• Author / Uploaded
• KeicoHetfield

• Categories
• Arcilla
• Minerales
• Hierro
• Arena
• Suelo

Citation preview

SECCIÓN

1.

GEOTECNIA

TEMA

2.

MECÁNICA DE SUELOS

CAPÍTULO

1.

CARACTERIZACIÓN DE LOS DEPÓSITOS DE SUELOS

ÍNDICE 1.1

Clasificación de suelos en campo ........................................................ 1 1.1.1 Descripción e identificación visual de suelos ..................................... 1 a)

Clasificación de suelos gruesos ............................................... 1

b)

Clasificación de suelos finos. ................................................. 11

c)

Clasificación geológica de los depósitos de suelo. .................... 17

1.1.2 Clasificación en campo de suelos con problemas especiales .............. 19

1.2

a)

Suelos orgánicos. ................................................................ 19

b)

Suelos expansivos. .............................................................. 25

c)

Suelos residuales. ............................................................... 25

d)

Suelos dispersivos. .............................................................. 28

e)

Suelos colapsables. ............................................................. 28

f)

Suelos licuables. ................................................................. 29

Exploración y muestreo de suelos ..................................................... 29 1.2.1 Programa de exploración geotécnica .............................................. 30 a)

Estudios preliminares. ......................................................... 30

b)

Reconocimiento de campo. ................................................... 31

c)

Estudios de detalle. ............................................................. 31

1.2.2 Supervisión de los trabajos de exploración ..................................... 35 1.2.3 Técnicas de perforación................................................................ 38 a)

Pozos a cielo abierto, cortes en laderas y zanjas. .................... 38

b)

Perforación por lavado. ........................................................ 42

c)

Perforación a rotación con agua o fluido de bentonítico. ........... 43

d)

Perforación en seco con barras helicoidales ............................ 46

e)

Perforación mixta. ............................................................... 49

1.2.4 Equipo de perforación .................................................................. 49 a)

Máquinas perforadoras. ....................................................... 49

b)

Bombas de perforación. ....................................................... 50

c)

Barras y ademes de perforación. ........................................... 50

d)

Brocas de perforación. ......................................................... 53

e)

Fluido de perforación. .......................................................... 57

1.2.5 Técnicas de exploración ............................................................... 62 a)

Métodos indirectos. ............................................................. 62

b)

Métodos directos. ................................................................ 66

c) Determinación del tipo, número, espaciamiento, localización y profundidad del sondeo. .............................................................. 71 1.2.6 Tipo de muestras y procedimientos de muestreo ............................. 78 a)

Tipos de muestras. .............................................................. 78

b)

Calidad de las muestras ....................................................... 80

c)

Muestreo alterado ............................................................... 83

d)



Método manual ............................................................. 83



Muestreadores hincados a presión ................................... 87

Muestreo inalterado ............................................................. 91 

Método manual ............................................................. 91



Muestreadores hincados a presión ................................... 92



Muestreador de tubo rotatorio dentado .......................... 112



Muestreadores de doble barril ....................................... 116



Método de muestreo por congelación ............................. 125



Criterios de selección de muestreadores ......................... 129

1.2.7 Manejo de muestras .................................................................. 129 a)

Muestras alteradas. ........................................................... 129

b)

Muestras cúbicas inalteradas. ............................................. 129

c)

Muestras inalteradas contenidas en tubos. ........................... 130

d)

Recomendaciones para el embalaje de las muestras. ............. 130

1.3 Clasificación y caracterización de depósitos de suelos con problemas especiales. ............................................................................................... 143 1.3.1 Suelos Licuables........................................................................ 143 a)

Identificación .................................................................... 143

b)

Características del fenómeno de licuación en suelos .............. 145

c)

Caracterización de suelos ................................................... 149

d)

Métodos indirectos para evaluar potencial de licuación ........... 152

e)

Métodos directos para evaluar el potencial de licuación .......... 154 

Método basado en el número de golpes del SPT .............. 155



Métodos basados en la resistencia por punta (qc) del CPT. 162



Métodos basados en la velocidad las ondas de corte ........ 167

f)

Cálculo del factor de seguridad por licuación (FSlic) ................ 172

g)

Procedimiento de identificación de suelos licuables ................ 174

1.3.2 Suelos expansivos ..................................................................... 176 a)

Descripción del fenómeno de expansión ............................... 176

b)

Problemas asociados a los suelos expansivos ........................ 177

c)

Identificación en campo ..................................................... 181

d)

Clasificación ..................................................................... 182

e)

f)



Análisis mineralógico ................................................... 182



Métodos indirectos ...................................................... 185



Métodos directos ......................................................... 191

Determinación del potencial de expansión ............................ 203 

Método teórico ............................................................ 203



Métodos semiempíricos ................................................ 204



Métodos empíricos ...................................................... 209

Procedimiento de identificación de suelos expansivos ............ 210

1.3.3 Suelos dispersivos ..................................................................... 213 a)

Problemas asociados a los suelos dispersivos ........................ 213

b)

Identificación en campo ..................................................... 215

c)

Origen ............................................................................. 215

d)

Propiedades físicas y químicas ............................................ 216

e)

Caracterización ................................................................. 217

f)



Ensayes de laboratorio ................................................. 217



Mediante pruebas de campo ......................................... 223

Procedimiento de identificación de suelos dispersivos ............ 224

1.3.4 Suelos colapsables .................................................................... 227 a)

Tipos de suelos colapsables ................................................ 227 

Depósitos eólicos ........................................................ 228



Depósitos aluviales ...................................................... 229



Coluvión .................................................................... 229

b)

REFERENCIAS



Arenas cementadas ..................................................... 229



Rellenos y terraplenes ................................................. 229



Arcillas de cementación marina ..................................... 230



Suelos residuales ........................................................ 230

Problemas en suelos colapsables ......................................... 231 

Saturación local y somera ............................................ 231



Saturación local y profunda .......................................... 231



Saturación general ...................................................... 232



Saturación interna ....................................................... 232

c)

Identificación en campo ..................................................... 232

d)

Cálculo de asentamientos por colapso .................................. 233

e)

Clasificación ..................................................................... 234 

Métodos basados en las propiedades índice .................... 234



Métodos basados en ensayes odométricos ...................... 238

f)

Procedimiento de identificación de suelos colapsables ............ 244

g)

Migración de partículas ...................................................... 246 251

MANUAL DE DISEÑO DE OBRAS CIVILES-CFE B.2.1 CARACTERIZACIÓN DE LOS DEPÓSITOS DE SUELOS 1.1

Clasificación de suelos en campo

1.1.1

Descripción e identificación visual de suelos

Se describe el procedimiento para la identificación de suelos basado en la examinación visual y en ensayos manuales de acuerdo a la norma (ASTM D 2488-09a). Estos procedimientos se basan en el Sistema Unificado de Clasificación de Suelos, SUCS (ASTM D 2487-11) que se describe en detalle en el numeral 2.7 del Capítulo B.2.2 y se resume en el Anexo 1.1. Para efectos de su clasificación y descripción, el suelo se divide en grupos que exhiben intervalos de propiedades mecánicas e hidráulicas semejantes, basándose en los siguientes conceptos. 1.- Los suelos están formados por un conjunto de partículas cuyo tamaño puede variar en un espacio muy amplio, que va desde los cantos rodados, con más de 15 cm de diámetro equivalente, hasta las partículas de arcilla coloidal, con menos de dos micras, que solamente son visibles con la ayuda de un microscopio electrónico. Entre estos extremos se encuentran materiales en tamaños de partículas intermedias que se denominan gravas, arenas, limos y arcillas. 2.- Las propiedades mecánicas e hidráulicas de los suelos son el resultado de la interacción entre sus partículas. Esta interacción depende de:  

La granulometría, dada por las proporciones relativas de los diferentes tamaños de las partículas. La plasticidad, que es una propiedad físico-química de las partículas coloidales contenidas en la fracción más fina del suelo, constituida por partículas menores que 0,074 mm; este es el intervalo de tamaños asignado a limos y arcillas.

Para evaluar preliminarmente el comportamiento de un suelo es conveniente realizar la clasificación en campo con base en la clasificación manual y visual del suelo con las siguientes recomendaciones.  

La muestra por clasificar deberá ser lo más representativa posible del estrato de suelo, para lo cual es necesario obtenerla mediante un lineamiento estándar. La cantidad mínima recomendable de material para una descripción e identificación exacta del suelo se presenta en la Tabla 1.1.

a)

Clasificación de suelos gruesos 

Cuando las partículas de la muestra por clasificar sean de fracción gruesa, se estima el porcentaje de tamaños mayores que la malla N° 4 (para efectos prácticos puede usarse el tamaño de 5 mm como el equivalente a la malla N° 4, Tabla 1.2a). En la Tabla 1.2b se describen materiales gruesos de uso común en México, de partículas mayores a 7,5 cm.

1

B.2.1 CARACTERIZACIÓN DE LOS DEPÓSITOS DE SUELO B.2.1.2 EXPLORACIÓN Y MUESTREO DE SUELOS Tabla 1.1 Tamaño mínimo de espécimen en función del tamaño máximo de partículas en el suelo Tamaño máximo de partículas 0,00475 m (Nº 4) 0,0095 m (3/8”) 0,019 m (3/4”) 0,0381 m (1 1/2”) 0,0761 m (3”)

Peso mínimo del espécimen, material seco 0,91 N 1,82 N 9,8 N 78,4 N 588 N

Nota. Si la muestra o espécimen de campo es menor que el mínimo recomendado deberá especificarse en las observaciones.

2



Si más de 50% de la muestra resultó mayor que la malla N° 4, clasifique al suelo como grava, de lo contrario clasifíquelo como arena.



Estime el porcentaje de partículas finas (menores que la malla N° 200).



Si el porcentaje estimado de partículas menores que la malla N° 200 varía entre 0% y 5% el suelo se clasifica como grava o arena limpia.



Si el porcentaje estimado de partículas menores que la malla N° 200 varía entre 15% y 50% del total de la muestra, clasifique al suelo como grava o arena arcillosa o limosa, dependiendo de la clasificación de los finos (Fig 1.1).



Para gravas y arenas limpias estime su graduación. Si la muestra contiene partículas y cantidades apreciables de todos los tamaños grandes e intermedios, se puede clasificar como grava o arena limpia bien graduada (Fig 1.1). Clasifique al suelo de acuerdo con lo establecido en la Fig 1.2 y apóyese en el Anexo 1.1



La clasificación de los finos como limosos o arcillosos deberá obtenerse como se indica en el inciso 1.1.1b.



Si el porcentaje de finos se estima entre 5 y 15%, deberá identificarse la naturaleza de los finos y asignarle un símbolo doble: por ejemplo, una grava bien graduada arcillosa se clasificará como GW-GC como se indica en la Fig 1.2; apóyese en el Anexo 1.1

MANUAL DE DISEÑO DE OBRAS CIVILES-CFE B.2.1 CARACTERIZACIÓN DE LOS DEPÓSITOS DE SUELOS

Tabla 1.2a Clasificación de suelos gruesos según su tamaño Retenido en malla N°

3”

4

200

Tamaño máximo

FRAGMENTOS EPICLÁSTICOS

mm

m

750

0,75

Grandes

200

0,20

Medianos

76

0,076

Chicos

76

0,076

Gruesa

19

0,019

Mediana

4,8

4,8E-03

Fina

4,8

4,8E-03

Gruesa

2,0

2E-03

Mediana

0,4

4E-04

Fina

Suelo grueso limpio (0%-5% de finos)

FRAGMENTOS PIROCLÁSTICOS

Enrocamientos

Suelo grueso con finos (5%-15% de finos)

Grueso Bombas y bloques Fino

Grava Lapilli

Arena

Gruesa

Ceniza volcánica

Suelo grueso y fino (15%-50% de finos)

Figura 1.1 Tamaño y graduación de las partículas de suelo

3

B.2.1 CARACTERIZACIÓN DE LOS DEPÓSITOS DE SUELO B.2.1.2 EXPLORACIÓN Y MUESTREO DE SUELOS Tabla 1.2b Clasificación de materiales con partículas de gran tamaño Nombre común Guijarros

Del orden de 7,6 cm (3”) De graduaciones diversas, normalmente hasta 7,6 cm (3”), cuando mucho

Forma

Comentarios

Partículas alargadas con cantos angulosos Irregular, cantos angulosos, muy porosa, color rojo intenso

Materiales de origen volcánico, muy ligeros. Se usan como rellenos y/o drenes en terraplenes, estructuras de retención y otras

Irregular, cantos angulosos, muy porosa, colores oscuros ligeramente rojizos

Materiales de origen volcánico menos ligeros que los tezontles

De formas diversas: desde alargadas hasta muy redondeadas

Piroclastos de origen volcánico, pumíticos, muy ligeros. Aparecen en depósitos dentro de matrices de suelos más finos. Suelen estar cementados

Mayores a 7,6 cm (3”) pero menores a 30 cm

Equidimensional o ligeramente alargada, cantos angulosos

Usada en filtros, materiales de transición en presas y respaldos de estructuras de retención

Boleo

Mayores a 7,6 cm (3”)

Partículas redondeadas, lisas, con cantos suaves

Generalmente materiales de origen aluvial

Bombas

Mayores a 7,6 cm (3”)

Partículas redondeadas, porosas

Piroclastos dentro de matrices de materiales finos

Fragmentos equidimensionales, angulosos o muy angulosos

Normalmente provienen de bancos, se usan como enrocamientos en las caras o corazas de presas de materiales graduados y en obras marítimas o portuarias

Tezontles

Escoria

Jales

Rezaga

Enrocamientos

4

Tamaño de los fragmentos

De graduaciones diversas, normalmente hasta 7,6 cm (3”), cuando mucho De graduaciones diversas, normalmente hasta 7,6 cm (3”), cuando mucho

Tamaños diversos, mayores a 76 mm

MANUAL DE DISEÑO DE OBRAS CIVILES-CFE B.2.1 CARACTERIZACIÓN DE LOS DEPÓSITOS DE SUELOS

Figura 1.2 Esquema para clasificar suelos de grano grueso (ASTM D2488 09a)

A continuación se proporciona información descriptiva complementaria para la clasificación de suelos gruesos. 







Angulosidad. Describe a las arenas (granos de algunos tamaños perceptibles a simple vista), gravas, guijarro y roca como angulosos, subangulosas, subredondeada y redondeados de acuerdo con el criterio de la Tabla 1.3 y la Fig 1.3. La angulosidad puede variar de redondeada a angulosa. Forma. Detalla la forma de las gravas a guijarros y de las rocas como tabular, alargadas o equidimensionales, de acuerdo con el criterio de la Tabla 1.4 y las Figs 1.4 y 1.5. Se especifica la fracción de las partículas que tienen la forma indicada, como por ejemplo: “Una tercera parte de las partículas de grava de la muestra son tabulares”. Color. El color es una propiedad importante en la identificación de suelos orgánicos y para identificar los suelos de acuerdo con su origen geológico (Fig 1.6). Si la muestra contiene estratos o manchas de colores variados, esto debe ser descrito adecuadamente (Tabla 1.5). El color que se reporte debe ser el resultado de la observación de muestras húmedas. Si el color representa la condición seca, este estado deberá reportarse en la clasificación (Tabla 1.6). Olor. Es necesario describir el olor, ya sea orgánico o alguno inusual. Los suelos que contienen una cantidad significante de materia orgánica comúnmente tienen un olor distintivo de vegetación descompuesta. Esto aparece en muestras recién recuperadas, pero si las muestras son secas, el olor frecuentemente puede ser recuperado con la calefacción o el humedecimiento de la muestra. Si el olor es peculiar como de productos 5

B.2.1 CARACTERIZACIÓN DE LOS DEPÓSITOS DE SUELO B.2.1.2 EXPLORACIÓN Y MUESTREO DE SUELOS derivados del petróleo, químicos o sus equivalentes, esto deberá ser descrito claramente. Condiciones de humedad. Describe las condiciones húmedas, secas o saturadas, de acuerdo con el criterio de la Tabla 1.6. Reacción al ácido clorhídrico. Especifica la reacción al acido clorhídrico como nula, débil o fuerte de acuerdo con el criterio de la Tabla 1.7. Cementación. Describe la cementación de los suelos de grano grueso, como débil, moderado o fuerte, de acuerdo con el criterio de la Tabla 1.8 y la Fig 1.7. Estructura. Define la estructura del suelo de acuerdo con el criterio de la Tabla 1.9. Dureza. Se refiere a la dureza de las partículas de suelo, como dura o estado que tengan cuando las partículas son golpeadas por un martillo.

  

 

Tabla 1.3 Criterio para describir la angulosidad de partículas de grano grueso (ASTM D 2488-09a) DESCRIPCIÓN

CRITERIO

Angulosa

Granos que tienen esquinas agudas y bordes afilados.

Subangulosa

Similar a la descripción anterior pero con algunas esquinas redondeadas.

Subredondeada

Se distinguen pero no se sienten las aristas ni los bordes.

Redondeada

No se distinguen esquinas o bordes al rolarlo.

Tabla 1.4 Criterio para describir las formas de las partículas de grano grueso (ASTM D 2488-09a) DESCRIPCIÓN

CRITERIO

Tabular

Granos con relación ancho (W)/espesor (T) > 3 (fig 1.4)

Alargada

Granos con relación longitud (L)/ancho (W) > 3

Equidimensional

Granos que cumplen con ambos criterios

La forma de las partículas se describe considerando que longitud, ancho y espesor se refiere respectivamente a la dimensión más grande, intermedia y menor.

6

MANUAL DE DISEÑO DE OBRAS CIVILES-CFE B.2.1 CARACTERIZACIÓN DE LOS DEPÓSITOS DE SUELOS Tabla 1.5 Características de la coloración COLOR

DESCRIPCIÓN

Uniforme

Una sola tonalidad.

Manchas

Un color discordante, de tamaño apreciable sobre un fondo uniforme.

Moteado

Manchas pequeñas (pecas) sobre un mismo fondo.

Marmoleado

Dos o más colores que ocurren con igual frecuencia. No hay predominio de color.

Bandeado

Colores distintos dispuestos en bandas.

Tabla 1.6 Criterio para describir las condiciones de humedad (ASTM D 2488-09a) DESCRIPCIÓN

CRITERIO

Seco

Falta de humedad, polvoriento, seco al tacto.

Húmedo

Con humedad pero el agua aún no es visible.

Saturado

Agua visible, usualmente el espejo de agua se ve por encima del suelo.

Tabla 1.7 Criterio para describir la reacción al ácido clorhídrico, HCl (ASTM D 2488-09a) DESCRIPCIÓN

CRITERIO

Nula

Reacción no visible.

Débil o media pero no permanente

Poca reacción formando pequeñas burbujas.

Fuerte o permanente

Reacción violenta rápidamente.

formando

burbujas

Tabla 1.8 Criterio para describir la cementación entre granos (ASTM D 2488-09a) DESCRIPCIÓN

CRITERIO

Débil

Desmoronable o deleznable con poca presión de los dedos.

Moderado

Desmoronable o frágil con considerable presión de los dedos.

Fuerte

No desmoronable ni frágil con presión de los dedos.

Cementante. Sustancia que une partículas de suelo proporcionándoles cierta cohesión aparente. 7

B.2.1 CARACTERIZACIÓN DE LOS DEPÓSITOS DE SUELO B.2.1.2 EXPLORACIÓN Y MUESTREO DE SUELOS Tabla 1.9 Criterio para describir la estructura (ASTM D 2488-09a) DESCRIPCIÓN

CRITERIO

Estratificada

Estratos alternados de materiales variados o colores, con capas de por lo menos 6 mm de espesor.

Laminada

Estratos alternados de variados materiales o colores, con capas de menos de 6 mm de espesor.

Fisurada

Rotura o fractura a lo largo de planos definidos, con poca resistencia al fracturamiento.

Superficie de deslizamiento

Planos de fractura con apariencia pulida.

Bloques

Suelos cohesivos que pueden quebrarse.

Lentes

Inclusiones de pequeñas bolsas de arena de diferentes suelos tal como pequeños lentes de arena dispersa y lentes de arcilla.

Homogénea

Mismo color y apariencia.

Redondeada

Subangulosa

Subredondeada

Rm

ax

Angulosa

r2 r1

R

Radio medio de esquinas y bordes r1  r2  ...  rn  n  Radio máximo de círculo inscrito Rmáx

Figura 1.3 Angulosidad de las partículas de grano grueso. En estos esquemas R es la redondez

8

MANUAL DE DISEÑO DE OBRAS CIVILES-CFE B.2.1 CARACTERIZACIÓN DE LOS DEPÓSITOS DE SUELOS Equidimensional

Alargada

Tabular

Figura 1.4 Forma de granos

W= Ancho T= Espesor L= Longitud

Plana o tabular W/T>3 Alargada: L/W>3 Tabular y alargada: ambos criterios

Figura 1.5 Criterio para clasificar la forma de los granos (ASTM D 2488 09a)

9

B.2.1 CARACTERIZACIÓN DE LOS DEPÓSITOS DE SUELO B.2.1.2 EXPLORACIÓN Y MUESTREO DE SUELOS Blanco Caolín Granos de calcita Carbonatos, vidrio volcánico Materia orgánica animal Cuarzo

-

Gris en diferentes tonos Negro Minerales ferromagnesianos Biotita, hornblenda, magnetita, etc Evaporación de algunos óxidos de fierro Materia orgánica Ceniza volcánica

-

Café amarillento (ocre) - De limolita

Blanco

Ocre claro

Negro

Café olivo

Café oscuro Café

Blanco -Óxido de hierro Negro

(en general orgánico)

Café claro Café grisáceo Café oscuro (Minerales de materia orgánica)

Rojo -Feldespato, óxidos de fierro, por gases sulfúricos, materia orgánica

Rojo (hematita)Rosa Café rojizo Blanco

Negro

Rojo oscuro (Mineral, materia orgánica)

Verde olivo -Reducción óxidos de fierro, por gases sulfúricos, materia orgánica

Blanco

Verde olivo claro Verde olivo grisáceo

Negro

Verde olivo oscuro

Figura 1.6 Materiales que pueden dar diferente coloración al suelo

10

MANUAL DE DISEÑO DE OBRAS CIVILES-CFE B.2.1 CARACTERIZACIÓN DE LOS DEPÓSITOS DE SUELOS Limo Arcilla Sílice Sesquióxidos Alúmina Compuestos orgánicos Cementantes comunes: Ca (calcita) Mg (dolomita) Carbonatos

Fe (siderita) Ca, Mg, Fe (ankerita)

Figura 1.7 Cementantes comunes b)

Clasificación de suelos finos.

También en este caso se considera a los suelos finos (menores que la malla N° 200) agrupados con un criterio similar al usado para los suelos gruesos (Fig 1.8; apoyarse en el Anexo 1.1) y dando lugar a las siguientes subdivisiones. En la tabla 1.10 se presentan la clasificación de suelos finos de acuerdo al tamaño de partícula.   

Limos inorgánicos de símbolo genérico M (del sueco mo y mjala) Arcillas inorgánicas, de símbolo genérico C (clay) Limos y arcillas orgánicas, de símbolo O (orgánica) Tabla 1.10 Clasificación de suelos finos según su tamaño

Retenido en malla N°

Hidrómetría

Microscopía

Tamaño máximo

FRAGMENTOS

FRAGMENTOS

EPICLÁSTICOS

PIROCLÁSTICOS

mm

m

0,06

6E-05

Grueso

0,02

2E-05

Mediano

0,006

6E-06

Fino

2E-04

2E-07

Gruesa

1E-04

1E-07

Mediana

1E-05

1E-08

Fina

Gruesa Limo Ceniza Fina

volcánica

Arcilla

A continuación se proporciona información descriptiva para la clasificación visual y al tacto de los suelos finos. 11

B.2.1 CARACTERIZACIÓN DE LOS DEPÓSITOS DE SUELO B.2.1.2 EXPLORACIÓN Y MUESTREO DE SUELOS Dilatancia (Prueba de movilidad de agua) Esta prueba se utiliza para distinguir el carácter de los finos del suelo. La dilatancia es una medida cualitativa de la facilidad con que el suelo libera agua después de agitarlo. En arenas finas homogéneas o en limos el agua sube rápidamente a su superficie y le da una apariencia brillante o reluciente. Al incrementarse el contenido de arcilla la reacción se hace más lenta o nula.

La prueba se realiza siguiendo los siguientes pasos: 

Elimine a mano las partículas de suelo mayores que 0,5 mm.



Forme una pastilla de suelo húmedo, bien homogeneizada, aproximadamente 15 cm3 (que quepa en la palma de la mano).



En caso necesario añada agua para obtener una mezcla suave pero no pegajosa.



Coloque la pastilla en la palma de la mano y agite horizontalmente golpeando contra la otra mano varias veces.



Estime la velocidad con que le aparece el agua en la superficie de la pastilla si ésta se torna lustrosa y aquella con la que desaparece al apretar la pastilla entre los dedos.



Catalogue la velocidad como rápida, lenta o nula (Tabla 1.11) y de acuerdo con lo establecido en la parte inferior izquierda del Anexo 1.1.

de

Prueba de resistencia en estado seco Esta prueba mide la resistencia a la rotura de una muestra de suelo en estado seco, sometida a la presión ejercida por los dedos. Se realiza para determinar el grado de cohesión de las partículas finas del suelo y para evaluar su plasticidad. Los limos no plásticos y los polvos de roca no tienen resistencia en estado seco. Al aumentar el contenido de arcilla en el suelo se aumenta la resistencia seca. Con los pasos siguientes se podrá realizar correctamente la prueba:

12



Elimine de la muestra las partículas con tamaño mayor que 0,5 mm.



Moldee una pastilla de suelo hasta que alcance la consistencia de una masilla añadiendo agua si es necesario.



Deje secar totalmente la pastilla al sol y al aire.



Estime la resistencia de la pastilla seca tratando de desmoronarla o romperla con los dedos.



Catalogue la resistencia como nula, ligera, media, alta o muy alta y clasifique al suelo de acuerdo con el criterio de la Tabla 1.12 y al Anexo 1.1.

MANUAL DE DISEÑO DE OBRAS CIVILES-CFE B.2.1 CARACTERIZACIÓN DE LOS DEPÓSITOS DE SUELOS Prueba de tenacidad Se realiza para medir cualitativamente la plasticidad de una muestra de suelo y su rigidez o tenacidad al acercarse al límite plástico. En el ensayo se rola una porción de suelo hasta obtener un cilindro de 3 mm de diámetro. Con los pasos siguientes se podrá realizar correctamente la prueba: 

Elimine de la muestra las partículas mayores que 0,5 mm.



Moldee un espécimen de suelo de aproximadamente 15 cm 3 hasta alcanzar una masilla. Si el suelo está seco, agregue agua; si al contrario, está pegajoso, extiéndalo para formar una capa delgada de suelo que permita la pérdida de humedad por evaporación.



Cuando se tenga la consistencia esperada, role la pastilla de suelo con la mano sobre una superficie lisa o entre las palmas, tratando de formar un rollito de aproximadamente 3 mm de diámetro.



Repita esta operación varias veces, hasta que el rollito pierda su plasticidad (se ponga tieso y se desmorone).



Recolecte los pedazos y júntelos nuevamente amasando la pastilla con los dedos hasta que se vuelva a desmoronar.



Catalogue la debilidad del rollito en el límite plástico y la facilidad con que la pastilla se desmorona y pierde la cohesión; una vez que se ha rebasado este límite, describa la tenacidad del suelo como baja, media o alta y clasifique al suelo de acuerdo con el criterio de la Tabla 1.13 y Anexo 1.1.

Plasticidad Es la propiedad característica de los suelos con minerales arcillosos para deformarse sin agrietarse. Una de las observaciones básicas hechas durante la prueba de tenacidad es que se describe la plasticidad siguiendo los criterios de la Tabla 1.14.

Consistencia Para la integridad de suelos de grano fino se describe como muy blanda, blanda, firme, dura y muy dura de acuerdo con el criterio de la Tabla 1.15. Esta condición se da únicamente en suelos finos que no tengan considerables contenidos de gravas. En la Tabla 1.16 se presenta un resumen de la clasificación de suelos mediante pruebas manuales

13

B.2.1 CARACTERIZACIÓN DE LOS DEPÓSITOS DE SUELO B.2.1.2 EXPLORACIÓN Y MUESTREO DE SUELOS Ejemplos de descripción visual de suelos 

Grava bien graduada con arena (GW): 75% de grava fina, cuarzosa, dura y subangulada; 25% de arena fina, cuarzosa, dura y subangular; la fracción fina tiene tamaño máximo de 75 mm, color café y no reacciona con el ácido clorídrico (HCL).



Arena limosa con grava (SM): 60% de arena fina, 25% de limos de baja plasticidad, baja resistencia seca, dilatancia rápida y dureza baja; 15% de grava fina, dura, subredondeada; algunas partículas de grava fracturadas con martillo, tamaño máximo 25 mm, sin reacción al HCL (Nota: el tamaño de muestra mas pequeño que el recomendado).



Condiciones locales: Suelo estratificado con lentes de 25 a 50 mm de espesor, húmedo, café a gris, densidad en campo 17 kN/m3 y contenido de agua en campo de 9%.



Suelo orgánico (OL/OH): 100% de finos con baja plasticidad, dilatancia lenta, resistencia seca baja y dureza baja; húmedo, café oscuro, olor orgánico; reacción débil al HCL.



Arena limosa con limos orgánicos (SM): 75% de arena fina cuarzosa, dura, subangular, rojiza; 25% de finos orgánicos y lmosos, café oscuros, no plásticos, sin resistencia seca y dilatancia lenta; húmedo; arena cuarzosa con reacción débil al HCL.



