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.
viernes, 11 de marzo de 2011
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.
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