del pozo también puede ser pequeño (5 o 10 cm) realizándose la inspección por medio de cámaras de cine, televisión o fibra óptica eligiendo el medio de acuerdo a la economía y
requerimientos del proyecto de exploración.
La sección expuesta en estas aberturas debe ser analizada conjuntamente por ingenieros y geólogos.
BARRILES MUESTREADORES.
Este procedimiento se lleva a cabo en depósitos de roca o materiales duros, un barril muestreador se usa para obtener muestras de roca intacta de pequeñas dimensiones y estos intervienen hasta las etapas de muestreo de un sistema perforador cuando la broca rotatoria se reemplaza por un muestreador de corazones, la broca corta un anillo redondo dejando un núcleo central que entra en el barril muestreador.
El muestreador de corazones (barril muestreador) puede ser de tubo simple o de tubo doble. Las muestras obtenidas por el primero pueden alterarse debido a la torsión, a expansión y a contaminación con el agua de barrenación. El barril doble esta diseñado para proteger el corazón contra el efecto del agua en circulación e incluso en algunos equipos el barril interior puede ser retirado de manera independiente con la muestra. Este dispositivo se conoce con el nombre inglés de “Wire-line” . Y todavía se le puede incorporar un tercer tubo de media caña dentro del barril interior. Una vez extraído el barril interior, el tubo de media caña es empujado por medio de una bomba hidráulica operada a mano.
La muestra obtenida se conserva de esta forma casi inalterada en el tubo partido. Este conjunto es llamado Triple tubo y resulta conveniente para extraer muestras de roca fracturada, roca frágil de baja resistencia al esfuerzo cortante o arcilla dura.Eldiámetro de los corazones varía de 32 a 152 mm, los barriles muestreadores pueden retener corazones cuando menos de 1.52 m de largo.Para determinar la calidad de la roca se recurre a la relación de recuperación definida como la relación en porcentaje entre la longitud del núcleo recuperado y la longitud del barreno empleado, generalmente cuando se usa un barril de tubo doble la relación de recuperación es mas alta. Para condiciones mas estrictas de calidad la relación de recuperación llamada designación cualitativa de la roca (DCR) considera solo las secciones menores de 10 cm, duras y sanas, ignorándose las roturas causadas por la perforación, el diámetro del corazón no deberá ser menor de 54 mm, el porcentaje obtenido en muestras que cumplan estas condiciones es la DCR.|DCR |Calidad de ||% |la roca ||90-100 |Excelente ||75-90 |Buena ||50-75 |Regular ||25-50 |Mala ||0-25 |Muy mala |
Métodos y Técnicas Utilizadas
Son diversos los métodos utilizados en la exploración geofísica del subsuelo:
La prospección Geofísica consiste en inferir la estructura geológica del subsuelo a través de la distribución de alguna propiedad física del subsuelo, dependiendo del método utilizado.
Son diversas las propiedades físicas del subsuelo y de la Tierra en general susceptibles de medirse desde la superficie y determinar sus distribución espacial. Podemos mencionar la resistividad eléctrica del subsuelo, velocidad de propagación de ondas de sonido, densidad de masa y susceptibilidad magnética entre las más importantes.
De acuerdo a la propiedad física de la Tierra a estudiar podemos definir los métodos a utilizar entre ellos tenemos a: Geoeléctricos, Sísmicos, Gravimétricos y Magnetométricos.
Métodos Geoeléctricos
Los métodos geoeléctricos han sido utilizados en infinidad de aplicaciones y en la actualidad han tenido mucho éxito, permitiendo investigar la distribución de resistividades eléctricas o conductividades en el subsuelo desde unos pocos metros hasta decenas de kilómetros. Dentro de la gran cantidad de aplicaciones podemos mencionar:
a.- Detección de agua subterránea (acuíferos y corrientes subterráneas) b.- Investigación de depósitos de minerales (metálicos y no metálicos) c.- Determinación de intrusión salina en acuíferos costeros. d.- Detección de cavidades y fracturas. e.- Detección de plumas contaminantes por hidrocarburos o lixiviados f.- Estudios para zonas arqueológicas g.- Determinación de la estratigrafía del subsuelo. h.- Evaluación de bancos de materia (arena y grava) g.- Determinación de l profundidad al nivel freático h.- Búsqueda de vapor de agua en campos geotérmicos
Las técnicas utilizadas para medir esta propiedad son:
1.1.- Geoeléctricos por corriente continua (sondeos eléctricos verticales y tomografía eléctrica) 1.2.- Transitorios electromagnéticos (TEM) 1.3.- Bobinas electromagnéticas 1.4.- Magnetoteluria (Fuente natural y artificial).