Grava mal graduada con limo, adoquines y rocas (GP-GM): 75% de grava fina cuarzosa, dura subredondeada a subangular; 15% de arena, fina, dura, subredondeada a subangular; 10% de finos limosos, cafés, no plásticos, sin reacción al HCL; la muestra de campo original tuvo cerca de un 5% (en volumen) de adoquines, duros, subredondeados y una traza de rocas duras subredondeadas con dimensión máxima de 450 mm.

Tabla 1.11 Criterio para describir la dilatancia (ASTM D 2488 09a) DESCRIPCIÓN

CRITERIO

Nula

No hay cambio visible en el espécimen.

Lenta

El agua aparece lentamente sobre la superficie durante el agitado y no desaparece; aparece lentamente en la superficie externa del suelo.

Rápida

El agua aparece rápidamente sobre la superficie del espécimen durante el agitado y desaparece rápidamente en el exprimido.

*Clasificación probable o aproximada 14

CLASIFICACIÓN CH* MH o CL*

ML*

MANUAL DE DISEÑO DE OBRAS CIVILES-CFE B.2.1 CARACTERIZACIÓN DE LOS DEPÓSITOS DE SUELOS

Tabla 1.12 Criterio para describir la resistencia en estado seco (ASTM D 2488 09a) DESCRIPCIÓN

CRITERIO

CLASIFICACIÓN

Nula

El espécimen seco se desmorona y se pulveriza con una simple presión de las manos.

ML*

Ligera

El espécimen seco se desmorona y se pulveriza con la presión de algunos dedos.

CL*

Media

El espécimen seco se rompe en algunas piezas o se desmorona con considerable presión de los dedos.

CL o MH*

Alta

El espécimen seco no se puede romper con presión de los dedos. El espécimen se rompe a pedazos entre el pulgar y una superficie dura.

CL o MH*

Muy alta

El espécimen seco no se puede romper entre el dedo pulgar y una superficie dura.

CH*

*Clasificación probable o aproximada

Tabla 1.13 Criterio para describir la tenacidad (ASTM D 2488 09a) DESCRIPCIÓN

CRITERIO

CLASIFICACIÓN

Baja

Se requiere una pequeña presión en el rollito para estar cerca del límite plástico; los rollitos son débiles y blandos.

ML*

Media

Se requiere de una presión media en el rollito para estar cerca del límite plástico. La masa y el rollito tienen mediana firmeza.

CL o MH*

Alta

Se requiere de una considerable presión para estar cerca del límite plástico. La masa y el rollito tienen muy alta firmeza. *Clasificación probable o aproximada

CH*

15

B.2.1 CARACTERIZACIÓN DE LOS DEPÓSITOS DE SUELO B.2.1.2 EXPLORACIÓN Y MUESTREO DE SUELOS

Figura 1.8 Esquema para clasificar suelos de partículas finas (ASTM D 2488 09a)

Tabla 1.14 Criterio para describir la plasticidad (ASTM D 2488 09a)

16

DESCRIPCIÓN

CRITERIO

Nula

A 1/8” (3 mm) no se puede hacer el rollito debido al bajo contenido de agua.

Baja

Se puede hacer escasamente el rollito y la masa no puede ser formada cuando su humedad está cercana al límite plástico.

Media

Se puede hacer fácilmente el rollito y no requiere mucho tiempo encontrar el limite plástico. El rollito no se puede rehacer, después de haber llegado al límite plástico. La masa se desmorona cuando la humedad se acerca a la del límite plástico.

Alta

Tarda un tiempo considerable hacer el rollito, amasar y llegar al límite plástico. El rollito puede ser conformado varias veces antes de encontrar su límite plástico y puede ser formado con los restos del desmoronamiento cuando su humedad es la del límite plástico.

MANUAL DE DISEÑO DE OBRAS CIVILES-CFE B.2.1 CARACTERIZACIÓN DE LOS DEPÓSITOS DE SUELOS Tabla 1.15 Criterios para describir la consistencia (ASTM D 2488-09a) DESCRIPCIÓN

CRITERIO

Muy blanda

No se requiere ejercer una presión que penetre el pulgar en el suelo más de 1” (25 mm).

Blanda

El pulgar se hunde fácilmente. Se puede moldear fácilmente con los dedos.

Firme

Se requiere ejercer una cierta presión para que el pulgar penetre o deje huella. Es decir, opone resistencia a la deformación.

Dura

El pulgar no penetra. Opone mucha resistencia a la deformación. Se puede marcar con la uña.

Muy dura

No se marca al suelo ni con el pulgar ni con la uña.

Tabla 1.16 Identificación de los suelos finos en la prueba manual (ASTM D 2488 09a) SÍMBOLO DEL SUELO

RESISTENCIA EN ESTADO SECO

DILATANCIA

TENACIDAD

ML

Nula o baja

Lenta a rápida

Es muy difícil o imposible formar el rollito

CL

Media a alta

Nula a lenta

Media

MH

Baja a media

Nula a lenta

Baja a lenta

CH

Alta a muy alta

Nula

Alta

c)

Clasificación geológica de los depósitos de suelo.

En la Tabla 1.17 se muestran los nombres empleados en la geología para designar diferentes clases de depósitos de suelos, así como la relación que existe entre el proceso de depositación y su influencia en la textura, estructura y compacidad.

17

B.2.1 CARACTERIZACIÓN DE LOS DEPÓSITOS DE SUELO B.2.1.2 EXPLORACIÓN Y MUESTREO DE SUELOS Tabla 1.17 Clasificación de los suelos según su origen geológico (Tamez, 2001)

CLASIFICACIÓN

PROCESO DE FORMACIÓN

Residuales

NATURALEZA DE LOS DEPÓSITOS

TEXTURA

ESTRUCTURA

CONSISTENCIA O COMPACIDAD

In situ

Granular o coloidal

Fracturas de la roca madre

Blanda a dura

Abanicos

Granular, media y subangulosa

Heterogénea

Suelta a semicompacta

Granular, fina a coloidal

Heterogénea, lenticular o estratificada

Suelta a compacta

Granular, media a fina o coloidal

Homogénea

Llanuras Terrazas

Aluviales

Deltas

Coluviales

Transportados

Marinos

Glaciares

Lacustres

Talus

Granular, gruesa y angulosa

estratificada

Heterogénea

Morrenas Fluviales Marinos

Loess Eólicos

Piroclástico

Heterogénea Blanda a dura

Granular, fina y uniforme

Homogénea

Muy suelta

Granular, gruesa a fina

Heterogénea, estratificada y homogénea

Suelta a compacta

Coloidal o fibrosa

Estratificada

Muy blanda

Lacustres Orgánicos

Ninguno o aluviales

Residuales Marinos Lacustres

18

Suelta

Estratificada

Superficiales Marinos

Blanda a dura

Compacta Granular, gruesa o coloidal

Lacustres Dunas

Suelta a compacta

MANUAL DE DISEÑO DE OBRAS CIVILES-CFE B.2.1 CARACTERIZACIÓN DE LOS DEPÓSITOS DE SUELOS 1.1.2

Clasificación en campo de suelos con problemas especiales

El objetivo de este título, es dar una definición general de los suelos con problemas especiales que se pueden encontrar en la República Mexicana, y algunas recomendaciones para su identificación en campo. Los suelos que se consideran especiales para fines de este título son algunos suelos orgánicos; también se incluyen suelos expansivos, residuales, dispersivos, colapsables y licuables.

a)

Suelos orgánicos.

La identificación de suelos orgánicos inicia en campo durante la exploración y el reconocimiento del sitio, enfocados a visualizar problemas de asentamientos importantes debido a la degradación de la fracción orgánica de los suelos y la presencia de suelos no recomendables como soporte para la cimentación de estructuras. Los suelos orgánicos, como su nombre lo indica, presentan un alto contenido de materia orgánica. Están conformados por material vegetal en descomposición y/o por residuos sólidos orgánicos. Estos suelos usualmente presentan reacción ante el agua oxigenada (H2O2), tienen un contenido mayor que 2% de materia orgánica (Myslinska, 2003), índice de plasticidad alto y alta pérdida de masa por calentamiento a temperaturas por encima de 440ºC. También, son altamente compresibles, con baja resistencia al esfuerzo cortante no drenada y potencialmente corrosivos (Sabatini y colaboradores, 2002). De acuerdo con el SUCS (ASTM D 2488-09a), los suelos de grano fino orgánico se clasifican como OL/OH, cuando se identifica la presencia de partículas de materia orgánica que influyen en las propiedades del suelo, como se mencionó anteriormente. El esquema para la clasificación de este tipo de suelos se observa en la Fig 1.9.

Figura 1.9 Esquema para clasificar suelos orgánicos (ASTM D2488-09a)

La turba “Pt” y los suelos altamente orgánicos se identifican en campo fácilmente, por su color, olor, sensación esponjosa (Manual CFE, 1979) y por ser altamente compresibles (USACE, 2001a). A continuación se sugieren las siguientes características por identificar:  

Origen. Los suelos orgánicos están conformados por materia orgánica parcialmente descompuesta, pasto y otro tipo de vegetación (USACE, 2001a). Color. Su color es oscuro, variando desde el café mate al negro. 19

B.2.1 CARACTERIZACIÓN DE LOS DEPÓSITOS DE SUELO B.2.1.2 EXPLORACIÓN Y MUESTREO DE SUELOS 





Textura. Varía de grumosa finamente dividida en el caso de la turba resultado de una descomposición avanzada de tipo aerobio, a una textura fibrosa en la turba que ha estado siempre sumergida (Manual CFE, 1979). Olor. Los suelos orgánicos tienen un olor rancio que disminuye al exponerlo al aire. El olor puede ser reavivado con el calentamiento de la muestra húmeda o por la exposición de la muestra fresca (USACE, 2001a). Contendido de materia orgánica. La presencia de materia orgánica en los suelos se detecta adicionando a una muestra algunas gotas de peróxido de hidrógeno H2O2 (agua oxigenada). La turba “Pt”, es un suelo de origen natural, altamente orgánico de acuerdo con el SUCS, el cual está compuesto principalmente por fibras vegetales en varios grados de descomposición, que le dan una textura entre fibrosa y amorfa. Su color varía entre café oscuro y negro y presenta olor orgánico. Este tipo de suelo no entra en la clasificación presentada en la Fig 1.10, y se diferencia de otros suelos orgánicos por su bajo contenido de ceniza, menor a 25% (ASTM D 4427-92). La turba Pt puede dividirse en tres tipos de acuerdo con la Tabla 1.18. Acorde con su origen geológico secundario, los depósitos de turba se forman en depresiones correspondientes a zonas de asentamiento o de topografía irregular, deltas, antiguos cauces, esteros, planicies de inundación fluvial y bordes de lagos. En ellos no se define estratificación.

En el caso de suelos orgánicos no superficiales, se pueden identificar durante la exploración geotécnica de la siguiente manera. Con la utilización del cono eléctrico con medición de punta y fricción, los suelos orgánicos presentan una relación de fricción mayor que 5,1% y con cono eléctrico esta relación es mayor que 8,1% (EPRI, Manual Soil Prop Estimating, section 2. Basic soil characterization). En la Fig 1.10, se observa la clasificación de distintos suelos usando la prueba CPT. Este método solo proporciona una orientación o guía que debe verificarse.

De acuerdo con la literatura existente, los suelos orgánicos se pueden clasificar siguiendo otros criterios. Algunos de estos se presentan a continuación.

20

MANUAL DE DISEÑO DE OBRAS CIVILES-CFE B.2.1 CARACTERIZACIÓN DE LOS DEPÓSITOS DE SUELOS Tabla 1.18 Tipos de turba de acuerdo con su textura, según el SUCS (ASTM D 4427-13) TIPOS DE TURBA

TEXTURA

Fibrosa

Contiene 67% de fibra; está conformada por restos de materia vegetal parcialmente descompuesta donde se pueden identificar claramente restos vegetales o plantas. Esta turba no se escurre entre los dedos y el agua que arroja es clara o con una ligera turbidez. Consistencia media a firme, plasticidad baja a moderada y baja contracción por secado.

Seudo fibrosa

Contiene entre 33% y 67% de fibra; conformada por materia orgánica entre moderada y completamente descompuesta siendo difícil identificar las plantas. El agua que arroja es turbia o enlodada y la cantidad de turba que se escurre entre los dedos está entre 0% y 30%. Plasticidad media a alta y alta contracción por secado.

Amorfa

Contiene menos de 33% de fibra; está conformada por materia orgánica con alta descomposición. Entre 50% y 100% de la turba se escurre entre los dedos. El color puede variar entre negro, verde olivo y amarillo o combinaciones de estos. Alta contracción por secado.

Clasificación conforme al origen del suelo orgánico De acuerdo con su origen, la acumulación de suelos orgánicos tomando en cuenta los factores hidrogeológicos, tiene lugar en tres ambientes básicos (Tobolski, 2000 y Myslinska, 2003). 

 

Fluvial. Típico para la formación de gyttja (materiales de origen orgánico, como cadáveres de animales y plantas que se descomponen en aguas estancadas, con un contenido de carbonato de calcio mayor a 80%). Fluvio-terrestre. Ambiente propicio para la formación de turba de ciénaga (fen-peat) y de lodos. Terrestre. Responsable de la formación de turba de pantano (bog-peat), turba de transición y suelos húmicos (compuestos principalmente por el humus resultante de la descomposición de la materia orgánica vegetal y animal).

21

B.2.1 CARACTERIZACIÓN DE LOS DEPÓSITOS DE SUELO

Cono de fricción mecánico

400

Cono de fricción eléctrico

400

1,1

1,3

300

1,6

300

1,4

1,9 2,3 2,6 2,8 3,1 3,6 4,5 5,1 6,3 7,0

200

100

0

1,8 2,2 2,5 2,9 3,3 4,0 5,0 8,1 10,0

200

100 Turba

0 0

1

2

3

Resistencia por fuste, fs/po

4

Relación de fricción, Fr %

Resistencia por punta, qc /po

B.2.1.2 EXPLORACIÓN Y MUESTREO DE SUELOS

0

1

2

3

4

Resistencia por fuste, fs/po

Figura 1.10 Clasificación de suelos con la prueba CPT Clasificación biogénica Esta se debe a Marks (1992), quien subdivide los depósitos biogénicos en los siguientes grupos.



 

22

Depósitos sapropélicos de lago. Son aquellos que se originan de lodo rico en materia orgánica putrefacta, principalmente de restos de plancton animal. Éstos se dividen también en dy y en gyttja. - El dy se origina de tanques distróficos (cuerpos de agua ácidos que contiene muchas plantas pero pocos peces, debido a la presencia de grandes cantidades de materia orgánica) y tiene contenidos mayores a 50% de materia orgánica coloidal alóctona (que no es originaria del lugar donde se encuentra) de color café oscuro, parecido a la turba, es ácido con pequeñas cantidades de calcio. Se puede incluir dentro de la gyttja o turba extremadamente descompuesta. - La gyttja se origina de depósitos sapropélicos (provenientes de lodo rico en materia orgánica putrefacta) de lagos eutróficos (abundantes en nutrientes como nitrógeno y fósforo que favorecen el crecimiento de algas y otros organismos) ricos en oxígeno y materia orgánica. Se caracterizan por la presencia de partículas orgánicas como plancton, materia orgánica, carbonato de calcio y partículas de minerales no carbonatados. Depósitos húmicos de pantano. Formados de restos de plantas. Turbas. Se forman en la orilla de las zonas de lago y en zonas cubiertas de plantas pero con humedad.

MANUAL DE DISEÑO DE OBRAS CIVILES-CFE B.2.1 CARACTERIZACIÓN DE LOS DEPÓSITOS DE SUELOS

Clasificación de acuerdo con el contenido de ceniza. Esta clasificación fue propuesta por la Escuela de Agricultura de Varsovia (Wolski, 1996) y se basa en el contenido de ceniza (porcentaje de partículas minerales de tamaño inferior a 2 mm). Ésta se presenta en la Tabla 1.19.

Tabla 1.19 Clasificación de suelos orgánicos conforme al contenido de cenizas Tipo de suelo orgánico

Contenido de ceniza

Turba de bajo contenido de ceniza.

0 – 25%

Turba de contenido medio de ceniza.

25% – 50%

Lodos con alto contenido de ceniza.

50% - 80%

Arcillas y arenas orgánicas (suelos orgánicos-minerales).

80% - 98%

Gyttja y marga de lago (suelos orgánico-calcáreos).

Clasificación independiente del contenido de ceniza.

Clasificación de acuerdo con los parámetros físicos del suelo orgánico Esta clasificación, que se presenta en la Tabla 1.20, fue propuesta por Borys (1996) y se basa en valores de los parámetros físicos del suelo orgánico (tipo de suelo, grado de descomposición de la turba, contenido de carbonato de calcio, contenido de ceniza sin carbonato de calcio, humedad, ángulo de fricción interna, etc).

Tabla 1.20 Clasificación de suelos orgánicos de acuerdo con parámetros físicos Descripción del suelo orgánico Suelos orgánicos de madera (Warps) Lodos Turba fangosa Turba no fangosa (amorfa, amorfa – fibrosa, fibrosa) Gyttja mineral Gyttja orgánica Gyttja carbonatada Desechos

Contenido de ceniza

Otros componentes

80% - 98%

-

25% - 80% 25% - 80% 0% - 25%

-

Mayor a 65% Menor a 65% Menor a 60% 20 – 98%

CaCO3 menor a 20% CaCO3 0% - 20% CaCO3 20% - 90% -

23

B.2.1 CARACTERIZACIÓN DE LOS DEPÓSITOS DE SUELO B.2.1.2 EXPLORACIÓN Y MUESTREO DE SUELOS

Clasificación de acuerdo con el contenido de materia orgánica (ISO 2001) En esta clasificación, que es la vigente en Europa, los suelos orgánicos se identifican microscópicamente por su color oscuro y su olor característico. Además, se subdividen con base en su contenido de materia orgánica (determinado en relación con la masa seca del suelo de tamaño de grano mayor a 2 mm de diámetro). Esta clasificación se presenta en la Tabla 1.21.

Tabla 1.21 Clasificación de suelos orgánicos de acuerdo con el contenido de materia orgánica (ISO 2001(a) e ISO 2001(b)) Tipo de suelo orgánico

Contenido de materia orgánica CMO

Suelos con bajo contenido de materia orgánica.

2% - 6%

Suelos con contenido medio de materia orgánica.

6% - 20%

Suelos con contenido alto de materia orgánica.

Mayor a 20%

Además las normas ISO 2001(a) e ISO 2001(b), clasifica estos suelos por su origen y algunas propiedades, de la siguiente manera:     

Turba fibrosa. Se caracteriza por su estructura fibrosa donde se distinguen restos de plantas y algo de resistencia remanente. Turba seudofibrosa. Se reconoce por contener restos de plantas pero presenta disminución en su resistencia. Turba amorfa. No es visible una estructura de plantas y su consistencia es blanda. Gyttja. Contiene restos de animales y plantas descompuestas y puede contener constituyentes inorgánicos. Suelos húmicos. Contiene restos de plantas, organismos vivientes y sus excretas, gran contenido de constituyentes inorgánicos. Forman la capa vegetal.

Clasificación de acuerdo con el contenido de materia orgánica (ASTM D 2974) Esta clasificación fue propuesta por Landva y colaboradores (1983), conforme el contenido de materia orgánica, según la norma “Standard Test Method for Moisture, Ash, and Organic Matter of Peat Material and Other Organic Soils”, ASTM D 2974. Landva dividió los suelos orgánicos en cuatro grupos: (1) turba (Pt) (2) suelo orgánico con turba (PtO) (3) suelo orgánico (O), y (4) arcillas y limos con contenido orgánico. En la Tabla 1.22, se muestra dicha clasificación (Sabatini et al, 2002).

24

MANUAL DE DISEÑO DE OBRAS CIVILES-CFE B.2.1 CARACTERIZACIÓN DE LOS DEPÓSITOS DE SUELOS

Tabla 1.22 Clasificación de suelos orgánicos y turbas por el contenido de materia orgánica (ASTM D 2974-07a) Contenido de materia orgánica (CMO)

Contenido de agua (wn)

Gravedad específica (Gs)

Contenido de fibra

Pt

500%

50%

PtO

20-40%

150 – 800%

1,6 – 1,9

1,7

Despreciable

MO, CO

95 – 99%

2,4

Ninguno

Tipo de suelo

(CF)

La materia orgánica influye de manera importante en las propiedades del suelo, haciéndolo altamente compresible y susceptible a asentamientos importantes, por lo que este tipo de suelos no es recomendable como suelo de desplante. La identificación de suelos orgánicos en el campo es crucial para prevenir o mitigar oportunamente problemas como éste. Dentro de las clasificaciones existentes para suelos orgánicos, las que están basadas en el contenido de materia orgánica, son las de mayor aplicación para la ingeniería práctica.

b)

Suelos expansivos.

Los suelos expansivos abundan en aquellos sitios donde la evapotranspiración excede la precipitación. Se trata principalmente de arcillas cuya composición mineral es la montmorillonita. Están formados por una lámina alumínica entre dos sílicas con enlaces débiles, lo que facilita la penetración de moléculas de agua a su estructura reticular. Otros autores y dependencias clasifican a los suelos expansivos de la siguiente manera. Donalson (1969) dividió en dos a los grupos de materiales que dan origen a suelos expansivos. El primer grupo comprende las rocas ígneas básicas (basaltos y gabros); el segundo a las rocas sedimentarias que contienen montmorillonita constituyente, las cuales se desintegran mecánicamente para formar los suelos expansivos (Chen, 1988). Otros estudiosos de estos suelos, Holtz y Gibbs (1956), analizaron los cambios de volumen producidos en éstos al humedecerse súbitamente. Un indicativo de la presencia de suelos expansivos en el campo es la desecación de la superficie, así como la aparición de grietas y fisuras en los depósitos de arcilla. También pueden observarse ondulaciones en el terreno. La identificación de estos suelos en campo se trata en detalle en el numeral 1.3.2.

c)

Suelos residuales.

Se caracterizan por los cambios en sus propiedades mecánicas en estado seco y su tendencia a la expansión en presencia de humedad. 25

B.2.1 CARACTERIZACIÓN DE LOS DEPÓSITOS DE SUELO B.2.1.2 EXPLORACIÓN Y MUESTREO DE SUELOS El suelo residual, es el resultado de la intemperización (meteorización química) in situ de la roca madre y el cual sufre poca o ninguna alteración por transporte. Provienen de esquistos, arcillolitas y limolitas que se degradaron al contacto con el agua y el aire. Estos procesos son más acelerados en ambientes tropicales, donde existen cambios de temperatura con predominio de temperaturas altas y lluvias abundantes. Su naturaleza es casi invariable, pero con la profundidad llegan a ser más compactos y menos intemperizados. Pueden tener capas alternadas duras y blandas o estratificación de la roca madre, si la intemperización es incompleta. El producto de la intemperización completa es arcilla cuyo tipo depende del proceso de meteorización y de la roca madre, además de la cantidad de partículas de sílice resistente. El suelo en etapa intermedia refleja la composición de la roca madre. En la naturaleza este proceso, se presenta en tres etapas: la primera es la desintegración, en la cual se abren las discontinuidades y se desintegra la roca, formando más discontinuidades por fractura. En esta etapa hay disminución de la cohesión, aumento en la relación de vacíos y en la permeabilidad. La segunda etapa es la descomposición, en la cual se incrementa el contenido de arcilla debido a procesos químicos o biológicos. Entre los procesos químicos que ocurren están la hidrólisis y el intercambio iónico, mientras que entre los biológicos se incluyen los efectos de las raíces, la oxidación bacteriológica y la reducción de hierro y compuestos de azufre. La última etapa es la oxidación y recementación, en la cual aumentan los óxidos de hierro y aluminio, los cuales tienen propiedades cementantes que incrementan la cohesión y estabilidad del suelo. El comportamiento geotécnico de estos suelos está influido por su mineralogía, su fábrica y las condiciones geoquímicas del medio (González de Vallejo, 2004). En las zonas de ladera y montaña, donde hay buen drenaje, por lo regular se forman suelos rojos con alto contenido de haloysitas (mineral arcilloso perteneciente al grupo del caolín, con apilamiento desordenado de las capas) los cuales presentan cambios en sus propiedades mecánicas debido a la desecación. En México se llama suelos residuales a todo aquel producto de la descomposición de las rocas que se conservan sobre la roca original; la mayor de las veces su connotación es la de suelo fino resultado de una alteración predominantemente química, en un ambiente tropical húmedo (Mendoza J M, 1985). En las zonas bajas y llanas con drenaje pobre, los suelos resultantes de la meteorización son de color negro debido a su contenido de esmectita (mineral arcilloso con presencia de cationes débilmente hidratados que favorece la penetración de moléculas de agua). Estos suelos se caracterizan por sus problemas de expansión al aumentar el contenido de agua. Por otra parte, se pueden formar suelos encostrados de buen comportamiento geotécnico en superficie, en zonas donde las condiciones de drenaje son deficientes y favorecen la precipitación de altos contenidos de un mineral predominante, como aluminio en el caso de los suelos de tipo laterita, hierro en el tipo ferricrita, silicio en el de silcritas o calcio en el de calcrita.

26

MANUAL DE DISEÑO DE OBRAS CIVILES-CFE B.2.1 CARACTERIZACIÓN DE LOS DEPÓSITOS DE SUELOS La meteorización avanza desde la superficie hacia abajo y a través de las discontinuidades de la roca, produciendo distintas intensidades y dejando bloques sin descomponer. En la Fig 1.12, se presenta un perfil tipo de suelos residuales.

Figura 1.11 Perfil típico en suelo residual

En la Fig 1.11, se puede observar que el perfil de un suelo residual típico, se puede dividir en tres zonas: una zona superior, conformada por los suelos completamente intemperizados, donde ocurre cierto arrastre de materiales; una zona intermedia, altamente intemperizada o saprolito, en cuya parte superior existe una cierta meteorización, pero también cierto grado de deposición hacia la parte inferior de la misma, y una zona ligeramente intemperizada que sirve de transición entre el suelo residual y la roca original inalterada. Para la identificación de los suelos residuales en campo se sugiere lo siguiente: 

Identificar en el campo, afloramientos de roca o cortes producto de la disección de ríos o quebradas o en taludes artificiales mayores a 10 m de altura. 27

B.2.1 CARACTERIZACIÓN DE LOS DEPÓSITOS DE SUELO B.2.1.2 EXPLORACIÓN Y MUESTREO DE SUELOS 

Estimar el grado de meteorización mediante una prueba de consistencia en campo, como se explica a continuación

La prueba de consistencia permite estudiar el grado de meteorización. Esta prueba consiste en raspar la superficie de la roca meteorizada usando una navaja o una puntilla y se observa la facilidad con que se puede cortar. En la siguiente tabla se clasifica el grado de descomposición (Suárez, 1998).

Tabla 1.23 Medición del grado de descomposición de feldespatos Grado de descomposición Poco

d)

Consistencia

Modo de reconocimiento

Dura

No puede ser cortado por una navaja, ni raspado por una puntilla. Puede ser cortado por un cuchillo o raspado por una cuchilla. Puede ser desmoronado a fragmentos de limo con las manos. Puede ser moldeado fácilmente con las manos.

Moderado

Arenosa

Alto

Deleznable

Completo

Blanda

Suelos dispersivos.

Los suelos dispersivos tienden a flocular en presencia de agua, perdiendo parte de las partículas de arcilla con elevada concentración de sales disueltas. Al separarse el flóculo, quedan partículas de menor tamaño que son fácilmente arrastradas por el agua con cierta velocidad, causando la erosión interna de estos suelos. El fenómeno de dispersividad ocurre en arcillas firmes saturadas, con un contenido salino excepcional o en suelos ácidos, en las cuales las fuerzas repulsivas entre las partículas finas (arcillas), exceden a las fuerzas de atracción entre las mismas (González-de Vallejo, 2004). Las partículas pueden permanecer indefinidamente en contacto con el agua, sin sufrir alteración, pero si se secan, se dispersan rápidamente al ponerse nuevamente en contacto con el agua (Jiménez Salas, 1990). Cuando este tipo de arcillas se sumerge en agua, la fracción de arcilla tiende a comportarse de forma similar a las partículas granulares. Esto se debe a que en las arcillas dispersivas predominan los cationes de sodio en el agua de los poros (en arcillas ordinarias hay preponderancia de cationes de calcio, potasio y magnesio), los cuales tienen una única carga positiva (si se compara con las cargas por calcio e iones de magnesio) que produce un desequilibrio en las fuerzas electroquímicas que causa repulsión entre partículas. Como las partículas de la arcilla son muy pequeñas y tienen poca masa, se desagregan fácilmente y son transportadas por el agua (Garay y Alva, 1999). La identificación de estos suelos en campo se trata en detalle en el numeral 1.3.3.

e)

Suelos colapsables.

Este suelo se caracteriza por ser fácilmente erosionable y por sufrir colapso irrecuperable por inundación. Por tal motivo, es necesario evaluar las características del material en el contenido de agua de diseño. 28

MANUAL DE DISEÑO DE OBRAS CIVILES-CFE B.2.1 CARACTERIZACIÓN DE LOS DEPÓSITOS DE SUELOS La presencia de suelos colapsables está asociada a la inestabilidad de laderas, cuyo factor detonante es el cambio de humedad. En este caso, la mejor manera de reconocerlos, dada la amplia gama de suelos susceptibles al colapso, es buscar en campo los signos activos o inactivos de movimiento en el terreno. En el caso de proyectos en zonas planas, los suelos colapsables no se pueden detectar fácilmente con una inspección visual. Por este motivo, se debe realizar una investigación de campo con el apoyo de la comunidad, para encontrar antecedentes en la zona de problemas de colapso.

