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.
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