Métodos Sísmicos
Los métodos sísmicos son utilizados para medir velocidad de propagación de ondas en el subsuelo permitiendo caracterizar el subsuelo desde la superficie a centenas de metros. Dentro de las aplicaciones podemos mencionar:
a.- Determinación de la profundidad a la roca sana b.- Caracterización del basamento rocoso c.- Determinación de la estratigrafía y geometría del subsuelo d.- Cálculo de parámetros elásticos del subsuelo a partir de las velocidades de onda (P y S). e.- Apoyo en la detección de agua subterránea f.- Evaluación de bancos de material (arena, grava, roca, etc.)
Las técnicas utilizadas para medir esta propiedad son:
1.1 Sísmica de refracción 1.2 Sísmica de Reflexión 1.3 Ruido sísmico (ondas superficiales)
Prospección Sismica con Pyroblast
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Fuente Sismica
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Gravimetría
La gravimetría es un método que permite caracterizar el subsuelo a través de la distribución de la densidad de masa de los distintos materiales del subsuelo, haciendo mediciones del campo natural gravimétrico terrestre. Permite caracterizar el subsuelo desde algunos metros hasta decenas de kilómetros de profundidad. Dentro de las aplicaciones podemos mencionar:
a.- Geometría de cuencas sedimentarias b - Estudios en zonas arqueológicas c.- Evaluación de campos petroleros en apoyo a la exploración sísmica.
Magnetometría
La magnetometría es un método que permite caracterizar el subsuelo a través de la distribución de la susceptibilidad magnética de los distintos materiales del subsuelo directamente relacionada con el contenido de minerales con propiedades magnéticas, haciendo mediciones del campo natural magnetométrico terrestre. Permite caracterizar el subsuelo desde algunos metros hasta decenas de kilómetros de profundidad. Dentro de las aplicaciones podemos mencionar:
a.- Investigación de depósitos minerales (magnéticos) b - Estudios en zonas arqueológicas c.- Evaluación de campos petroleros en apoyo a la exploración sísmica.
Nivel freático
Esquema de un acuífero artesiano: 1. acuífero, 2. estratos impermeables, 3. área de infiltración, 4. pozo artesiano, 5. nivel de saturación, 6. pozo subartesiano, 7.manantial artesiano
Situación de los pozos en el nivel piezométrico.
El nivel freático corresponde al nivel superior de una capa freática o de un acuífero en general. A menudo, en este nivel la presión de agua del acuífero es igual a la presión atmosférica.También se conoce como capa freática, manto freático, napa freática, napa subterránea (del francés nappe=mantel),tabla de agua (traducción incorrecta del inglés, puesto que table significa mesa) o simplemente freático.
Al perforar un pozo de captación de agua subterránea en un acuífero libre, el nivel freático es la distancia a la que se encuentra el agua desde la superficie del terreno. En el caso de un acuífero confinado, el nivel del agua que se observa en el pozo corresponde al nivel piezométrico.
La tabla de agua en pozos de observación.
El nivel freático se puede medir mediante un agujero barrenado en el suelo. El nivel de agua en el agujero corresponde con el nivel freático o la tabla de agua. Aquí la presión es igual a la atmosférica.1
Por debajo del nivel freático, la presión es mayor que la atmosférica y está relacionada a la presión hidrostática. El flujo de agua subterránea puede causar desviaciones de la presión hidrostática.La presión por debajo del nivel freático se mide con un piezómetro que es un tubo que se introduce en el agua subterránea dejando una abertura al fondo del tubo. El nivel del agua en el piezómetro puede estar al nivel freático, por encima de este nivel, o por debajo. Se llama el nivel piezométrico o potencial hídrico. Cuando el nivel piezométrico es relativamente alto existe un flujo descendente de agua subterránea. Al revés existe un flujo ascendente.1
La tabla de agua en un acuíferocon fluctuaciones del invierno al verano.
La presión por encima del nivel freático es menor de la atmosférica y también se llama succión capilar. Cerca del nivel freático prácticamente todos los capilares del suelo están completamente llenos de agua, pero más arriba el suelo contiene aire también.