La identificación de estos suelos en campo se trata en detalle en el numeral 1.3.4.

f)

Suelos licuables.

La licuación comúnmente ocurre en arenas finas saturadas, uniformes. Se observa con mayor frecuencia cerca de ríos, bahías y otros cuerpos de agua principalmente en llanuras costeras o cerca de las zonas deltaicas. Sin embargo, también se han documentado casos de licuación en algunos depósitos de arena volcánica del Antiplano Central (Mendoza et al, 1999; Mendoza y Domínguez, 2002). Su ocurrencia también es frecuente en rellenos sueltos de materiales granulares deficientemente compactados y en los jales mineros constituidos por materiales limosos o lomo arenosos que son el residuo del proceso de beneficio de metales. Al ocurrir la licuación, el suelo se comporta como un fluido viscoso con una pequeña o nula capacidad de resistir esfuerzos cortantes. El fenómeno se desencadena cuando se genera un exceso de presión de poro con la consecuente reducción de los esfuerzos efectivos. Puede ocurrir mediante la aplicación de cargas monotónicas o cíclicas. Estas últimas generalmente se presentan durante la ocurrencia de temblores. Existen varios criterios para determinar el potencial de licuación a partir de los resultados de ensayes de campo. Sin embargo, también es necesario considerar las evidencias históricas, la geología del lugar, las propiedades índice y por el estado inicial de esfuerzos. El potencial de licuación se puede estimar a partir de métodos basados en los resultados de pruebas de penetración estándar, de penetración con cono eléctrico o con el dilatómetro de Marchetti. También se han desarrollado métodos en los que se usa la velocidad de propagación de onda de corte medida en el campo en una prueba de cono sísmico o con otras pruebas como la de cross-hole o down-hole (capítulo B.2.3). Este tipo de suelo se trata en detalle en el numeral 1.3.1.

1.2

Exploración y muestreo de suelos

En todo proyecto de ingeniería es importante determinar de manera precisa las condiciones del subsuelo y obtener de una forma bastante aproximada de las propiedades físicas de los estratos de suelo involucrados. Si bien la caracterización del 29

B.2.1 CARACTERIZACIÓN DE LOS DEPÓSITOS DE SUELO B.2.1.2 EXPLORACIÓN Y MUESTREO DE SUELOS suelo se realiza en su mayoría con pruebas de laboratorio, el éxito de ésta radica en un plan de exploración del subsuelo adecuado y suficiente así como de la obtención de muestras de suelo de buena calidad. Este capítulo presenta diferentes métodos de exploración y obtención de muestras aplicables a proyectos de ingeniería que representan una guía para diseñadores y proyectistas de obras civiles.

1.2.1

Programa de exploración geotécnica

El programa de exploración geotécnica deberá proporcionar información sobre las condiciones estratigráficas del sitio en estudio y consta de dos etapas. La primera corresponde a los estudios preliminares, que estarán enfocados a determinar los problemas geotécnicos del sitio, lo que servirá para fundamentar la segunda etapa de investigación de detalle la cual incluye la realización de sondeos y pruebas de campo y de laboratorio. Es posible que en función de la importancia del proyecto y de las condiciones del sitio, sea necesario que en la etapa de estudios preliminares se ejecuten sondeos y pruebas de laboratorio orientadas a definir la factibilidad del mismo.

a)

Estudios preliminares.

Consisten esencialmente en analizar la información existente de las áreas del proyecto. Incluye visitas de reconocimiento del sitio, a fin de contar con las observaciones y datos que permitan definir los lugares más adecuados para la construcción de la obra, con base en las condiciones geológicas y geotécnicas de la zona (CFE, 1979). A continuación se enlistan algunos puntos que usualmente se desarrollan en la investigación preliminar. 





 30

Recopilación de la información del sitio y del proyecto disponible (planos o esquemas del proyecto, planos topográficos, información geológica y geotécnica del sitio en estudio, etc). Inspección del sitio por el especialista en geotecnia encargado del estudio, acompañado del ingeniero geólogo asesor, para verificar o ampliar la información disponible. Planteamiento del programa de trabajos de campo necesarios para definir: - Estratigrafía general del sitio. - Clasificación geológica y geotécnica de cada estrato de suelo o de roca. - En rocas, las características de las discontinuidades naturales relativas a orientación e inclinación de planos de estratificación o de flujo; orientación e inclinación de planos de fisuramiento; dimensiones de las rocas, presencia de las fallas geológicas de zonas de contacto entre deformaciones rocosas, de zonas de alteración de las rocas y cavernas naturales o artificiales (capítulo B.3). Ejecución de trabajos exploratorios de campo.

MANUAL DE DISEÑO DE OBRAS CIVILES-CFE B.2.1 CARACTERIZACIÓN DE LOS DEPÓSITOS DE SUELOS 

Presentación de un informe técnico que debe contener: - La descripción detallada de los trabajos realizados. - El análisis de la información geológica y geotécnica obtenida. - Las conclusiones de los análisis referentes a las características geológicas y geotécnicas del sitio estudiado. - La identificación de los problemas de diseño y construcción previsibles en función del análisis preliminar de la información geotécnica. - El programa de estudios adicionales, de campo y laboratorio, necesarios para medir, con precisión adecuada, las propiedades mecánicas e hidráulicas de los distintos suelos y rocas que serán afectados por la cimentación.

Recopilación de la información Es necesario obtener la mayor cantidad de información tanto del sitio como del proyecto, derivada de estudios desarrollados en el área o cercana a ella, recurriendo a las dependencias u organismos que dispongan de ella; ésta debe ser analizada y sintetizada para obtener datos generales relacionados con la topografía, hidrología, estratigrafía y problemas geotécnicos característicos de la región. El estudio geotécnico se inicia con la recopilación de la información disponible sobre topografía, geología y comportamiento de estructuras construidas en predios y zonas cercanas a las del proyecto. Conviene reunir planos topográficos, geológicos y edafológicos, cartas de uso potencial del subsuelo, así como datos de la estratigrafía y características estructurales de la región. La información que se reúna se estudiará para identificar, de manera preliminar, las condiciones geológicas y geotécnicas que prevalecen en el sitio de estudio. Parte de esta información puede consultarse en algunas instituciones, las cuales la distribuyen y publican. En la Tabla 1.24 se presentan algunas de estas instituciones.

b)

Reconocimiento de campo.

El reconocimiento es la inspección del sitio que permite evaluar la información recopilada previamente por el ingeniero con conocimientos en mecánica de suelos en compañía de un especialista en geología y completarla con observaciones de campo para determinar la factibilidad de construcción de alguna obra civil y fundamentar el programa detallado de exploración. El alcance de este primer contacto físico con la región dependerá de la importancia de la obra y las características del subsuelo. Algunas veces basta este conocimiento para desechar el sitio previamente elegido.

c)

Estudios de detalle.

Los estudios detallados para un proyecto, se deberán hacer principalmente durante la etapa de exploración. Su uso no queda restringido a esta parte de la investigación de un sitio para lo cual deberá considerar la aplicación de las técnicas que se mencionan más adelante y fundamentar su propuesta en la información de la investigación preliminar, resultando útiles tanto en la etapa del anteproyecto como en las de 31

B.2.1 CARACTERIZACIÓN DE LOS DEPÓSITOS DE SUELO B.2.1.2 EXPLORACIÓN Y MUESTREO DE SUELOS construcción y operación de la obra. En términos generales, los procedimientos de estudio detallado de un sitio, se dividen en dos tipos: métodos indirectos y directos. Con base en los planteamientos de las alternativas preliminares se puede definir la información de campo y laboratorio adicional, necesarias para determinar las propiedades mecánicas de cada estrato, que serán la base del análisis cualitativo del diseño óptimo. Esta información adicional podrá requerir la obtención de las muestras inalteradas del subsuelo y/o la ejecución de pruebas de campo, como parte de la etapa final de los estudios de campo. Para verificar y complementar los resultados de la etapa preliminar del estudio geotécnico es necesario obtener muestras representativas de cada estrato de roca o suelo, con las cuales se podrá definir la estructura y consistencia o capacidad naturales de sus materiales constitutivos. El resultado final de los estudios para la caracterización de los suelos debe ser un modelo geológicogeotécnico del subsuelo que pueda ser utilizado de manera confiable para los análisis y diseños geotécnicos que exija el proyecto.

32

MANUAL DE DISEÑO DE OBRAS CIVILES-CFE B.2.1 CARACTERIZACIÓN DE LOS DEPÓSITOS DE SUELOS Tabla 1.24 Información para consultar durante los estudios preliminares Tipo Topografía

Geología

Información  Mapas topográficos  Fotografías aéreas    

Geotecnia

Mapas geológicos Informes y memorias geológicas Mapas edafológicos Fotografías aéreas

 Publicaciones geotécnicas  Informes geotécnicos  Mapas geotécnicos

Hidrogeología e hidrología

   

Mapas hidrogeológicos. Mapas topográficos. Fotografías aéreas. Datos de pozos y sondeos.

Datos meteorológicos

 Registros pluviométricos y de temperaturas.

Institución  Instituto Nacional de Estadística Geografía e Informática (INEGI).  Instituto Nacional de Estadística Geografía e Informática (INEGI).  Instituto de Geología, UNAM.  Servicio geológico mexicano  Instituto de Ingeniería, UNAM (IIUNAM).  Sociedad Mexicana de Ingeniería Geotécnica (SMIG).  Centro Nacional de Prevención de Desastres (CENAPRED).  Comisión de Vialidad y Transporte Urbano (COVITUR)*.  Secretaría de Comunicaciones y Transporte (SCT).  Petróleos Mexicanos, PEMEX.  Instituto Mexicano del Petróleo (IMP).  Comisión Federal de Electricidad (CFE).  Colegio de Ingenieros Civiles de México (CICM).  Reglamento de Construcciones para el Distrito Federal (RCDF).  Secretaría de Desarrollo Urbano y Vialidad (SEDUVI).  Secretaría de Energía (SENER).  Comisión Nacional del Agua (CNA).  Instituto Mexicano de Tecnología del Agua (IMTA).  Secretaría de Energía (SENER).  Instituto de Geofísica, UNAM.  Servicio Meteorológico Nacional (SMN).  Centro de Ciencias de la Atmósfera (CCA).

*Ya no existe esta dependencia, únicamente se localiza información impresa.

33

B.2.1 CARACTERIZACIÓN DE LOS DEPÓSITOS DE SUELO B.2.1.2 EXPLORACIÓN Y MUESTREO DE SUELOS Tabla 1.24 Información para consultar durante los estudios preliminares (cont.) Tipo

Información

 Datos de terremotos y normas sismorresistentes. Datos sísmicos

Minería y carreteras

Usos de suelo

Construcciones y servicios existentes

 Mapas de rocas industriales.  Registros de minas y canteras.  Mapas e inventarios.

 Planes de ordenación y usos del suelo.  Mapas topográficos.  Fotografías aéreas.  Mapas topográficos.  Fotografías aéreas.

Institución  Instituto de Ingeniería, UNAM.  Sociedad Mexicana de Ingeniería Geotécnica (SMIG).  Instituto de Geofísica, UNAM.  Servicio Sismológico Nacional.  Centro de Investigación y Registro Sísmico (CIRES).  Sociedad Mexicana de Ingeniería Sísmica.  Instituto Nacional de Estadística Geografía e Informática (INEGI).  Comisión de Vialidad y Transporte Urbano (COVITUR)*.  Secretaría de Comunicaciones y Transporte (SCT).  Secretaría de Transporte y Vialidad (SETRAVI).  Secretaría de Energía (SENER).  Cámara de la Industria Minera  Instituto Nacional de Estadística Geografía e Informática (INEGI).  Instituto Nacional de Estadística Geografía e Informática (INEGI).  Delegaciones.  Ayuntamientos.

*Ya no existe esta dependencia, únicamente se localiza información impresa.

El reconocimiento de campo deberá proporcionar información acerca de la accesibilidad, recursos humanos y materiales del sitio, permitir conocer el ambiente geológico general, identificar las estructuras geológicas (localizar fallas, fracturas, fisuras y rellenos) y clasificar a los suelos superficiales, conocer la geomorfología, los procesos erosivos actuales en el sitio, el tipo de drenaje superficial y subterráneo y el espesor del suelo y finalmente proponer y/o revisar el programa de exploración, el cual podría estar integrado por una investigación preliminar y posteriormente una investigación de detalle como se muestra en la Fig 1.12.

34

MANUAL DE DISEÑO DE OBRAS CIVILES-CFE B.2.1 CARACTERIZACIÓN DE LOS DEPÓSITOS DE SUELOS

Recopilación de la información disponible del sitio

Interpretación de fotografías aéreas de la zona Estudio preliminar Recorrido de campo Información fotográfica Interpretación geológica del sitio Levantamiento geológico

Reconocimiento de discontinuidades Identificación de fenómenos geodinámicos

Exploración geofísica

Métodos geosísmicos de refracción Método de resistividad eléctrica

Pruebas de penetración

Estudios de detalle

Exploración, muestreo y pruebas de campo

Muestreo de suelos y rocas Pruebas de resistencia Pruebas de permeabilidad

Pruebas de laboratorio

Propiedades índice

Propiedades mecánicas Indicadores de nivel freático

Instrumentación de campo

Piezómetros

Bancos de nivel Puntos de referencia superficiales

Figura 1.12 Programa de Investigación Geotécnica (Santoyo y Contreras, 2001) 1.2.2

Supervisión de los trabajos de exploración

La exploración geotécnica debe realizarse bajo la dirección de un ingeniero capacitado en la planeación y ejecución de los trabajos, organizar las actividades y recopilar la información que permita definir confiablemente las características del subsuelo. 35

B.2.1 CARACTERIZACIÓN DE LOS DEPÓSITOS DE SUELO B.2.1.2 EXPLORACIÓN Y MUESTREO DE SUELOS El número y la profundidad a la que deben ejecutarse los sondeos dependen de las características de la obra y de las condiciones de cada sitio. En general debe realizarse en primera estancia un estudio de caracterización. Un criterio complementario consiste en llevarlo hasta donde el incremento de esfuerzos verticales debidos al proyecto sea 10 por ciento del esfuerzo vertical inicial, salvo que se encuentre roca.

Antes de iniciar los trabajos, el ingeniero supervisor debe de informarse sobre el tipo de estructura que se construirá, las condiciones geológicas y probables tipos de suelos que encontrará en el sitio, y conocer las condiciones de trabajo que le impondrían a los suelos. Lo anterior le permitirá juzgar si la información que está obteniendo es la adecuada; en caso contrario, deberá proponer modificaciones a las técnicas de muestreo y al programa de trabajo. El ingeniero supervisor en geotecnia es el responsable de verificar que con la exploración se obtengan las muestras adecuadas y la información geotécnica necesaria para resolver el problema. A continuación se resumen las actividades en la supervisión de campo.

-

-

-

Decidir qué tipo de muestreador debe utilizarse en cada etapa de un sondeo, basándose en la información del numeral 1.2.6 Tipos de muestras y procedimientos de muestreo. Definir la frecuencia con que se deben tomar las muestras. En general el muestreo debe ser casi continuo en los primeros metros y en los estratos poco uniformes que además se consideren problemáticos. Se reducirá el número de muestras en estratos más uniformes y más profundos. Supervisar y revisar la calidad del fluido de perforación (numeral 1.2.4 sección d). Clasificar los suelos y rocas de acuerdo con el numeral 1.1 Identificación de suelos en campo. Elaborar el perfil estratigráfico preliminar del sondeo con base en la clasificación de las muestras de suelo y conforme a la técnica de perforación empleada. Controlar cuidadosamente, el manejo, protección y conservación de las muestras, según el numeral 1.2.7. Recopilar toda la información generada durante los trabajos de campo.

En la Tabla 1.25 se proporciona un resumen de los métodos de perforación y muestreo que pueden aplicarse a los suelos que se presentan arriba y abajo del nivel freático, jerarquizando su aplicabilidad. El ingeniero supervisor será el responsable de verificar que la calidad de las muestras que se obtengan sea aceptable; debe también recopilar la información de los sondeos y llenar los registros de campo. Para facilitar esta labor puede adoptar las abreviaturas y símbolos de las Tablas 1.26 y 1.27. Finalmente, debe presentarse la localización de los sondeos en un plano, y si la etapa del proyecto lo permite deberán incluirse las trazas y distribución de las estructuras que se construirán, las cargas que transmiten y los asentamientos permisibles.

36

MANUAL DE DISEÑO DE OBRAS CIVILES-CFE B.2.1 CARACTERIZACIÓN DE LOS DEPÓSITOS DE SUELOS Tabla 1.25 Criterio de selección de métodos de perforación y muestreo MÉTODO DE PERFORACIÓN

Suelos cohesivos de consistencia blanda

R

R

I

R

R

I

R

I

I

I

I

R

Suelos cohesivos de consistencia media

R

A

A

R

I

A

A

I

A

I

R

R

Se requiere ademe, fluido de perforación (rotación)

Suelos cohesivos de consistencia dura

R

A

A

R

I

A

I

A

R

A

R

R

Puede no requerir ademe, fluido de perforación (rotación)

Arenas de compacidad suelta

A

I

I

A

R

I

I

A

I

A

R

I

Marcos de madera (pozos), ademe (perforación en seco)

Arenas de compacidad media

A

A

A

A

A

R

I

A

I

A

R

I

Arenas muy compactas

A

I

A

A

I

R

I

A

I

A

A

A

Gravas

A

A

R

I

I

I

I

A

I

A

R

I

Suelos expansivos

R

I

I

R

R

I

I

I

A

I

I

R

Suelos estratificados de diferente dureza

A

A

A

R

I

I

I

A

A

R

A

I

Marcos de madera (pozos), fluido de perforación (rotación)

Suelos cohesivos abajo del NAF

A

I

R

R

A

A

R

R

A

R

R

I

Sistema de bombeo, fluido de perforación (rotación)

Suelos orgánicos abajo del NAF

I

I

I

I

A

I

R

I

I

I

I

I

Suelos muy duros

I

A

R

I

I

I

I

A

I

A

R

I

Suelos granulares con pocas gravas abajo del NAF

I

A

R

I

A

I

I

R

I

R

R

I

Rotación con fluido bentonítico y ademe espiral (1.2.4 y 1.2.5)

Perforación en seco con ademe espiral o barra helicoidal(1.2.4 y 1.2.5)

Pistón fijo (1.2.6.d)

Pistón libre (1.2.6.4.d)

Shelby (1.2.6.d)

Barril Denison (1.2.6.d)

Tubo rotatorio dentado (1.2.6.d)

Pitcher (.2.6.d)

Broca helicoidal (1.2.6.d)

Método manual (muestras labradas) (1.2.6.d)

OBSERVACIONES PARA LA PERFORACIÓN

Lavado y rotación con agua o fluido bentonítico ademe especial (1.2.4 y 1.2.5)

MUESTREO INALTERADO

Pozo a cielo abierto (zanja) (1.2.3.a)

TIPO DE SUELOS

NAF R A I

Nivel de aguas freáticas Recomendable Aceptable Inadecuado

Marcos de madera (pozos), fluido de perforación (rotación), ademe (perforación en seco) Marcos de madera (pozos), fluido de perforación (rotación), muestras cúbicas si hay cohesión Marcos de madera (pozos), fluido de perforación (rotación)

Ademe metálico, fluido de perforación

37

B.2.1 CARACTERIZACIÓN DE LOS DEPÓSITOS DE SUELO B.2.1.2 EXPLORACIÓN Y MUESTREO DE SUELOS 1.2.3

Técnicas de perforación

Las técnicas recomendables de perforación para el muestreo de suelos se presentan en la Tabla 1.28, en la cual se observa que en la elección de la técnica influye el tipo de suelo, la posición del nivel freático y la posición que debe alcanzar el sondeo. Para introducir los muestreadores a la profundidad donde interesa obtener muestras alteradas o inalteradas, se deben realizar perforaciones de acceso, salvo que se utilicen muestreadores Denison o Pitcher de manera continua, pero aun en ese caso conviene ampliar la perforación a un diámetro mayor. El diámetro máximo de perforación para sondeos de exploración depende del diámetro de las herramientas y, el mínimo, aquel en el que pueda penetrar libremente el muestreador que se utilice.

a)

Pozos a cielo abierto, cortes en laderas y zanjas.

En ocasiones es posible aprovechar excavaciones de acceso a la zona de la que interesa extraer muestras inalteradas o alteradas y que además permiten observar la estratigrafía y materiales del sitio. En caso de recurrir a los pozos a cielo abierto, su profundidad generalmente no es mayor que 10 m con los cuidados pertinentes, excavados en sección cuadrada de 1,5 m de lado. Los cortes en laderas se utilizan poco, porque se requiere mover volúmenes grandes de material. Finalmente, las zanjas quedan limitadas a problemas cuya influencia sea superficial. Los pozos a cielo abierto excavados en materiales poco estables, deberán ademarse con marcos estructurales de madera. Cuando se excaven más abajo del nivel freático del sitio, deberá instalarse un sistema de bombeo para extraer agua.

Esta técnica puede aplicarse a todos los tipos de suelo, aunque resulte más eficiente en suelos cohesivos y presenta mayores dificultades en los granulares (CFE, 1979).

Equipo Las excavaciones podrán realizarse utilizando herramientas de mano como palas, picos y barretas. Para extraer el material de los pozos se utiliza un bote con cable manila o con un pequeño malacate. Por otro lado, estos pozos se pueden excavar con máquinas rotatorias capaces de hacer perforaciones de 0,8 a 1 m de diámetro, esta técnica de perforación de barrenos exploratorios no es común y se debe elegir teniendo presente las condiciones de subsuelo, es decir, se deben determinar previamente, y de manera general, las características de los suelos. En cuanto a las zanjas, resulta eficiente realizarlas con máquinas retroexcavadoras o palas mecánicas. Si los pozos a cielo abierto requieren de ademe, lo práctico es usar marcos de madera. En los suelos blandos es fácil inducir fisuramiento y remoldeo en el fondo de la perforación, lo que hace difícil obtener muestras inalteradas. Más adelante se describen algunas técnicas para el muestreo en suelos blandos.

38

MANUAL DE DISEÑO DE OBRAS CIVILES-CFE B.2.1 CARACTERIZACIÓN DE LOS DEPÓSITOS DE SUELOS Tabla 1.26 Símbolos para formular los registros en campo SUELOS Arcilla Limo Arena Grava Boleos Relleno Capa vegetal Turba Roca Conchitas y fósiles VARIOS



Diámetro

NAF

Nivel freático

NTN

Nivel del terreno natural Concreto

Operación Se recomienda que en el ademado de pozos a cielo abierto se realice como se muestra en la Fig 1.13, y si se considera conveniente se puede hacer el cálculo estructural con las distribuciones de esfuerzo de la Fig 1.14. En los pozos excavados en arcillas se puede alcanzar una profundidad de Z máx sin necesidad de ademar sus paredes. La profundidad Zmáx se calcula con la siguiente expresión.

39

B.2.1 CARACTERIZACIÓN DE LOS DEPÓSITOS DE SUELO B.2.1.2 EXPLORACIÓN Y MUESTREO DE SUELOS Tabla 1.27 Abreviaturas complementarias para formular los registros en campo ABREVIATURAS

SUCS

Sistema Unificado de Clasificación de Suelos

G

Grava

S

Arena

M

Limo

C

Arcilla

O

Suelo orgánico

Pt

Turba

W

Bien graduado

P

Mal graduado

L

Baja plasticidad

H

Alta plasticidad

SPT N

Prueba de penetración estándar Numero de golpes en SPT

NAF

Nivel freático

PCA

Pozo a cielo abierto

BT

Broca tricónica

DG

Broca tipo Drag Muestra alterada en frasco número 3 Muestra alterada en bolsa número 4 Muestra lavada en frasco número 2 Muestra labrada in situ número 8

F-3 B-4 F-2L MI-8 TS-12

Tubo Shelby número 12

TD-9

Tubo Denison número 9

TP-11

Tubo Pitcher número 11

TPL-7 TR-5 Rec 45/75

Tubo pistón libre número 7 Tubo rotatorio dentado número 5 45 cm, de recuperación en muestreados

50/10

50 golpes en 10 cm, en el SPT

EW, AW, BW, NW

Barras de perforación

NW,HW

Ademes

BXL,NXL

Barril muestreadores serie L

PA

40

SIGNIFICADO

Pérdida de agua o fluido de perforación

75

cm,

MANUAL DE DISEÑO DE OBRAS CIVILES-CFE B.2.1 CARACTERIZACIÓN DE LOS DEPÓSITOS DE SUELOS

Larguero

Esquinero

0,05 a 0,75 m

1,50 0,15 a 0,20 m

Tablestacado 1,50

Larguero

0,15 a 0,20 m

0,15 a 0,25 cm Esquinero

Larguero

1,5 a 2,0 m Disminuyendo con la profundidad

Tablestacado

Cuñas donde se requieran

Figura 1.13 Ademado para pozos a cielo abierto

Tabla 1.28 Técnicas recomendables de perforación TÉCNICA APLICADA

SUELO RECOMENDADO

OBSERVACIONES

Pozos a cielo abierto

Todos

Aplicable someros

solo

Lavado con agua o fluido bentonítico

Cohesivos blandos y arenas con poca grava

Aplicable freático

abajo

del

nivel

Todos

Aplicable freático

abajo

del

nivel

Todos

Aplicable arriba y abajo del nivel freático

Rotación

Con agua fluido bentonítico Seco

o

en

sondeos

41

B.2.1 CARACTERIZACIÓN DE LOS DEPÓSITOS DE SUELO B.2.1.2 EXPLORACIÓN Y MUESTREO DE SUELOS

Z máx 

4c  Ka

(1.1)

donde Zmáx. c

profundidad que se puede excavar sin ademe, en cm

cohesión del suelo, en kPa

 Peso volumétrico del suelo, en kN/m³ Ka

coeficiente de empuje activo, Ka = 1

En la Fig 1.15, se presenta el formato de campo para pozos a cielo abierto. b)

Perforación por lavado.

La perforación se hace con trépano o cincel de percusión que simultáneamente a los impactos inyecta un fluido de perforación que erosiona y arrastra a la superficie el material cortado. Esta técnica es aplicable en suelos cohesivos blandos y suelos granulares de compacidad media con bajo contenido de gravas localizadas abajo del nivel freático. Es un método poco eficiente, pero la sencillez y economía del equipo lo hace úti para el avance de la perforación sin extracción de muestras.

Equipo El equipo necesario para aplicar esta técnica consiste en un malacate de fricción para cable manila de 5000 N, una bomba para fluido de perforación de 45 l/min de gasto a 500 kPa de presión con accesorios, tripié con polea, barras y trépanos de perforación y ademe metálico. El método de perforación por lavado es el que se usa con más frecuencia en la exploración de suelos ya que el equipo empleado es ligero y puede transportarse a sitios de difícil acceso (Fig 1.16).

Operación La operación consiste en levantar la columna de barras, con el trépano en la punta, de 0,5 a 1,0 m y dejarla caer libremente con una frecuencia de hasta 60 golpes por minuto, girando manualmente la tubería en cada golpe para que cambie la posición del trépano y rompa con más facilidad. La bomba inyecta agua o fluido de perforación que arrastra a la superficie el material cortado; adicionalmente el fluido al salir del chiflón de descarga, erosiona y limpia la zona en que golpea el trépano. El fluido de perforación sirve también para estabilizar las paredes del sondeo, a diferencia del agua, cuyo uso suele obligar la utilización de ademe metálico para evitar que se desprenda material de las paredes. Debe vigilarse que la capacidad erosiva del chiflón no altere la zona en que se tomará la muestra. Durante la perforación el operador debe vigilar la coloración del agua o el contenido de sólidos del fluido de perforación, 42

MANUAL DE DISEÑO DE OBRAS CIVILES-CFE B.2.1 CARACTERIZACIÓN DE LOS DEPÓSITOS DE SUELOS así como la facilidad de penetración del trépano para advertir los cambios del material en el subsuelo. La profundidad máxima que puede alcanzarse con esta técnica es de aproximadamente 30 m.

Figura 1.14 Distribución de presiones debidas a excavaciones en arcillas y arena c)

Perforación a rotación con agua o fluido de bentonítico.

