MECANICA DE SUEOS I INVESTIGACION GEOTECNICA (ESTUDIO DEL SUBSUELO) SUBSUELO)
Las inve Las invest stig igac acio ione ness geot geotéc écni nica cass son son una una part parte e es esen enci cial al de los los es estu tudi dios os necesarios para cualquier proyecto de ingeniería, de ellas se obtienen los parámetros y propiedades que defnen las condiciones del terreno donde se realizarán las obras. Los objetivos de las investigaciones geotécnicas son: 1. btener btener un modelo modelo geotécnico geotécnico del subsuelo subsuelo,, con distribuci! distribuci!n n espacial espacial de los distintos estratos o capas presentes en el terreno donde se implantarán las obras. ". bte btene nerr mues muestr tras as alte altera rada dass e inal inalte tera rada das, s, repr epres esen enta tati tiva vass de los los materiales investigados. investigados. #. $eter $etermin minar ar el tipo tipo y caract caracterí eríst stica icass geome geomecán cánica icass de los material materiales es e%ist e%istent entes es en el subsue subsuelo, lo, median mediante te las pros prospec peccio ciones nes de campo campo,, ensayos de campo y pruebas de laboratorio. &. $eterminar $eterminar el tipo de cimentaci!n requerida requerida para la estructura. estructura. '. btener btener sufciente sufciente in(orma in(ormaci!n ci!n para para determinar determinar la magnitud magnitud y tiempo de asentamientos si esto es necesario. ). Localiza Localizarr el nivel (reático (reático y sus *uctuaciones *uctuaciones para para determina determinarr posible posible problemas constructivos +. dentifca dentifcarr problema problemass ambiental ambientales es y sus soluciones soluciones.. La investigaci!n geotécnica incluye el conocimiento del origen geol!gico, la e%ploraci!n del subsuelo, ensayos de campo y laboratorio necesarios para identifcar, clasifcar (ísica, mecánica, e -idráulicamente a los suelos. Las investigaciones geotécnicas se suelen desarrollar en dos (ases, estas son: studio /eotécnico 0reliminar: e reali realizan zan para para deter determin minar ar caract caracterí erísti sticas cas geotéc geotécnic nicas as apro apro%imad %imadas as del terr terren eno, o, con con el prop prop!s !sit ito o de es esta tabl blec ecer er las las cond condic icio ione ness que que limi limita tan n su aprove aprovec-a c-amie miento nto,, los probl problema emass que pueda puedan n prese presenta ntarse rse,, los criter criterios ios y parámetros generales para la elaboraci!n de un proyecto. $ebe considerar el ento entorn rno o geol geol!g !gic ico o y geom geomor or(o (ol! l!gi gico co,, la zoni zonifc fcac aci! i!n n de los los ma mate teri rial ales es,, amenazas de origen geol!gico, y obras de adecuaci!n del terreno. e puede incluir los estudios de alternativas. studio geotécnico $efnitivo:
ste estudio se realiza para un proyecto específco 2dise3o defnitivo o alternativa seleccionada4 en el cual se debe precisar todo lo relacionado con las propiedades (ísicas y geomecánicas del subsuelo, así como las recomendaciones para el dise3o y construcci!n de todas las obras relacionadas con el proyecto. ".1.5 67$ $ 80L9;< l método de e%ploraci!n más ampliamente usado para la investigaci!n del subsuelo son los sondeos mecánicos mediante el cual se obtienen muestras que serán descritas por inspecci!n visual y mediante pruebas de laboratorio de suelos. Las características geomecánicas de los materiales se determinar mediante pruebas de laboratorio en muestras inalteradas. 0ara determinar la variaci!n espacial de los estratos se pueden utilizar métodos de e%ploraci!n indirecta, tales como: ondeos eléctricos verticales, =>s, tomogra(ías eléctricas, ísmica de re(racci!n, nálisis espectral de ondas superfciales. n ning?n caso estos métodos indirectos pueden reemplazar a los sondeos mecánicos. 0ara investigaciones superfciales se pueden realizar calicatas y@o trinc-eras 2zanjas4. ;L;7 Las calicatas son e%cavaciones realizadas con medios mecánicos, a máquina o a mano, a cielo abierto, y que permiten la inspecci!n visual directa del terreno y su estructura. Las calicatas y trinc-eras se limitan a unos & metro, a máquina, y unos " metros, a mano.