En la zona capilar, justamente por encima del nivel freático, como por debajo de ella, el suelo está saturado. La zona por encima de la zona capilar se llama zona no saturada.
La succión capilar se mide con un tensiómetro. Consiste de un tubito cerámico permeable, cerrado y lleno de agua, puesto en el suelo no saturado, y conectado a un manómetro. La succión de los capilares vacíos y medio vacíos en el suelo no saturado causa un presión negativa en el tensiómetro que se mide con el manómetro.
Determinación y Análisis de Niveles Freáticos
Aspectos a Considerar
Entre los estudios geotécnicos del suelo, uno de los puntos de fundamental importancia para la construcción de las cimentaciones, es la determinación de los posibles niveles de agua subterránea presentes en el terreno, para ello deben considerarse los siguientes aspectos:
1. Análisis del empuje del agua sobre estructuras o elementos de contención.
2. Cuantificar las subpresiones que inciden sobre los elementos de apoyo en el subsuelo.
3. Considerar posibles agotamientos y/o impermeabilizaciones previo a la construcción de lascimentaciones.
4. Ante variaciones de niveles de agua durante la construcción, tener en cuenta la posible modificación delestado tensional de terreno.
5. En caso de su existencia, observar la influencia o consecuencia de dichas variaciones sobre edificios o instalaciones linderas.
6. Tener en cuenta los riesgos posibles en zanjas, taludes, desmontes, ya que éstos, temporales o no, pueden poner en riesgo la estabilidad del terreno.
Siempre es necesario medir el nivel freático, para ello se realizan sondeos, catas o pozos.
Sondeos
Dentro de este método de medición, la forma más usual se realiza mediante una sonda que detecta la presencia de agua y mide su profundidad respecto de la cota de perforación. La medida se realiza con el suficiente espacio de tiempo como para garantizar que la incidencia del del agua usada en la perforación se haya disipado. Deberán realizarse mediciones puntuales y considerar sus oscilaciones estacionales y laestabilidad del terreno.
Exploración y Muestreo de Suelos.
Esto es una necesidad que se tiene que contar tanto en la etapa de proyecto, como durante la ejecución de la obra que se trate, con datos firmes, seguros y abundantes respecto al suelo con el que se esta tratando. El conjunto de estos datos debe llevar al proyectista a adquirir una concepción razonablemente exacta de las propiedades físicas del suelo que hayan de ser consideradas en sus análisis. En realidad es en el laboratorio donde el proyectista ha de obtener los datos definitivos para su trabajo; primero, al realizar las pruebas de clasificación ubicara en forma correcta la naturaleza del problema que se le presenta y de esta ubicación podrá decidir, como segunda fase de un trabajo, las pruebas mas adecuadas que requiere su problema particular, para definir las características de deformación y resistencia a los esfuerzos en el suelo con que haya de laborar. El conocimiento anticipado de tales problemas permite, a su vez, programar en forma completa las pruebas necesarias para la obtención del cuadro completo de datos de proyecto, investigando todas aquellas propiedades físicas del suelo de las que se pueda sospechar que lleguen a plantear en la obra una condición crítica.
Tipos de sondeos. Los tipos de sondeos que se usan para fines de muestreo y conocimiento del subsuelo, en general, son los siguientes:
• Métodos de exploración de carácter preliminar
1. Pozos a cielo abierto, con muestreo alterado o inalterado
2. Perforaciones con porteadora, barrenos helicoidales o métodos similares
3. Métodos de lavado
4. Método de penetración estándar
5. Método de penetración cónica
6. Perforaciones en boleos y gravas
• Métodos de sondeo definitivo
1. Pozos a cielo abierto con muestreo inalterado
2. Métodos con tubo de pared delgada
3. Métodos rotatorios para roca.
• Métodos geofísicos
1. Sísmico.
2. De resistencia eléctrica. 3.Magnético y gravimétrico.
Sondeos Exploratorios.
-Pozos a cielo abierto, con muestreo alterado o inalterado.