Esta técnica consiste en cortar el suelo con una broca que penetra a rotación y presión, inyectando simultáneamente agua o fluido de bentonítico para enfriar y estabilizar el suelo o la roca arrastrando el material cortado hasta la superficie. Se puede recurrir a la perforación a rotación abajo del nivel freático en casi todos los suelos. En suelos granulares usualmente se requiere ademe metálico para estabilizar las paredes de la perforación, salvo que se opere con fluido de viscosidad y densidades adecuadas para estabilizar el sondeo. Arriba del nivel freático podrá operarse con fluido de perforación si se demuestra que la contaminación que induce al suelo es aceptable; debajo de este nivel puede usarse agua o fluido de perforación a base de bentonita o polímero según sea la condición de estabilidad de las paredes. En los suelos duros bajo el nivel freático se puede recurrir a la perforación por rotación con broca escalonada (tipo Drag) y aun con la broca tricónica. Como fluido de perforación se puede utilizar agua, polimeros o bentonita. En suelos duros arriba del nivel freático debe hacerse sin agua o fluido de perforación, porque son susceptibles a sufrir cambios en sus propiedades mecánicas como consecuencia del humedecimiento que les puede inducir. En estos suelos solo podrá usarse fluido de perforación si se admite cierto nivel de alteración en las muestras aun extrayéndolas del muestreador inmediatamente y removiendo el perímetro alterado. 43

B.2.1 CARACTERIZACIÓN DE LOS DEPÓSITOS DE SUELO B.2.1.2 EXPLORACIÓN Y MUESTREO DE SUELOS

Figura 1.15 Formato de pozo a cielo abierto en campo

44

MANUAL DE DISEÑO DE OBRAS CIVILES-CFE B.2.1 CARACTERIZACIÓN DE LOS DEPÓSITOS DE SUELOS

Tripié Cable de manila Manguera Maneral

Bomba

Malacate

Ademe Depósito para recolección de muestras

Tubo de perforación

Herramienta de ataque

Figura 1.16 Perforación de suelos por lavado

Torre Gasto hidráulico Caja de mandos

Malacate Bomba

Sistema rotatorio Barras

Cárcamo de suministro

Cárcamo de sedimentación

Herramienta de corte

Figura 1.17 Equipo de perforación a rotación

45

B.2.1 CARACTERIZACIÓN DE LOS DEPÓSITOS DE SUELO B.2.1.2 EXPLORACIÓN Y MUESTREO DE SUELOS Equipo El equipo necesario consiste en una perforadora rotatoria con sistema hidráulico de carga con potencia mínima de 30 HP que generalmente va montada en un camión (Fig 1.17), una bomba para el manejo del fluido de perforación de 100 l/min de capacidad (Tabla 1.29) y herramienta complementaria como brocas tipo Drag y tricónicas (Fig 1.17), además de barras de perforación como las que se describen en la Tabla 1.30. Operación Esta técnica se aplica con mayor frecuencia utilizando fluido de perforación, por lo que el personal de campo debe estar familiarizado con los detalles de preparación y control de los mismos; conviene utilizar fluidos con densidad entre 10 y 13 N/l y viscosidades entre 30 y 90 s medida con el cono de Marsh. En cuanto a la presión que se aplica a la broca, puede ser hasta de 30 kN con velocidades de rotación de 200 a 500 rpm. Durante la perforación el operador debe vigilar la velocidad de penetración y estar al tanto de los materiales que salen con la corriente del fluido de perforación, porque fácilmente pueden penetrar estratos blandos significativos sin advertirlos. La profundidad máxima que puede alcanzarse con esta técnica es prácticamente ilimitada.

d)

Perforación en seco con barras helicoidales

Este método se ha desarrollado fundamentalmente para la exploración geotécnica; utiliza barras con una helicoide lateral que transporta a la superficie en seco el material que corta la broca. La perforación en seco es la técnica más recomendable para realizar sondeos arriba del nivel freático, porque no altera el contenido del agua del suelo. También se utiliza debajo del nivel freático porque alcanza mayor eficiencia que los métodos antes descritos. Se puede usar en casi todos los suelos, con la condición de que la perforadora tenga la potencia necesaria para introducir la broca y que las paredes de la perforación sean estables; en caso contrario, se debe utilizar ademe espiral. La columna de barras helicoidales, formada por tramos que se unen con pasadores, lleva en la parte inferior un gavilán que permite cortar el material (Fig 1.19). Existe una variante de estas barras, que es el ademe espiral. Funciona de igual forma que las barras helicoidales pero la columna se forma con tubos que permiten introducir muestreadores como el penetrómetro estándar, el tubo Shelby o el rotatorio dentado. El ademe espiral puede usarse como un procedimiento de operación, que se describe en el método mixto de perforaciones el cual se describe en el numeral 1.2.3 sección e) (PEMEX, 2001).

46

MANUAL DE DISEÑO DE OBRAS CIVILES-CFE B.2.1 CARACTERIZACIÓN DE LOS DEPÓSITOS DE SUELOS

Pasador

Gavilán Figura 1.18 Barras helicoidales

0,0635

0,1016 Diámetro int.

0,0762 0,0063 0,1397

1,5240

0,0508

0,1143

0,0254

0,1397 Acotaciones, en m Figura 1.19 Ademe helicoidal 47

B.2.1 CARACTERIZACIÓN DE LOS DEPÓSITOS DE SUELO B.2.1.2 EXPLORACIÓN Y MUESTREO DE SUELOS

Equipo Se requiere contar con una perforadora rotatoria con potencia mínima de 50 HP, y mecanismo hidráulico con carrera mínima de 1,5 m; sus características principales se muestran en la Tabla 1.31. La broca de corte consiste en un conjunto de buriles de carburo de tungsteno que continúan el plano del helicoide. El ademe espiral se muestra en la Fig 1.19; su diámetro interior más usual es de 10 cm, en tramos de 1,5 m de longitud que se enroscan entre sí y llevan un perno lateral que permite girar esta herramienta en cualquier sentido.

Operación La operación con barras helicoidales básicamente consiste en introducirlas a una velocidad de rotación del orden de 50 rpm para que saquen a la superficie el material cortado. Una vez que alcanza la profundidad necesaria se saca lentamente la columna de barras, porque puede ejercerse succión que aflojaría el material del fondo. En el caso de que la perforación sea inestable es conveniente estabilizar con fluido de perforación en las paredes del mismo introduciéndolo desde la superficie. La profundidad máxima que se puede alcanzar con esta técnica es de 30 m. La perforación en seco con ademe helicoidal es probablemente la técnica más eficiente para la exploración geotécnica; consiste en introducir el ademe con un tapón central que obtura su extremo, como se muestra en la Fig 1.20 (a); a continuación se retira el tapón con las barras centrales y queda libre el extremo (Fig 1.20 (b)), para permitir que se introduzca el muestreador con que se obtengan las muestras (Fig 1.20 (c)). En seguida se vuelve a colocar el tapón obturador y se continúa la perforación. En la Tabla 1.33, se observan aplicaciones de varios métodos de perforaciones de suelo.

a)

b)

c)

Figura 1.20 Características y operación con ademe helicoidal 48

MANUAL DE DISEÑO DE OBRAS CIVILES-CFE B.2.1 CARACTERIZACIÓN DE LOS DEPÓSITOS DE SUELOS

e)

Perforación mixta.

La perforación mixta, consiste en perforar con ademe helicoidal, arriba del nivel freático y luego, usando el método de lavado o rotación, por debajo del mismo, sin retirar el ademe helicoidal, es decir, introduciendo los tubos de perforación y la herramienta de corte una vez que se ha sacado la varilla central con la corona de corte del ademe helicoidal. Si la parte de la excavación hecha con lavado o rotación es inestable, se hinca el ademe espiral y se prosigue la perforación. Alcanzado el nivel de muestreo se extrae la herramienta de corte y se introduce en su lugar el muestreador adecuado. Este procedimiento de perforación es el más eficiente (PEMEX, 2000).

1.2.4

Equipo de perforación

En la selección de la máquina de perforación debe tenerse en cuenta que las diseñadas para la perforación y muestreo de rocas, no permiten alcanzar la eficiencia y calidad de trabajo que puede obtenerse con máquinas diseñadas para la exploración de los suelos. Las bombas de cavidad progresiva han demostrado ser adecuadas para la exploración geotécnica, especialmente porque manejan fluidos densos de perforación a menor presión.

a)

Máquinas perforadoras.

Las máquinas más adecuadas para la exploración geotécnica son aquellas capaces de operar a velocidades de rotación bajas (50 rpm) con potencia alta (mayor que 40 HP). Esas características son necesarias para trabajar con los muestreadores Denison y Pitcher y sobre todo para el manejo de espirales de perforación. Su sistema de gatos hidráulicos para carga vertical debe tener una carrera mínima de un metro de longitud para hincar de manera continua los tubos de pared delgada y los muestreadores de rotación sin interrupciones que afecten la calidad de la muestra. Existen muchos modelos y tipos de perforadoras pero en este Manual se agrupan en rotatorias y de percusión. En la Tabla 1.29, se presenta un resumen de las características principales de las máquinas más comúnmente usadas para la exploración geotécnica.

Máquinas de perforadora rotatoria La máquina perforadora rotatoria, se ha diseñado para aplicación en exploración minera y geológica, donde predomina la perforación en roca y frecuentemente se realiza desde túneles y galerías, con velocidades de rotación mayores que 700 rpm, en las que la longitud de carrera del vástago de perforación no tiene mucha importancia. Para exploración geotécnica se han desarrollado máquinas montadas en vehículos o remolques de gran movilidad, con velocidades de rotación menores a 800 rpm y longitud de vástago de perforación mayor que 1,5 m. La diferencia fundamental entre ambas es la longitud del vástago de perforación (COVITUR, 1987).

49

B.2.1 CARACTERIZACIÓN DE LOS DEPÓSITOS DE SUELO B.2.1.2 EXPLORACIÓN Y MUESTREO DE SUELOS

Máquinas perforadoras de percusión La máquina perforadora de percusión es una de las más antiguas, utiliza un elemento metálico que golpea y deshace el material térreo o rocoso. Cuenta con un pico o trépano y un elemento que recoge el terreno triturado como una pala o una cuchara de válvula. Consta de armazón con mecanismo y un mástil. El armazón está formado de diversos perfiles unidos por soldadura o tornillos. Su forma depende del fabricante así como la disposición de los distintos mecanismos. En el extremo contrario al mástil va el motor, que puede ser de explosión o de combustión; generalmente son motores diesel, cuya potencia es función del tamaño de la máquina, la cual depende de las profundidades y diámetros que se vayan a perforar con ella. Este tipo de maquinaria debe de evitarse en los sondeos geotécnicos ya que altera significativamente el suelo (COVITUR, 1987). Las funciones que tiene que cumplir la máquina son:  

b)

Percusión. Se consigue por la repetición del ciclo de elevación y subsiguiente caída libre de una sarta de herramientas compuesta de distinta forma. Extracción o limpieza de sondeo. Se hace con la cuchara de válvula y es preciso un mecanismo que permita, de forma rápida, su descenso al fondo del sondeo y su elevación a la superficie. Bombas de perforación.

Las bombas que se utilizan para la inyección del fluido de perforación pueden ser de dos tipos: las de pistón, capaces de manejar agua y fluidos de perforación de muy baja densidad y las de cavidad progresiva, que manejan desde agua hasta fluidos de perforación de densidad alta con sólidos en suspensión. Las más comunes son las de cavidad progresiva, porque operan a presiones bajas, gastos altos y con ello, reducen el efecto erosivo del chiflón de descarga; tienen la ventaja adicional de que con el fluido de perforación se elimina la necesidad de ademe metálico. En la tabla 1.30, se muestran las características de las bombas más utilizadas en los trabajos de exploración aunque para sondeos someros se han utilizado bombas centrífugas de alta presión. En sondeos poco profundos (h < 50 m) se emplean bombas centrífugas de alta presión que son las más recomendables para la exploración geotécnica.

c)

Barras y ademes de perforación.

Se recomienda usar las barras de perforación de diámetro nominal EW para sondeos superficiales y pruebas de veletas; las AW y BW (Fig 1.20 a) para la operación de muestreadores y la ejecución de pruebas de penetración estándar y las BW y NW para la operación de muestreadores rotatorios; las barras NW no deben utilizarse para la prueba de penetración estándar por su elevado peso. Las barras BW son las de uso más general en el trabajo de exploración geotécnica. En La tabla 1.31 se muestran los diámetros y pesos de las distitintas barras. 50

MANUAL DE DISEÑO DE OBRAS CIVILES-CFE B.2.1 CARACTERIZACIÓN DE LOS DEPÓSITOS DE SUELOS Tabla 1.29 Máquinas perforadoras para geotecnia Profundidad con barras, en m

Tipo

Mobile Drill B61 Mobile Drill B40L Mobile Drill B305 Mobile Drill B53 Acker MP 100 Acker MP 50 Acker Hillbilly Pendrill PD Long year 34 Long year 44 Simco Mod. 2800Hs Chicago Pneumatic 8HD Chicago Pneumatic 15 Joy 22 Sprague & Henwood 40 c Sprague & Henwood 142 c

AX

NX

600 152 50

450 100

390 390

300 300 300

137 426

100 266

ESPIRAL 6” 90 46 23

Capacidad de perforación (tamaño de las barras, en m) EW AW BW NW

Empuje vertical (kN)

Peso

Carrera del gato

(kN)

(m)





1,72 3,7 1,73 1,2 3,3 1,8 0,6 1,8 0,6 0,6 1,9 0,6

48 42 29 86 85 32

63 30 38 86 52 42

31 32

31 32

29

29

Capacidad del malacate (kN)

Velocidad del malacate (rpm)

34 25 30

38

65-350 0-518 58-455 27-716 43-287 50-335 156-1000 60-1100 22-1510 205-2200 0-300 225-1050

97 97 54 97 48 48 22.5 38 30 59 32 27,5

Potencia del motor (HP)

380

305

230

200

1220

480 976

389 762

305 488

305

230

200

37 30 13 18 22 20 95 21 11,3 20,5 12 12,7

686

610

412

350

15,0

0,6

38

225-1050

34

1220 305

945 275

762

450

20,0 13,20

0,6 0,6

55 53

95-1200 235-1500

47,6 33

686

1067

915

732

19,5

0,6

61

215-1250

49,7

45 45 40

90 380

45 45 50 30 30 55

La tabla no es exhaustiva. Presenta los tipos de maquinaria de mayor uso en México.

51

B.2.1 CARACTERIZACIÓN DE LOS DEPÓSITOS DE SUELO B.2.1.2 EXPLORACIÓN Y MUESTREO DE SUELOS En cuanto a los ademes, utilizados en exploraciones geotécnicas, se observa que sus diámetros interiores, 76 y 101 mm (3 y 4 pulgadas), limitan el diámetro de los muestreadores que pueden pasar a través de ellos (Fig 1.21 b y Fig 1.22); es por eso que en sondeos en los que se pretenda utilizar muestreadores de mayor diámetro, queda obligado el uso de fluido de perforación que eliminen la necesidad del ademe metálico. En la Tabla 1.32 se muestran los diámetros y pesos de los ade mes. Los ademes metálicos recomendables son los de diámetro nominal NW porque permite el paso del penetrómetro estándar y el HW, que por su diámetro es ideal para los muestreadotes Shelby y Denison. Tabla 1.30 Bombas de perforación Modelo

Tipo

Moyno 3L6

Cavidad progresiva

Royal Bean 420 Barnes mod. caracol

Gasto Máximo (m3/s)

Presión máxima (kPa)

Potencia (Hp)

Peso (kN)

0,0027

1600

7,5

2,5

3500

7,5

3,5

800

10

(162 l/min)

Pistón triple

0,0022

Opera

Agua y fluido denso Agua

(132 l/min)

Centrífuga de alta presión

0,0025

Fluido medio

(150 l/min)

Tabla 1.31 Medidas de las barras de perforación e Barra

i

c

Peso

Cuerda

Plg y m

plg

m

plg

m

plg

m

N/m

EW

1 3/8

0,0349

7/8

0,0222

7/16

0,013

46

AW

1 23/32

0,0444

1 7/32

0,0309

5/8

0,016

65

3” 0,076 3” 0,076

BW

2 1/8

0,054

1¾

0,0445

¾

0,019

62

3” 0,076

NW

2 5/8

0,0667

2 1/4

0,0572

1 3/8

0,035

80

3” 0,076

Longitud estándar 3,05 m (10 pies)

e diámetro exterior i diámetro interior c diámetro interior del cople

52

Uso

Veleta SPT SPT, CPT, Shelby, Deninson, rotatorio Rotatorio

MANUAL DE DISEÑO DE OBRAS CIVILES-CFE B.2.1 CARACTERIZACIÓN DE LOS DEPÓSITOS DE SUELOS Tabla 1.32 Medidas de ademes e

plg

m

plg

m

N/m

Cuerdas por cada 0,0254 m (1 plg)

NW HW

3½ 4½

0,0889 0,1143

3 4

0,0762 0,1016

391 513

4 4

e diámetro exterior i diámetro interior

d)

i

Barra

Peso

Brocas de perforación.

Las brocas para perforación deben estar diseñadas para la perforación rápida y se eligen de acuerdo con la estratigrafía del sitio. Las brocas perforan barrenos de más de 2” de diámetro, dependiendo de la dureza del material. Los tipos de broca se describen posteriormente. Se eligen de acuerdo con la dureza de los materiales que deban perforarse. En la Fig 1.23, se muestra el criterio general para la selección de dichas herramientas.

Broca tríconica La broca tricónica, consta de tres conos giratorios embalerados que tienen dientes de abrasión de forma esférica para rocas duras y prismas agudos para rocas blandas (Fig 1.24 (a y b)). Se fabrican en muy diversos diámetros (2 15/16”, 4”, 5” y 6”, que en centímetros corresponden a 7,3 cm, 10 cm, 12,5 cm y 15 cm, respectivamente), generalmente se utiliza un fluido de perforación o aire, que sale del centro de la broca para enfriar la broca y arrastrar el material cortando a la superficie.

Esta broca puede perforar desde rocas duras hasta suelos duros (Fig 1.24 a y e). Es inadecuada para perforar suelos blandos, porque los conos difícilmente giran e incluso se atascan; el chiflón no limpia eficientemente los dientes de corte.

El uso de estas brocas queda restringido a los basaltos y rocas, aclarando que en los basaltos, los martillos neumáticos que cortan a roto-percusión son más eficientes y reducen significativamente los costos de perforación. De manera similar la broca Drag es más eficiente que la tricónica para perforar las tobas duras. La broca tricónica no debe usarse para perforar pozos de bombeo y sondeos, porque remoldea por amasado al suelo, reduciendo su permeabilidad y alterando su estructura (Santoyo y Contreras, 2001).

53

B.2.1 CARACTERIZACIÓN DE LOS DEPÓSITOS DE SUELO B.2.1.2 EXPLORACIÓN Y MUESTREO DE SUELOS

a)

b)

c)

Figura 1.21 Barras y ademes: a) Barra BW de 2 1/8” de diámetro, b) ademes 4” de diámetro, c) Barras AW Broca drag La broca Drag, es una pieza sólida que tiene tres planos radiales de corte, protegidos con pastillas de carburo de tungsteno (Fig 1.24 b). Se fabrica desde 2” (5 cm) de diámetro. Para enfriar la broca y arrastrar el material cortando a la superficie se utiliza un fluido de perforación o aire, que sale del centro del taladro. Su aplicabilidad abarca desde las rocas blandas a los suelos duros y no debe utilizarse para la ejecución de sondeos en suelos blandos, porque el chiflón del fluido o agua erosiona hasta 50 cm por debajo de la broca (Santoyo y Contreras, 2001).

54

MANUAL DE DISEÑO DE OBRAS CIVILES-CFE B.2.1 CARACTERIZACIÓN DE LOS DEPÓSITOS DE SUELOS

Figura 1.22 Esquema de ademes y coples

Figura 1.23 Criterio de selección de brocas de perforación para suelos y rocas (Santoyo y Contreras, 2001) 55

B.2.1 CARACTERIZACIÓN DE LOS DEPÓSITOS DE SUELO B.2.1.2 EXPLORACIÓN Y MUESTREO DE SUELOS Broca de aletas La broca de aletas, consiste en dos placas de acero duro (aletas) que forma una hélice corta; la salida de agua o fluido a presión incide en la superficie superior de las aletas (Fig 1.24 c). Es de fabricación artesanal y puede construirse desde 5 cm (2”) de diámetro. Se desarrolló para perforar los suelos blandos del valle de México, eliminando el problema de erosión del fondo de la perforación, que generan las brocas Drag. Se puede utilizar en suelos de consistencia media a blanda, y es la más adecuada para hacer perforaciones para sondeos e instalaciones de pozos de bombeo, porque deja perforaciones limpias y poco alteradas. Tiene las ventajas de ser significativamente más económica que la broca tricónica o la tipo Drag, y sobre todo más eficiente (Santoyo y Contreras, 2001).

Broca de cola de pescado La broca de cola de pescado, consta de dos placas triangulares ligeramente alabeadas con su vértice en la parte inferior (Fig 1.24 d), aunque también pueden ser rectangulares y entonces la parte inferior es recta. Esta broca siempre es ciega, esto es, no tiene salidas para el fluido de perforación y por ello, su uso se restringe a la conocida perforación de batido. Se puede utilizar en suelos de consistencia media a blanda y es la más adecuada para las perforaciones sin eliminar el material cortado.

d) Cola de pescado a) Tricónica

b) Drag Vista frente

Aleta

Salida de agua

Aleta c) De aletas

Aletas

Vista lateral Salida de agua e) Ejemplo de broca tricónica 4 ½” 

Figura 1.24 Tipos de brocas (Santoyo y Contreras, 2001)

56

MANUAL DE DISEÑO DE OBRAS CIVILES-CFE B.2.1 CARACTERIZACIÓN DE LOS DEPÓSITOS DE SUELOS e)

Fluido de perforación.

El fluido de perforación más empleado hasta ahora en las exploraciones geotécnicas ha sido el agua. Cuando se desarrollaron los sistemas de exploración petrolera mediante máquinas rotatorias, se introdujo la técnica del fluido de perforación por las ventajas que presenta sobre el agua como estabilidad, enfriamiento del equipo de perforación. Posteriormente, se amplió el campo de acción del fluido de perforación hacia los pozos de agua, la exploración geológica y de suelos. Un fluido de perforación es una mezcla de agua con arcilla coloidal, generalmente bentonita, empleada como auxiliar en la ejecución de barrenos. Las funciones principales del fluido de perforación es enfriar la broca, transportar el material cortado por la broca y mantener estable la pared y el fondo de la perforación. Las mismas funciones cumple el agua, pero el fluido de perforación es considerablemente más eficiente para transportar el material y en particular la supera en la estabilidad que puede dar a la perforación eliminando la posible necesidad de ademe metálico. Los fluidos de perforación también tienen la ventaja sobre el agua de alterar menos el contenido natural de humedad del suelo muestreado. Los tipos de fluidos de perforación se identifican según su fase líquida. Así, se reconocen fluidos de agua dulce, de agua salada, de emulsiones aceite-agua y de aceite. En las exploraciones geotécnicas solo se utilizan fluidos de agua dulce y cuando se perfora en zonas con agua salada se agregan aditivos.

Fluidos de perforación de agua dulce Los fluidos de perforación con agua dulce se pueden hacer con arcillas plásticas locales, bentonita natural o bentonita tratada. En la Fig 1.25, se presentan las viscosidades y densidades que se pueden obtener con diferentes dosificaciones. Por su bajo costo y fácil preparación, el fluido de perforación más comúnmente usado en México, incluye agua dulce con menos de 1% de cloruro de sodio y menos de 120 ppm de sales de calcio en suspensión, mezclada con bentonita sódica o cálcica. Cuando el agua de mezclado es salada, como ocurre en las costas, se puede utilizar arcilla (atapulgita) que tiene la propiedad de hidratarse en aguas de alta concentración salina.

Propiedades físicas y control de campo Los fluidos de perforación deben elaborarse cuidando que tengan las propiedades físicas adecuadas y que éstas se mantengan durante el trabajo. Las propiedades más significativas son densidad, viscosidad y tixotropía. Es importante también controlar la contaminación. Los métodos que se describen aquí para la medición y control de estas propiedades requieren solamente de equipo elemental y económico.

Densidad. La densidad de los fluidos bentoníticos depende del tipo y cantidad de arcilla que se utilice. Puede variar de 2 a 125 N/l, para fluidos que por su viscosidad pueden ser manejados aun con bombas convencionales. Se puede utilizar barita en

57

B.2.1 CARACTERIZACIÓN DE LOS DEPÓSITOS DE SUELO B.2.1.2 EXPLORACIÓN Y MUESTREO DE SUELOS polvo para aumentar la densidad conservando la viscosidad, lo cual permite lograr fluidos manejables con densidades hasta de 35 N/l. La densidad se debe elegir en función del peso volumétrico y granulometría de los suelos. Así en arenas gruesas de cuarzo con pocos finos se requieren fluidos con densidades hasta de 1.250 kg/m 3, en arcillas sin arenas se podrán operar densidades de 1.050 kg/m 3. Se recomienda iniciar el sondeo con un fluido de densidad media de 1.100 kg/m 3 y modificarla durante el proceso de trabajo según los materiales que se encuentren.

Figura 1.25 Relación de viscosidad-dosificación de arcilla en agua dulce (PEMEX, 2000)

Viscosidad. Se define como la resistencia que opone un líquido a fluir. La viscosidad se determina con viscosímetros de rotación (Fig 1.26) y se mide en centipoises (unidad absoluta de viscosidad. 1 centipoises = 0,01 poise). El viscosímetro rotacional hace girar un cilindro externo a 3, 5, 100, 200, 300 y 600 rpm, el cual, merced a la 58

MANUAL DE DISEÑO DE OBRAS CIVILES-CFE B.2.1 CARACTERIZACIÓN DE LOS DEPÓSITOS DE SUELOS viscosidad del fluido en que está sumergido, hace girar a otro cilindro interno, coaxial con el anterior pero conectado a un resorte calibrado. La viscosidad de un fluido de perforación usualmente varía entre 10 y 25 centipoises; valores mayores dificultan el manejo del mismo y valores menores no garantizan su eficiente funcionamiento. Con este aparato también pueden determinarse la viscosidad aparente, el punto de cedencia, la resistencia del gel y la tixotropía.

Figura 1.26 Viscosímetro rotacional De manera simple y aproximada se puede determinar la viscosidad con el cono de Marsh (Fig 1.27). Para realizar el ensaye, se tapa con un dedo el orificio calibrado inferior del cono Marsh (de 5 mm de diámetro inferior) y se llena con fluido de perforación hasta el borde superior donde se encuentra la malla No. 10 la cual tiene como función retener las partículas gruesas (la cantidad requerida de fluido de perforación es de aproximadamente 1500 cm³). Luego se remueve el dedo al momento de iniciar el conteo del tiempo requerido para llenar un recipiente de 946 cm³. Se toman varias mediciones para verificar y afinar resultados. El agua limpia a 22ºC ± 1.5ºC tarda 26 s ± 0.5 s; en el fluido bentonítico puede variar entre 35 y 60 s, prefiriéndose los valores bajos por su mayor manejabilidad. Para determinar la viscosidad en centiposes se utiliza la ecuación 1.2. Los fluidos deben tener una viscosidad que les permitan además de su manejo eficiente en campo.

cumplir con su función

Rendimiento. Se acostumbra llamar rendimiento de una bentonita a la cantidad en m³ de fluido bentonítico con 15 centipoises de viscosidad que se puede elaborar con una tonelada de bentonita seca.

59

B.2.1 CARACTERIZACIÓN DE LOS DEPÓSITOS DE SUELO B.2.1.2 EXPLORACIÓN Y MUESTREO DE SUELOS Es muy importante que al elaborar el fluido, la mezcla se realice por algún método que permita la mayor dispersión posible de las partículas de bentonita evitando la formación de grumos y facilitando así su completa hidratación, la cual requiere tiempo.

Figura 1.27 Cono de Marsh

4,61   M  D  0,0085T   T  

(1.2)

Donde: D: densidad, kg/m3 M: viscosidad, kg/s/m T: tiempo en s

Filtración. Determina la capacidad que tiene un fluido de perforación para formar una película impermeable (enjarre o costra) en las paredes de las perforaciones. Para ejecutar la prueba se emplea el filtro prensa (Fig 1.28), constituido por un recipiente metálico de 500 cm³ de capacidad, preparada para recibir una presión de gas (aire) a 700 kPa y recoger en la parte inferior el agua filtrada expulsada a través del papel filtro y un orificio después de 30 min.

60

MANUAL DE DISEÑO DE OBRAS CIVILES-CFE B.2.1 CARACTERIZACIÓN DE LOS DEPÓSITOS DE SUELOS

Figura 1.28 Filtro prensa Al final del ensaye se mide el volumen de agua filtrada en cm³ y también el espesor de la costra que quedó pegada en el papel filtro. Un buen fluido de perforación tiene menos de 20 cm³ de agua filtrada y una costra no mayor a 0,5 cm.

Contenido de arena. Influye drásticamente en las operaciones de perforación, provocando daños en los equipos, herramientas y tuberías. Además, a mayor contenido de arena, se incrementa el agua de filtrado y el espesor de la costra. Para determinar la cuantía de arena se pasa una cierta cantidad de fluido de perforación por la malla No. 200 y la arena retenida se expresa en porcentaje respecto al volumen del mismo. Generalmente dicho porcentaje debe ser menor que 3 %.

Potencial hidrógeno (pH). Representa el grado de acidez o alcalinidad y se determina a partir del color que adquiere el papel indicador al entrar en contacto con el fluido de perforación. Existen aparatos electrónicos especiales para medir el pH. El valor usual para conservar la viscosidad del fluido, está entre 7 y 10.

Dosificación Para determinar con precisión la cantidad de bentonita seca que debe mezclarse con agua, para producir un fluido bentonítico cuyos valores de propiedades quedan dentro de los rangos antes mencionados, es necesario realizar pruebas previas con diferentes

61

B.2.1 CARACTERIZACIÓN DE LOS DEPÓSITOS DE SUELO B.2.1.2 EXPLORACIÓN Y MUESTREO DE SUELOS concentraciones dejándolas en reposo un tiempo aproximado de 24 horas para que alcancen su completa hidratación. Con agua dulce, se pueden emplear porcentajes en peso de 5 a 10% con relación al agua. Los sistemas de mezclado están integrados por una o varias bombas que permiten recircular el fluido de perforación. Algunos realizan la mezcla con aspas girando dentro de recipientes, siendo esto menos eficiente. Existen también mezcladores de chiflón, empleados cuando se requieren pequeños volúmenes de fluido de perforación. Es común emplear entre 3 y 10 minutos de mezclado para lograr una buena hidratación inicial.

