Introducción. Íntimamente relacionados con los depósitos glaciales, especialmente en las cercanías de las vías principales de los glaciares y zonas de derrames, están los depósitos de arena y limo clasificados por el viento. El arrastre del viento a través de las grandes áreas cubiertas de arena, ya sean llanuras de derrames, playas, llanuras de inundación de ríos anchos o aún llanuras de desierto, se lleva la arena y las partículas del camano del limo, pero deja la grava. Los granos de arena ruedan unos sobre otros o saltan pequeñas distancias en el aire y se amontonan para formar médanos, mientras que las partículas del tamaño del limo son llevadas lejos.
martes, 22 de marzo de 2011
Morrenas.
El hielo cargado de arrastres corre continuamente hacia los bordes de todo glaciar activo. Cerca de los bordes se produce la fusión, y el arrastre se concentra, y parte del mismo se fija en el terreno congelado. Esta parte constituye la morrena de fondo. Está formada por detritus de composición errática. Se deposita una pequeña cantidad de material en forma de morrena de fondo cuando está aumentando el espesor de la lámina de hielo, y una cantidad mayor cuando está disminuyendo. Cuando el espesor del glaciar ha sufrido alternativas de crecimiento y contracción, puede haber varios mantos diferentes de detritus. La fig. 6.2 representa una sección transversal en una parte del centro de Chicago, en el que cuando menos hay tres morrenas de fondo sucesivas.
Figura 6.2 Sección tranversal simplificada através de los dépositos glaciales que subyacen a la calle Lake en Chicago
Figuras 6.3. Sección transversa1 idealizada en tina morrena terminal típica
Si el borde de hielo permanece estacionario cuando menos unos cuantos años, el arrastre se acumula formando un bordo a la orilla del glaciar. A estas acumulaciones se les conoce como morrenas terminales.
Consisten principalmente de arrastres, pero pueden estratificarse en los lugares ocupados por charcas formadas por agua de deshielo, y pueden contener depósitos de derrames glaciales de forma irregular.
Comúnmente, existen grandes derrames de arena, grava, o limo al lado de las morrenas que forman un declive al alejarse del hielo. La fig. 6.3 muestra una sección transversal a través de una de estas morrenas.
La fig. 6.4 es una fotografía aérea del frente o borde sur de una porción de La Morrena Iroqués de la Edad Wisconsin en el Illinois oriental. El aspecto moteado, de tonos claros y oscuros que se ve en el área 3, es típico de gran parte de la región morrénica joven en el centro de los Estados Unidos. La variación de tono del mosaico, que tiene una apariencia brumosa o nebulosa, en el área 5, es un depósito de detritus fino, en contraste con el de textura media del área 3. El examen detallado de la figura revela una serie de canales paralelos que conducen al derrame, área 8; su paralelismo indica que están situados en el frente inclinado de la morrena terminal. Los tonos más uniformes del área 8, interrumpidos principalmente por la presencia de las marcas de viejos canales y aluviones (área 9) a lo largo de la corriente actual, contrastan fuertemente con los materiales de la morrena.
Figura 6.4. Mosaico fotográfico de una región de morrenas jóvenes mostrando zonas de morrenas de textura media (3) morrena de textura fina (5) derrame glacial (8) aluviones recientes (9) (Fotografías del U.S. Dept. Agr.).
En la parte central de los Estados Unidos existen vastas superficies de morrena de fondo que están casi a nivel. A éstas se les conoce con el nombre de llanuras morrénicas. Las diferentes capas de morrenas que están debajo de estas llanuras están separadas algunas veces por mantillos viejos y canales enterrados. El mosaico fotográfico de las llanuras morrénicas jóvenes es semejante al del área 3 de la fig. 6.4, excepto porque el moteado es de tamaño mayor. Por otra parte, gran parte del material glacial expuesto en la parte del extremo sur de la región afectada por el glaciar se estima que es 200,000 años más viejo que la morrena de Wisconsin. Por lo tanto, ha sido meteorizada más profundamente, a profundidades de 2 m o más; mientras que el perfil en la región de arrastres jóvenes, rara vez excede de 1 6 2 m. El mosaico fotográfico de la fig. 6.5 es el típico de las regiones de arrastres más viejas (de Illinois) al sur del estado del mismo nombre.
Aquí, lo moteado de los arrastres ha sido casi borrado por la meteorización superficial y, además, se ha desarrollado un sistema de drenaje bastante completo, aun en las zonas casi planas.
Los depósitos glaciales varían mucho en textura, plasticidad, y propiedades ingenieriles En la tabla 6.1 se muestran datos de siete depósitos glaciales típicos; elegidos para poner de manifiesto las variaciones de tamaño de grueso a fino; sus curvas granulométricas se muestran en la fig. 6.6. Los nombres de los primeros cinco se refieren a los tipos pedológicos de suelos desarrollados en los materiales originales, a los que corresponden las propiedades tabuladas.
Los depósitos 6 y 7 representan suelos que han mostrado un comportamiento excelente en presas de tierra de Canadá (MacDonaid y colaboradores, 1961). Las siete curvas son semejantes e indican que son materiales bien graduados (fig. 6.6), aun cuando la proporción de arcilla varíe de 2 a más de 60 por ciento.
La resistencia de estos suelos puede variar tanto vertical como horizontalmente, como se muestra en la sección transversal general (fig. 6.2) y en el perfil más detallado (fig. 6.7), que pertenece a los subsuelos del centro de Chicago.
Todos los tipos de morrenas pueden contener algo de arcillas y limos, que se depositaron en charcas temporales. Pueden contener también arenas y gravas uniformes que se precipitaron en los canales y tubos del hielo. Estos materiales aparecen como inclusiones de forma irregular, como las mostradas en la fig. 6.8. Algunas morrenas están compuestas de arcillas de arrastre con humedad excepcionalmente uniforme, mientras que otras, formadas en condiciones casi iguales, pueden presentar variaciones extremadamente erráticas. El contraste entre dos depósitos de éstos, uno sobreyaciente al otro, se muestra en la fig. 6.9.
Es probable que las áreas morrénicas estén mal drenadas, especialmente si su material fue depositado durante uno de los avances glaciaks más recientes. En las depresiones mal drenadas, se han encontrado frecuentemente mantos de turba.
Figura 6.5 Mosaico de fotografías áreas de una vieja llanura de acarreos.
Tabla 6.1 Propiedades índice y clasificación ingenieril de Siete Típicos Morrenas Glaciales Jóvenes.
Figura 6.6 Curvas granulométricas de depósitos glaciales típicos (1) Arena y grava de New Hampshire (2)
Arena de Wisconsin (3) Limo de Ohio (4) Arcilla limosa de Minnesota (5) Arcilla de Illinois (6) Grava de la Columbia Británica (7) Arena de Quebec.
Figura 6.7
Figura 6.8 Croquis de inclusiones de arena gruesa encontradas durante las operaciones de construcción de túneles en una morrena de fondo de arcilla blanda.
Figura 6.9 Variaciones de humedad a lo largo de líneas verticales que se extienden de la morrena variable que esta arriba a la morrena uniforme que esta abajo del punto de contacto. Las dos morrenas no se distinguen a simple vista.
Depósitos Asociados a la Glaciación - Suelos.
Introducción. Grandes glaciares cubrieron gran parte de la superficie de la tierra al norte del paralelo 40. En otras regiones, la mayor parte de las montañas fueron sepultadas ó parcialmente cubiertas por glaciares alpinos, aun en los trópicos. El hielo excavé, transporté y redepositó rocas sueltas y suelos, Todos los materiales depositados por los glaciares reciben el nombre de arrastres. Los depositados fuera del hielo se llaman detritus.
En agua del hielo fundido que también lleva sedimentos da lugar a derrames. La concentración del agua del hielo fundido en corrientes torrenciales de caudales variables que dependían de las temperaturas, originaron los depósitos glaciofluviales. En algunos casos, el agua de deshielo se embalsé entre terrenos altos y el mismo glaciar. De esta manera, se formaron lagos en los que se depositaron sedimentos conocidos como depósitos glaciolacustres.
Terminología Pedológica - Tierra - Suelos.
Pedología es la rama de la geología que estudia la capa superficial de la tierra en un espesor de 1 ó 2 m. Dentro de esta zona, el material rocoso o formado por roca descompuesta se ha alterado por la meteorización a un grado que depende del clima, de la presencia de organismos, de la topografía, del carácter del material original, y del tiempo que hayan actuado los procesos de la meteorización.