Las calicatas permiten tomar muestras alteradas, inalteradas, e integrales. Las muestras inalteradas son de tipo c?bicas o de bloque que se obtienen tallando un cubo de suelo intacto, los cubos son cubiertos con yute y parafna a fn de no alterar sus condiciones naturales. Las muestras alteradas su(ren modifcaciones de su estructura y en su contenido de -umedad pero conservan su composici!n mineral!gica por lo que sirven para realizar ensayos de clasifcaci!n de suelos. Las muestras integrales se utilizan para investigar las características de materiales a utilizarse en obras de ingeniería como terraplenes y rellenos.
Las calicatas son más convenientes por cuanto se puede observar directamente la estructura del suelo e identifcar los estratos. n ocasiones se deben -acer e%cavaciones entibadas para alcanzar el nivel de investigaci!n deseada. ;omo resultado de la observaci!n se debe elaborar un registro estratigráfco que describa la secuencia de estratos y las descripciones visuales realizadas. <$ 6;A<; Los sondeos son per(oraciones de poco diámetro que se realizan en el terreno para identifcar los materiales e%istentes en el subsuelo. Los sondeos pueden ser realizados a mano o a máquina. <$ ;< B99< 6
Cn inconveniente de la per(oraci!n con barreno es que resulta muy di(ícil determinar el cambio de los estratos y que no es posible avanzar cuando se tiene un estrato duro más superfcial que un estrato blando que se podría per(orar con estas -erramientas. Las posteadoras son -erramientas más limitadas, se las -ace penetrar en el terreno ejerciendo un giro sobre el manubrio que se ubica en el e%tremo superior. mbos métodos se pueden pro(undizar a3adiendo tramos de tuberías para alcanzar la pro(undidad deseada. <$ 6;<; 6DC< Los métodos de sondeo dependen de la naturaleza del terreno y del tipo de muestreo que se vaya a realizar. Los más usuales son los sondeos a rotaci!n, sondeos -elicoidales, y los sondeos a percusi!n. <$ 97;E< Los sondeos a rotaci!n pueden per(orar cualquier tipo de suelo o roca, -asta pro(undidades elevadas y con distintas inclinaciones. La e%tracci!n de testigos es continua, algunos materiales son di(íciles de per(orar como las gravas y las arenas fnas bajo nivel (reático.
Los elementos del sistema de per(oraci!n son: cabeza, tubo portatestigo, e%tractor, portae%tractor, y corona de corte. La cabeza de per(oraci!n es la parte mecánica que le imparte el movimiento de rotaci!n y empuje para que penetre el tubo porta testigo y el varillaje. La corona es el elemento per(orador puede ser Fidia 2carburo de Fol(ramio4 para per(orar suelos y rocas blandas, o de diamante para per(orar rocas duras. 0ara suelos inestables se requiere colocar una tubería de protecci!n de mayor diámetro denominado revestimiento.
7anto la corona como el testigo pueden tener varios diámetros, el más com?n es el diámetro <8 2#G4. n la tabla siguiente se muestran los distintos tama3os utilizados tanto para la corona como para el revestimiento de la per(oraci!n.
l sistema puede incluir una bomba para inyectar agua o lodo bentonítico a la per(oraci!n, para en(riar la corona o para estabilizar las paredes de la per(oraci!n, por lo que el método también se lo llama rotaci!n y lavado. <$ 6DC< ;< B99< HL;$L u uso se limita a suelos relativamente blandos y co-esivos, no (unciona para suelos duros o rocas. ste tipo de per(oraci!n no permite precisi!n para determinar los di(erentes estratos del subsuelo, alcanza unos &I metros de pro(undidad. Las barrenas pueden ser -uecas o normales, las primeras permiten obtener muestras inalteradas. La cabeza de per(oraci!n es la que imprime la rotaci!n del sistema, como se muestra en la fgura. <$ 09;C<
e utiliza tanto en suelos granulares como en suelos co-esivos, puede alcanzar -asta #I o &I metros de pro(undidad, lo más (recuente es que sean de 1' a "I metros. l sistema de avance es mediante el golpeo de una masa que cae desde una altura de un metro apro%imadamente. l sistema incluye el bombeo de agua por lo que también se lo denomina método de percusi!n y lavado. La operaci!n consiste en inyectar agua en la per(oraci!n la cual (orma una suspensi!n con el suelo en el (ondo y sale al e%terior por la presi!n de bombeo, denominada agua de retorno. n el agua de retorno se identifca el material e%traído. l procedimiento puede ser completado con el muestreo mediante cuc-ara partida, mientras las características del material no cambie se puede muestrear a cada 1,'I m. l notar un cambio en el agua de retorno se debe proceder a un nuevo muestreo. l detener las operaciones para un muestreo debe permitirse que el agua alcance un nivel de equilibrio que corresponde al nivel (reático.