Para lograr el aprovechamiento máximo de la bentonita se deja en reposo de 8 a 24 horas. Sin embargo, el costo extra que implica la realización de instalaciones adicionales debe compararse con el ahorro de bentonita. Por otro lado, hay cierto tipo de suelos granulares en los que es conveniente dejar que la bentonita termine de hidratarse dentro de la perforación para lograr mayor obturación de posibles fugas.

1.2.5

Técnicas de exploración

El objetivo del programa de exploración deberá enfocarse a ratificar, ampliar, corregir o modificar los resultados del reconocimiento de campo en lo que refiere a las condiciones estratigráficas del sitio, la presión del agua del subsuelo y las propiedades estáticas y dinámicas de los suelos, para efectuar un diseño geotécnico confiable. A continuación se enlistan los factores que deben de tomarse en cuenta:

a)



Estratigrafía del sitio.



Clasificación geotécnica de los suelos que forman cada estrato.



Compacidad relativa o consistencia de cada tipo de suelo identificado en el perfil estratigráfico.



Resistencia al esfuerzo cortante, permeabilidad, rigidez o compresibilidad de los suelos de cada uno de los estratos. Métodos indirectos.

Deben utilizarse en el reconocimiento preliminar de la zona, donde se requiera principalmente una orientación y/o datos aproximados relacionados con la estratigrafía, discontinuidades y condiciones geológicas generales.

Los métodos de exploración que incluyen sensores remotos y los métodos geofísicos que se basan en la medición de ciertas propiedades físicas de rocas y de suelos, permiten conocer la probable estratigrafía, y por correlación, alguna de las características de los materiales.

A continuación se describen brevemente los métodos geofísicos, los cuales se tratan en detalle en el numeral B.2.3 de este Manual. 62

MANUAL DE DISEÑO DE OBRAS CIVILES-CFE B.2.1 CARACTERIZACIÓN DE LOS DEPÓSITOS DE SUELOS Exploración geofísica

Los métodos geofísicos en la exploración de un sitio son especialmente útiles en el caso de proyectos para grandes estructuras, carreteras, canales, proyectos hidroeléctricos importantes, túneles, etc. Se justifica plenamente su uso tanto en estudios de factibilidad como en las otras etapas de la exploración y construcción de las obras mencionadas. Siempre será necesario calibrar los resultados obtenidos de estas investigaciones comparándolos con los de un sondeo convencional con obtención de muestras para darles mayor confiabilidad y no es recomendable su utilización sin el reconocimiento geológico previo.

En geotecnia los más utilizados son el método sísmico y el método de resistividad. Los métodos de exploración geofísica aplicada a la geotecnia se basan en la medición de la variación de la velocidad de propagación de ondas sísmicas o de la resistividad eléctrica de los suelos y, mediante su interpretación y con correlaciones, se deducen las características estratigráficas, la posición del nivel freático y los posibles tipos de propiedades de los suelos y las rocas. Estos métodos se utilizan para obtener información preliminar del subsuelo, para complementar la información geológica y para optimizar el número de sondeos geotécnicos.

Método de refracción sísmica La principal aplicación de este método es la de determinar la profundidad de la roca que subyace el depósito de suelo. Permite establecer la profundidad y los espesores de los depósitos de suelo y roca con propiedades elásticas diferentes. Es deseable correlacionar la prueba con la información de sondeos convencionales con extracción de muestras, pues tiene limitaciones básicas que se describen más adelante. Este método se basa en medir las velocidades de propagación de las ondas elásticas en los diferentes estratos del lugar, provocando artificialmente perturbaciones dinámicas en un punto de suelo que dan origen a ondas longitudinales y transversales. El estudio de sus reflexiones y refracciones permite deducir las profundidades, espesores de capas y calidad de los materiales. El método de refracción consiste en medir el tiempo requerido para que las ondas longitudinales viajen del punto en el que se generan, a los detectores o geófonos colocados en la línea que captan la señal de llegada y que, a su vez, la envían a un aparato registrador. En el capítulo B.2.3, se describe este método con más detalle.

Método de resistividad eléctrica En general el método resistivo es apto cuando los cortes geológicos acusan buenos contrastes de resistividad. En esta condición el método es útil en la cuantificación de 63

B.2.1 CARACTERIZACIÓN DE LOS DEPÓSITOS DE SUELO B.2.1.2 EXPLORACIÓN Y MUESTREO DE SUELOS bancos de materiales, algunas zonas de debilidad y es de ayuda en la búsqueda de agua subterránea, localización de minerales y estructuras geológicas. En el caso más general, la profundidad de exploración se considera igual a la cuarta parte de distancia entre los electrodos de corriente. La precisión de este método para definir la estratigrafía de un sitio es generalmente menor que la que proporciona el de refracción sísmica y, por ello se utiliza menos; sin embargo, es más confiable para determinar la posición del nivel freático. El método de resistividad eléctrica se basa en la generación de un campo eléctrico creado por la circulación de una corriente eléctrica en el subsuelo (natural o artificial). Las características de este campo permiten establecer una relación entre los parámetros físicos que intervienen en la propagación de la corriente y las características físicas de los materiales. Para ello se emplean aparatos receptores y transmisores. Este método consiste en la determinación de las resistividades de cada estrato, generando un campo eléctrico mediante un dispositivo cuadripolar que mide la intensidad de la corriente eléctrica creadora del campo y la caída del potencial en dos puntos del campo, para visualizar en forma independiente o global la imagen de la estructura geológica del subsuelo.

Método de georradar El método de georradar o radar de penetración terrestre (GPR), es una técnica de prospección geofísica que emplea impulsos electromagnéticos de alta frecuencia que se propagan hacia el interior del suelo. Estas ondas son reflejadas por anomalías del subsuelo (irregularidades, interfaces o discontinuidades) a diferentes profundidades que después se captan por medio de una antena en la superficie del suelo. Como resultado de esta prueba, se genera una serie de registros que permiten conocer algunos de los rasgos generales de la estratigrafía. La profundidad máxima de exploración generalmente es menor que 30 m, pero la mayoría de las prospecciones de georradar se limitan a unos cuantos metros. Esta técnica es muy similar al sonar y a la reflexión sísmica; se basa en la misma teoría electromagnética del radar convencional, excepto que las ondas electromagnéticas son transmitidas al interior del subsuelo.

Las principales aplicaciones son la determinación de espesores de capas de hielo, exploración de depósitos, yacimientos de carbón y metales pesados, mapeo de detalles estratigráficos, contorno de túneles de minas, aplicaciones arqueológicas y estudios de contaminación ambiental.

Análisis de ruido ambiental Las vibraciones que producen los llamados microtemblores dependen principalmente de la actividad humana y se conocen como ruido sísmico ambiental. De los análisis de

64

MANUAL DE DISEÑO DE OBRAS CIVILES-CFE B.2.1 CARACTERIZACIÓN DE LOS DEPÓSITOS DE SUELOS registros de ruido ambiental es posible determinar cuantitativamente los efectos de sitio así como algunas propiedades dinámicas del subsuelo. Se considera que los efectos de sitio son el conjunto de modificaciones que sufre un tren de ondas al atravesar el medio por donde se propagan dichas ondas. Estas modificaciones generalmente se refieren a los cambios de amplitud o intensidad, contenido de frecuencias y de duración que experimenta una señal vibratoria cuando pasa a través de un depósito de suelo en un sitio dado. Se ha establecido que las señales de microtemblores contienen información acerca de las características de los medios a través de los cuales viajan las ondas sísmicas. Estas características son las que determinan la importancia relativa de los efectos de sitio. La metodología de Nakamura (1989) permite estimar los efectos de sitio a partir del análisis de señales de ruido ambiental. Se basa en considerar que el cociente espectral entre las componentes horizontal y vertical de los microtemblores es una aproximación de la función de transferencia de los suelos. La función de transferencia permite determinar las características dinámicas de la superficie del suelo en función de las características dinámicas de la roca base o suelo muy firme. La función de transferencia de las capas superficiales del subsuelo puede estimarse aproximadamente con los espectros de amplitudes de Fourier de los microtemblores en superficie, únicamente. En otras palabras, su componente vertical del movimiento en la superficie mantiene las características de la componente horizontal de movimiento en el basamento.

La técnica conduce a estimaciones suficientemente aproximadas de la frecuencia natural de vibración del terreno. El uso de cocientes espectrales de ruido sísmico ambiental para estimar la amplificación se ha popularizado pues se trata de un método no invasivo; las mediciones de campo requeridas son sencillas, el procesado de datos es simple y se obtienen resultados que en muchos casos proporcionan una buena estimación de la amplificación, expresada en términos de la función de transferencia aproximada del suelo.

Los registros de microtemblores también se han usado para estimar los perfiles de velocidad de ondas de corte o de compresión. En general se requiere la medición simultánea de microtemblores colocados en estaciones sismográficas distribuidas en arreglos específicos. El método propuesto inicialmente por Aki (1957) se enfoca básicamente a estimar la dispersión de ondas superficiales contenidas en los microtemblores. La dispersión depende de la estructura del subsuelo, es decir, de su estratigrafía y de las propiedades elásticas de los estratos. Consecuentemente, la dispersión puede emplearse para conocer la estructura del subsuelo, en términos de velocidades de onda y de espesores. Sin embargo, el modelo estratigráfico resultante no es único y resulta necesario calibrarlo. Para ello se pueden usar mediciones de campo de la velocidad de propagación de ondas de corte, sondeos geotécnicos y estimaciones de la amplificación obtenidas del análisis de sismos registrados en los sitios.

65

B.2.1 CARACTERIZACIÓN DE LOS DEPÓSITOS DE SUELO B.2.1.2 EXPLORACIÓN Y MUESTREO DE SUELOS En la metodología para el uso de las señales existen varias versiones de los métodos de dispersión los cuales se conocen como métodos de prospección de microtremores (microtremor survey methods). Entre los más conocidos se encuentra el SPAC (spectral autocorrelation), el E-SPAC (extended spectral autocorrelation), el REMI (refraction microtremors), MUSIC (multiple signal characterization), etc. Aunque su uso es aún limitado y estos métodos se encuentran todavía en su etapa experimental, el software para algunos de ellos ya se puede adquirir comercialmente. El método de ruido ambiental o microtremores se describe detalladamente en el numeral B.2.3 de este Manual.

b)

Métodos directos.

Estos métodos permiten obtener puntualmente información precisa acerca de las condiciones del sitio y las características de los materiales. Los resultados obtenidos en campo, se deben enriquecer con los ensayes o estudios de laboratorio de las muestras obtenidas.

Las técnicas de exploración mediante la obtención de muestras de suelo y rocas, y la observación de sus características in situ, permiten conocer las condiciones geológicas y geotécnicas del sitio de estudio. Incluyen levantamientos superficiales, sondeos, socavones, trincheras y pozos a cielo abierto.

Exploración y muestreo La obtención eficiente de muestras de suelo se realiza con la ayuda de muestreadores. El tipo de muestreador depende del tipo de material que se vaya a extraer y de las condiciones en las que se encuentre. La información que se obtenga de los sondeos debe identificar la estratigrafía del sitio y recuperar muestras que puedan ser sometidas a ensayes de laboratorio.

Tipos de sondeo Los sondeos o métodos de prueba pueden dividirse en dos grupos: métodos de registro y métodos específicos. Comúnmente, los métodos de registro son pruebas de penetración, usualmente rápidas y relativamente económicas. Estos métodos requieren de correlaciones para obtener los valores de parámetros geotécnicos. Los métodos específicos son generalmente más especializados y frecuentemente más lentos y más caros para su ejecución. Los métodos de registro son muy útiles para estudios estratigráficos preliminares, ya que se obtiene una evaluación cualitativa de los parámetros del subsuelo, mientras que los específicos proporcionan información más detallada, porque incluiyen muestreo alterado e inalterado y pruebas de laboratorio (CGS, 1992).

66

MANUAL DE DISEÑO DE OBRAS CIVILES-CFE B.2.1 CARACTERIZACIÓN DE LOS DEPÓSITOS DE SUELOS En el capítulo B.2.3 se detallan cada una de las pruebas de campo y a continuación, se describen los aspectos generales de los tipos de sondeos.













Sondeos con recuperación continua. Los sondeos con recuperación continua de muestras alteradas con la prueba de penetración estándar se usan para evaluar la consistencia o compacidad de los materiales, con el objeto de obtener un perfil estratigráfico continuo del sitio, del contenido de agua y otras propiedades índice. No es posible realizar pruebas mecánicas de laboratorio. Sondeos mixtos con recuperación alternada e inalterada. En los sondeos mixtos se emplean alternadamente las técnicas de penetración estándar y las de muestreo para recuperar muestras inalteradas. Solo las segundas serán aceptables para determinar las propiedades mecánicas. Las profundidades de muestreo inalterado se pueden determinar a partir de los resultados del sondeo de recuperación de muestras alteradas o bien, de los resultados de sondeos de cono eléctrico ejecutados previamente. Sondeos de verificación estratigráfica o de tipo selectivo. Los sondeos de verificación estratigráfica o de tipo selectivo, con o sin recuperación de muestras, generalmente se realizan recurriendo a la prueba de penetración estándar, al muestreo inalterado o al uso de un cono mecánico o eléctrico u otro dispositivo similar. Estos sondeos tienen como objetivo verificar los resultados de estudios exploratorios previos. Sondeos con equipo rotatorio. Los sondeos con equipo rotatorio y muestreadores de barril, se usan en materiales firmes y rocas, a fin de recuperar núcleos para clasificación y pruebas de laboratorio. Dichos sondeos pueden clasificarse de acuerdo con el tipo de maquinaria de perforación que se utilice. Sondeos con equipo tricónico. Son sondeos con registros continuos de la presión en las tuberías o mangueras de la máquina de perforar, de la velocidad de avance, de la torsión aplicada; serán aceptables para identificar tipos de material o descubrir oquedades. Pozos a cielo abierto. Adicionalmente, se pueden realizar exploraciones a cielo abierto con equipo manual o mecánico. Dependen del tipo de suelo existente del sitio; permiten observar directamente las características estratigráficas del suelo y la extracción de muestras alteradas e inalteradas de los estratos. Usualmente, la excavación tiene sección cuadrada o rectangular de 1,5 m de lado mínimo, con una profundidad normalmente menor que 10 m. Si se localiza el nivel de aguas freáticas antes de esta profundidad se requiere de bombeo con pozos de punta hincados perimetralmente y, si la permeabilidad del suelo es baja, pueden utilizarse bombas centrífugas eléctricas de achique.

Otras técnicas de exploración manual y superficial pueden realizarse con herramientas de perforación como la pala posteadora o barrenas helicoidales de pequeños diámetros (10 cm máximo).

67

B.2.1 CARACTERIZACIÓN DE LOS DEPÓSITOS DE SUELO B.2.1.2 EXPLORACIÓN Y MUESTREO DE SUELOS

Consideraciones generales La información proporcionada por los sondeos deberá obtenerse de:    

Los análisis de los registros de perforación La identificación en el campo de las muestras recuperadas La inspección de las paredes del pozo a cielo abierto, en su caso Los resultados de los ensayes de laboratorio de las muestras

El registro de un sondeo debe proporcionar una relación exacta y completa de las condiciones geotécnicas encontradas, junto con información complementaria obtenida durante la propia perforación. Un registro preciso requiere cuidado y vigilancia para la obtención de datos por parte del perforista y del ingeniero en geotecnia encargado de la supervisión. Durante la perforación deben vigilarse las condiciones del fluido de retorno y el estado de los niveles freáticos, así como las pérdidas del fluido debido a las condiciones de permeabilidad in situ. Conviene que el ingeniero supervisor realice un estudio preliminar de las muestras a la brevedad posible, después de su recuperación, para clasificar e identificar el suelo y sus características. La información se enriquecerá posteriormente con los ensayes de laboratorio de las muestras. Los resultados de las pruebas de laboratorio en lo que se refiere a las propiedades mecánicas de los suelos, deberán manejarse con cuidado, dado que tales resultados, aun cuando dan una idea de las características del material muestreado, pueden no ser representativos del estrato por ser valores límites obtenidos en muestras inalteradas o alteradas. La información obtenida en los sondeos se registrará en formatos de perforación (Fig 1.29); posteriormente se integrará en los perfiles geotécnicos como se muestra en la Fig 1.30 (CFE, 1979).

68

MANUAL DE DISEÑO DE OBRAS CIVILES-CFE B.2.1 CARACTERIZACIÓN DE LOS DEPÓSITOS DE SUELOS

Figura 1.29 Registro de perforación

69

B.2.1 CARACTERIZACIÓN DE LOS DEPÓSITOS DE SUELO B.2.1.2 EXPLORACIÓN Y MUESTREO DE SUELOS

Figura 1.30 Perfil estratigráfico típico

70

MANUAL DE DISEÑO DE OBRAS CIVILES-CFE B.2.1 CARACTERIZACIÓN DE LOS DEPÓSITOS DE SUELOS Se entiende por sondeo en suelo, a la perforación y recuperación de muestras alteradas e inalteradas. La muestras deberán ser representativas, para identificar las características y propiedades índice del suelo, tamaño de partículas, cambio de estrato, resistencia, deformabilidad, permeabilidad, etc. El tipo de sondeo se selecciona de acuerdo con las características de la obra, el costo y las necesidades del proyecto.

c)

Determinación del tipo, número, espaciamiento, localización y profundidad del sondeo.

Los sondeos se localizan conforme el conocimiento previo de las condiciones geológicas, para lo cual se puede recurrir a los métodos indirectos y a los levantamientos geológicos superficiales. Los sondeos siempre deberán referirse al sistema de coordenadas topográficas del lugar en estudio. En la exploración de proyectos estrechos y alargados (torres de transmisión, presas, túneles, vías terrestres y canales), se realizarán sondeos a lo largo del eje longitudinal propuesto. También es conveniente explorar la zona a lo largo de ejes perpendiculares, dependiendo de las características geológicas y geotécnicas de la zona y de las peculiaridades de las estructuras propuestas. La selección del número, espaciamiento y profundidad de los sondeos depende del carácter de la exploración que se esté llevando a cabo. Así, los sondeos pueden ser de factibilidad, preliminares, de ingeniería básica, de investigación de detalle y finalmente de verificación. Normalmente en el estudio de factibilidad se hace un número reducido de sondeos distribuidos en zonas o con una separación relativamente grande. El número de ellos aumenta cuando se trata de estudios preliminares, de ingeniería básica o de detalle. Su número se reduce en los trabajos de verificación. En la Tabla 1.33, se presenta un resumen de las pruebas comunes in situ que se llevan a cabo en un programa de exploración (CGS, 1992). La Tabla 1.34, presenta una guía preliminar para la planeación del programa de exploración y muestreo. Dicha guía proporciona recomendaciones para orientar trabajos de campo. El programa final de muestreo debe ser suficientemente flexible para permitir al ingeniero en mecánica de suelos la obtención de un amplio conocimiento del sitio, incluyendo la detección de anomalías u otras fallas (USACE, 2001).

Número y espaciamiento de los sondeos El número de sondeos dependerá de las características del terreno (uniforme o errático), de la longitud de las cargas impuestas por la estructura al terreno y de las características y funciones de las obras proyectadas (susceptibilidad a los asentamientos diferenciales, por ejemplo). Cuando a raíz de los estudios geológicos previstos o de los primeros resultados de sondeos se infiere que el subsuelo presenta condiciones muy erráticas, la distancia entre sondeos deberá reducirse. No hay regla que permita definir exactamente el número de sondeos, pues depende de las características del sitio por investigar, como tipo de suelo, nivel de aguas freáticas, así como de magnitud, costo y tipo de obra.

71

B.2.1 CARACTERIZACIÓN DE LOS DEPÓSITOS DE SUELO B.2.1.2 EXPLORACIÓN Y MUESTREO DE SUELOS Tabla 1.33 Resumen de pruebas comunes in situ (CGS, 1992)

TIPO DE PRUEBA

APLICABLE

NO APLICABLE

Prueba de penetración estándar (SPT).

Arena. Arcilla media a firme

Arcilla blanda

Prueba de penetración con cono dinámico (DCPT).

Arena, limos y arcillas

Suelos blandos y gravas

Prueba de penetración con cono dinámico portátil.

Arena

Prueba de penetración con cono eléctrico (CPT).

Arena, limo y arcilla

Prueba de penetración Becker (BPT).

Material granular, arcilla media a firme

Prueba de veleta de campo (FVT).

Arcilla blanda a firme

Prueba de penetración con barreno helicoidal con pesas.

Arcilla blanda a dura y arena suelta a densa

Prueba de presiómetro (PMT).

Ficómetro.

72

Estratos de roca, arena densa, grava Suelos duros o firmes. Arena cementada

Suelos blandos y Gravas

PROPIEDADES QUE PUEDEN SER DETERMINADAS

Evaluación cualitativa de compacidad O consistencia. Comparación cualitativa de estratificación del suelo

Grava Arena muy suelta

Evaluación continua de la densidad y resistencia en arenas. Evaluación continua de la resistencia al corte no drenada en arcillas

Suelos blandos

Evaluación cualitativa de la resistencia a la compresión no drenada

DETALLES ADICIONALES SOBRE ESTE TEMA EN EL MDOC Capítulo B.2.3, numeral 1.2 Potencial de licuación de arenas sueltas Capítulo B.2.3, numeral 1.8 Capítulo B.2.3, numeral 1.8 Se utiliza hasta profundidades de 8 m Capítulo B.2.3, numeral 1.4 Aplicable para el diseño de zapatas, pilas y pilotes en arena y evaluar el potencial de licuación de arenas sueltas

Sedimentos laminados, arena y grava

Resistencia no drenada y residual

Capítulo B.2.3, numeral 1.3 La prueba debe ejecutarse con cuidado, particularmente si el suelo está fisurado, en arcillas estratificadas y altamente plásticas.

Arcilla blanda

Evaluación cualitativa de compacidad. Comparación cualitativa de estratificación del suelo

Penetración por hincado en suelos con resistencia menor a 1 kN. Para resistencia mayor se hinca con rotación.

Arcilla limosa blanda y sensitiva. Arena suelta

Evaluación de la compacidad, compresibilidad y deformabilidad

Capítulo B.2.3, numeral 1.6

Arcilla blanda y arena muy suelta

Parámetros de resistencia

Capítulo B.2.3, numeral 1.7

MANUAL DE DISEÑO DE OBRAS CIVILES-CFE B.2.1 CARACTERIZACIÓN DE LOS DEPÓSITOS DE SUELOS Tabla 1.33 Resumen de pruebas comunes in situ (cont)

TIPO DE PRUEBA

Dilatómetro Marchetti

APLICABLE

Arena suelta a densa Arcilla blanda a firme

Prueba de carga con placa

Arcillas medias a duras, limos, arenas, gravas, roca y rellenos

Prueba de placa con helicoide

Arcillas medias a duras, limos, arenas, gravas, roca y rellenos

Prueba de corte directo

Penetración con piezocono

NO APLICABLE

PROPIEDADES QUE PUEDEN SER DETERMINADAS

Grava con boleos y suelos gravosos

Propiedades de deformabilidad y compresibilidad de los suelos. También de resistencia al cortante

Suelos cohesivos muy blandos

Por debajo del nivel freático

Prueba de permeabilidad Matsuo-HonmachiAkai

Aluviones, limos y arcillas, suelos arenosos y con gravas y rocas fracturadas

Prueba de infiltración USBR

Aluviones, limos y arcillas, suelos arenosos y con gravas y rocas fracturadas

Prueba Lefranc

Formaciones térreas constituidas por arenas, limos, aluviones, escombros, etc

Módulo de deformación del suelo

Resistencia cortante de pico y residual de una porción de suelo, o roca con discontinuidades

Todo tipo de suelos y rocas

Suelos arenosos de compacidad suelta a media y suelos cohesivos de consistencia blanda a media

Capacidad de carga última, la resistencia al esfuerzo cortante y parámetros de deformabilidad de la masa de suelo

Suelos con boleos, gravas que excedan el diámetro del cono, suelos cementados o rocas

Condiciones de presión de agua en los estratos de interés, así como parámetros de compresibilidad y permeabilidad de los suelos

Coeficiente de permeabilidad

DETALLES ADICIONALES SOBRE ESTE TEMA EN EL MDOC

Capítulo B.2.3, numeral 1.10

Capítulo B.2.3, numeral 1.1 Esta prueba puede ser llevada a cabo en la superficie del suelo, en un foso, en una zanja o en el fondo de una perforación Se realiza en excavaciones a cielo abierto Capítulo B.2.3, numeral 1.5 La prueba aplicable en estudios de estabilidad de laderas o taludes, excavaciones subterráneas y cimentaciones para presas y puentes

Capítulo B.2.3, numeral 1.11

Capítulo B.2.3, numeral 3.4 Es apropiado el empleo de esta prueba para formaciones térreas con permeabilidad media Capítulo B.2.3, numeral 3.5 Es recomendable en materiales compactados y en estratos superficiales de suelos Capítulo B.2.3, numeral 3.1 Aplicable en tramos de longitud máxima de cinco metros

73

B.2.1 CARACTERIZACIÓN DE LOS DEPÓSITOS DE SUELO B.2.1.2 EXPLORACIÓN Y MUESTREO DE SUELOS Tabla 1.33 Resumen de pruebas comunes in situ (cont)

TIPO DE PRUEBA

Prueba Nasberg

APLICABLE

Suelos no saturados

NO APLICABLE

PROPIEDADES QUE PUEDEN SER DETERMINADAS

Suelos por debajo del nivel de agua freática Coeficiente de permeabilidad

Prueba de bombeo

Formaciones térreas y rocas fracturadas

Prueba de refracción sísmica

Todo tipo de suelo

Barrido sísmico en pozos cruzados (Cross hole)

Todo tipo de suelo

Barrido sísmico en pozo abajo (Down hole)

Todo tipo de suelo

Penetración con cono sísmico

Arcilla blanda y arena de compacidad baja a media

Sonda suspendida

Todo tipo de suelo

Prospección sísmica a través de la dispersión de ondas superficiales

Radar de penetración terrestre (GPR)

Por encima del nivel de agua freática

Arcilla media a dura, arena densa a muy densa y suelos con gravas

Velocidad de propagación de ondas de compresión (VP) y cortante (VS). Módulo de cortante dinámico y relación de Poisson. Permite determinar la profundidad de la roca basal

DETALLES ADICIONALES SOBRE ESTE TEMA EN EL MDOC Capítulo B.2.3, numeral 3.2 Aplicable en tramos de longitud máxima de cinco metros Capítulo B.2.3, numeral 3.3 Apropiada en suelos granulares y enrocamientos Capítulo B.2.3, numeral 2.1 Capítulo B.2.3, numeral 2.2 Capítulo B.2.3, numeral 2.3 Capítulo B.2.3, numeral 2.4 Capítulo B.2.3, numeral 2.5

Todo tipo de suelo

Perfiles de velocidad de ondas de corte o de compresión Determinar cuantitativamente los efectos de sitio

Todo tipo de suelo

Mapeado de detalles estratigráficos y contenido de agua

Capítulo B.2.3, numeral 2.6

Profundidad de penetración Suelos saturados entre 6 y 10 m Roca competente hasta 50 m

Inicialmente se deben realizar sondeos de factibilidad cuyo objetivo es definir las condiciones geotécnicas generales del lugar. Los sondeos preliminares, son aquellos que permiten definir las características, la profundidad del nivel freático y las condiciones preliminares del suelo. En la etapa de ingeniería básica se realiza la exploración necesaria para definir las condiciones geotécnicas del subsuelo y sus parámetros geomecánicos para una evaluación general del comportamiento de las estructuras o zonas de riesgo, durante la investigación de detalle estos sondeos suelen localizarse en los sitios donde estarán las obras más importantes del proyecto, en las zonas donde se concentran las cargas y estructuras o bien, donde se detecten fallas o zonas de riesgo. Finalmente, los sondeos de verificación son aquellos que permiten validar las condiciones estratigráficas o de diseño.

74

MANUAL DE DISEÑO DE OBRAS CIVILES-CFE B.2.1 CARACTERIZACIÓN DE LOS DEPÓSITOS DE SUELOS Tabla 1.34 Criterios generales para definir el número, el espaciamiento y la profundidad de sondeo en la etapa de exploración preliminar (USACE, 2001) ESTRUCTURA

NÚMERO Y ESPACIAMIENTO DE SONDEOS

PROFUNDIDAD DEL SONDEO

Estructuras rígidas porticadas

Un sondeo por cada 230 m de área a nivel del terreno

1½ veces la dimensión mínima de la losa de cimentación debajo de la base de la cimentación Cimentación con pilotes: 1½ veces la dimensión mínima de una losa de cimentación imaginaria localizada a 2/3 de la profundidad esperada de los pilotes

Puentes

Mínimo un sondeo por cada estribo Tamaño de estribo >250 m2. Mínimo cinco muestras continuas inalteradas en cada uno

1½ veces la dimensión mínima de la zapata debajo de la base de la cimentación Cimentación con pilotes: 1½ veces la dimensión mínima de una losa de cimentación imaginaria localizada a 2/3 de la profundidad esperada de los pilotes

Diques

Dique de 3 a 6 m de altura. Espaciamiento de sondeos a intervalos de 300 m Dique de 6 a 12 m de altura. Espaciamiento de sondeos a intervalos de 230 m Dique de 12 a 18 m de altura. Espaciamiento de sondeos a intervalos de 150 m

2

Sondeos de 6 m de profundidad Profundidad del sondeo por los menos igual a la altura del dique Profundidad del sondeo por los menos igual a la altura del dique

COMENTARIOS Suelos cohesivos - Muestreo continuo inalterado en los primeros 3 m - Muestreo intercalado a partir de intervalos de 1,5 a 3 m - Muestreos después de cada cambio de estrato de suelo Suelos no cohesivos -Obtener muestra inalteradas (si es posible) o llevar a cabo, tantos como sea posible, sondeos con ensayes CPT o SPT Suelos cohesivos -Tamaño de estribo 2% muestras largas (mayor a 100 cm de longitud).