Para el pedólogo, solamente esta zona alterada se llama suelo. Por lo tanto, la definición del pedólogo está mucho más restringida que la del ingeniero.
Cualquiera que sea la naturaleza de los suelos que se hayan formado, en un espesor
de unos cuantos metros a partir de la superficie, se encuentra una sucesión de varias capas distintas. A estas capas se les llama horizontes del suelo, y al sistema completo de horizontes se le llama perfil de suelos.
Usualmente, el horizonte más alto ha perdido por lixiviación una cantidad importante de materia mineral fina, aunque puede contener una cantidad relativamente grande de materia orgánica finamente dividida que proviene de la descomposición de la vegetación. A esta zona se le llama algunas veces zona de agotamiento.
El segundo horizonte es la zona en que se acumula la materia mineral fina; en la mayor parte de los perfiles es más plástica que en los horizontes que quedan arriba o abajo de la misma. En muchos casos, puede reconocerse mejor por la agrupación de las partículas en un arreglo estructural bien desarrollado, al que se llama de bloques o prismático. Los dos horizontes superiores juntos constituyen el solum, que es la zona en que los procesos de formación de los suelos son más activos. Abajo del solum está un tercer horizonte compuesto de material original relativamente inalterado. El material original puede ser un material rocoso parcialmente descompuesto y desintegrado, o puede ser un material de suelo o roca que ha sido transportado y depositado a un nuevo lugar. En la fig. 6.1, se muestra un perfil hipotético de la meteorización del suelo. Los horizontes principales se designan por A, B y C. Estos horizontes se subdividen usualmente tomando como base las variaciones menores que ocurren en las zonas de transición entre horizontes, o sobre la base de características físicas o químicas especiales. En ningún perfil aparecerían todos los horizontes mostrados; desde el punto de vista de la ingeniería, usualmente es suficiente tratar sólo en términos de los horizontes principales. Cuando se están depositando todavía materiales frescos como en el caso de las llanuras de inundación de los ríos, no existe la oportunidad de que se forme un perfil podológico típico.
La clasificación pedológica de un suelo se determina principalmente sobre la base de la geología del material de origen y de ciertas características inherentes al perfil, entre las que están incluidas el número, color, textura y estructura; espesor, composición química y disposición relativa de los horizontes.
Figura 6.1. Perfil de suelos hipotetico. mostrando las principales características y las interrelacionales de los horizontes.
Todos los suelos que tienen perfiles semejantes, excepto por la textura del horizonte superficial, se agrupan reuniéndolos en una serie de suelos, dándole un nombre. Estos nombres se toman usualmente de la localidad donde se encontró por primera vez el suelo. Ordinariamente, el nombre de la serie se modifica después con términos que indican la textura de la superficie del suelo determinada con un diagrama de clasificación triangular (fig. 1.14). Las características ingenieriles de un perfil de suelos, se determinan principalmente por la textura, plasticidad, espesor, y características de drenaje de los horizontes. Varias series pedológicas diferentes pueden tener propiedades ingenieriles semejantes.
La pedología ha sido muy utilizada por agrónomos y en grado considerable por los ingenieros de caminos y de aeropuertos. Debido a las correlaciones de la pedología con el comportamiento de las cimentaciones poco profundas, con la posición del agua freática, y con el funcionamiento de fosas sépticas, la pedología también entra cada vez más en la planificación del uso de la tierra; además, como la clasificación pedologica de un suelo incluye una descripción del material original, el ingeniero especialista en cimentaciones puede obtener de esa descripción, información general útil respecto a la naturaleza de los suelos en una localidad con la que no esté familiarizado.
En los Estados Unidos, la mayor parte de la información pedológica esta contenida en los informes de levantamientos de suelos de los condados, que han sido publicados por el Departamento de Agricultura de los E. U., desde principios de siglo. Sin embargo, solamente los informes publicados desde 1940, pueden tomarse como información muy precisa. En estos informes se incluyen descripciones detalladas del perfil del suelo y de la geología de cada serie de suelos en el condado, y un mapa a la escala de 1 pulgada = 1 milla, o mayor, indicando las fronteras de cada serie de suelos. La mayor parte de los informes publicados desde 1960, contienen una sección sobre ingeniería y un mapa de suelos a una escala de aproximadamente 3 pulg = 1 milla. También incluyen usualmente una tabulación de información de pruebas y clasificaciones técnicas, de acuerdo con los sistemas de la AASHO y el Unificado, utilizando muestras tomadas de perfiles típicos de las series de suelos más prominentes.
En la preparación de los mapas pedologicos más modernos, se utilizan fotografías aéreas para hacer los levantamientos de suelos; todos los mapas recientes hacen uso de esta metodología. La información de las fotografías, con frecuencia permite hacer una demarcación más precisa de las fronteras de las formaciones, que la que puede obtenerse con levantamientos terrestres únicamente. Además, bajo ciertas condiciones climáticas, el carácter del material de origen se revela por elementos del patrón fotográfico, que se conocen corno formas geológicas, color del suelo, erosión, drenaje superficial, cubierta vegetal, pendiente, uso de la tierra y microrelieve. Con frecuencia, los elementos principales del patrón son afectados por la textura del suelo y las condiciones de humedad. Por lo tanto, cada patrón debe correlacionarse con el perfil de suelos correspondiente que se haya determinado por levantamientos en el campo, pero después de ésto, pueden hacerse estudios rápidos de áreas muy grandes empleando la interpretación de fotografías aéreas.
En los E.E.U.U. pueden obtenerse fotografías aéreas verticales en dependencias gubernamentales tales como, el Departamento de Agricultura, el Servicio Geológico Nacional y el Servicio Forestal. La habilidad para interpretar fotografías desde el punto de vista de la ingeniería depende de la preparación que se tenga en geología, pedología y ecología botánica, así como del conocimiento que se tenga de las características de los depósitos de suelos naturales. En las zonas en que no se disponga de informes geológicos ni pedológicos, la interpretación de las fotografías aéreas proporciona un recurso para la localización de las fronteras de los suelos, para predecir las características técnicas de ciertas áreas, y para programar racionalmente la exploración de suelos y determinar los detalles de la estratigrafía.
Procesos de la Meteorización - Suelos.
Parece ser que las rocas más viejas que aparecen en la superficie de la tierra son los sedimientos metamórficos, que se han deformado mucho por el calor y la presión, y en algunos lugares han recristalizado, convirtiéndose en granito y en otras rocas ígneas típicas, lo que hace patente la eficacia de los agentes de la meteorización a través de las épocas geológicas, ya que estas rocas antiguas están compuestas de los productos de meteorización de otras todavía más antiguas.
Algunos agentes de la meteorización son puramente físicos. Entre los más importantes están la dilatación y la contracción diferenciales, que se originan por el calen tamiento y enfriamiento de masas de roca que contienen minerales de diferentes propiedades térmicas. Otros son el efecto abrasivo del viento y del agua, especialmente cuando estos agentes transportan sedimentos que ayudan en su acción demoledora; la fuerza expansiva del agua al congelarse y en muchos lugares, especialmente en el pasado, la acción de los glaciares. Sin embargo, con todo lo importante que son estos agentes físicos, no son capaces de reducir el tamaño de los fragmentos individuales a menos que 0.01 mm. La desintegración más completa sólo puede efectuarse mediante procesos químicos.
Los principales agentes de la meteorización química son la oxidación, la hidratación, la carbonatación y la solucion. Casi todos los materiales se combinan con el oxígeno, especialmente en los climas húmedos, pero los compuestos de hierro son especialmente susceptibles. La combinación con oxígeno se asocia usualmente a un aumento de volumen, con lo que es probable que la porción oxidada se separe por exfoliación del material inalterado. Similarmente, el aumento de volumen se acompaña de la formación de nuevos minerales por hidratación, y coopera en la desintegración de los minerales originales. El agua de la lluvia disuelve pequeñas cantidades de bióxido de carbono de la atmós fera, convirtiéndose en una solución débil de ácido carbónico. La combinación química de algunos minerales con el ácido carbónico conduce a la formación de minerales más blandos y más débiles; sin embargo, lo que es más importante es que el ácido carbónico débil es mejor solvente que el agua pura. Ataca no sólo materiales que contienen carbonato de calcio, sino también los que contienen silicatos.