ENSAYOS DE CAMPO
$urante las investigaciones geotécnicas se realizan pruebas de campo para determinar el comportamiento del suelo, in situ. Las principales pruebas tienen que ver con las características de resistencia, permeabilidad y de(ormabilidad del terreno. PRUEBA SPT (STANDARD PENETRATION TEST) o Prueba de Penetrac!n Nor"a#$ada
e denomina prueba estándar o normalizada por cuanto se debe cumplir una
sta norma establece un método de ensayo para determinar indirectamente el grado de resistencia del suelo in situ. 0ermite determinar, en (orma apro%imada, el grado de compacidad o la consistencia del suelo. l ensayo también permite recuperar muestras alteradas que se pueden utilizar para su descripci!n visual y para verifcar sus propiedades fsco mecánicas en laboratorio. l ensayo 07 debe realizarse en cada cambio de estrato o con intervalos no mayores de un metro. l ensayo consiste en contar el n?mero de golpes requerido para -incar el muestreador de apro%imadamente )I cm, mediante un peso de )' Mg que cae de una altura de +' N ' cm, desde la cabeza de golpeo. Los primeros 1' cm de penetraci!n solamente se consideran como un valor orientativo. e cuentan los #I cm siguientes en tramos de 1' cm, y se registran por separado. i al -incar este tramo se sobrepasan los 'I golpes, sin que -ubiera penetrado la totalidad de la medida se debe anotar el n?mero de golpes e(ectuados y la (racci!n o longitud de penetraci!n del muestreador. Los ?ltimos 1' cm no se los considera en el conteo pero se suele registrar de manera también orientativa.
ntes de e%traer el muestreador se debe girar por lo menos dos revoluciones para cortar la muestra por el (ondo luego de lo cual se e%trae, se lo abre y se determina la longitud de la muestra recuperada. La muestra se describe seg?n el procedimiento que se establece en la
tras causas menores:
La energía realmente aplicada durante el -incado puede variar debido al equipo utilizado y a la técnica del ensayo. 0ara obtener un valor estandarizado se plantea la siguiente correcci!n: N 60=
N ∗η H ∗ ηB∗ηS∗η R 60
$!nde: <)IP
La correcci!n por pro(undidad y es(uerzos e(ectivos geostáticos al nivel del ensayo se realiza aplicando la ecuaci!n: <12)I4P ;
Los sondeos geo(ísicos o prospecci!n geo(ísica es el conjunto de técnicas que utiliza los parámetros (ísicos de los materiales del subsuelo y su correlaci!n con las características geomecánicas. on técnicas no destructivas y de gran
cobertura, son complementarias a la investigaci!n directa 2sondeos mecánicos o calicatas4. Los di(erentes métodos geo(ísicos se dividen seg?n el parámetro (ísico investigado: gravimetría 2densidad4 eléctricos 2resistividad4 electromagnéticos 2conductividad eléctrica y permeabilidad magnética4 sísmicos 2velocidad de propagaci!n de las ondas sísmicas4, radiactivos 2niveles de radiaci!n natural o inducida4. Los principales métodos son los eléctricos y sísmicos. METODOS ELECTRICOS
stos métodos estudian la respuesta del terreno cuando se propagan a través de él corrientes eléctricas continuas 2$;4. l parámetro (ísico que se controla es la resistividad 2 ρ4. La resistividad depende de la litología, estructura interna pero sobre todo de su contenido de agua. 0ara medir la resistividad se introduce en el terreno una corriente eléctrica continua de intensidad, , mediante dos electrodos denominados y B, conectados a una (uente de energía. Luego se mide la di(erencia de potencial ∆=, generada por el paso de la corriente entre dos electrodos 6 y <. La resistividad se calcula con la e%presi!n: ρP∆=@. La separaci!n de c-lumberger, con corriente, y B, y propuesta es la de iguales
los electrodos se realiza aplicando la propuesta de los electrodos de potencial, 6 y <, alineados con los de separaci!n entre 6 < es in(erior a 1@' de B. tra Senner en que las distancias 6, 6 <, y < B, son
l método más utilizado es el <$ L;79; =97;L 2=>s4, consiste en separar sucesivamente los electrodos de corriente, de un punto central, y medir la resistividad en cada posici!n. /eneralmente se utiliza el arreglo de c-lumberger.