Cuando este método sea practicable debe considerársele como el más satisfactorio para conocer las condiciones del subsuelo, ya que consiste en excavar un pozo de dimensiones suficientes para que un técnico pueda directamente bajar y examinar los diferentes estratos de suelo en su estado natural, así como darse cuenta de las condiciones precisas referentes al agua contenida en el suelo. Desgraciadamente este tipo de excavación no puede llevarse a grandes profundidades a causa, sobre todo, de la dificultad de controlar el flujo de agua bajo el nivel freático; naturalmente que el tipo de suelo de los diferentes estratos atravesados también influye grandemente en los alcances del método en sí.
Deben cuidarse especialmente los criterios para distinguir la naturaleza del suelo "in situ" y la misma, modificada por la excavación realizada. En efecto, una arcilla dura puede, con el tiempo, aparecer como suave y esponjosa a causa del flujo de agua hacia la trinchera de excavación; análogamente, una arena compacta puede presentarse como semifluida y suelta por el mismo motivo. Se recomienda que siempre que se haga un pozo a cielo abierto se lleve un registro completo de las condiciones del subsuelo durante la excavación, hecho por un técnico conocedor.
En estos pozos se pueden tomar muestras alteradas o inalteradas de los diferentes estratos que se hayan encontrado.
-Perforaciones con porteadora, barrenos helicoidales o métodos similares.
En estos sondeos exploratorios la muestra de suelo obtenida es completamente alterada, pero suele ser representativa del suelo en lo referente a contenido de agua, por lo menos en suelo muy plástico. Los barrenos helicoidales pueden ser de diferentes tipos no sólo dependiendo del suelo por atacar, sino de acuerdo con la preferencia particular de cada perforista. Un factor importante es el paso de la hélice que debe ser muy cerrado para suelos arenosos y mucho más abierto para el muestreo en suelos plásticos. Posiblemente más usadas que los barrenos son las posteadoras a las que se hace penetrar en el terreno ejerciendo un giro sobre el mineral adaptado al extremo superior de la tubería de perforación. Las herramientas se conectan al extremo de una tubería de perforación, formada por secciones de igual longitud, que se van añadiendo según aumenta la profundidad del sondeo.
En arenas colocadas bajo el nivel de aguas freáticas estas herramientas no suelen poder extraer muestras y en esos casos es preferible recurrir al uso de cucharas especiales, de las que también hay gran variedad de tipos. Las muestras de cuchara son generalmente más alteradas todavía que las obtenidas con barrenos helicoidales y posteadoras; la razón es el efecto del agua que entra en la cuchara junto con el suelo, formando en el interior una seudosuspensión parcial del mismo. Es
claro que en todos estos casos las muestras son cuando mucho apropiadas solamente para pruebas de clasificación y, en general, para aquellas pruebas que no requieran muestra inalterada. El contenido de agua de las muestras de barreno suele ser mayor del real, por lo que el método no excluye la obtención de muestras más apropiadas, por lo menos cada vez que se alcanza un nuevo estrato. Frecuentemente es necesario ademar o revestir el pozo de sondeo, lo cual se realiza con tubería de hierro, hincada a golpes, de diámetro suficiente para permitir el paso de las herramientas muestreadoras. En la parte inferior una zapata afilada facilita la penetración. A veces, la tubería tiene secciones de diámetros decrecientes, de modo que las secciones de menor diámetro vayan entrando en las de mayor. Los diferentes segmentos se retiran al fin del trabajo usando gatos apropiados. Para el manejo de los segmentos de tubería de perforación y de ademe, en su caso, se usa un trípode provisto de una polea, a una altura que permita las manipulaciones necesarias. Los segmentos manejados se sujetan a través de la polea con cable de manila o cable metálico inclusive: los operadores pueden intervenir manualmente en las operaciones, guiando y sujetando los segmentos de tubería de perforación por medio de llaves de diseño especial propias pMétodos de lavado.
Este método constituye un procedimiento económico y rápido para conocer aproximadamente la estratigrafía del subsuelo. El método se usa también en ocasiones como auxiliar de avance rápido en otros métodos de exploración. Las muestras obtenidas en lavado son tan alteradas que prácticamente no deben ser consideradas como suficientemente representativas para realizar ninguna prueba de laboratorio.
El equipo necesario para realizar la perforación incluye un trípode con polea y martinete suspendido, de 80 a 150 Kg de peso, cuya función es hincar en el suelo a golpes el ademe necesario para la operación. Este ademe debe ser de mayor diámetro que la tubería que vaya a usarse para la inyección del agua. En el extremo inferior de la tubería de inyección debe ir un trépano de acero, perforado, para permitir el paso del agua a presión. El agua se impulsa dentro de la tubería por medio de una bomba.