Como regla, la meteorización física predomina en los climas fríos o secos, mientras que la meteorización química es más importante en los climas húmedos y calientes. Las plantas y la vida animal contribuyen a ambos procesos. Sin embargo, las rocas pueden también estar sujetas a descomposición química cuando se encuentran muy lejos de la superficie, dtbido a la circulación de las aguas magmáticas cargadas de sustancias químicas. De esta manera, pueden haberse transformado los granitos y gneisses localmente en rocas blandas de carácter arcillosos, y las cuarcitas duras en arena sin cohesión.
Después que los procesos de la meteorización han eliminado los nexos de cohesión entre la mayor parte de los componentes de la roca, la meteorización química conduce a la formación de minerales arcillosos. Sin embargo, la meteorización todavía continúa. Finalmente, bajo condiciones tropicales húmedas, la desintegración puede ser tan completa, que hasta los minerales arcillosos se descomponen.
Terminología Geológica - Suelos.
El conocimiento del origen geológico de un depósito de suelo permite a menudo comprender sus características físicas. Por lo tanto, el ingeniero debe consultar todos los datos geológicos que pueda conseguir. En los siguientes artículos se describen los tipos más comunes de depósitos naturales, y se exponen ejemplos representativos de los resultados de los programas de exploración para determinar sus características.
Desde el punto de vista de la geología, los suelos pueden dividirse en dos grupos principales: transportados y residuales. Los transportados ya no cubren el material rocoso que les dio origen. Pueden también clasificarse de acuerdo con el modo en que se transportan y depositan como sigue:
suelos aluviales, transportados por el agua corriente; suelos lacustres, depositados en lagos quietos; suelos marinos, depositados en el agua del mar; suelos eólicos, transportados por el viento; suelos coluviales, depositados principalmente por efecto de derrumbes y deslaves de las laderas; y los suelos glaciales. Los suelos residuales son los que se han formado de la roca madre sobre la cual se encuentran ahora. Son comunes los depósitos profundos de suelos residuales en el sudeste de los Estados Unidos, Hawai, Puerto Rico, y generalmente en los trópicos húmedos. Son raros en la mitad norte de los Estados Unidos y Canadá, debido a que los glaciares continentales eliminaron la mayor parte de los productos de la intemperización que se habían formado sobre los afloramientos de roca.
Hablando en forma muy general, los suelos tienden a disponerse en perfiles o sistemas de capas. Los más importantes de estos son los de meteorización y de deposición. En muchos casos, uno de los primeros se encuentra superpuesto a uno posterior y puede encontrarse un sistema relativamente complejo cerca de la superficie.
Número y Profundidad de los Sondeos - Exploración Subsuelo.
Para edificios o estructuras de tamaño ordinario, es conveniente programar hacer cuatro sondeos, uno en cada esquina de la estructura. A menos que se encuentre un manto de roca, el primer sondeo ordinariamente debe prolongarse a la máxima profundidad dentro de la cual el esfuerzo producido por la estructura pueda todavía influir en los asentamientos. Esta profundidad puede haberse determinado basándose en los cálculos aproximados del esfuerzo y del asentamiento, como se indica en la parte C. En una estructura muy cargada, el primer sondeo debe prolongarse ordinariamente hasta una profundidad igual al doble del ancho de la estructura. Debajo de una estructura con carga ligera con columnas muy separadas, la profundidad del primer sondeo no debe ser menor que el doble del ancho probable de la zapata mayor.
Si con los sondeos se encuentra roca y las condiciones son tales que la estructura pueda desplantarse sobre ella, deberán obtenerse corazones de una profundidad de 1.5 a 3.0 m para asegurase de que se trata de un manto de roca sana, y no de un boleo o pedazo de roca desprendido. Si existe la evidencia de que haya canales de disolución o de meteorización profunda, usualmente los núcleos deben continuarse dentro de la roca sana.
Al proseguir el programa de exploración, el ingeniero debe estudiar las consecuencias que pueda tener toda nueva información. Si se necesitan sondas adicionales, pruebas de penetración, o investigaciones especiales, deberán localizarse y planificarse, de manera que cada adición al programa proporcione el máximo de conocimientos en esa etapa de la investigación.
Aunque el programa debe elaborarse de manera que proporcione la información necesaria para la obra en cuestión, el ingeniero debe tomar en cuenta la posibilidad de que puede haber cambios en las distribuciones estructurales preliminares, incluyendo la separación de las columnas y las cargas. Debe, por lo tanto, obtener suficientes datos que le permitan estudiar los diferentes tipos prácticos de cimentación para la distribución modificada, si los cambios no son muy radicales. Además, la exploración no debe limitarse a obtener la información necesaria para el tipo de cimentación que el ingeniero pensaba inicialmente como el más adecuado; pues de lo contrario, puede faltarle información para elegir o proyectar otro tipo que pueda resultar más práctico o económico.
Exploración Detallada del Subsuelo.
Cuando el programa de exploración preliminar no proporciona suficiente información para proyecto o construcción, es necesario proseguir las investigaciones. Los métodos se elegirán para obtener la información más adecuada al menor costo. Frecuentemente, las propiedades de los depósitos relativamente uniformes de arcilla blanda y limo plástico pueden investigarse en la forma más económica mediante pruebas con la veleta en el campo u obteniendo muestras continuas en tubos de paredes delgadas de 5 o 7.5 cm de diámetro y ejecutando las pruebas de laboratorio adecuadas (vea el capítulo 18). Los depósitos erráticos de limo blando y arcilla pueden examinarse usando las pruebas de penetración combinadas con sondeos con tubos, que permitan la interpretación de los datos del penetrómetro. Las pruebas de penetración estándar o las pruebas dinámicas con cono son las adecuadas para la arena. Las rotatorias o de percusión con barriles muestreadores se usan normalmente para obtener muestras de las rocas, y existen muestreadores especiales para los depósitos con proporciones elevadas de materia orgánica. Las pruebas de carga estándar son adecuadas para el loes y otros suelos susceptibles de colapso.
En algunas obras en que las estructuras son de gran importancia o que las condiciones de la cimentación presentan excepcionales dificultades, puede requerirse información adicional. Es aconsejable obtener muestras inalteradas de gran diámetro de los estratos críticos, para efectuar pruebas de carga, para hacer pruebas de bombeo en el campo, o para hacer otras pruebas especiales. Como estos estudios son siempre costosos, . solamente deberán comprenderse para investigar cuestiones específicas que con los procedimientos baratos no se pueden resolver.
Exploración preliminar del Subsuelo.
El programa de exploración del subsuelo debe estar pre cedido por una Investigacion previa. En este estudio, el ingeniero responsable de la exploración debe preparar un informe con todos los datos sobre las condiciones del suelo cercano a la obra y sobre l comportamiento de otras estructuras construidas en la vecindad. En regiones muy desarrolladas en las que las condiciones del subsuelo son desfavorables, es posible encontrar información útil en las revistas técnicas y en informes publicados, pero en la mayor parte de las áreas rurales, o en las zonas que se han adaptado recientemente para la industria, la información referente al comportamiento estructural puede ser escasa. Sin embargo, el ingeniero no debe pasar por alto los mapas y publicaciones estatales y federales, y los levantamientos geológicos federales, o informes de levantamiento de suelos preparados en conexión con la agricultura o la construcción de caminos. El tipo de información que puede obtenerse de estas fuentes.
A continuación se elige un procedimiento de exploración preliminar tomando como base la información obtenida de este estudio de investigación previa. La mayor parte de los depósitos de suelo pueden explorarse correctamente por medio del muestreador de media caña con la prueba de penetración estándar hecha en sondeos perforados con barrenos, método rotatorios, o con avance por lavado. En la fase preliminar no se consideran usualmente otros métodos de exploración, a menos que se sepa que el material inferior es roca o arcilla muy blanda, limo, o suelo con elevada proporción de materia orgánica. Además, para muchas obras, no es necesario hacer más exploraciones subterráneas. Es probable que este sea el caso, si las cargas en el subsuelo son pequeñas y puede usarse un gran factor de seguridad sin que el costo sea excesivo, si la estructura puede desplantarse en roca o en estratos de elevada capacidad de carga, o si se va a levantar una estructura ordinaria en un área en la que se tenga gran experiencia práctica que se haya resumido en la forma de reglas empíricas seguras o reglamentos de construcción.
Desarrollo del programa de Exploración del Subsuelo.