METODOS SISMICOS
stos métodos estudian la propagaci!n en el terreno de ondas sísmicas producidas artifcialmente. La velocidad de propagaci!n depende básicamente de las constantes elásticas y la densidad del medio. Los contactos entre cuerpos con di(erente velocidad de transmisi!n de las ondas sísmicas defnen superfcies de separaci!n en las que las ondas su(ren re(racci!n, re*e%i!n o di(racci!n, con este método se defnen los estratos que componen el subsuelo. l método más utilizado es la sísmica de re(racci!n que estudia la energía que vuelve a la superfcie tras ser re(ractada. l modelo normal del subsuelo presenta velocidades crecientes con la pro(undidad. ;onsiste en realizar perfles instrumentados con ge!(onos 2sensores de movimiento4, espaciados entre sí una distancia conocida y generalmente regular 2T c@' m4. La energía la provoca un golpe con un martillo sobre una placa metálica que se apoya en el terreno, esta llega a los sensores cuando son perturbados, lo que se registra en un sism!gra(o. La longitud de los perfles sísmicos es por general de 11I metros, se pueden -acer varios tramaos continuos para investigaciones más e%tensivas.
n cada perfl de 11I metros se debe realizar por lo menos cinco golpes, en los e%tremos de la línea y en puntos intermedios. La medida de los tiempos de llegada de las ondas elásticas proporciona el valor de la velocidad de propagaci!n, y por su interpretaci!n se pueden defnir los distintos materiales atravesados.
e debe insistir en que los métodos indirectos son complementarios a los métodos mecánicos y sirven para conocer la variabilidad espacial de los estratos, a partir de los contrastes de los parámetros investigados. n la fgura siguiente se muestra una interpretaci!n de los ensayos sísmicos:
0ara analizar las características de resistencia y de(ormabilidad son pre(eribles los métodos sísmicos, mientras que para determinar concentraci!n de agua 2para identifcar la superfcie de (alla de deslizamientos4 o acuí(eros 2espesor del acuí(ero y grado de saturaci!n4 se preferen los sondeos eléctricos. e recomienda que un sondeo mecánico se ubique en la intersecci!n de dos líneas sísmicas para -acer más e%tensiva la investigaci!n y cubrir más área investigada. partir de los datos de la geo(ísica 2sísmica de re(racci!n4 es posible obtener valores orientativos de las características (ísicas de los materiales investigados. 0ara el e(ecto se anotan las siguientes correlaciones:
9DC7 6<6 $ L <=7/;< /7;<; Los requisitos mínimos de las investigaciones geotécnicas se establecen en las
Los sondeos con recuperaci!n de muestras deben constituir como mínimo el 'IQ de los sondeos realizados en el estudio defnitivo. n los sondeos con muestreo se deben tomar muestras a cada metro a lo largo de toda la per(oraci!n. l menos el 'IQ de los sondeos deben ubicarse dentro de la proyecci!n de las construcciones, en el terreno. Los sondeos del studio 0reliminar pueden incluirse en el studio $efnitivo.
l n?mero de sondeos debe cubrir completamente el área que ocuparán directamente las edifcaciones, las áreas que serán a(ectadas por taludes de corte u otro tipo de intervenci!n que deban ser considerados para evaluar el comportamiento geotécnico de la estructura y su entorno. Los regitros de per(oraciones en ríos o en el mar debe tener en cuenta el e(ecto de las mareas y cambios de los niveles de las aguas, por lo que se deberá reportar la elevaci!n 2cota4 del estrato y no solamente su pro(undidad, debidamente re(erenciada a un nivel preestablecido. ;otas /6.
0reviamente, a determinar el n?mero mínimo de sondeos es necesario conocer la categoría de las edifcaciones con base a la tabla 1 que se muestra a continuaci!n.
l n?mero mínimo de sondeos de e%ploraci!n que deberán e(ectuarse en el terreno donde se desarrollará un proyecto se defne en la tabla ".
0or lo menos el 'IQ de todos los sondeos debe alcanzar la mayor pro(undidad que se indique en la tabla ". La pro(undidad se considerará a partir del nivel in(erior de la e%cavaci!n para subsuelos, cuando se construyan rellenos, dic-a pro(undidad se considerará a partir del nivel original del terreno.
La pro(undidad de investigaci!n debe cumplir con los siguientes requisitos:
Llegar a la pro(undidad en la que el incremento de es(uerzos verticales sobre el terreno sea el 1IQ del es(uerzo vertical de sobrecarga
i la consideraci!n anterior lleva a pro(undidades mayores que la tabla anterior, al menos el "IQ de las per(oraciones debe cumplir con la mayor pro(undidad establecida n todo caso el 'IQ de las per(oraciones deberá alcanzar una pro(undidad por debajo del nivel de apoyo de la cimentaci!n. e podrá reemplazar algunos sondeos por calicatas o trinc-eras.
tras consideraciones para estructuras di(erentes a edifcaciones:
