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.
martes, 1 de marzo de 2011
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.
Medidas Directas de Consistencia y Capacidad Relativa - Suelos.
Penetrómetros. Se han ideado varios métodos para investigar la consistencia de los depósitos cohesivos o la compacidad relativa de los granulares sin necesidad de hacer sondeos o de extraer muestras. La mayoría de estos procedimientos se basa en la medida de la resistencia que ofrece el suelo al avance de un aparato llamado penetrómetro. Si se empuja el penetrómetro uniformemente en el suelo, el procedimiento se llama prueba de penetración estática. Si se encaja a golpes se le llama prueba de penetración dinámica. Como regla general, son preferibles las pruebas estáticas en los depósitos cohesivos blandos y las dinámicas en los muy duros. Se ha visto que las dos pruebas, la estática y la dinámica, son útiles en los depósitos sin cohesión.
Se han diseñado muchas variedades de penetrómetros, cada uno de ellos adaptado a una cierta clase de material. En la fig. 5.10, se muestran tres de ellos.
Figura 5.10. Aparatos para medir directamente la consistencia del suelo en condiciones del campo a) Penetrometro cónico holandés b) penetrometro cónico holandés perfeccionado c) Punta para operar en arena y grava d) Veleta para determinar la resistencia al corte.
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