Introducción. En el capítulo anterior se hizo ver que muy pocos depósitos de suelos naturales son uniformes, y que muchos son extremadamente erráticos. Es evidente que en un depósito errático ningún programa de exploración del subsuelo puede conducir a más que obtener una idea tosca del promedio de los valores de las propiedades físicas del material del subsuelo y de sus variaciones probables.
La naturaleza del depósito es un factor importante en la determinación del método de exploración más conveniente. Si, por ejemplo, la cimentación de una estructura se va a desplantar sobre un manto relativamente homogéneo de arcilla, puede justificarse una cantidad considerable de pruebas en muestras inalteradas, debido a que los resultados de las mismas permiten predecir con relativa seguridad tanto el monto como la velocidad del asentamiento. Por otra parte, si se va a localizar la misma estructura sobre un depósito compuesto de bolsas y lentes de arena, limo, y arcilla, no se justificaría un programa de pruebas muy extenso, porque daría poca información adicional a la que podría obtenerse simplemente por la determinación de las propiedades índice en muestras representativas. Se podría obtener una información más útil y con menor costo, haciendo un número adecuado de medidas con el penetrómetro que acusarían la disposición de los elementos duros y blandos.
La magnitud y carácter del programa de exploración debe elegirse también considerando la importancia de la obra que se va a construir. Si en la obra se va a hacer un gasto pequeño no puede justificarse económicamente un programa de exploración extenso. Es más barato aprovechar cualquier información disponible y usar un factor de seguridad liberal en el proyecto.
Finalmente, el programa de exploración del suelo debe elaborarse por etapas, conforme se acumula la información. Por este procedimiento puede obtenerse el máximo de información con un gasto dado, y el programa puede terminarse después de recabar la cantidad adecuada de datos. Por lo tanto, no pueden darse reglas precisas para hacer un programa de exploración, y aun los ingenieros con gran experiencia no deben tratar de determinar el programa final antes de empezar la exploración.
viernes, 11 de marzo de 2011
Terminología Geológica - Suelos.
El conocimiento del origen geológico de un depósito de suelo permite a menudo comprender sus características físicas. Por lo tanto, el ingeniero debe consultar todos los datos geológicos que pueda conseguir. En los siguientes artículos se describen los tipos más comunes de depósitos naturales, y se exponen ejemplos representativos de los resultados de los programas de exploración para determinar sus características.
Desde el punto de vista de la geología, los suelos pueden dividirse en dos grupos principales: transportados y residuales. Los transportados ya no cubren el material rocoso que les dio origen. Pueden también clasificarse de acuerdo con el modo en que se transportan y depositan como sigue:
suelos aluviales, transportados por el agua corriente; suelos lacustres, depositados en lagos quietos; suelos marinos, depositados en el agua del mar; suelos eólicos, transportados por el viento; suelos coluviales, depositados principalmente por efecto de derrumbes y deslaves de las laderas; y los suelos glaciales. Los suelos residuales son los que se han formado de la roca madre sobre la cual se encuentran ahora. Son comunes los depósitos profundos de suelos residuales en el sudeste de los Estados Unidos, Hawai, Puerto Rico, y generalmente en los trópicos húmedos. Son raros en la mitad norte de los Estados Unidos y Canadá, debido a que los glaciares continentales eliminaron la mayor parte de los productos de la intemperización que se habían formado sobre los afloramientos de roca.
Hablando en forma muy general, los suelos tienden a disponerse en perfiles o sistemas de capas. Los más importantes de estos son los de meteorización y de deposición. En muchos casos, uno de los primeros se encuentra superpuesto a uno posterior y puede encontrarse un sistema relativamente complejo cerca de la superficie.
Origen de los Depósitos Naturales - Suelos.
Significado de los procesos geológicos desde el punto de vista de la ingeniería. El programa de exploración del subsuelo para cualquier cimentación debe ser el adecuado para poder apreciar el carácter esencial del depósito y especialmente sus posibles variaciones de punto a punto. Sin embargo, las limitaciones impuestas por la economía y el tiempo, exigen que no debe hacerse mayor gasto que el necesario para producir los resultados deseados. Este objetivo no puede alcanzarse si el ingeniero no tiene cuando menos un conocimiento rudimentario de la anatomía de las diferentes clases de depósitos. Este conocimiento le ayudará a interpretar la información que se obtiene en el campo y en el laboratorio, y a reconocer la etapa en la que ya no se justifica hacer más gastos para obtener una información mayor.
Las dificultades de los problemas que tiene que resolver el especialista en cimentaciones, aumentan al disminuir la resistencia y aumentar la compresibilidad de los materiales de apoyo y, en los materiales de resistencia y compresibilidad dadas, al aumentar la variabilidad. Por lo tanto, puede decirse, que la roca maciza, aunque fuera posible alterar su estructura por plegamientos, fallas o metamorfismo, generalmente es un material de cimentación satisfactorio. Los aspectos problemáticos de las cimentaciones en roca están asociados usualmente a los defectos como juntas, canales de solución y zonas alteradas por meteorización química o física.
Probablemente, los depósitos más variables son los de origen glacial. En muchas partes del mundo, la topografía es el resultado directo de la acción de los glaciares, que hicieron surcos en los suelos viejos, molieron rocas, y depositaron los materiales en forma aleatoria, parcialmente sobre la tierra y parcialmente sobre el agua. Indirectamente, los sucesos de la edad glacial, influyeron en las condiciones de cimentación mucho más allá de los límites de la misma glaciación. Durante la época glaciar, el clima era más frío y las lluvias mas abundantes que ahora; en consecuencia, había grandes lagos interiores, y el caudal de los ríos era anormalmente grande. Cuando la actividad glaciar era más intensa, gran parte del agua de la tierra estaba en la forma de hielo; por lo tanto, el nivel del mar descendió hasta 90 m. Las fluctuaciones del nivel del mar propiciaron la erosión de los lechos de los ríos cerca de la costa, modificando frecuentemente las líneas de la misma, y condujeron a la formación de depósitos costeros, especialmente en las bahías y estuarios.
Debido a la extraordinaria influencia de los sucesos ocurridos en esas épocas en el trabajo del especialista en cimentaciones, se tratarán en primer lugar los depósitos que resultaron de ellos. Esos depósitos enseñan que el ingeniero no debe suponer uniformidad en las condiciones del subsuelo. Debe conocer el carácter del depósito en cada lugar, con objeto de preveer las condiciones más desfavorables que pueda encontrar.
Registros de la Exploración de Campo - Suelos.
Los registros de las exploraciones del subsuelo y de las operaciones de muestreo, deben ser claros y precisos. Las notas de campo deben contener la fecha en que se hizo el trabajo; la localización con respecto a un sistema permanente de coordenadas; la elevación de la superficie del terreno con respecto a un banco de nivel permanente; la elevación del nivel del agua freática; la elevación de la frontera superior de cada estrato sucesivo de suelo o roca; una clasificación de campo de los estratos encontrados; los valores, cualesquiera que sean los que se hayan obtenido, de la resistencia a la penetración u otras medidas de consistencia, Los registros de investigaciones especiales que se hayan hecho con muestras grandes, inalteradas o extraídas a mano, deben ser tan completos como sea posible.
El ingeniero o perforista que esté a cargo de cualquier exploración debe tener siempre presente qué detalles aparentemente insignificantes del procedimiento necesario para perforar un barreno y mantenerlo abierto, pueden dar una información tan valiosa como la obtenida de las muestras. Por esta razón, los registros deben incluir los tipos de equipo y herramientas usadas en la investigación, incluyendo los cambios hechos. Debe anotarse también la profundidad a la que se hizo el cambio y las razones por las que se hizo. Además, deben registrarse los métodos usados para estabilizar las paredes del barreno o para ademar el pozo a cielo abierto.
Toda esta información debe condensarse y presentarse en cada sondeo de exploración, ya sea que se complete con éxito o no.
Después de examinar las muestras y de probarlas en el laboratorio, los materiales deben clasificarse de acuerdo con el método más adecuado, y las notas de campo, combinadas con los resultados de laboratorio, deben unirse en tal forma que se marquen las fronteras de los diferentes materiales con sus elevaciones correctas, a una escala vertical adecuada.
Información Geológica - Suelos.
Los mapas e informes geológicos y pedológicos constituyen un resumen de datos, que provienen de investigaciones anteriores de los materiales de la tierra en una zona dada. Muchas de las publicaciones más recientes de ambos tipos contienen datos específicos sobre las propiedades técnicas y correlaciones de valor directo en ingeniería. Sin embargo, aun cuando no sea así, las descripciones generales de la geología y características de los diferentes estratos, frecuentemente proporcionan una base para planificar una detallada investigación del subsuelo y aun para hacer un proyecto preliminar.
Exploración Geoeléctrica - Suelos.
Los resultados de un levantamiento por resistividad eléctrica pueden delinear una frontera bien definida entre un material de baja resistencia eléctrica, como un suelo fino, y un material de resistencia eléctrica elevada, como una roca sana, sin importar cual este arriba. Los métodos de resistividad son especialmente útiles para localizar bolsas de grava limpia (de alta resistencia eléctrica) dentro de depósitos glaciales heterogéneos o suelos finos (baja resistencia eléctrica). Un procedimiento común utiliza cuatro electrodos que se hincan en el terreno a distancias iguales a lo largo de una línea recta. Se aplica al terreno una corriente eléctrica 1, usualmente continua, a través de los dos electrodos exteriores y se mide el potencial inducido E entre los dos electrodos interiores. Se calcula la resistividad de la tierra para una separación dada A con la fórmula:
Se acostumbra expresar A en cm, E en voltios, I en amperios, y p en ohmios-cm y suponer que p representa el promedio de resistividad a la profundidad A. Como en el caso de los levantamientos sísmicos, se requieren sondeos ocasionales para confirmar las interpretaciones o para investigar anomalías; sin embargo, el método permite reconocer rápidamente una cierta área. La tabla 5.6 da algunos valores representativos de la resistividad de materiales térreos.
Tabla 5.6 Valores Representativos de Resistividad
Exploración Geosísmica - Suelos.
Para la exploración sísmica se requiere: (1) equipo que produzca una onda elástica, como una
pequeña carga de explosivo y detonador o incluso, un marro para golpear una placa colocada en la superficie; (2) una serie de censores, o geófonos, colocados a intervalos a lo largo de una línea que parte del punto de origen de la onda; y (3) un mecanismo registrador de tiempo, como un oscilógrafo, para registrar el momento en que se origina la onda y el lapso de llegada a cada censor (fig. 5.14). Si la estratigrafía es sencilla, puede determinarse la profundidad de cada uno de los mantos con los datos obtenidos. Además, puede conocerse algo de la naturaleza de los estratos, analizando las velocidades con las que avanzan las ondas sísmicas a través de ellos. Sin embargo, en las áreas que no se hayan explorado antes, deberán hacerse uno o más sondeos para correlacionar los datos sísmicos con el perfil del suelo y de la roca. Los métodos sísmicos son especialmente útiles para determinar la profundidad a la que se encuentra la roca sana, sobreyacida por estratos blandos o sueltos. Cuando la roca sana está cubierta por boleo o roca fracturada, los datos sísmicos pueden dar una indicación algo mejor de la superficie de la roca sana, que la que puede obtenerse con sondeos. Por otra parte, la presencia de un material blando debajo de uno duro, no puede detectarse. La tabla 5.5 da las velocidades sísmicas típicas de varios materiales.
Figura 5.14 Diagrama Simplificado de una prueba de refracción sísmica (Según Moore, 1961)
Tabla 5.5 Velocidades Sísmicas Típicas de los Materiales Térreos.
Métodos Geofísicos - Exploración Suelos.
Las fronteras entre los diferentes elementos del subsuelo pueden localizarse algunas veces por métodos geofísicos. Estos procedimientos se basan en las diferencias gravimétricas, magnéticas, eléctricas, radiactivas, o elásticas de los diferentes elementos del subsuelo. Los métodos geofísicos se desarrollaron principalmente para la industria de la minería y del petróleo y algunos de los procedimientos no se adaptan bien para los propósitos de la ingeniería civil. Las diferencias en peso volumétrico, en características magnéticas y en radiactividad de los depósitos cerca de la superficie de la tierra, rara vez tienen una magnitud suficiente para permitir el uso de los métodos geofísicos de exploración correspondientes.
Observaciones del agua subterránea - Suelos.
En los depósitos de materiales granulares permeables, puede obtenerse alguna indicación de la posición del nivel del agua freática por medidas hechas en los sondeos, dentro de las 24 horas posteriores a su terminación. Sin embargo, en suelos finos, la permeabilidad del terreno circunvecino puede ser tan baja, que la verdadera posición del nivel del agua freática deba determinarse instalando piezómetros construidos especialmente que sólo requieren el paso de cantidades diminutas de agua para su correcta operación. Los instrumentos de este tipo mejor conocidos constan de una piedra porosa conectada a un tubo vertical hecho de preferencia de plástico. La piedra porosa, o embocadura del piezómetro, está cuidadosamente colocada en un cojín de arena en el fondo de un sondeo ademado. Luego se rodea de arena y se saca el ademe unos cuantos decímetros, y se forma un tapón estanco entre éste y el tubo por medio de una capa casi impermeable de arcilla bentonítica. Durante y después de la instalación, se satura el piezómetro y la arena que lo rodea. Como la introducción del piezómetro también produce cambios en las presiones de poro dentro de los estratos, existe un retraso antes de que la presión en el agua del piezómetro se equilibre con la del suelo.
El retraso puede variar desde unos cuantos minutos, si el suelo vecino es una arena fina, a varias semanas, si es una arcilla limosa. La fig. 5.13, es un croquis de un piezómetro para medir la presión de poro en suelos finos.
Figura 5.13 Piezómetro de Casagrande (según A. Casagrande, 1949)
Pruebas de Carga - Suelos- Cimentaciones.
Algunas veces, las características de esfuerzo-deformación de los suelos y de las rocas blandas se investigan mediante pruebas de carga en el campo. Se dispone una placa de apoyo cuadrada o circular a una elevación conveniente en el fondo de un pozo a cielo abierto o tiro. Se aplica la carga vertical por incrementos, y se observa el asentamiento después de cada aplicación de carga. Los resultados se dibujan en un diagrama carga- asentamiento (fig, 5.12a).
Los resultados de las pruebas de carga requieren una interpretación cuidadosa y en muchos casos pueden confundir al investigador. A menos que el subsuelo sea uniforme en un espesor considerable abajo de la base de una cimentación propuesta, es probable que los resultados de las pruebas de carga den un falso concepto de la capacidad de carga del material inferior. Las limitaciones de estas pruebas se estudiarán en conexión con los diferentes tipos de cimentaciones.
Figura 5.12. Diagrama carga asentamientos para (1) arena limpia y compacta en un cajón 7.9 m abajo del fondo de un río y (2) arena de compacidad media en el fondo de un sondeo de 9. 15 m b) Diagrama para estimar la compacidad relativa de arena seca, tomando como base los resultados de la prueba estándar de carga sobre una placa de apoyo de 30 cm de lado.
Sin embargo, las pruebas de carga pueden representar un método conveniente para investigar la compacidad relativa de los depósitos de arena, especialmente para la calibración de los resultados de las pruebas de penetración. Las pruebas de carga hechas para este objeto, que se efectúan como se describe a continuación, se llaman pruebas estándar de carga. El pozo para la prueba debe tener cuando menos una sección cuadrada de 1.5 m de lado. La placa de carga debe ser cuadrada y de 30 cm de lado, y no se colocará sobrecarga en el terreno dentro de una distancia de 60 cm de los lados de la placa. Como la humedad capilar produce una cohesión aparente que tiene influencia en los resultados de la prueba, las pruebas estándar de carga no deben ejecutarse dentro de la zona capilar. En las arenas gruesas, el efecto de la capilaridad es despreciable, pero en las arenas medias o finas puede ser causa de que se sobrestime en mucho la compacidad re lativa. En estas circunstancias, las pruebas deberán ejecutarse preferiblemente al nivel del agua freática.
Los resultados de las pruebas estándar de carga pueden interpretarse por medio de la fig. 5.12b, que muestra los limites de las áreas ocupadas por las curvas carga- asentamiento para arenas de diferentes compacidades relativas. Si la prueba se ha efectuado al nivel del agua freática, los valores del asentamiento pueden reducirse en 50%, antes de construir la curva carga- asentamiento, para compararla con las de la fig. 5.12b.
En algunos casos, es conveniente hincar pilotes como medio para determinar la resistencia del suelo.
Después, los pilotes pueden cargarse para determinar su capacidad portante. El uso correcto de estas pruebas se describe en la parte C.
Otros Métodos para Explorar el Suelo.