La operación consiste en inyectar agua en la perforación, una vez hincado el ademe, la cual forma una suspensión con el suelo en el fondo del pozo y sale al exterior a través del espacio comprendido entre el ademe y la tubería de inyección; una vez fuera es recogida en un recipiente en el cual se puede analizar el sedimento. El procedimiento debe ir complementado en todos los casos por un muestreo con una cuchara del trépano; mientras las características del suelo no cambien será suficiente obtener una muestra cada 1,50 m aproximadamente, pero al notar un cambio en el agua eyectada debe procederse de inmediato a un nuevo muestreo. Al detener las operaciones para un muestreo debe permitirse que el agua alcance en el pozo un nivel de equilibrio, que corresponde al nivel freático (que debe registrarse). Cualquier alteración de dicho nivel que sea observada en los diferentes muestreos debe reportarse especialmente.
ara esas maniobras y para hacer expedita la operación del atornillado de los segmentos.
Método de penetración estándar.
Este procedimiento es, entre todos los exploratorios preliminares, quizá el que rinde mejores resultados en la práctica y proporciona más útil información en torno al subsuelo y no sólo en lo referente a descripción. En suelos puramente friccionantes la prueba permite conocer la compacidad de los mantos que es la característica fundamental respecto a su comportamiento mecánico. En suelos plásticos la prueba permite adquirir una idea, si bien tosca, de la resistencia a la compresión simple. Además el método lleva implícito un muestreo, que proporciona muestras alteradas representativas del suelo en estudio.
El equipo necesario para aplicar el procedimiento consta de un muestreador especial de dimensiones establecidas (Fig. 5.7). Es normal que el penetrómetro sea de media caña, para facilitar la extracción de la muestra.
La utilidad e importancia mayor de la prueba de penetración estándar radica en las correlaciones realizadas en el campo y en el laboratorio en diversos suelos, sobre todo arenas, que permiten relacionar aproximadamente la compacidad, el ángulo de fricción interna en arenas y el valor de la resistencia a la compresión simple en arcillas, con el número de golpes necesarios en ese suelo para que el penetrómetro estándar logre entrar los 30 cm especificados.
-Método de penetración cónica.
Estos métodos consisten en hacer penetrar una punta cónica en el suelo y medir la resistencia que el suelo ofrece. Existen diversos tipos de conos.
Dependiendo del procedimiento para hincar los conos en el terreno, estos métodos se dividen en estáticos y dinámicos. En los primeros la herramienta se hinca a presión, medida en la superficie con un gato apropiado; en los segundos el hincado se logra a golpes dados con un peso que cae.
En la prueba dinámica puede usarse un penetrómetro atornillando al extremo de la tubería de perforación, que se golpea en su parte superior de un modo análogo al descrito para la prueba de penetración estándar. Es normal usar para esta labor un peso de 63,5 Kg, con 76 cm de altura de caída, o sea la misma energía para la penetración usada en la prueba estándar. También ahora se cuenta los golpes para 30 cm de penetración de la herramienta.
A modo de resumen podría decirse que las pruebas de penetración cónica, estática o dinámica, son útiles en zonas cuya estratigrafía sea ya ampliamente conocida a priori y cuando se desee simplemente obtener información de sus características en un lugar específico; pero son pruebas de muy problemática interpretación en lugares no explorados a fondo previamente. La prueba de penetración estándar debe estimarse preferible en todos los casos en que su realización sea posible.
Perforaciones en boleos y gravas.
Con frecuencia es necesario atravesar durante las perforaciones estratos de boleos o gravas que presentan grandes dificultades para ser perforados con las herramientas hasta aquí descritas. En estos casos se hace necesario el empleo de herramientas de mayor peso, del tipo de barretones con taladros de acero duro, que se suspenden y dejan caer sobre el estrato en cuestión, manejándolos con cables. En ocasiones se ha recurrido, inclusive, al uso localizado de explosivos para romper la resistencia de un obstáculo que aparezca en el son:
Métodos De Sondeo Definitivo.
-Pozos a cielo abierto con muestreo inalterado.
Este método de exploración ha sido ya descrito por lo que no se considera necesario describirlo nuevamente. Sin embargo, es conveniente insistir en el hecho de cuando es factible, debe considerarse el mejor de todos los métodos de exploración a disposición del ingeniero para obtener muestras inalteradas y datos adicionales que permitan un mejor proyecto y construcción de una obra.