Relación longitud – diámetro interno interno

5 – 10 suelos no cohesivos.

Relación de compensación externa (control de la fricción interna)

Suelos cohesivos 2% – 3%.

Velocidad de hincado

0,15 a 0,30 m/s.

10 – 20 suelos cohesivos.

Suelos no cohesivos 0%.

MANUAL DE DISEÑO DE OBRAS CIVILES-CFE B.2.1 CARACTERIZACIÓN DE LOS DEPÓSITOS DE SUELOS Tabla 1.36 Causas de alteración del suelo ANTES DEL MUESTREO a) b) c) d) e) f)

Empuje en la base. Tuberías. Cavidades. Expansión. Alivio de esfuerzos. Desplazamientos.

DURANTE EL MUESTREO a) Falla en la recuperación. b) Mezcla o segregación. c) Remoldeo. d) Alivio de esfuerzos. e) Desplazamientos. f) Piedras a los largo del borde de corte.

a) b) c) d) e) f) g) h) i) j)

c)

DESPUÉS DEL MUESTREO Cambios químicos. Migración de agua. Cambios en el contenido de agua. Alivio de esfuerzos. Congelación Vibración Alteración causada durante la extrusión. Alteración causada durante el manejo y transporte. Alteración causada debido al almacenamiento. Alteración causada durante la preparación de la muestra.

Muestreo alterado



Método manual

La obtención de muestras representativas alteradas de cualquier tipo de suelo localizado arriba o abajo del nivel freático puede hacerse con herramientas de mano, mediante pozos someros de pequeño diámetro, pozos excavados a cielo abierto, cortes o zanjas. En ocasiones conviene usar retroexcavadoras para hacer pozos a cielo abierto. La limitación de este método radica en su baja velocidad de avance y en que solamente se pueden alcanzar, eficientemente y con seguridad, profundidades someras (menores que 10 m). Las herramientas de tipo barreno y la pala posteadora, tienen como desventaja que se obtienen muestras contaminadas por el suelo de las capas superiores, aunque su principal uso debe limitarse a identificar los cambios de estratos. El muestreo de gravas y arena de bancos es, por necesidad, alterado. Con las muestras así obtenidas se determinan las curvas de distribución de tamaño, índices de curvatura y de uniformidad. Adicionalmente se puede determinar la abrasividad del material y su mineralogía. Toda esta información es útil para la planeación y diseño de varios tipos de obras como diques, presas, caminos, etc.

Este método se emplea para la obtención de muestras representativas de pozos a cielo abierto, cortes y zanjas, en la etapa de exploración preliminar, con el fin de obtener 83

B.2.1 CARACTERIZACIÓN DE LOS DEPÓSITOS DE SUELO B.2.1.2 EXPLORACIÓN Y MUESTREO DE SUELOS muestras para ensayos de clasificación que podrán ser correlacionadas con el resultado de estudios geofísicos o de penetración con cono eléctrico. También se utiliza para obtener muestras de bancos de préstamo de material (PEMEX, 2001).

Equipo Cuando el muestreo se hace en perforaciones de pequeño diámetro (máximo 10 cm), se requieren herramientas manuales de perforación, como la pala posteadora (Fig 1.36) y barrenos de mano tipo Iwan (Fig 1.37), barrenos tipo barril, barrenos helicoidales o barrenos tipo cubo (Figs 1.38 a 1.40) (Hvorslev, 1949). Cuando el muestreo se hace en zanjas o pozos a cielo abierto se utilizan picos y palas para la excavación manual o retroexcavadora cuando existen condiciones adecuadas, para el muestreo se utiliza herramienta manual. Podría ser necesario ademar las paredes de la excavación y utilizar bombas para extraer el agua en la exploración que se realice bajo el nivel freático.

Operación Las muestras que se pueden obtener de pozos excavados con herramienta manual, como pala posteadora o con brocas helicoidales, están conformadas por pequeños fragmentos que se rescatan a medida que progresa la excavación; estas muestras se conservarán en bolsas de polietileno o frascos de vidrio para mantener su humedad natural. Las muestras que se obtengan de pozos a cielo abierto o zanjas podrán tomarse de las paredes y del fondo; debe eliminarse el material superficial contaminado o alterado en su humedad natural y tomarse la muestra de suelo recién descubierto. El tamaño de la muestra depende de las pruebas que se realizarán; para un sondeo convencional, las muestras para fines de clasificación deben ser de unos 5 N para estudiar el suelo como material de préstamo se deben tomar muestras de 100 N de los estratos explotables o una muestra integral de aproximadamente 300 N obtenida de una ranura vertical lateral hecha en el pozo o corte; se elige el criterio de muestreo acorde con el método de exploración del banco. Las muestras se colocarán en bolsas de polietileno para mantener su humedad natural.

Registro de datos Cuando el muestreo se hace con herramienta manual, se podrá utilizar el registro propuesto en el numeral 1.2.2 para recopilar la información.

Cuando se trate de pozos a cielo abierto se utilizará el registro de la Fig 1.30.

84

MANUAL DE DISEÑO DE OBRAS CIVILES-CFE B.2.1 CARACTERIZACIÓN DE LOS DEPÓSITOS DE SUELOS

Pala posteadora

Barrena helicoidal

Palas posteadoras Figura 1.35 Herramienta manual de perforación

Figura 1.36 Fotografía de barrenos de mano tipo Iwan 85

B.2.1 CARACTERIZACIÓN DE LOS DEPÓSITOS DE SUELO B.2.1.2 EXPLORACIÓN Y MUESTREO DE SUELOS

Figura 1.37 Barrenos abiertos de tipo barril o Thomson

(a)

(b)

Figura 1.38 Barrenos helicoidales (a) de trayectoria corta (b) de trayectoria continua 86

MANUAL DE DISEÑO DE OBRAS CIVILES-CFE B.2.1 CARACTERIZACIÓN DE LOS DEPÓSITOS DE SUELOS 

Muestreadores hincados a presión

Este tipo de muestreador se hinca por presión en el suelo, sin rotación, con el fin de obtener muestras alteradas en la mayoría de suelos. Los tubos hincados a presión son de dos clases, muestreadores de tubo abierto y muestreadores con pistón.

La ventaja del uso de muestreadores de tubo abierto, es la simplicidad y la economía de la operación, pero se pueden obtener muestras no representativas cuando no hay una limpieza adecuada de la perforación o por el colapso de las paredes del sondeo (USACE, 2001). A continuación se describe cada uno de estos tipos de muestreadores.

Manija cerrada

Manija abierta

Bisagra de cierre

Bisagra

Aquí se toma la muestra

Material cayendo

SIN TAPA FONDO CERRADO FONDO ABIERTO

a. PARA MATERIAL COHESIVO Manija cerrada

Manija abierta

Sobre tamaños ruedan por fuera de la pila. Tapas instaladas (Se abre para dejar entrar el material y se cierra para ser retirado del pozo).

FONDO CERRADO

Se escoge una muestra representativa de la parte superior de la pila. FONDO ABIERTO

b. PARA MATERIAL GRANULAR

Figura 1.39 Barreno tipo cubo i.

Muestreador de tubo abierto

Son de pared gruesa o delgada. Se colocan fijos por su cabeza a la tubería de perforación y admiten el suelo una vez que la punta del tubo entra en contacto con el suelo. Pueden tener una válvula en la cabeza para crear vacío y asegurar la retención de la muestra y evitar la entrada del fluido de perforación durante la extracción del 87

B.2.1 CARACTERIZACIÓN DE LOS DEPÓSITOS DE SUELO B.2.1.2 EXPLORACIÓN Y MUESTREO DE SUELOS tubo. Adicionalmente, se puede colocar una zapata de corte y una rejilla para retener la muestra (USACE, 2001).

Los muestreadores de pared delgada son ideales para obtener muestras inalteradas en suelos cohesivos de consistencia media a firme, pero no es posible obtener muestras de suelos duros, cementados o muy gravosos, o aquellos muy blandos o húmedos que no pueden ser retenidos dentro del muestreador. Los muestreadores de pared gruesa, en cambio, pueden ser utilizados para la extracción de muestras alteradas en todo tipo de suelo, tanto arriba como por debajo del nivel freático. Pueden ser enteros o partidos longitudinalmente y asegurados en un extremo por medio de la zapata de corte y el otro extremo por el cabezal. También se le adapta un retenedor tipo canasta en la punta de la cabeza de corte (USACE, 2001). ii.

Muestreador de pistón

Este tipo de muestreadores se utiliza para la extracción de muestras alteradas en la mayoría de suelos. El pistón hace la función de un tapón retráctil, el cual es liberado cuando se alcanza la profundidad deseada de muestreo (USACE, 2001). iii.

Muestreador de tubo partido

El muestreador de tubo partido, es una herramienta para obtención de muestras alteradas a percusión y a profundidades mayores de las que alcanza el método manual. Para su utilización en la prueba de Penetración Estándar (capítulo B.2.3), se requiere de una máquina perforadora y del uso de un penetrómetro estándar. El muestreador utilizado consiste, de acuerdo con la norma ASTM D 1586-99, en un tubo de diámetro interno el cual está partido en forma de “media caña”, en sentido longitudinal, con una cabeza de corte fabricada de acero templado, la cual puede ser reemplazada o reparada cuando se distorsiona o se deforma la punta (Figs 1.40 y 1.41). Este muestreador puede incorporar un retenedor de tipo canasta en la punta y en su cabezal una esfera que hace las veces de válvula de vacío para la retención de la muestra. El diámetro interno del muestreador es constante y de 35 mm aproximadamente. Se pueden fabricar de longitud efectiva variable entre 0,457 a 0,762 m, como se puede observar en la Fig 1.40 Este equipo es ideal para la extracción de muestras alteradas en casi todo tipo de suelo, excepto en los suelos con gran cantidad de grava y boleos.

88

MANUAL DE DISEÑO DE OBRAS CIVILES-CFE B.2.1 CARACTERIZACIÓN DE LOS DEPÓSITOS DE SUELOS

ZAPATA ABIERTA

TUBO

A= 0,025 a 0,050 m. B= 0,457 a 0,762 m. C= 0,03493 ± 0,00013 m. D= 0,0381 ± 0,0013 – 0,0 m. E= 0,00254 ± 0,00025 m. F= 0,0508 ± 0,0013 – 0,0 m. G= 16,0º a 23,0º

CABEZA

ESFERA

PASADOR CILÍNDRICO

ORIFICIO DE VENTILACIÓN

2 de 3/8” (0.0095 m) de diámetro.

Figura 1.40 Muestreador de tubo partido (ASTM D 1586-99)

iv.

Muestreadores vibratorios Este tipo de muestreador se utiliza para la obtención de muestras alteradas representativas de materiales friccionantes saturados, como limos y arenas finas, en playas o depósitos deltaicos, en los cuales otros métodos convencionales son poco efectivos (USACE, 2001).

El método de muestreo consiste en aplicar vibración o energía de oscilación al tubo muestreador con ayuda de un martillo de percusión o una máquina hidráulica. Para hacer esta operación se requiere de un trípode para soportar la tubería durante el muestreo y la extracción de la misma. La oscilación del tubo muestreador induce presión de poro positiva, lo que origina una reducción en los esfuerzos efectivos dentro del material muestreado.

89

B.2.1 CARACTERIZACIÓN DE LOS DEPÓSITOS DE SUELO B.2.1.2 EXPLORACIÓN Y MUESTREO DE SUELOS Ensamble del muestreador de tubo partido

Cabeza

Tubo abierto a media caña

Cabezal con válvula de retención y orificio de ventilación

Cabeza

Retenedor de tipo canasta

Tubo de media caña

Figura 1.41 Ensamble del muestreador de tubo partido (ASTM D 1586-99)

90

MANUAL DE DISEÑO DE OBRAS CIVILES-CFE B.2.1 CARACTERIZACIÓN DE LOS DEPÓSITOS DE SUELOS d)

Muestreo inalterado



Método manual

Se basa en labrar con herramienta de mano, muestras cúbicas de 30 cm de lado. Con este método se pueden obtener muestras que conserven el acomodo estructural de las partículas de suelo, de pozos a cielo abierto, cortes en laderas o zanjas. Las muestras se protegen con un forro de manta de cielo impregnado con parafina y brea. La obtención manual de muestras inalteradas produce la menor alteración posible. Puede aplicarse en suelos finos; mientras que en los granulares únicamente es aplicable en aquellos que tengan un contenido de finos tal que les impongan una pequeña cohesión. La limitación de este método radica en su bajo rendimiento y en que en general solo se puede utilizar en profundidades someras (menor que 10 m). Ocasionalmente se pueden extraer muestras inalteradas a mayores profundidades pero tomando las precauciones necesarias a fin de garantizar la estabilidad de la excavación.

Equipo Para el labrado de muestras de suelos blandos se requieren espátulas; para los duros un cincel ancho y un martillo ligero. Para la protección de las muestras manta de cielo, brochas y parafina con brea y una estufa portátil. Además, disponer de etiquetas de identificación de muestras.

Operación Se limpia, se nivela y se enraza una superficie horizontal de 50 cm de diámetro, en cuyo centro se marca un cuadrado de 30 cm de lado. Se coloca encima manta de cielo que se impregna de una mezcla con una proporción de 3:1 de parafina y brea respectivamente; la mezcla debe estar caliente al aplicarla con la brocha. En seguida se labran dos de los lados verticales, que se protegen con la manta impregnada de parafina y brea. Se continúa con los otros dos lados, protegiéndolos también y se corta la superficie de base de la muestra. Una vez que se corta la muestra, se voltea y se protege de la misma forma que los demás lados. Por último, se refuerzan los vértices con cintas de manta impregnadas de parafina. El procedimiento se representa en la Fig 1.42. Si el suelo es muy blando, se coloca una caja protectora antes de cortar la base de la muestra.

91

B.2.1 CARACTERIZACIÓN DE LOS DEPÓSITOS DE SUELO B.2.1.2 EXPLORACIÓN Y MUESTREO DE SUELOS

Figura 1.42 Procedimiento de obtención de muestras cúbicas Registro de datos La información de los pozos a cielo abierto se recopilará en el registro propuesto en el numeral 1.2.2. Protección y transporte de muestras En el numeral 1.2.7 se describen los cuidados que requieren las muestras inalteradas para su conservación y transporte. 

Muestreadores hincados a presión

Este tipo de muestreador es el más utilizado para obtener muestras inalteradas de suelos finos blandos a semiduros, sin gravas, localizados arriba o abajo del nivel freático.

Los muestreadores hincados a presión, pueden dividirse en dos grupos: muestreadores de tubo abierto (Shelby) y muestreadores de pistón. El tubo Shelby, con un diámetro mínimo aceptable de 7,5 cm, por ser un tubo abierto, tiene como desventaja que puede introducirse en suelo antes de llegar a la profundidad de muestreo, aspecto que se puede controlar con la utilización de muestreadores de pared delgada con pistón interno.

Los muestreadores de pared delgada con pistón, además, tienen la ventaja de que mantienen la forma cilíndrica de la muestra mientras el suelo penetra en el muestreador, pero su desventaja es el incremento de los costos de perforación (USACE, 2001). 92

MANUAL DE DISEÑO DE OBRAS CIVILES-CFE B.2.1 CARACTERIZACIÓN DE LOS DEPÓSITOS DE SUELOS

Los muestreadores hincados a presión se dividen en dos grupos, los muestreadores de tubo abierto y los de pistón.

I.

Muestreador de tubo abierto – tubo shelby

El tubo de pared delgada o Shelby es un tubo liso afilado, usualmente de 0,075 a 0,10 m de diámetro (Fig 1.43), que se hinca a presión para obtener muestras relativamente inalteradas de suelos finos blandos a semiduros, sin gravas, localizados arriba o abajo del nivel freático.

Figura 1.43 Tubos Shelby de 3” (0,075 m) y 4” (0,10 m) de diámetro Características Está constituido por un tubo de acero o latón, con el extremo inferior afilado y unido por una cabeza superior, a una columna de tubos de perforación. Estos a su vez, están unidos en el otro extremo a la máquina de perforación, la cual empuja al muestreador desde la superficie. En la Fig 1.44, se presenta este muestreador con los dos tipos de unión tubo – cabeza usuales; el primero con tres tornillos Allen y el segundo con cuerda, que ha mostrado ser más confiable en el primero aun operando en suelos duros (USACE, 2001). La cabeza tiene perforaciones laterales y una válvula esférica de pie que abre durante la etapa de muestreo. Las perforaciones permiten el alivio de la presión al interior del tubo y la válvula tiene como función, una vez que se cierra, la de proteger a la muestra de las presiones hidrodinámicas que se generan durante la extracción del muestreador. La Fig 1.45 corresponde a un muestreador de válvula deslizante en la que se sustituye la válvula esférica de los muestreadores anteriores por un mecanismo. El cople de unión a la columna de barras de perforación, tiene un tramo cuadrado al que se enrosca una barra circular que termina en una ampliación con un aro-sello; en esta

93

B.2.1 CARACTERIZACIÓN DE LOS DEPÓSITOS DE SUELO B.2.1.2 EXPLORACIÓN Y MUESTREO DE SUELOS barra se desliza la pieza a la que se fija el tubo muestreador y que tiene agujeros para el drenaje del fluido de perforación del interior del tubo. En las Figs 1.44 y 1.45, se anotan la dimensiones que necesariamente deben satisfacer estos muestreadores para los diámetros usuales de 7,5 y 10,0 cm (Hvorslev, 1949 y ASTM D 1587-00). Por lo regular, estos presentan un espesor máximo de pared de 1,5 mm y una longitud de 90 cm (USACE, 2001).

0,024

AW Cuerda BW NW

0,060

0,020

0,010

3 tornillos Allen a 120° c/u

0,025 0,005 0,0195

0,027 0,0095 Aro sello de hule

0,037

0,0578

0,026

0,0127

0,0222 0,0095

0,0195

0,014

Perforación

Cuerda repujada

Tubo 0,75

0,0127

Acotaciones, en m

0,0747

0,0762 Unión con tornillos Allen

Unión con cuerda

Figura 1.44 Muestreador de pared delgada

94

MANUAL DE DISEÑO DE OBRAS CIVILES-CFE B.2.1 CARACTERIZACIÓN DE LOS DEPÓSITOS DE SUELOS

0,070

0,0254

0,075

0,095

0,75

0,0127 0,0747 0,0762

Figura 1.45 Muestreador de válvula deslizante

95

B.2.1 CARACTERIZACIÓN DE LOS DEPÓSITOS DE SUELO B.2.1.2 EXPLORACIÓN Y MUESTREO DE SUELOS El procedimiento de afilado del tubo debe ser lo suficientemente preciso para que se obtengan tubos con las dimensiones especificadas en la Fig 1.34. Hvorslev (1949), describe dos métodos para esta operación; el más sencillo consiste en afilar primero el tubo en un torno y después con un bloque para doblar, darle la forma de la Fig 1.34.

Otro cuidado que se debe tener con este muestreador, es el de pintarlo para reducir el fenómeno de corrosión de la lámina, el cual induce cambios fisicoquímicos al suelo muestreado.

Condiciones geométricas La observación cuidadosa de muestras obtenidas con tubos de pared delgada de condiciones geométricas diferentes, mediante la técnica de secado de láminas de suelo, permitió a Hvorslev fundamentar las relaciones de áreas y diámetros que deben satisfacer estos muestreadores para asegurar un buen funcionamiento, y se resumen en la Tabla 1.37.

Además de acuerdo con el tipo de suelo que se desea muestrear, se debe prestar particular atención al cumplimiento de la relación de compensación interna. Por ejemplo, para suelos cohesivos y ligeramente expansivos se requieren relaciones mayores que para suelos poco cohesivos o friccionantes (USACE, 2001), pero dentro de los rangos estipulados en la Tabla 1.37. En la Fig. 1.46 se muestra un diagrama de la operación de muestreo usando tubo Shelby.

Operación El muestreador Shelby se hinca, con velocidad constante entre 15 y 30 cm/s, una longitud 15 cm menor a la del tubo, para dejar espacio donde alojar los azolves que pudieran haber quedado dentro del tubo mismo. Después del hincado, se deja en reposo durante 0,5 min para que la muestra se expanda en su interior y aumente su adherencia; enseguida se corta la base de la muestra girando dos vueltas el muestreador y se procede a sacarlo al exterior, donde se limpia e identifica, se clasifica y se protege.

Registro de datos Se utilizará el registro de campo propuesto en el numeral 1.2.2, con la información que se va obteniendo durante la ejecución del sondeo; conviene utilizar abreviaturas, para simplificar la presentación; las notas al pie del registro son observaciones que se hacen durante la ejecución y que pueden ayudar en la interpretación del sondeo. Debe también anotarse la presión necesaria para hincar el muestreador y el porcentaje de recuperación de muestra que expresa cualitativamente la calidad que se alcanza en cada operación del muestreado, como se muestra en la Tabla 1.37.

96

MANUAL DE DISEÑO DE OBRAS CIVILES-CFE B.2.1 CARACTERIZACIÓN DE LOS DEPÓSITOS DE SUELOS

Re c 

Lr *100 Lm

(1.6)

donde Rec: % de recuperación Lr: longitud recuperada Lm: longitud muestreada Tabla 1.37 Recuperación de muestras % de Recuperación (Rec)

Calidad

100%

Excelente

80%

Bueno

50% - 80%

Malo

< 50%

Inaceptable

Protección y transporte de muestras En el numeral 1.2.7, se describen los cuidados que requieren las muestras inalteradas para su conservación y transporte. Los muestreadores deben estar limpios y bien pintados, sin tener zonas o fragmentos oxidados. Debe desecharse cualquier muestreador que no sea perfectamente circular o que muestre abolladuras. Ventajas y desventajas La utilización de los tubos Shelby tiene como ventaja, facilidad y simplicidad de su operación. Sin embargo, pueden obtenerse muestras poco representativas debido a una limpieza deficiente del sondeo o colapso del mismo. Otra desventaja es la posibilidad de alteración de la muestra ya sea durante el muestreo (incremento de presión encima de la muestra) o en la extracción de la misma (disminución de presión).

ii.

Muestreador de pistón

Los muestreadores de pistón, como su nombre lo indica, tiene incorporado un pistón interno para impedir que haya ingreso de suelo dentro del tubo muestreador antes de llegar a la profundidad de muestreo y para reducir la pérdida de muestra durante la extracción del muestreador. Hay dos tipos de muestreadores de pared delgada con pistón adecuados para muestras inalteradas: muestreador de pistón libre y muestreador de pistón fijo. El muestreador de pistón libre, se sujeta durante su inserción y extracción, pero está libre para moverse respecto al nivel del terreno y el tubo muestreador. Éste no es recomendable para suelos cohesivos muy blandos, arenas sueltas y suelos orgánicos bajo el nivel freático (USACE, 2001). 97

B.2.1 CARACTERIZACIÓN DE LOS DEPÓSITOS DE SUELO B.2.1.2 EXPLORACIÓN Y MUESTREO DE SUELOS El muestreador de pistón fijo, se baja a la profundidad deseada con el pistón fijo en el fondo del muestreador, luego se libera de la cabeza aunque queda fijo con respecto a la superficie del terreno. Una vez extraída la muestra, el muestreador se fija a la cabeza del muestreador, antes de su extracción. Este muestreador es ideal para la extracción de muestras inalteradas en suelos cohesivos muy blandos, suelos orgánicos y también en arenas finas arriba y abajo del nivel freático usando fluido de perforación (USACE, 2001), pero no recomendados en suelos con gravas, suelo cementados o suelos de difícil penetración. Existen dos categorías de muestreadores de pistón fijo, los activados mecánicamente, que incluyen los muestreadores Hvorslev, Hvorlev simplificado y el muestreador de funda de aluminio así como los activados hidráulicamente a los que pertenecen los muestreadores Osterberg y Osterberg modificado. Las características de estas herramientas se describen a continuación. SUPERFICIE DEL TERRENO

TUBERÍA DE PERFORACIÓN SONDEO AMPLIADO Y LIMPIO

VENTILACIÓN CABEZA DEL MUESTREADOR

TUBO MUESTREADOR MUESTRA

INICIO DEL HINCADO MUESTRA

CAVIDAD RESULTANTE AL REMOVER LA MUESTRA

FIN DEL HINCADO

EXTRACCIÓN

Figura 1.46 Diagrama de la operación de muestreo usando tubo Shelby (USACE, 2001)

98

MANUAL DE DISEÑO DE OBRAS CIVILES-CFE B.2.1 CARACTERIZACIÓN DE LOS DEPÓSITOS DE SUELOS iii.

Muestreador de pistón fijo hvorslev

Se encuentra en la categoría de los activados mecánicamente, en el cual se utiliza un equipo mecánico de avance hidráulico para la introducción de la tubería de muestreo. La cabeza del muestreador se adapta a tubos de diámetros de entre 7,5 cm y 12,5 cm, que tienen adaptado un anillo y un pistón. En la Fig 1.47 se puede observar la sección transversal de este muestreador. Cuenta con un pistón, cuyo vástago puede ser desconectado del muestreador y retirado antes de extraer la muestra. La succión para la retención de la muestra se realiza con el mismo movimiento del pistón durante el hincado del muestreador, gracias a las ranuras de ventilación ubicadas en la cabeza del muestreador.

Operación Se debe tener en cuenta, que al llegar a la profundidad de muestreo se debe hacer la limpieza del sondeo antes de introducir el muestreador.

En la Fig 1.48, se puede observar la operación de muestreo utilizando el muestreador Hvorslev. Para comenzar la operación, se ensambla el pistón con la punta del tubo muestreador debidamente alineada. Luego se sujeta el muestreador a la tubería de perforación y al vástago del pistón y se baja el muestreador al fondo de la perforación. Entonces, la tubería de perforación se sujeta al mecanismo de avance hidráulico de la tubería, el vástago del pistón rota en dirección a las manecillas del reloj y libera el pistón, el cual se asegura a la torre de perforación. El hincado del tubo se hace de igual forma a la descrita para el tubo Shelby. Una vez obtenida la muestra, el vástago del pistón se gira en sentido contrario a las manecillas del reloj para asegurar el pistón a la cabeza del muestreador y desconectarlo del muestreador. Este puede sacarse antes de hacer la extracción de la muestra o dejarse sujetado a durmiente cónico que se indica en la Fig 1.46.

Registro de datos El registro de datos se realiza de igual manera a la descrita en el numeral 1.2.2.

Protección y transporte de muestras En el numeral 1.2.7, se describen los cuidados que requieren las muestras inalteradas para su conservación y transporte.

99

B.2.1 CARACTERIZACIÓN DE LOS DEPÓSITOS DE SUELO B.2.1.2 EXPLORACIÓN Y MUESTREO DE SUELOS

TUBERÍA DE PERFORACIÓN EXTENSIÓN DEL PISTÓN

CUERDA DEL PISTÓN

COPLE CON SECCIÓN DE ROSCA CABEZA DEL PISTÓN Y TOPE DEL ACOPLE RESORTE ACOPLE CON LOMO QUE DESENGANCHA EL DURMIENTE DURMIENTE CÓNICO PARTIDO ARAÑA PARA EL DURMIENTE CÓNICO

CABEZA DEL MUESTREADOR VENTILACIONES

TUBO MUESTREADOR TUBO QUE INTERRUMPE EL VACÍO

PISTÓN TUERCA CORONA DEL PISTÓN CUBIERTA DE CUERO BASE DEL PISTÓN

Figura 1.48 Sección transversal muestreador de pistón fijo Hvorslev

100

MANUAL DE DISEÑO DE OBRAS CIVILES-CFE B.2.1 CARACTERIZACIÓN DE LOS DEPÓSITOS DE SUELOS Ventajas y desventajas La utilización de muestreadores de pistón fijo como el Hvorslev, tiene como ventajas que previene la entrada de escombros y la contaminación de la muestra con suelo de otros estratos durante el muestreo, además que incrementa el porcentaje de recuperación. Por otra parte, la complejidad de la operación de muestreo y el costo de este tipo de muestreadores representan una desventaja para su utilización.

TUBERÍA DE PERFORACIÓN

ÉMBOLO DEL PISTÓN SUPERFICIE DEL TERRENO

PARED DE LA PERFORACIÓN

TUBERÍA DE PERFORACIÓN

LODO DE PERFORACIÓN

ÉMBOLO DEL PISTÓN

TUBO QUE INTERRUMPE VACIO INTERNO EN EL ÉMBOLO

DURMIENTE DEL ÉMBOLO MUESTRA VENTILACIÓN LODO DE PERFORACIÓN PISTÓN PISTÓN

TUBO MUESTREADOR CAVIDAD SOSTENIDA POR LODO DE PERFORACIÓN

INICIO DEL HINCADO

FINAL DEL HINCADO

EXTRACCIÓN DE LA MUESTRA

Figura 1.48 Diagrama esquemático de la operación de muestreo con muestreador de pistón fijo Hvorlev (USACE, 2001)

101

B.2.1 CARACTERIZACIÓN DE LOS DEPÓSITOS DE SUELO B.2.1.2 EXPLORACIÓN Y MUESTREO DE SUELOS iv.