Pozos a cielo abierto y socavones. En algunas circunstancias es ventajoso inspeccionar las formaciones subterráneas en su estado natural, lo que puede realizarse haciendo excavaciones a cielo abierto y socavones de diámetro grande o perforando túneles a través de los materiales. La sección expuesta en estas aberturas debe ser examinada, no sólo por ingenieros, sino también por geólogos competentes. Ordinariamente no es económico efectuar un programa completo de exploración por estos medios, pero la inspección directa de un depósito extremadamente variable, puede proporcionar una impresión más válida de su naturaleza, que la que puede obtenerse de muchos sondeos. Estas aberturas proporcionan un medio de obtener muestras inalteradas labradas a mano que son esenciales para ejecutar pruebas de carga en suelos y rocas.
Pueden perforarse barrenos de inspección relativamente baratos, con diámetros comprendidos entre 0.9 y 1.2 m en roca, utilizando brocas con balines de acero. Las perforaciones de este tipo se han usado principalmente para exploración en cimentaciones de presas, pero bajo ciertas circunstancias han resultado útiles en otros tipos de estructuras. Existen grandes barrenos con diámetros hasta de 2 m, que se usan comúnmente para explorar los depósitos de suelo a profundidades mayores de 15 m, siempre que las perforaciones puedan sostenerse cuando menos brevemente. Para protección se usan algunas veces ademes de gran diámetro con compuertas que pueden cerrarse.
La inspección directa de formaciones de roca puede hacerse en perforaciones tan pequeñas como 5 o 10 cm, gracias al desarrollo de las cámaras de cine o televisión, que permiten inspeccionar la roca u obtener filmaciones para su posterior estudio.
martes, 1 de marzo de 2011
Muestras Extraídas Manualmente de Suelos.
Es posible obtener manualmente muestras prácticamente inalteradas de los suelos que tengan cuando menos trazas de cohesión, siempre que el material aparezca en un pozo a cielo abierto, tiro, o túnel. En la fig. 5.9, se ilustran dos métodos para obtener estas muestras.
Figura 5.9 Muestreo superficial con a) Muestras previamente recortadas y b) muestras cúbicas.
Núcleos o Corazones - Perforación por Percusión - Suelos.
Durante la perforación por percusión pueden obtenerse muestras de roca intacta de pequeñas dimensiones por medio de un barril muestreador especial. Sin embargo, el obtener verdaderos corazones haifa mucho más lento el proceso de la perforación. Por lo tanto, la perforación por percusión en la exploracion, rara vez se usa para obtener núcleos.
En la perforación con broca rotatoria, la broca ordinaria puede cambiarse por un muestreador de corazones como se muestra en la fig. 5.8. La broca corta un anillo redondo y deja un núcleo central que entra en el barril. El elemento cortador pueden ser diamantes, fragmentos de acero, insertos de carburo de tungsteno, o cuchillas de acero. La extracción de núcleos no aumenta demasiado el tiempo de avance en la perforación y se usa mucho para muestrear suelos resistentes y rocas.
El agua de perforación arrastra los fragmentos de barrenación, pero en algunos casos altera el carácter del material. En estas circunstancias, puede ser posible limpiar el pozo con un chorro de aire o una barrena anular colocada directamente encima de la herramienta cortadora.
El muestreador de corazones puede ser de tubo simple (fig. 5.8a), o de tubo doble (fig. 5.8b). Las muestras tomadas en los barriles de tubo simple pueden alterarse mucho debido a torsión, a expansión, y a contaminación con el agua de barrenación. El barril doble está proyectado para proteger el corazón contra el efecto del agua en circulación. En algunos equipos, el barril interior, incluyendo la muestra, puede extraerse a través del conjunto de herramientas de perforación. Este dispositivo se conoce con el nombre inglés de “Wire-line”. Además, este equipo puede modificarse para que incluya un tercer tubo de media caña, alojado dentro del barril interior. Después que se ha sacado el barril interior del barreno, el tubo de media caña se extrae empujándolo por medio de una bomba hidráulica operada a mano. El corazón se conserva en estado casi inalterado en el tubo partido. Este conjunto, que se conoce como barril para muestras de triple tubo, es especialmente ventajoso para muestrear roca fracturada, roca frágil de baja resistencia al esfuerzo cortante, o arcilla dura.
Figura 5.8 Diagrama esquemático de muestreadotes de corazones a) De tubo simple. b) De tubo doble.
El diámetro de los corazones de roca varía entre 32 a 152 mm. Los tamaños más comunes se dan en la tabla 5.1. La mayor parte de los barriles para muestras pueden retener corazones cuando menos de 1.52 m de largo. Sc define la relación de recuperación como la relación en porcentaje entre la longitud del núcleo recuperado y la longitud del barreno en cada operación; se relaciona a la calidad de la roca encontrada en un sondeo, pero también influyen en ella la técnica de perforación y el tipo y tamaño del barril usado.
Generalmente, utilizando un barril de tubo doble se obtienen relaciones de recuperación más elevadas, que las que pueden obtenerse con los barriles de un tubo.
Una mejor estimación de la calidad de la roca in-situ se obtiene por una relación de recuperación de corazones modificada, llamada designación cualitativa de la roca (DCR). Esta relación se determina considerando solamente los pedazos de corazón que tengan una longitud no menor de 10 cm, y sean duros y sanos. Evidentemente, se ignoran las roturas causadas por la perforación. Preferentemente, el diámetro del corazón no deberá ser menor de 54 mm (NWX, NWM). El porcentaje de la relación entre la longitud total de un corazón así formado y la longitud del muestreador en una operación, es la DCR. La tabla 5.2 proporciona la descripción de la calidad de la roca en relación con su DCR.
Tabla 5.1 Diámetros Estándar de Barriles para corazones y de los Ademes Correspondientes.
Tabla 5.2 Relación entre DCR (Designación de la Calidad de la roca) y la Calidad de la Roca in Situ.
Tipos de Muestras y Herramientas para Muestrear Suelos.
La clase de muestras que deben obtenerse de un sondeo de exploración depende del objeto para el que se hace ésta. Las muestras obtenidas con la barrena pueden usarse para identificar los estratos de suelo y para algunas pruebas de clasificación, aunque el estado físico del material esté completamente alterado por el proceso de muestreo. Los fragmentos que se extraen con lavado son de poco valor, excepto porque indican los cambios de estratificación al perforista. El material que arrastra el lodo de perforación está contaminado y usualmente ni siquiera sirve para la identificación de los suelos. Los fragmentos de roca obtenidos con el achicador del lodo de los barrenos hechos por percusión, revelan poco respecto a la condición natural de la roca. Sin embargo, pueden indicar características mineralógicas generales, como la presencia de mica o de carbonato de calcio. En general, los fragmentos de suelo o roca obtenidos como producto secundario del proceso de perforación o barrenación, rara vez son titiles para determinar o aun indicar las características físicas importantes para el ingeniero especialista en cimentaciones.
Para la correcta identificación y clasificación de un suelo o roca son necesarias muestras representativas. Deben contener todos los componentes en sus proporciones exactas. Estas muestras son adecuadas para la clasificación visual, para la ejecución de los análisis mecánicos y para la determinación de los limites de Atterberg, el peso específico relativo de los sólidos, la proporción de carbonatos, y la proporción de materia orgánica. Sin embargo, las propiedades mecánicas del suelo, pueden alterarse mucho por el muestreo, Si se alteran, estas muestras no sirven para la determinación de las características esfuerzo-deformación o la compacidad relativa de los materiales. Si se requiere información de este tipo, deben tomarse las muestras de manera que sufran deformaciones insignificantes durante el muestreo. A estas muestras se les llama inalteradas, aunque debe considerarse como inevitable un cierto grado de alteración.
Usualmente pueden obtenerse muestras representativas hincando o clavando en el terreno un tubo cilíndrico de extremos abiertos llamado muestreador. Los muestreadores que tienen diámetros interiores de 34.9 a 63.5 mm, constan usualmente de cuatro partes: una zapata cortadora inferior, un barril formado por un tramo de tubo partido longitudinalmente en dos mitades (tubo de media caña), y un copie en la parte superior para conectarlo a las barras de perforación. A esta herramienta se le llama muestreador de media caña (fig. 5.5). Después que se ha tomado la muestra, la zapata y el copie se desatornillan y se separan las dos mitades del barril para sacar el material.