-Muestreo con tubos de pared delgada.
Desde luego de ningún modo y bajo ninguna circunstancia puede obtenerse una muestra de suelo que pueda ser rigurosamente considerada como inalterada. En efecto, siempre será necesario extraer al suelo de un lugar con alguna herramienta que inevitablemente alterará las condiciones de esfuerzo de su vecindad; además, una vez la muestra dentro del muestreador no se ha encontrado hasta hoy y es dudoso que jamás llegue a encontrarse, un método que proporcione a la muestra, sobre todo en su cara superior e inferior los mismos esfuerzos que tenia "in situ".
Este tipo de muestreadores no es recomendable para suelos muy blandos, con alto contenido de agua y arenas, ya que en ocasiones no logran extraer la muestra, saliendo a la superficie sin ella.
Métodos rotatorios para roca.
Cuando un sondeo alcanza una capa de roca más o menos firme o cuando en el curso de la perforación las herramientas hasta aquí descritas tropiezan con un bloque grande de naturaleza rocosa, no es posible lograr penetración con los métodos estudiados y ha de recurrirse a un procedimiento diferente.
Cuando un gran bloque o un estrato rocoso aparezcan en la perforación se hace indispensable recurrir al empleo de máquinas perforadoras a rotación, con broca de diamantes o del tipo cáliz.
En las primeras, en el extremo de la tubería de perforación va colocado un muestreador especial, llamado de "corazón", en cuyo extremo inferior se acopla una broca de acero duro con incrustaciones de diamante industrial, que facilita la perforación.
En las segundas, los muestreadores son de acero duro y la penetración se facilita por medio de municiones de acero que se echan a través de la tubería hueca hasta la perforación y que actúan como abrasivo. En roca muy fracturada puede existir el peligro que las municiones se pierdan. Perforadoras tipo cáliz se han construido con diámetros muy grandes, hasta para hacer perforaciones de 3m; en estos casos la máquina penetra en el suelo con la misma broca.
De acuerdo a lo anterior se concluye que el éxito de una maniobra de perforación rotatoria depende fundamentalmente de esos tres factores:
Velocidad de rotación., Presión de agua y Presión sobre la broca.
Métodos geofísicos.
Se trata ahora métodos geofísicos de exploración de suelos, desarrollados principalmente con el propósito de determinar las variaciones en las características físicas de los diferentes estratos del subsuelo o los contornos de la roca basal que subyace a depósitos sedimentarios. Los métodos se han aplicado sobre todo a cuestiones de geología y minería y en mucha menor escala a Mecánica de Suelos, Para realizar investigaciones preliminares de lugares para localizar presas de tierra o para determinar, como se indicó, perfiles de roca basal. Los métodos son rápidos y expeditos y permiten tratar grandes áreas, pero nunca proporcionan suficiente información para fundar criterios definitivos de proyecto, en lo que a la Mecánica de Suelos se refiere. En el caso de estudios para fines de cimentación no se puede considerar que los métodos geofísicos sean adecuados, pues no rinden una información de detalle comparable con la que puede adquirirse de un buen programa de exploración convencional.
A continuación se describen brevemente los principales métodos que se han desarrollado hasta hoy; de ellos los dos primeros han resultado, los más importantes.
-Sísmico.
Este procedimiento se funda en la diferente velocidad de propagación de las ondas vibratorias de tipo sísmico a través de diferentes medios materiales. Las mediciones realizadas sobre diversos medios permiten establecer que esa velocidad de propagación varía entre 150 y 2.500 m/seg en suelos, correspondiendo los valores mayores a mantos de grava muy compactos y las menores a arenas sueltas; los suelos arcillosos tienen valores medios, mayores para las arcillas duras y menores para las suaves. En roca sana los valores fluctúan entre 2.000 y 8.000 m/seg como término de comparación se menciona el hecho de que en el agua la velocidad de propagación de este tipo de ondas es del orden de 1.400 m/seg esencialmente el método consiste en provocar una explosión en un punto determinado del área a explorar usando una pequeña carga de explosivo, usualmente nitro amonio. Por la zona a explorar se sitúan registradores de ondas (geófonos), separados entre sí de 15 a 30 m. La función de los geófonos es captar la vibración, que se transmite amplificada a un oscilógrafo central que marca varias líneas, una para cada geófono.