Muestreador de pistón fijo hvorslev simplificado

El muestreador Hvorlev simplificado o Butters, contiene menos partes y conexiones a tornillos, lo cual hace más sencilla su utilización. Como se puede observar en la Fig 1.59, este muestreador está equipado con un pistón simplificado y un mecanismo de fijación y liberación del pistón. Está diseñado para diámetros de tubería de hincado de 7,5 cm adaptable a 12,5 cm.

Operación Se tiene que tomar en cuenta, que al llegar a la profundidad de muestreo se debe hacer la limpieza del sondeo antes de introducir el muestreador. Para comenzar la operación, se ensambla el pistón con la punta del tubo muestreador alineada correctamente. Luego se sujeta el tubo muestreador a la tubería de perforación y al vástago del pistón y se baja el muestreador al fondo de la perforación. Entonces, las extensiones del vástago del pistón, son sujetadas al ancla de la tubería de perforación y se gira en sentido de las manecillas del reloj para liberar el pistón, el cual se asegura a la torre de perforación. El hincado del tubo se hace de igual forma a la descrita para el tubo Shelby. Una vez obtenida la muestra, el vástago del pistón se gira en sentido contrario a las manecillas del reloj para asegurar el pistón a la cabeza del muestreador y desconectarlo del muestreador para luego ser removido antes de la extracción de la muestra con ayuda de un resorte de tensión en su parte superior y la unidad de cierre del pistón que se indica en la Fig 1.59.

Registro de datos El registro de datos se realizará de igual manera a la descrita en el numeral 1.2.2.

Protección y transporte de muestras En el numeral 1.2.7, se describen los cuidados que requieren las muestras inalteradas para su conservación y transporte.

Ventajas y desventajas La utilización de muestreadores de pistón fijo como el Hvorslev, tiene como ventajas que se previene la entrada de partículas y la contaminación de la muestra con suelo de otros estratos durante el muestreo, además que se incrementa el porcentaje de recuperación. Por otra parte, la complejidad de la operación de muestreo y el costo de este tipo de muestreadores representan una desventaja para su utilización.

102

MANUAL DE DISEÑO DE OBRAS CIVILES-CFE B.2.1 CARACTERIZACIÓN DE LOS DEPÓSITOS DE SUELOS v.

Muestreador con funda de aluminio

Este muestreador fue desarrollado en México por la empresa TGC para la recuperación de especímenes de arcillas muy blandas. Es un tubo de pared delgada que puede operar con un pistón auxiliar. Está conformado por un tubo de acero, el cual aloja en su interior un tubo de aluminio cortado en segmentos. En la punta, el muestreador está provisto de una zapata de corte de acero templado. Su diseño reduce los problemas de extracción de la muestra y la corrosión de los tubos, muy comunes en los tubos delgados que normalmente se emplean. Está equipado también con una válvula muy ligera, para la salida del fluido de perforación durante el hincado del muestreador. Este muestreador puede trabajar como muestreador de pared delgada o como muestreador de pistón automático, para lo cual cuenta con un cilindro neumático con el cual se genera un cierto vacío en el cabezal de la muestra, asegurando la retención de los suelos muy blandos en el interior del tubo durante la extracción (Santoyo y Contreras, 2001). En la Fig 1.50, se pueden apreciar las características y dimensiones de éste.

Operación Se debe tener en cuenta, que al llegar a la profundidad de muestreo se haga la limpieza del sondeo antes de introducir el muestreador.

Su operación es similar a la de los muestreadores Hvorslev. Durante la etapa de hincado, la válvula ligera se encuentra abierta, permitiendo la salida del aire o el fluido de perforación. Cuando se termina el hincado, la válvula se cierra con ayuda de una varilla de acero de 1 a 2 m de longitud que se introduce a través de la columna de barras de perforación.

Registro de datos El registro de datos se realizará de igual manera a la descrita en el numeral 1.2.2.

Protección y transporte de muestras En el numeral 1.2.7, se describen los cuidados que requieren las muestras inalteradas para su conservación y transporte.

Ventajas Las ventajas del muestreador con funda de aluminio son: a) previene la entrada de partículas y evita la contaminación de la muestra con suelo de otros estratos durante el muestreo; b) incrementa el porcentaje de recuperación; c) el tubo seccionado de aluminio, reduce las dificultades de extracción de la muestra y disminuye la corrosión.

103

B.2.1 CARACTERIZACIÓN DE LOS DEPÓSITOS DE SUELO B.2.1.2 EXPLORACIÓN Y MUESTREO DE SUELOS

EXTENSIÓN DEL PISTÓN

TUBERÍA DE PERFORACIÓN

UNIDAD DE CIERRE DEL PISTÓN

CLAVIJA DE ACOPLE

RESORTE CABEZA DEL MUESTREADOR

GOMA LIMPIADORA

TUBO MUESTREADOR

CLAVIJA PARA LIBERAR EL VACÍO

TUBO MUESTREADOR

ÉMBOLO DEL PISTÓN CUBIERTAS DE CUERO PISTÓN

Figura 1.49 Sección transversal de un muestreador de pistón fijo Hvorslev simplificado

104

MANUAL DE DISEÑO DE OBRAS CIVILES-CFE B.2.1 CARACTERIZACIÓN DE LOS DEPÓSITOS DE SUELOS

Tornillo Allen

Figura 1.50 Tubo muestreador con funda de aluminio (Santoyo, 2010)

105

B.2.1 CARACTERIZACIÓN DE LOS DEPÓSITOS DE SUELO B.2.1.2 EXPLORACIÓN Y MUESTREO DE SUELOS Por otra parte, este muestreador puede ser construido de acuerdo con las dimensiones que se recomienda en la Fig 1.51, lo cual lo hace más accesible que otros muestreadores de pistón. Además, puede trabajar como tubo de pared delgada hincado a presión o como muestreador de pistón. Como este muestreador fue diseñado para suelos muy blandos, los mayores rendimientos se obtienen cuando se aplica en estos suelos.

Desventajas En general solo puede emplearse en suelos muy blandos y por ello su uso es limitado. Además es más costoso que los muestreadores de pared delgada convencionales. Los sellos de las muestras recuperadas en los muestreadores de aluminio pueden no ser completamente herméticos.

vi.

Muestreador de pistón fijo osterberg

Este tipo de muestreador se activa hidráulicamente, haciendo su operación más rápida y simple que los muestreadores activados mecánicamente ya que no requiere del vástago de extensión para el pistón. En la Fig 1.51, se observa un esquema de la operación de este muestreador. El muestreador Osterberg está diseñado para tubería de 7,5 a 12,5 cm de diámetro y requiere de un diseño especial del muestreador de pared delgada. No es recomendable su utilización con fluido de perforación para la extracción de la muestra, debido a que las partículas de arena suspendidas en el fluido actúan como un abrasivo que puede dañar los sellos de tipo aro sello. Por este motivo, se recomienda realizar la perforación con agua limpia, así como, enjuagar y purgar el muestreador después de cada muestreo.

Existe también el muestreador Osterberg modificado, el cual utiliza un muestreador de acero de pared gruesa el cual contiene una funda interior de aluminio y está equipado con una zapata de corte. El Osterberg modificado está diseñado con un sistema de vacío que reduce los problemas de extracción de la muestra. Este consiste en un orificio de ventilación en el tubo de pared gruesa, cuya función es cortar el sello de vacío, facilitando la remoción de la funda interna. Para sacar la muestra inalterada, se remueve la zapata de corte para extraer la funda interna. El Osterberg modificado no se encuentra disponible en el mercado, pero se puede construir para diámetros entre 7,5 y 12,5 cm. Por ser más rígido que el Osterberg convencional, resulta apropiado para el muestreo inalterado de suelos que contienen gravas finas (USACE, 2001).

Operación Se debe tener en cuenta, que al llegar a la profundidad de muestreo se haga la limpieza del sondeo antes de introducir el muestreador.

106

MANUAL DE DISEÑO DE OBRAS CIVILES-CFE B.2.1 CARACTERIZACIÓN DE LOS DEPÓSITOS DE SUELOS Para comenzar la operación de muestreo, el pistón se alinea con la punta del tubo muestreador y fijado a la cabeza principal del mismo. Luego se enrosca a la tubería de perforación para bajar al fondo del sondeo. La tubería de perforación se ancla a la perforadora y se bombea a presión el fluido de perforación a través de la tubería para que el muestreador avance dentro del suelo inalterado. Cuando ha penetrado toda su longitud se libera la presión por un bypass localizado al final del pistón. El avance total del pistón se comprueba observando burbujas de aire o retorno del fluido de perforación en la parte superior del fluido de perforación. Una vez obtenida la muestra, el muestreador se gira en el sentido de las manecillas del reloj, para cortar la muestra en la punta del muestreador. Luego se retiene la posición para su extracción. Se debe tener extremo cuidado en la extracción del tubo para no perder la muestra. En la Fig 1.34 se puede observar un esquema de la operación con este tipo de muestreador.

Registro de datos El registro de datos se realizará de igual manera a la descrita en el numeral 1.2.2.

Protección y transporte de muestras En el numeral 1.2.7, se describen los cuidados que requieren las muestras inalteradas para su conservación y transporte. Ventajas y desventajas La utilización de muestreadores de pistón fijo como el Osterberg previene la entrada de escombros y la contaminación de la muestra con suelo de otros estratos durante el muestreo, e incrementa la longitud de la muestra. Además, por ser un muestreador activado hidráulicamente su recuperación es más rápida y fácil que los de tipo Hvorslev. Por otra parte, el muestreador de pistón fijo Osterberg, no cuenta con un control para la velocidad de ascenso de la muestra y tampoco es posible separar el pistón del tubo muestreador debido a su sistema de vacío. La complejidad de la operación de muestreo y el costo de este tipo de muestreadores, también representan una desventaja para su utilización. vii.

Muestreadores sueco y tipo delft

El muestreador sueco es una versión modificada de los muestreadores de pistón fijo. Fue desarrollado para la obtención de muestras inalteradas continuas y largas en suelos cohesivos blandos (Kjellman, Kallstenius y Pager, 1950). La reducción de la fricción entre el suelo y el muestreador, se logra revistiendo progresivamente la muestra con cintas delgadas de metal, a medida que avanza el muestreador. El muestreador sueco, consiste en una cabeza de corte fabricada con una punta filosa, la cual está fija al extremo inferior del cilindro muestreador. El extremo superior de la cabeza de corte tiene doble pared donde se almacenan los rollos de cinta. La cinta 107

B.2.1 CARACTERIZACIÓN DE LOS DEPÓSITOS DE SUELO B.2.1.2 EXPLORACIÓN Y MUESTREO DE SUELOS metálica, pasa a través de una pequeña ranura horizontal localizada encima de la cabeza de corte y están fijas a un pistón ajustable suelto. Los muestreadores suecos, se encuentran en dos diámetros diferentes. El muestreador de diámetro 6,8 cm, contiene en su cabeza 16 rollos (30 m) de cinta delgada de acero liviano, de aproximadamente 12,5 mm de ancho, en la cabeza del muestreador, mientras que la presentación de 4,0 cm de diámetro alberga 12 m de cinta. Los espesores de estas cintas metálicas varían entre 0,05 y 0,12 mm. En la Fig 1.53 se puede observar un esquema de este tipo de muestreador. Una variante del muestreador sueco, es el denominado Delft, con el cual se obtienen muestras de 6,6 cm de diámetro. Éste protege la muestra usando una funda plástica tubular. La longitud máxima de las muestras obtenidas es de 19 m. En la fig 1.54 se examina un esquema de este muestreador. Estos muestreadores fueron diseñados para obtener muestras de mayores longitudes y relaciones de diámetros, que son requeridas para estudiar masas de suelo complejas y heterogéneas, como es el caso de las arcillas estratificadas o para obtener muestras en arcillas blandas o en turbas. Operación La operación del muestreador sueco es similar a la de los demás muestreadores de pistón. A medida que se va hincando, el pistón se retrae desde su cabeza. En la cual se encuentra una recamara interna de donde se desenrosca una funda deslizante. El hincado de este muestreador en el suelo, se hace sin perforación previa a una presión rápida, continua y homogénea. Durante la operación de muestreo, el pistón se mantiene estacionario en la superficie del terreno para garantizar que la cinta metálica sea empujada a la misma velocidad de penetración del tubo en el suelo. El muestreador Delft, utiliza un tubo plástico tubular que soporta la muestra de suelo durante el muestreo y se cierra conforme la muestra se almacena en el tubo. De esta forma puede operar con el uso de lechada de bentonita-agua sin que se aumenten los esfuerzos in situ, por el fluido atrapado entre el muestreador y la muestra. El avance de la perforación, se realiza de manera continua con incrementos de 1,0 m de manera similar al ensayo de penetración con cono (CPT).

Registro de datos El registro de datos se hará igual que al usar el muestreador Shelby, agregando la velocidad de rotación con que operó el muestreador.

Protección y transporte de muestras En el numeral 1.2.7, se describen los cuidados que requieren las muestras inalteradas para su conservación y transporte.

108

MANUAL DE DISEÑO DE OBRAS CIVILES-CFE B.2.1 CARACTERIZACIÓN DE LOS DEPÓSITOS DE SUELOS

TUBERÍA DE PERFORACIÓN CABEZA EXTERNA DEL MUESTREADOR

CABEZA INTERNA DEL MUESTREADOR

VÁLVULA CHECK DE ESFERA

VENTILACIÓN DE AIRE

AGUA A PRESIÓN CILINDRO DE PRESIÓN

RECIRCULACIÓN DE AGUA

ÉMBOLO HUECO DEL PISTÓN

VENTILACIONES

PERFORACIÓN INTERNA ÉMBOLO DEL PISTÓN

PISTÓN FIJO

INICIO DEL HINCADO

TUBO DE PARED DELGADA

MUESTRA

DURANTE EL HINCADO

FINAL DEL HINCADO

Figura 1.51 Esquema de operación del muestreador Osterberg

109

B.2.1 CARACTERIZACIÓN DE LOS DEPÓSITOS DE SUELO B.2.1.2 EXPLORACIÓN Y MUESTREO DE SUELOS

CADENA O CABLE DEL PISTÓN ESTACIONARIO QUE AYUDA DURANTE EL HINCADO DEL MUESTREADOR

TUBERÍA DE PERFORACIÓN

PISTÓN FLOTANTE

CINTA DE LÁMINA METÁLICA QUE SE DESENRROLLA A MEDIDA QUE AVANZA EL MUESTREO

DEPÓSITO DE LA LÁMINA METÁLICA

CABEZA DEL MUESTREADOR

BORDE CORTANTE

Figura 1.52 Diagrama esquemático de un muestreador sueco

110

MANUAL DE DISEÑO DE OBRAS CIVILES-CFE B.2.1 CARACTERIZACIÓN DE LOS DEPÓSITOS DE SUELOS

CABLE

TUBO DE REVESTIMIENTO DE PLÁSTICO

DISPOSITIVO DE CIERRE PARA RETENER LA MUESTRA EN EL TUBO

NYLON FORRADO Y ALMACENADO EN EL DEPÓSITO

TUBO DE DEPÓSITO

PISTÓN PEGADO AL CABLE Y FIJO AL DEPÓSITO

ZAPATA DE CORTE DENTADA

Figura 1.53 Diagrama esquemático de un muestreador de suelo continuo tipo Delft

111

B.2.1 CARACTERIZACIÓN DE LOS DEPÓSITOS DE SUELO B.2.1.2 EXPLORACIÓN Y MUESTREO DE SUELOS Ventajas y desventajas La utilización de muestreadores sueco o Delft, previene la entrada de escombros y la contaminación de la muestra con suelo de otros estratos durante el muestreo, además de que incrementa el porcentaje de recuperación. Su diseño especial permite obtener muestras inalteradas de diámetros pequeños y gran longitud, sin que la velocidad de hincado afecte la calidad de las mismas (USACE, 2001). Por otra parte, el uso de zapatas de corte de relación de área mayor, incrementa la posibilidad de causar alteración en la muestra. Asimismo, la complejidad de la operación de muestreo y el costo de este tipo de muestreadores, también representan una desventaja para su utilización.



Muestreador de tubo rotatorio dentado

Este muestreador, es similar a un tubo Shelby, pero con dientes de sierra en la punta, los cuales trabajan a rotación. Con éste se recuperan muestras alteradas en la zona perimetral. La zona de alteración forma un anillo de 2 a 4 mm de espesor. El uso de estos muestreadores requiere de experiencia en su utilización en distintos tipos de suelo, si se quieren obtener muestras inalteradas. El uso poco cuidadoso de este muestreador suele ocasionar la falla de la muestra debido a los esfuerzos cortantes inducidos por torsión. Permite obtener muestras con poca alteración en arcillas duras, limos compactos y limos cementados con pocas gravas.

Características Está conformado por un tubo de acero, unido a un cabezal que lo fija a la columna de barras de perforación, que a su vez está unida a una máquina de perforación a rotación. La columna de barras transmite la rotación al muestreador. El tubo de acero es del tipo de pared delgada, en cuya parte inferior tiene ocho dientes de corte, dispuestos simétricamente. En la Fig 1.54 se muestra un esquema. Los dientes miden de 0,8 a 1,0 cm de altura y 3,0 cm de base. La sierra de corte, se forma con un diente recto y otro doblado 0,2 cm hacia fuera. Este detalle tiene la función de reducir la fricción entre el muestreador y el suelo. Los tubos dentados, se pueden encontrar con diámetros de 7,5 cm o 10 cm y una longitud estándar de 90 cm (PEMEX, 2001). En la Fig 1.55 se aprecia este tipo de muestreador con dos tipos de unión tubo-cabeza: con tornillos Allen y con cuerda repujada. En la cabeza, se alojan unas perforaciones laterales y una válvula esférica de pie. La válvula tiene como función permitir el alivio de la presión del interior del tubo durante la perforación. Cuando está cerrada, protege a la muestra de las presiones hidrodinámicas que se generan durante la extracción del muestreador. Otro tipo de estos muestreadores, es el de válvula deslizante, cuyo mecanismo reemplaza la válvula esférica, como se ilustra en la Fig 1.56. 112

MANUAL DE DISEÑO DE OBRAS CIVILES-CFE B.2.1 CARACTERIZACIÓN DE LOS DEPÓSITOS DE SUELOS El cople de unión tiene un tramo cuadrado al que se enrosca una barra circular que termina en una ampliación con un aro sello. Sobre esta barra se desliza la pieza, a la que se fija el tubo muestreador y que tiene perforaciones para la extracción del fluido de perforación del interior del tubo (Santoyo y Contreras, 2001).

Operación Su operación es a rotación. Las labores de muestreo se deben realizar a velocidades menores a 100 rpm y una presión vertical con el fin de lograr una velocidad de avance continuo de 0,05 m/s. La muestra obtenida debe tener una longitud máxima de 0,75 m. Los 0,15 m restantes sirven para alojar azolves que pudieran haber quedado dentro del tubo. Para aumentar la adherencia de la muestra contra las paredes del tubo, una vez terminado el hincado, se recomienda dejar el muestreador en reposo por tres minutos. Luego se corta la base de la muestra, girando dos vueltas el muestreador y se saca del sondeo con cuidado (Santoyo y Contreras, 2001). 0,0762 m

0,914 m

0,002 m

0,008 a 0,01 m

0,002 m

Figura 1.54 Tubo rotatorio dentado (PEMEX, 2001) 113

B.2.1 CARACTERIZACIÓN DE LOS DEPÓSITOS DE SUELO B.2.1.2 EXPLORACIÓN Y MUESTREO DE SUELOS

Figura 1.55 Muestreador de tubo dentado con válvula esférica de pie (USACE, 2001)

114

MANUAL DE DISEÑO DE OBRAS CIVILES-CFE B.2.1 CARACTERIZACIÓN DE LOS DEPÓSITOS DE SUELOS

0,07 m

0,0254

SECCIÓN CUADRADA 0,075 m

BARRA CUADRADA PERFORACIONES ARO SELLO

0,095 m

ARO SELLO BARRA CIRCULAR

CUERDA REPUJADA 1,0 m UNIÓN CON CUERDA

0,008 a 0,01 m 0,0961m 0,1016m

Figura 1.56 Muestreador de tubo dentado con válvula deslizante

115

B.2.1 CARACTERIZACIÓN DE LOS DEPÓSITOS DE SUELO B.2.1.2 EXPLORACIÓN Y MUESTREO DE SUELOS Registro de datos El registro de datos se realizará de igual manera a la descrita en el numeral 1.2.2.

Protección y transporte de muestras En el numeral 1.2.7, se describen los cuidados que requieren las muestras alteradas para su conservación y transporte. Ventajas Estos muestreadores tienen como ventaja su simplicidad de operación y bajo costo.



Muestreadores de doble barril

Esta categoría de muestreadores consta de dos tubos concéntricos los cuales están sujetos a una cabeza, alineados en la punta. El principio de operación consiste, en que por medio de rotación el tubo exterior corta la muestra, mientras el tubo interior permanece sin rotar, tomando la muestra por presión a medida que avanza el muestreador. El torque se aplica desde la superficie utilizando una máquina de perforación, la cual se conecta al muestreador por una columna de tubos de perforación. La perforación debe realizarse con un fluido de perforación que se hace circular por la columna de perforación y entre los dos tubos concéntricos.

Existen tres tipos de muestreadores de doble barril: Denison, Pitcher y tubo hueco con broca helicoidal. i.

Muestreador denison Con este muestreador que opera a rotación y presión se obtienen muestras que difícilmente pueden tipificarse como inalteradas. Se usa en arenas, gravas, suelos gravosos, arcillas duras, limos compactos y limos cementados con pocas gravas, localizados abajo del nivel freático donde se puede utilizar agua o fluido de perforación.

El muestreador Denison consiste en dos tubos concéntricos; en el interior que se hinca a presión, se rescata la muestra de suelo, mientras que el exterior, con la broca de corte en su extremo gira y corta el suelo del derredor. Para operar este muestreador se requiere fluido de perforación que se hace circular entre ambos tubos.

Características En la Fig 1.57, se muestra el diseño actualizado de este muestreador que esencialmente consiste en dos tubos concéntricos acoplados a una cabeza con baleros axiales, que los une a la columna de barras de perforación y permite que el tubo

116

MANUAL DE DISEÑO DE OBRAS CIVILES-CFE B.2.1 CARACTERIZACIÓN DE LOS DEPÓSITOS DE SUELOS 0,0852

0,080

0,150

0,750

Tabla B.2.1.40 Ajuste "d" entre broca y tubo interior d (m) Tipo de suelo Blando 0,02 0,005 Duro 0 o el menor Muy duro

0,722

Figura 1.57 Muestreador Denison 117

B.2.1 CARACTERIZACIÓN DE LOS DEPÓSITOS DE SUELO B.2.1.2 EXPLORACIÓN Y MUESTREO DE SUELOS interior se hinque a presión en el suelo, en inducir esfuerzos de torsión a la muestra; mientras que el exterior, gira y corta el suelo circundante. La cabeza del muestreador tiene una tuerca de ajuste que controla la posición relativa entre ambos tubos; así durante el muestreo, el tubo interior penetra en el suelo la distancia, “d” (Fig 1.57) antes que la broca, para proteger a la muestra de la erosión y contaminación que le puede ocasionar el fluido de perforación. La broca de corte es una pieza de acero con pastillas de carburo de tungsteno que protegen las zonas de mayor desgaste; en la Fig 1.58, se muestran las dos brocas tipo más usuales, una para perforar suelos duros (Fig 1.58a) y otra para perforar rocas blandas (1.58b).

Figura 1.58 Tipos de broca Denison

Tabla 1.38 Dimensiones de los tubos Denison (en m) Tubo interior

Diámetro nominal

De

Di

0,075

0,0762

0,0722

0,10

0,1015

0,0976

Dm 0,0711 0,0717 0,0961 0,0969

Tubo exterior Lt

De

Di

L

Lm

Barras de operación

0,75

0,0852

0,0792

0,90

0,60

BW

0,90

0,1116

0,1046

1,05

0,75

NW

Donde: De: Diámetro exterior; Di: Diámetro interior; Dm: Diámetro de la muestra; Lt: Longitud de tubo; Lm: Longitud de la muestra.

Las dimensiones del muestreador Denison que permiten obtener muestras de 7,5 y 10,0 cm de diámetro nominal, se anotan en la Tabla 1.48. Para el muestreo de materiales granulares conviene adaptarle una trampa de canastilla que consiste en lengüetas de lámina de acero flexible remachadas al tubo interior, como se muestra en la Fig 1.57. 118

MANUAL DE DISEÑO DE OBRAS CIVILES-CFE B.2.1 CARACTERIZACIÓN DE LOS DEPÓSITOS DE SUELOS

Operación Antes de introducir el muestreador al sondeo se debe ajustar la distancia “d” entre el tubo interior y la broca, como se indica en la Fig 1.57 de acuerdo con el material que se va a muestrear; también se debe verificar que la cabeza esté limpia, engrasados los baleros y que la válvula opere correctamente. A continuación se baja el muestreador al fondo de la perforación y se hinca por al menos la profundidad “d” para evitar que el tubo interior gire al iniciar la rotación del tubo exterior. Durante el muestreo la máquina perforadora transmite, a través de la columna de barras, rotación y fuerza vertical; la primera varía entre 50 rpm para materiales blandos y 200 rpm para los duros. En cuanto a la fuerza vertical puede ser hasta de 30 kN. Una vez que se ha penetrado la longitud prevista o que el muestreador no pueda avanzar, se suspende la rotación y la fuerza axial, se deja 30 segundos en reposo para permitir que la muestra expanda; después se gira para desprender la muestra de su base y posteriormente extraer el muestreador. La extracción del material que corta la broca, así como el enfriamiento de la misma se hace con un fluido de perforación que circula por el espacio anular que dejan los dos tubos; en muestreo arriba del nivel freático se debe utilizar aire; podría ser admisible utilizar fluido bentonítico, solo si se demuestra que la contaminación que induce a la muestra es tolerable. En muestreos abajo del nivel freático puede utilizarse agua o fluido bentonítico. La presión de operación del fluido de perforación debe ser la mínima con que se mantenga limpia la perforación.

Registro de datos El registro de datos se hará igual al muestreador Shelby, agregando la velocidad de rotación con que operó el muestreador.

Protección y transporte de muestras En el numeral 1.2.7, se describen los cuidados que requieren las muestras inalteradas para su conservación y transporte.

Ventajas y desventajas La ventaja de este muestreador, es que permite manejar relaciones de área más grandes y los esfuerzos en la cabeza de corte van disminuyendo durante la operación de perforación. Sin embargo, presenta algunas desventajas. Se manejan relaciones de compensación interna que hacen que la retención de la muestra no sea adecuada. Además se pueden presentar daños en la muestra por las vibraciones que se producen durante la perforación con rotación. En el caso de suelos localizados arriba del nivel freático, las muestras pueden contaminarse con el fluido de perforación. También, la posición del tubo interior respecto a la cabeza de corte, se debe 119

B.2.1 CARACTERIZACIÓN DE LOS DEPÓSITOS DE SUELO B.2.1.2 EXPLORACIÓN Y MUESTREO DE SUELOS ajustar conforme se avanza en la perforación dependiendo del tipo de suelo que se vaya encontrando (USACE, 2001). Por estos motivos, su uso es poco recomendable. ii.

Muestreador pitcher Con este muestreador que opera a rotación y presión se pueden obtener muestras, que pueden ser inalteradas, de arenas, gravas, suelos gravosos, arcillas duras, limos compactos y limos cementados con pocas gravas; resulta particularmente adecuado en los suelos con capas delgadas (hasta de centímetros) de materiales de diferente dureza.

Este muestreador es similar al Denison excepto porque la posición del tubo interior se regula con un resorte axial; mientras que el exterior, con la broca de corte en su extremo, gira y corta el suelo del derredor. Su operación requiere también la inyección de un fluido de perforación.

Características El muestreador Pitcher consiste en dos tubos concéntricos, acoplados a una cabeza compuesta de dos piezas: la superior es fija para transmitir la rotación al tubo exterior, en cuyo extremo va la broca de corta, mientras que la inferior, separada de la fija por un resorte axial, soporta al tubo interior de 7,5 o 10 cm de diámetro en que se aloja a la muestra; la función del resorte es de regular la posición longitudinal del tubo interior con respecto al exterior. En la Fig 1.59, se observa que la unión del tubo interiorcabeza se hace por medio del tornillo Allen, aunque también puede hacerse por medio de rosca, como en el tubo Denison. La parte fija de la cabeza tiene un balero axial cuya función es mantener estático al tubo interior mientras gira el exterior y soportar la reacción del resorte axial. El resorte se elige con una constante que depende de la resistencia del suelo. La broca de este muestreador es similar a la que se utiliza en el barril Denison.

Operación El muestreador se introduce en el sondeo con el tubo interior totalmente fuera del exterior y la válvula deslizante abierta (Fig 1.59a); poco antes de llegar al fondo de la excavación se inyecta fluido de perforación que sale por el tubo interior e impide que se introduzca el azolve del sondeo al tubo (Fig 1.59a). Al iniciarse el hincado, el tubo interior toma su posición de muestreo, la válvula deslizante se conecta para dar salida al fluido que queda dentro del tubo interior y el resorte transmite la fuerza axial; en ese momento se puede iniciar la rotación del tubo exterior (Fig 1.59b). Si durante el muestreo se encuentra un estrato duro, el resorte se contrae (Fig 1.59c) y almacena energía, que impulsa automáticamente el tubo interior si llega a encontrarse suelo blando nuevamente.