Si las muestras se van a transportar al laboratorio sin examinarlas en el campo, frecuentemente se coloca dentro del muestreador de media caña un tubo de paredes delgadas llamado camisab Después que se ha obtenido una muestra, la camisa y la muestra que contiene se sacan del muestreador, y los extremos se cierran con tapas o discos metálicos y cera. Existen camisas hasta de 20 cm aproximadamente de diámetro, pero las muestras más grandes que comúnmente se toman de esta manera tienen un diámetro de 12 cm.
El grado de alteración de las muestras extraídas con muestreador depende de la fuerza que se aplique a la misma, de que se empuje o se golpee, de la rapidez de penetración y de las dimensiones del muestreador. Si las demás condiciones son iguales, el grado de alteración lo indica, aproximadamente, la relación de áreas:
en las que De es el diámetro exterior y D el diámetro interior de la cuchilla por la cual debe pasar la muestra. Si la relación de áreas no es mayor que 10 por ciento, la alteración de la muestra es pequeña en casi todos los tipos de suelo. El grado de alteración es también menor si se hace avanzar el muestreador con movimiento rápido uniforme en vez de darle empujones o golpes intermitentes.
Para obtener muestras de varios decímetros de longitud, es necesario reducir la fricción entre la muestra y el interior del tubo. Esto se logra reduciendo el diámetro de la cuchilla, de manera que su diámetro interior Di sea ligeramente menor que el diámetro interior del tubo D1. También afecta el grado de alteración de la muestra la relación de los espacios libres interiores,
Si esta relación se hace muy grande, la muestra se ensancha demasiado al pasar por el tubo muestreador y su resistencia puede disminuir mucho. En las muestras inalteradas de alta calidad, la relación de espacios libres interiores no debe exceder del 1 por ciento.
Las muestras de los materiales sin cohesión, corno la arena que está abajo del nivel freatico, no pueden detenerse en los muestreadores convencionales sin la adición de una canastilla que retiene las muestras con la ayuda de un resorte (fig. 5.6a). En los depósitos de arena muy fina, o en la arena que contiene guijarros pequeños que pueden impedir a los resortes que se cie rren, no es posible la recuperación. Algunas veces pueden obtenerse muestras alteradas insertando una válvula de charnela que da paso en un sentido entre la cuchilla y el barril de la cuchara muestreadora partida; sin embargo, estas muestras no siempre contienen los diferentes tamaños del suelo en sus proporciones correctas. Pueden obtenerse usualmente muestras representativas, pero completamente alteradas, por medio del barril escarzficador (fig. 5.6b). El barril se hinca abajo del ademe y se hace girar. Al girar, raspa las paredes del agujero, cayendo el material en el compartimento inferior.
Figura 5.5. Muestreador de media caña para la Prueba de penetración estándar.
Figura 5.6. a) Canastilla con resorte. b) Muestreador raspadora.
El costo de las muestras inalteradas aumenta rápidamente con el diámetro. Por experiencia se ha encontrado que la mayor parte de los suelos blandos o moderadamente firmes cohesivos pueden muestrearse sin alteración excesiva con tubos de pared delgada sin costuras, de acero, con un diámetro no menor de 5 cm y una relación de áreas de aproximadamente 10 por ciento. Comúnmente, se usan tubos de 5 o 7.5 cm de diámetro, en tramos de 60 o 90 cm.
El extremo inferior del tubo se afila y se dobla ligeramente hacia adentro para formar la cuchilla. Al extremo superior se le hace una rosca para conectarlo a las barras de perforación.
Para usar el muestreador de tubo, se en- caja a presión en el terreno y se saca con la muestra dentro. Se tapan los dos extremos del tubo, y la muestra se envía al laboratorio. En el laboratorio se extrae la muestra, alterándola lo menos posible. En algunos casos, la alteración se reduce cortando el tubo en tramos pequeños de aproximadamente 15 cm antes de la extracción.
Para mejorar la calidad de las muestras y aumentar la recuperación de suelos blandos o ligeramente cohesivos, puede ser necesario un muestreador de pistón. Este muestreador consiste en un tubo de paredes delgadas provisto de un pistón que cierra el extremo del tubo muestreador, hasta que el aparato se baja a la profundidad deseada (fig. 5.7a). Luego se empuja el tubo muestreador, mientras el pistón, permanece fijo en el fondo del sondeo, como se muestra en la fig. 5.7b. La presencia del pistón impide que los suelos blandos se escurran rápidamente dentro del tubo, y de esta manera, se elimina la mayor parte de la alteración de la muestra. El pistón también ayuda a aumentar la longitud de la muestra que puede recuperarse creando un ligero vacío que tiende a retener la muestra, si el extremo superior de la columna de suelo comienza a separarse del pistón. Durante la extracción del muestreador, el pistón también impide que la presión del agua obre en el extremo superior de la muestra, aumentando así las oportunidades de recuperación. El proyecto de los muestreadores de pistón se ha refinado al grado de que algunas veces es posible tomar muestras inalteradas de arena abajo del nivel freático (Bishop, 1948).
Figura 5.7. Muestreador de pistón de funcionamiento hidráulico, a) En el fondo del sonden, las barras de perforación se sujetan en una posición fija en la superficie del terreno. b) Tubo muestrador después de haberse hincado en el suelo, empujado por el agua a presión alimentada por las barras de perforación.
Perforación por Percusión - Terreno.
Si la perforación debe atravesar estratos excepcionalmente duros de suelo o roca, no pueden usarse barrenas ni el lavado, Un método para perforar en estos depósitos es el de percusión. En este método se levanta y se deja caer alternativamente una barrena pesada, de manera que muela el material inferior hasta que tenga la consistencia de la arena o del limo. Si es posible, el sondeo se mantiene seco, excepto por una pequeña cantidad de agua que forma un lodo con el material molido por la broca. Cuando la acumulación de lodo interfiere con la perforación, se sacan del barreno las herramientas de perforación, y el lodo se retira con un achicador. El sondeo puede ademarse, si se derrumba. Aunque la perforación por percusión se usa frecuentemente para la perforación de pozos de agua, generalmente no se presta para la exploración cuando deben obtenerse muestras intactas para su identificación y prueba.
Perforación con Barrena Rotatoria.
La perforación con barrena rotatoria puede usarse en roca, en arcilla, y aun en arena. Es el método más rápido para penetrar en materiales muy resistentes, a menos que el depósito esté muy suelto o muy fisurado. En este método, una broca que gira rápidamente, corta o muele el material en el fondo del sondeo hasta reducirlo a pequeñas partículas. Las partículas las saca el agua en circulación o el líquido de perforación que se use, de una manera semejante a la de los sondeos por lavado. Para obtener una muestra, se quita la broca y se reemplaza por un muestreador. En la fig. 5.4, se muestra un croquis de una perforadora rotatoria.
En la exploración del subsuelo con perforadoras rotatorias, el ademe es usualmente innecesario, excepto cerca de la superficie del terreno. El colapso de la perforación se evita normalmente, empleando liquido para perforación, que consiste en una papilla de arcilla y agua a la cual se añade frecuentemente bentonita. Esta papilla, conocida con el nombre de lodo de perforación, recubre y soporta las paredes del barreno y tapa los estratos permeables. Los diámetros de los sondeos hechos con máquina para la exploración de cimentaciones, usualmente varían de aproximadamente 5 a 20 cm.
Figura 5.4 Perforadora rotatoria (según Hvorlev, 1948)
Medida Directa de la Resistencia al Corte.
Se han ideado varios aparatos para hacer la medida directa de la resistencia al corte de los suelos cohesivos, especialmente en condiciones no drenadas, análogas a las de la prueba Q. Uno de los más usados se conoce con el nombre de veleta (fig. 5.l0d). En su forma más sencilla, consiste en una veleta de cuatro aspas, sujeta al extremo de una varilla vertical. La veleta y la varilla pueden hincarse en el suelo sin alterar apreciablemente el material. El conjunto se hace girar y se mide el par necesario para hacerlo. Como el suelo falla a lo largo de una superficie cilíndrica que pasa por los bordes exteriores de la veleta, puede calcularse la resistencia al esfuerzo cortante si se conocen las dimensiones de la veleta y el par de torsión. Si se hace girar la veleta rápidamente varias vueltas, el suelo se remoldea y puede determinarse otra vez la resistencia al corte. Por lo tanto, es posible medir no solamente la resistencia al esfuerzo cortante, sino también la sensibilidad de la arcilla, En los modelos más refinados para la prueba de la veleta, se usa un ademe para eliminar la fricción en la varilla; en algunos equipos, una cubierta especial protege la veleta mientras el aparato se encaja en el suelo.