De resistencia eléctrica. Este método se basa en el hecho de que los suelos, dependiendo de su naturaleza, presentan una mayor o menor resistividad eléctrica cuando una corriente es inducida a través. Su principal aplicación está en el campo de la minería, pero en mecánica de suelos se ha aplicado para determinar la presencia de estratos de roca en el subsuelo.La resistividad eléctrica de una zona de suelo puede medirse colocando cuatro electrodos igualmente espaciados en la superficie y alineados; los dos exteriores, conectados en serie a una batería son los electrodos de corriente (medida por un miliamperímetro), en tanto que los interiores se denominan de potencial de la corriente circulante.El método sirve, en primer lugar, para medir las resistividades a diferentes profundidades, en un mismo lugar y, en segundo, para medir la resistividad a una profundidad, a lo largo de un perfil. Lo primero se logra aumentando la distancia entre electrodos, con lo que se logra que la corriente penetre a mayor profundidad. Lo segundo se logra conservando la distancia constante y desplazando todo el equipo sobre la línea a explorar.Las mayores resistividades corresponden a rocas duras, siguiendo rocas suaves, gravas compactas, etc, y teniendo los menos valores los suelos suaves saturados.
-Magnético y gravimétrico.El trabajo de campo correspondiente a estos métodos de exploración es similar, distinguiéndose en el aparato usado. En el método magnético se usa un magnetómetro, que mide la componente vertical del campo magnético terrestre en la zona considerada, en varías estaciones próximas entre sí. En los métodos gravimétricos se mide la aceleración del campo gravitacional en diversos puntos de la zona a explorar. Valores de dicha aceleración ligeramente más altos que el normal de la zona indicarán la presencia de masas duras de rocas; lo contrario será índice de la presencia de masas ligeras o cavernas y oquedades.En general estos métodos casi no han sido usados con fines ingenieriles, dentro del campo de la Mecánica de suelos, debido a lo errático de su información y a la difícil interpretación de sus resultados.Numero, Tipo Y Profundidad De Los Sondeos.El número, tipo y profundidad de los sondeos que deban ejecutarse en un programa de exploración de suelos depende fundamentalmente del tipo de subsuelo y de la importancia de la obra. En ocasiones, se cuenta con estudios anteriores cercanos al lugar, que permite tener una idea siquiera aproximada de las condiciones del subsuelo y este conocimiento permite fijar el programa de exploración con mayor seguridad y eficacia. Otras veces, ese conocimiento apriorístico indispensable sobre las condiciones predominantes en el subsuelo ha de ser adquirido con los sondeos de tipo preliminar. El número de estos sondeos exploratorios será el suficiente para dar precisamente ese conocimiento. En obras chicas posiblemente tales sondeos tendrán carácter definitivo, por lo que es conveniente realizarlos por los procedimientos más informativos, tales como la prueba de penetración estándar, por ejemplo.Un punto que requiere especial cuidado es la determinación de la profundidad a que debe llevarse la exploración del suelo. Este aspecto fundamental, cuyas repercusiones pueden dejarse sentir en todas las fases del éxito o fracaso de una obra ingenieril, tanto técnicas como económicas, está también principalmente definido por las funciones e importancia de la obra y la naturaleza del subsuelo. En general, los puntos básicos que la mecánica de suelos debe cuidar en un caso dado se refieren a la posibilidad y cálculo de asentamientos y a determinaciones de resistencia de los suelos.Para fines de cimentación, ha sido frecuente la recomendación práctica de explorar una profundidad comprendida entre 1,5B y 3B, siendo B el ancho de la estructura por cimentar.
Generalmente es suficiente detener la exploración al llegar a la roca basal, si ésta aparece en la profundidad estudiada; sin embargo, en casos especiales se hará necesario continuar el sondeo dentro de la roca por métodos rotatorios; por ejemplo, en cimentaciones de presas sería necesario verificar que la roca no presente condiciones peligrosas desde el punto de vista de infiltraciones de agua.
Ancho del
Edificio.
Número de Pisos.
1 2 4 8
30 m 3.4 m 4.4 m10.0
m16.2
m24.0 m
60m 3.7 m 6.7 m12.5
m20.7
m33.0 m
120 m 3.7 m 7.0 m13.7
m24.7
m41.5 m