A pesar de estos refinamientos, la veleta no puede usarse con éxito en arcillas que tengan resistencias a la compresión simple mucho mayores que 10 tons/m2, que contengan capas de arena o muchas piedras, o que tengan estructura secundaria.
Una modificación llamada torcómetro (fig. 5.11), permite la ejecución rápida de muchas pruebas de veleta en la superficie recién cortada de una muestra de arcilla rebanada longitudinalmente, o en la pared recién cortada de un pozo a cielo abierto. Por medio de adaptadores, pueden hacerse determinaciones confiables de resistencias al esfuerzo cortante que oscilen entre 1 y 50 ton/m2.
Figura 5.11 Torcómetro para determinar la resistencia al corte de los materiales para los que s = c a) Vista lateral b) Vista interior de las aspas.
Penetrómetros improvisados o para fines especiales.
En la fig. 5.10c, se muestra un penetrómetro sencillo que puede usarse para investigar la compacidad relativa de los depósitos de grava y arena, sin usar ademe. Consiste en un cono que se ajusta flojo en el extremo inferior de una serie de tubos hincados en el terreno por medio de un martinete de gravedad, de altura de caída constante. Se hace un registro continuo del número de golpes necesarios para que avance la punta 30 cm de profundidad. Cuando ha llegado la punta a su elevación final, se saca el tubo y se deja el cono en el fondo del agujero. La fricción en el tubo se reduce al mínimo haciendo el diámetro del cono algo mayor que el diámetro exterior del tubo. Las pruebas de este tipo pueden hacerse rápida y económicamente. En un lugar se vio que podían hacerse dos sondeos de 15 m cada uno en un día. Por otra parte, se necesitaron casi tres días para llegar a la misma profundidad haciendo el sondeo por lavado con el muestreador de media caña. Los resultados de los sondeos con el cono pueden adquirir un mayor significado, ejecutando varias series de pruebas de penetración estándar en sondeos adyacentes a los lugares en los que se hagan pruebas de penetración con el cono. La resistencia al hincado del cono puede correlacionarse con los valores de N, pudiéndose entonces usar la tabla 5.3 como guía para el proyecto de cimentaciones. La figura 6.12 muestra una comparación obtenida durante la exploración de un deposito de grava en Denver, Colorado.
Penetrómetro Holandés de Cono.
El penetrómetro estático de mayor uso es el cono holandés, desarrollado en el laboratorio de mecánica de suelos de Delft, en los Paises Bajos. En su forma más sencilla, el aparato consiste en un cono a 60° que tiene un área en la base de 10 cm2, unido al extremo de una varilla protegida por ademe (fig. 5. lOa). El cono se empuja con la varilla a razón de 2 cm/seg; la resistencia al cono qp es la fuerza necesaria para que el cono avance dividida por el área de la base. Una forma refinada del aparato, que se considera como estándar en muchos lugares, se muestra en La fig. 5.1Ob, En este equipo, la resistencia en la punta y la fricción en el exterior del ademe pueden medirse separadamente. En otra modificación, se mide la fricción en un mango separado de longitud limitada, situado precisamente encima de la punta.
En las regiones donde se ha adquirido mucha experiencia con el cono holandés, los valores de la resistencia a la penetración se han relacionado con propiedades como el ángulo de resistencia al corte de la arena Ø o con la consistencia de las arcillas. En los Estados Unidos estas correlaciones de detalle todavía no se han realizado, pero se han encontrado toscas relaciones estadísticas útiles, entre la resistencia a la penetración del cono y los valores N obtenidos con las pruebas de penetración estándar en materiales granulares. Esta información se resume en la tabla 5.4 (Sanglerat, 1972).
Tabla 5.4 Correlación Aproximada Entre el Cono Holandés y la Resistencia a la Penetración Estándar
Prueba de penetración estándar y valores de N.
En los Estados Unidos, el penetrómetro más comúnmente usado es el estándar de tubo partido, y la prueba más di fundida de esta clase es la llamada prueba de penetración estándar (ASTM D—1586). Se realiza dejando caer un martillo que pesa 63.5 kg sobre la barra de perforación, desde una altura de 76 cm. El número de golpes N necesarios para producir una penetración de 30 cm se considera la resistencia a la penetración. El muestreador tiene las dimensiones mostradas en la fig. 5.5. Para considerar la falta de apoyo, los golpes de los primeros 15 cm de penetración no se toman en cuenta; los necesarios para aumentar la penetración de 15 a 45 cm constituyen el valor N.
Los resultados de la prueba de penetración estándar pueden correlacionarse aproximadamente con algunas propiedades físicas importantes del suelo. La tabla 5.3 muestra estas correlaciones, Sin embargo, la variación de los resultados de un caso aislado en relación a los valores relativamente conservadores dados en la tabla puede ser muy grande, y es preferible hacer comparaciones directas con los resultados de otras pruebas apropiadas en cada caso dado. La correlación para las arcillas sólo puede considerarse como una aproximación tosca, pero para las arenas, con frecuencia es lo suficientemente segura para permitir el uso de los valores de N en el proyecto de las cimentaciones.
En las arenas saturadas, finas o limosas, compactas o muy compactas, los valores de N pueden ser anormalmente grandes, debido a la tendencia de estos materiales a dilatarse cuando se deforman bajo esfuerzo cortante en condiciones no drenadas.
Tabla 5.3 Correlación entre la resistencia a la Penetración y las Propiedades de los Suelos a partir de la Prueba de Penetración Estándar
Por lo tanto, en estos suelos, los resultados de las pruebas de penetración estándar deben interpretarse conservadoramente. Además, en el valor de N de los suelos sin cohesión influye en cierto grado la profundidad a la que se hace la prueba. Debido al mayor confinamiento producido por la presión de sobrecarga, los valores de N al aumentar la profundidad pueden indicar compacidades mayores que las que realmente existen. Si se considera como estándar el valor de N a una profundidad correspondiente a una presión de sobrecarga efectiva de 10 tons/m2, el factor de corrección CN que hay que aplicar a los valores de campo de N para otras presiones diferentes está dado aproximadamente por:
donde p es la presión vertical efectiva por sobrecarga en tons/ m2 a la elevación de la prueba de penetración. La ecuación es válida para p >= 2.5 tons/m2.
El error más común en conexión con la prueba de penetración estándar en arena o limo ocurre, sin embargo, cuando se hace bajo del nivel freático. Si se permite que el nivel del agua en el sondeo sea inferior al freático, lo que fácilmente puede ocurrir, por ejemplo, cuando se sacan rápidamente las barras de perforación, se crea un gradiente hidráulico ascendente en la arena que está debajo del sondeo. En consecuencia, la arena puede convertirse en movediza y su compacidad relativa puede reducirse bastante. Por lo tanto, el valor de N puede ser muy inferior al correspondiente a la compacidad relativa de la arena inalterada. Se necesita cuidar que el nivel del agua se mantenga siempre en el nivel piezométrico del fondo del sondeo o ligeramente arriba. El uso de barras de vástago hueco con tapón como medio para perforar en los suelos sin cohesión abajo del nivel de agua freática, casi inevitablemente conduce a la alteración de la compacidad relativa; por lo tanto, los valores de N determinados bajo estas circunstancias no son confiables. En los depósitos que contienen mucho boleo, los resultados de las pruebas de penetración estándar pueden ser inseguros, debido al pequeño tamaño del muestreador en comparación al de los boleos.
En las arcillas muy sensibles, la prueba de penetración estándar puede conducir a la adquisición de un concepto falso de la consistencia. Además, es una prueba demasiado cruda para que se justifique su uso, ni siquiera para obtener valores numéricos aproximados que representen la resistencia de las arcillas saturadas blandas o muy blandas. La facilidad de penetración del muestreador no sólo depende de la resistencia del suelo, sino también de su compresibilidad. Así, un suelo cohesivo resistente con una elevada proporción de aire, puede tener un valor de N sustancialmente inferior al de un suelo igualmente resistente, pero saturado, en el que los vacíos no puedan sufrir colapso al avanzar el muestreador.
Aunque la prueba de penetración estándar no puede considerarse como método refinado y completamente seguro de investigación, los valores de N dan útiles indicaciones preliminares de la consistencia o de la compacidad relativa de la mayor parte de los depósitos de suelo. La información es en algunos casos inclusive suficiente para el proyecto final. En cualquier caso, proporciona datos para hacer una planificación más racional de las exploraciones adicionales más convenientes para el lugar.
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