120

MANUAL DE DISEÑO DE OBRAS CIVILES-CFE B.2.1 CARACTERIZACIÓN DE LOS DEPÓSITOS DE SUELOS Este muestreador se opera con velocidades de rotación entre 100 y 200 rpm; la presión vertical debe permitirle avanzar con velocidades máximas de 5 cm/s. La longitud de la muestra que puede obtener es de 75 cm para tubos de 90 cm. Además, el gasto para el fluido de perforación varía entre 80 y 240 l/min, con presión máxima de 1,500 kPa (USACE, 2001).

FLUIDO DE PERFORACIÓN

TUBERÍA DE PERFORACIÓN

RESORTE

VÁLVULA DESLIZANTE (ABIERTA) RETORNO DEL FLUIDO DE PERFORACIÓN RESORTE VÁLVULA VÁLVULA DESLIZANTE (CERRADA)

TUBO EXTERIOR GIRATORIO BROCA TORNILLO DEL TUBO INTERIOR

TUBO INTERIOR FIJO DE PARED DELGADA

c

a b

Figura 1.59 Muestreador Pitcher Registro de datos El registro de datos se hará igual al del muestreador Shelby, agregando la velocidad de rotación con que se operó el muestreador. Protección y transporte de muestras En el numeral 1.2.7, se describen los cuidados que requieren las muestras inalteradas para su conservación y transporte. 121

B.2.1 CARACTERIZACIÓN DE LOS DEPÓSITOS DE SUELO B.2.1.2 EXPLORACIÓN Y MUESTREO DE SUELOS Ventajas y desventajas La ventaja de este muestreador, es que permite manejar relaciones de área más grandes y los esfuerzos en la cabeza de corte van disminuyendo durante la operación de perforación. En suelos blandos trabaja como tubo de pared delgada, donde la broca sirve solo para recortar el material alrededor del tubo. En cambio, en suelos duros, funciona como un muestreador Denison, logrando buena calidad de muestras. Sin embargo, presenta algunas desventajas; se manejan relaciones de compensación interna con las que la retención de la muestra no resulta adecuada. Además pueden presentarse daños en la muestra por las vibraciones que se producen durante la perforación con rotación (USACE, 2001). iii.

Muestreador de broca helicoidal Este muestreador, también opera a rotación y presión. Con éste, se pueden obtener muestras que pueden ser inalteradas, de arenas, gravas, suelos gravosos, arcillas duras, limos compactos y limos cementados con pocas gravas. Asimismo, permite obtener muestras inalteradas en materiales secos sin usar fluidos de perforación o en materiales inestables sin utilizar revestimiento.

Este consiste en una broca helicoidal externa que perfora a rotación, la cual está equipada con una ceja de corte en la punta y un barril interno estacionario, ajustable con una zapata de corte. Su operación requiere también la inyección de un fluido de perforación.

Características Está provisto de una broca helicoidal que tiene en su punta unas cejas de corte y por medio de rotación se introduce en el suelo. La ceja hace que debajo del muestreador el diámetro del sondeo sea más amplio. La función de la espiral helicoidal, es sacar los restos de suelo que quedan después del corte para evitar que se contamine la muestra de suelo. Hace las veces de revestimiento en el interior del sondeo. Tiene en su interior un tubo de pared delgada, el cual permanece estacionario, mientras el exterior está rotando. La broca helicoidal está definida por el espaciamiento, la trayectoria, el diámetro externo y el diámetro interno. Los diámetros de avance recomendados se muestran en la tabla 1.39.

Tabla 1.39 Diámetros recomendados para muestreadores de broca helicoidal

122

Diámetro del sondeo (m)

Recorrido de la broca (diámetro externo, en m)

Broca axial (diámetro interno, en m)

Diámetro de la muestra (m)

0,159

0,127

0,057

0,051

0,171

0,146

0,070

0,064

0,184

0,159

0,083

0,076

MANUAL DE DISEÑO DE OBRAS CIVILES-CFE B.2.1 CARACTERIZACIÓN DE LOS DEPÓSITOS DE SUELOS Las cejas de corte tienen de 4 a 12 dientes, que son ajustados. Estos son reemplazables. El barril interno contiene un muestreador y una funda, la cual puede ser una sola de 1,5 m de sección o dos de 0,76 m de sección. Estas fundas pueden ser de acrílico o de metal. Las fundas de acrílico tienen la ventaja que permiten la inspección visual de la muestra y se pueden reutilizar si no presentan deterioro. Las fundas metálicas generan menos fricción en la pared que las de acrílico. En la Fig 1.60 se muestra un esquema de dicho muestreador.

Operación La operación es similar a la de los otros dos muestreadores de barril doble. La broca helicoidal penetra el suelo por rotación, mientras las cejas de corte aumentan el diámetro del sondeo debajo de la muestra. Los cortes de suelo, son sacados de la perforación por la broca helicoidal en el tubo externo. El esquema de este muestreador puede apreciarse en la Fig 1.60. Las cejas de corte dejan un espacio para que pase el tubo interno. Durante el muestreo el tubo interno se clava en la superficie de la muestra y avanza conforme penetra la broca helicoidal. El tubo interno se puede colocar por delante o atrás de las cejas de corte por medio de un vástago ajustable. Cuando se trabaja con el tubo interno por delante de la cejas de corte, la alteración de la muestra es mínima, si se maneja una distancia de aproximadamente 75 mm. Si la distancia es menor a 75 mm se presenta alteración de la muestra por la acción de fricción de las cejas de corte. Con esta herramienta, se pueden obtener muestras continuas con el avance de la perforación. En el caso que no se requiera muestrear, se usa un pistón central que impide la entrada del suelo. Este pistón es una broca izquierda que fuerza al material a salir por la broca helicoidal externa. Así permite que la broca helicoidal se encargue del corte de la superficie. Este pistón central se reemplaza por el barril interno en el momento que se requiera tomar la muestra. Cuando se utilice para el muestreo de suelos abajo del nivel freático, se debe mantener la presión hidrostática durante todo el tiempo al interior de la tubería para prevenir cavitación y socavación en la perforación. Si se utiliza el pistón central, se deben emplear empaques tipo aro sello para mantener el agua por fuera de la tubería de perforación.

123

B.2.1 CARACTERIZACIÓN DE LOS DEPÓSITOS DE SUELO B.2.1.2 EXPLORACIÓN Y MUESTREO DE SUELOS

CABEZA DEL SACANÚCLEO TIPO GIRATORIO

CABEZA EXTERNA DEL MUESTREADOR

LÁMINA HELICOIDAL DE LA BARRENA

CABEZA INTERNA DEL MUESTREADOR VÁLVULA CHECK DE ESFERA BARRENA

TUBO DE PARED DELGADA BARRENA

CEJA DE CORTE

PUNTA DE CORTE DEL TUBO MUESTREADOR

Figura 1.60 Muestreador de broca helicoidal

124

MANUAL DE DISEÑO DE OBRAS CIVILES-CFE B.2.1 CARACTERIZACIÓN DE LOS DEPÓSITOS DE SUELOS Registro de datos El registro de datos se hará igual al del muestreador Shelby, agregando la velocidad de rotación con que se operó el muestreador.

Protección y transporte de muestras En el numeral 1.2.7, se describen los cuidados que requieren las muestras inalteradas para su conservación y transporte. Ventajas y desventajas La ventaja de este muestreador, es que permite manejar relaciones de área más grandes y los esfuerzos en la cabeza de corte van disminuyendo durante la operación de perforación. Además, permite el avance del sondeo en materiales secos sin fluido de perforación o en materiales inestables sin revestimiento (USACE, 2001). Sin embargo, presenta algunas desventajas: se manejan relaciones de compensación interna con las que la retención de la muestra no es adecuada. Además se pueden presentar daños en la muestra por las vibraciones que se producen durante la perforación con rotación (USACE, 2001). 

Método de muestreo por congelación

Este método, consiste en congelar un volumen de suelo in situ. Normalmente se procura que el área transversal de dicho volumen sea circular. Es apropiado para muestrear arenas relativamente limpias y gravas en estado saturado o parcialmente saturado con drenaje libre, donde se asegure la formación de suficiente hielo durante el proceso de congelación, de manera que el material adquiera una resistencia adecuada (cohesión aparente) para la extracción de núcleos. No es recomendable usarlo en material granular con altos contenidos de finos (limos y arcillas), ya que esto podría impedir el drenaje, haciendo que el agua en los poros se expanda durante el cambio de fase a hielo. Esto produciría la alteración de la estructura de la arena. Otra consecuencia de la presencia importante de finos, es que podría causar la migración del agua en los poros hacia el frente frío, lo cual resultaría en la formación de cristales de hielo y un consecuente cambio de volumen (USACE, 2001). En arcillas muy sensitivas como las de la ciudad de México la congelación y subsecuente deshielo producen grandes alteraciones por remoldeo del suelo. Es decir, en esos casos la técnica de congelación debe evitarse. La congelación y descongelación de suelos produce cambios de volumen cuyos efectos son difíciles de evaluar. La principal aplicación de los muestreos por congelamiento, es la obtención de muestras inalteradas de alta calidad, en arenas con alto potencial de licuación. Su utilización, dado los altos costos de este procedimiento, solo es viable en proyectos donde la magnitud y el nivel de riesgo así lo ameriten (Hofmann y colaboradores, 2000). Esta metodología consiste en realizar perforaciones en el área de estudio, con espaciamiento de 0,6 a 0,9 m. Luego se hace circular un refrigerante, por las perforaciones de enfriamiento que se identifican con el símbolo F (Fig 1.61). 125

B.2.1 CARACTERIZACIÓN DE LOS DEPÓSITOS DE SUELO B.2.1.2 EXPLORACIÓN Y MUESTREO DE SUELOS El congelamiento avanza radialmente y eventualmente hace traslape entre los otros frentes fríos, formando una masa congelada continua, como se ve en la Fig 1.61. La localización de los frentes fríos, se realiza por simetría desde el monitoreo de temperatura en los sondeos de control identificados con la letra T (Fig 1.61). Estos deben ubicarse a una distancia tal del área de muestreo, que las labores de perforación de los mismos no alteren la estructura del suelo. En el caso de la ampliación del área congelada para muestreo, es necesaria la circulación de refrigerante desde perforaciones secundarias, posterior a la congelación completa del área inicial. Los refrigerantes reportados en la literatura para esta operación pueden ser entre otros: nitrógeno líquido (Hofmann y colaboradores, 2000) y una mezcla de etanol y hielo seco triturado (Yoshimi et al, 1978).

ZONA DE MUESTREO ZONA DE MUESTREO

DISTRIBUCIÓN SEMI-CIRCULAR DE SONDEOS

DISTRIBUCIÓN LINEAL DE SONDEOS

CONVENCIONES

F: SONDEOS DE CONGELACIÓN T: SONDEOS DE CONTROL DE TEMPERATURA

Figura 1.61 Distribución de perforaciones de enfriamiento y sondeos de control de temperatura. (a) distribución lineal (b) distribución semicircular

126

MANUAL DE DISEÑO DE OBRAS CIVILES-CFE B.2.1 CARACTERIZACIÓN DE LOS DEPÓSITOS DE SUELOS La muestra es extraída en forma de núcleo, usando algún método de rotación con broca. La selección del método, depende del tipo de suelo, la temperatura y el grado de saturación del hielo en los vacíos del suelo o contenido de hielo (Hvorslev y Goode, 1960). La obtención de núcleos de buena calidad, con buena recuperación, se realiza con brocas con incrustaciones de tungsteno o diamante, en diámetros entre 125 y 150 mm, usando técnicas de doble o triple barril, comunes para la obtención de núcleos de roca. También es necesaria la utilización de fluido de perforación de enfriado, con el fin de evitar el descongelamiento del suelo. Esto se logra, circulando el fluido por un refrigerador, que a su vez se conecta a una planta de refrigeración. No es recomendable el uso de aire como fluido de perforación, ni aire comprimido debido a consideraciones ambientales. Los fluidos de perforación que se pueden utilizar son etileno, glicol de propileno y combustible diesel, tomando en cuenta los efectos de la potencial contaminación ambiental que se produce por la utilización de estos productos.

La ejecución del muestreo por congelamiento, requiere del diseño de un sistema adecuado de planta de congelamiento, que se fundamenta en tres sistemas separados. a) Un sistema de refrigeración, similar a un congelador doméstico el cual consiste en un motor, un compresor, un condensador y un evaporador. Su función es enfriar el líquido congelante el cual es circulado a temperaturas por debajo de los 0ºC y enfriar el fluido de perforación para evitar que se funda el núcleo durante su perforación. Las plantas de refrigeración son normalmente de 30 a 60 kW para realizar el enfriamiento de cada uno de los líquidos usados en sistemas separados. b) El sistema de sondeos de congelación, consta de un refrigerador, de un tanque de almacenamiento del fluido de perforación refrigerado, una bomba de inyección, tubería de circulación del líquido congelante para el sondeo. Estos se perforan con un diámetro ligeramente mayor al de la tubería de recirculación y están alineados verticalmente para evitar invasión de éstos en la zona de muestreo. c) El sistema de perforaciones de control de temperatura, se construyen de forma similar a los sondeos de enfriamiento pero sin la tubería de circulación. Su alineamiento vertical es importante, para conservar una distancia constante entre estos y los sondeos de congelación en toda la profundidad. Asimismo, tienen un sistema de monitoreo de presión, temperatura y sensores de velocidad de flujo, durante la inyección y en el retorno de los líquidos utilizados en el proceso.

127

B.2.1 CARACTERIZACIÓN DE LOS DEPÓSITOS DE SUELO B.2.1.2 EXPLORACIÓN Y MUESTREO DE SUELOS Operación La selección del área de muestreo debe efectuarse después de una investigación del subsuelo en la que se estudie el potencial de licuación del material y las condiciones del nivel freático. Además se debe confirmar que la técnica de congelamiento en la zona es apropiada para la extracción de muestras inalteradas, haciendo un estudio de la distribución del tamaño de partículas, mineralogía de los finos y contenido de agua descongelada. También se deben estudiar las condiciones del sitio en lo que respecta a la caracterización de los esfuerzos de sobrecarga, estratigrafía, condiciones de drenaje, temperatura del agua freática, salinidad y velocidad de flujo. Con el fin de evitar la alteración de la relación de vacíos del suelo in situ o de su fábrica, se debe asegurar, que el área comprometida, en la cual se realizará la congelación del terreno in situ, esté libre de restricciones físicas y que el suelo se congele a una velocidad suficientemente baja comparada con la permeabilidad del suelo con el fin de permitir una generación de no más de 9% de exceso de presión de poro. Durante la operación en campo, el líquido congelante se enfría en el sistema de refrigeración, circulado a través de la tubería por la bomba de inyección, devuelta a la planta de refrigeración y recirculada a través del refrigerador. Una técnica similar se utiliza para enfriar el fluido de perforación. Para la extracción de las muestras, se debe detectar la masa congelada utilizando el sistema de monitoreo de temperatura. Luego se hace la perforación utilizando rotación con broca y muestreadores de doble y triple barril (USACE, 2001).

Protección y transporte de muestras Una vez que se ha extraído la muestra, se debe llevar a un cuarto de almacenamiento frío donde se hace la identificación, registro de la misma, según se describe en el numeral 1.2.7. Posteriormente la muestra se guarda en un contenedor hermético, para prevenir el descongelamiento y proteger la muestra durante el transporte y almacenamiento en el laboratorio. Las muestras en laboratorio, deben ser manejadas bajo condiciones de extremo control y a muy bajas temperaturas, durante la preparación de los especímenes para las pruebas estáticas y dinámicas (USACE, 2001).

Ventajas y desventajas La ventaja de este procedimiento, es que permite la obtención de muestras inalteradas de suelos de alta calidad en suelos difíciles bajo el nivel freático (Yoshiaki et al, 1978). Sin embargo, la implementación de este procedimiento de muestreo implica la adquisición de equipos adicionales operados por expertos en el tema, lo cual incrementa considerablemente los costos. 128

MANUAL DE DISEÑO DE OBRAS CIVILES-CFE B.2.1 CARACTERIZACIÓN DE LOS DEPÓSITOS DE SUELOS También requiere de un manejo especial de las muestras que conlleva a adecuar instalaciones para este fin (USACE, 2001).



Criterios de selección de muestreadores

De acuerdo con lo anterior, se presenta una guía para la selección de muestreadores en la Tabla 1.40 según el tipo de suelo (USACE, 2001).

Tabla 1.40 Guía para la selección de muestreadores para alta calidad de muestras inalteradas Tipo de suelo Suelos cohesivos muy blandos Suelos orgánicos Arcillas estratificadas Suelos cohesivos de consistencia blanda a media  Arenas de medias a finas por encima del nivel freático    

 Arenas de finas a medias por debajo del nivel freático  Capas alternadas de suelo y roca dura, o suelos cohesivos densos  Rocas

1.2.7

a)

Método o tipo de muestreador sugerido Tubo Shelby de acero o lámina, muestreador de pistón fijo, muestreador con funda de aluminio Muestreador de pistón fijo Muestreador de pistón fijo en una funda y/o fluido de perforación Congelación in situ y extracción de núcleo. Muestreador de pistón fijo en fluido de perforación Muestreador de barril en perforación a rotación con broca

Manejo de muestras

Muestras alteradas.

Estas muestras proceden de sondeos alterados como penetración estándar, pozos a cielo abierto, bancos de préstamo, etc. Se conservaran en bolsas de plástico o frascos de vidrio (numeral 1.2.7. sección d) y se debe identificar tal como se muestra en las Figs 1.62 y 1.63. Para realizar análisis químicos a los suelos, las muestras requieren ser enviadas en frascos de vidrio color ámbar.

b)

Muestras cúbicas inalteradas.

Las muestras cúbicas de 25 o 30 cm de lado deben identificarse con una etiqueta común como se señala en la Fig 1.62, adherida en la parte superior del espécimen y colocarse en una caja de madera confinada tal como se ve en la Fig 1.64; las muestras deben protegerse contra agentes atmosféricos, vibraciones y golpes que podrían dañar la estructura del suelo. También es importante que esté debidamente identificada como se indica en la Fig del numeral 1.2.7. sección d. 129

B.2.1 CARACTERIZACIÓN DE LOS DEPÓSITOS DE SUELO B.2.1.2 EXPLORACIÓN Y MUESTREO DE SUELOS c)

Muestras inalteradas contenidas en tubos.

Las muestras contenidas en tubos de los muestreadores de pared delgada, pistón, Denison, Pitcher, Shelby, etc, se someten al mismo procedimiento; después de desmontar el tubo de la cabeza que lo sostiene se coloca en el soporte para muestras de la Fig 1.65, con la parte inferior hacia abajo; se limpia la superficie exterior y del interior se eliminan los azolves con la veleta (Fig 1.66); enseguida se coloca el sello mecánico de la figura 1.67 o se vierte parafina con brea caliente (15% de brea a 70 °C), para formar un sello de 0,70 cm de espesor (numeral 1.2.7 sección d). A continuación se invierte la posición del tubo; se le extrae 1,0 cm de muestra con la veleta o una espátula para hacer lugar al sello mecánico de la figura 1.67 o el de parafina con brea; con el material extraído se clasifica el suelo en el campo. Luego se identifica el tubo adhiriéndole una etiqueta (Fig 1.62) con parafina, señalando además la parte superior de la muestra. Un cuidado adicional que debe tenerse con muestras de arena sueltas, es el de colocar un tapón temporal con perforaciones en la parte inferior de la muestra, antes de sacar completamente el tubo muestreador de la boca del sondeo. Se evita con esto que la muestra se pierda por la succión que se ejerce al sacar el muestreador y permite drenar el agua libre de la muestra.

Las muestras inalteradas contenidas en tubos deben transportarse en cajas de madera, recubiertas interiormente con espuma de poliuretano de 5 cm de espesor (ver numeral 1.2.7 sección d), cuidando que no sufra golpes ni vibraciones que dañen su estructura.

d)

Recomendaciones para el embalaje de las muestras.

Es importante que el supervisor de campo identifique perfectamente cada contenedor de acuerdo con la Fig 1.68 incluyendo la clasificación del suelo. Para su traslado al laboratorio debe tomarse en cuenta el clima y la distancia que recorrerá, el tipo de muestras que se obtuvo (su fragilidad y sensitividad) y con base en eso, seleccionar el tipo de contenedor que utilizará para su envío. Debido a la importancia de que las muestras alteradas e inalteradas lleguen al laboratorio sin sufrir ningún tipo de alteración se dan cuatro opciones para el empacado y sellado de las muestras las cuales se dividen en cuatro grupos como se muestra en la Tabla 1.41.

130

MANUAL DE DISEÑO DE OBRAS CIVILES-CFE B.2.1 CARACTERIZACIÓN DE LOS DEPÓSITOS DE SUELOS

Use tinta indeleble o recubra con parafina

Figura 1.62 Etiquetas para identificación de las muestras alteradas e inalteradas

M-14 Prof. 15 SUCS CH 18-Jun-2010 F-20

Identificación del sondeo. Profundidad. Clasificación SUCS. Fecha. Número de frasco. Número de golpes de la prueba de penetración estándar.

M-14 F-20 SPT 10-15-20

a) Tapa

b) Frasco de ½ litro Figura 1.63 Frascos de cristal para el guardado de las muestras de suelo para análisis químicos

131

B.2.1 CARACTERIZACIÓN DE LOS DEPÓSITOS DE SUELO B.2.1.2 EXPLORACIÓN Y MUESTREO DE SUELOS

Dos capas adicionales de estopilla de algodón y cera para sellar la muestra.

Un espesor de estopilla de algodón o manta de cielo se coloca frente al suelo. Luego se aplica cera caliente. a) Método para el sellado de muestras cúbicas inalteradas.

Rellenar el espacio entre la muestra y la caja con aserrín para el soporte de la muestra.

Antes de terminar la caja, colocar la muestra para evitar alterarla. b) Método para colocar la muestra dentro de una caja.

Figura 1.64 Preparación y colocación de muestras cúbicas

132

MANUAL DE DISEÑO DE OBRAS CIVILES-CFE B.2.1 CARACTERIZACIÓN DE LOS DEPÓSITOS DE SUELOS

0,09 a 0,115

0,15

0,10 0,012 Acotaciones, en m

Figura 1.65 Soporte para muestra

Figura 1.66 Veleta para limpiar tubos

133

B.2.1 CARACTERIZACIÓN DE LOS DEPÓSITOS DE SUELO B.2.1.2 EXPLORACIÓN Y MUESTREO DE SUELOS

Figura 1.67 Sello mecánico

Figura 1.68 Etiquetas para envío de muestras alteradas e inalteradas

134

MANUAL DE DISEÑO DE OBRAS CIVILES-CFE B.2.1 CARACTERIZACIÓN DE LOS DEPÓSITOS DE SUELOS Tabla 1.41 Clasificación de muestras alteradas e inalteradas

INALTERADAS

ALTERADAS

GRUPOS

DESCRIPCIÓN

A

Muestras para las cuales es necesaria únicamente, la identificación visual.

B

Muestras a las cuales se les realizarán contenidos de agua y clasificación en laboratorio, prueba proctor, densidad relativa, pruebas de calidad y resistencia en materiales compactados.

C

Muestras obtenidas en campo de modo inalterado para las cuales se requiere realizar ensayes como determinación de densidad, prueba de consolidación, prueba de permeabilidad, resistencia al esfuerzo cortante, pruebas dinámicas y cíclicas.

D

Muestras que son frágiles o altamente sensibles y se les realizarán las mismas pruebas del grupo C; el procedimiento usado tiene que ser incluido en la especificación del proyecto o definido por la persona responsable del proyecto.

A y B son para muestras alteradas que lo único que se tiene que cuidar es que no pierdan humedad o sufran algún tipo de alteración o contaminación química. Los grupos C y D son para muestras inalteradas que además de cuidar su contenido de agua, se debe vigilar que no sufran alteraciones en su estructura por efecto de vibraciones o golpes. Para un buen manejo de las muestras es muy importante que el ingeniero supervisor de campo tome en cuenta las siguientes recomendaciones: Los contenedores de las muestras deben especificar siempre el tipo de muestra que contiene (por si alguna muestra incluye algún químico o cualquier otro material contaminante). Las muestras inalteradas requieren de mucho cuidado en el traslado por lo que se debe garantizar que éste se lleve a cabo lo más directo posible al laboratorio y cuando se envíe por paquetería se especifique claramente el contenido de las cajas con un letrero que diga frágil e informar al encargado la importancia que éstas tienen (Fig 1.68). Antes de empacar las muestras para ser enviadas al laboratorio se debe cuidar que estén adecuadamente identificadas con etiquetas o rótulos para el manejo y traslado como se indica a continuación (Fig 1.62):       

Nombre y número de proyecto o ambos. Datos de la muestra. Número y localización de la muestra y el sondeo. Profundidad o elevación o ambos. Orientación de la muestra. Datos de la prueba de penetración si es aplicable. Profundidad del nivel freático, si lo hay.

135

B.2.1 CARACTERIZACIÓN DE LOS DEPÓSITOS DE SUELO B.2.1.2 EXPLORACIÓN Y MUESTREO DE SUELOS  

Subdividiendo a las muestras puede ser identificado mientras se mantenga la asociación de la muestra original. Si el envío se realiza por paquetería que se identifiquen muy bien las cajas o lo que se use para su empaque.

Procedimiento de empaquetado de cada muestra Grupo A. El traslado de las alteradas. Si es un transporte requerimientos mínimos del necesario para que la muestra

muestras no requiere trato especial por ser muestras comercial el contenedor necesita solamente agregar los servicio de paquetería y algún otro requerimiento no sufra ningún daño o alteración.

Grupo B. Para la conservación y traslado de estas muestras es necesario que se cuide que las muestras estén selladas perfectamente en un recipiente resistente para que no sufran golpes, pierdan contenido de agua o sufran otro tipo de alteración. Los contenedores sellados pueden ser bolsas o cubos de plástico, recipientes de plástico o vidrio, etc. Estas muestras deben ser empacadas para traslados largos en cajas de plástico, cartón y madera. A continuación se describen los diferentes tipos de cubiertas para el sellado de las muestras: 

Bolsas de plástico. Bolsas de plástico tan herméticamente selladas como sea posible.



Recipiente de plástico o vidrio. Sellados con goma o con cera.



Cubetas plásticas. Sellados con cera, pero es importante que no se deje pasar el aire.

Sellado para los tubos de pared delgada 

Tapas de madera con cera. Usar sello de madera con parafina para un tiempo máximo de tres días de lo contrario usar una mezcla de parafina microscristalina y un 15% de cera de abeja o resina. Usar papel aluminio antes de colocar la cera o bien papel transparente adherible.



Tapas de los tubos. Sello de metal, goma, plástico o usar cinta para un tiempo máximo de tres días; para un lapso mayor usar más estratos de parafina.



Estopa y cera. Usar sello de estopa y parafina (mínimo dos estratos) en los extremos del tubo para estabilizar la muestra.

Muestras cúbicas, cilíndricas u otras envueltas en plástico como polietileno o polipropileno o láminas que pueden ser protegidas con tres capas de cera  136

Muestras cúbicas, cilíndricas u otras envueltas en estopa de algodón y cera deben ser selladas con un mínimo de tres capas.

MANUAL DE DISEÑO DE OBRAS CIVILES-CFE B.2.1 CARACTERIZACIÓN DE LOS DEPÓSITOS DE SUELOS 

Muestras en cartón. Colocar la muestra cúbica en una caja de cartón pero rellenando los espacios entre la caja y la muestra de parafina no debe estar muy caliente (54°C a 76°C) de modo que fluya y cubra todos los espacios sin que penetre en los poros del suelo. Generalmente la muestra debe ser envuelta en plástico, manta de cielo o láminas antes de ser recubiertas con cera.

Grupo C y D. Preservar y sellar estas muestras en contenedores con cubierta como las descritas anteriormente. También deben estar protegidas contra golpes, vibración y el efecto de climas extremosos. Para el transporte de este tipo de muestras se tiene que tomar en cuenta la distancia del proyecto al laboratorio por lo que se recomienda que si el traslado lo hará el supervisor de campo en su vehículo que se coloque en el asiento del mismo; se requiere colocarlas en cajas o contenedores similares bien identificados de ser posible con cartulina para evitar caídas, golpes o vibraciones. Independientemente del método que se utilice (camionetas, automóviles, barcos o avión, etc), las muestras deben estar perfectamente selladas ya sea con madera, metal u otros, de modo que proporcionen el aislamiento o amortiguamiento para las muestras. Se debe evitar el envío por paquetería. Los materiales de amortiguamiento (aserrín, goma, poliestireno, etc) deben acomodar perfectamente a cada muestra. El material de amortiguamiento entre la muestra y los lados de la caja o envase debe tener un espesor mínimo de 1” (25 mm) y en la base de 2” (50 mm).

Las muestras deben ser colocadas con la misma orientación que fue muestreada, incluyendo durante el traslado o envío, identificadas apropiadamente en las cajas en las que serán enviadas. El ingeniero supervisor debe vigilar durante todo el traslado de carga y descarga de las cajas el manejo de las muestras.

Contenedores Las siguientes características deben ser incluidas en el diseño de los contenedores para los grupos antes descritos.  Deben ser reutilizables.  Estar construidos para que las muestras puedan mantenerse todo el tiempo, en la misma posición como cuando se extrajeron o se empacaron.  Deberán incluir material suficiente (espesor mínimo de 0,05 m para el embalaje para amortiguar y aislar o ambos, a los tubos de los efectos como vibración y choque y deben englobar suficiente material de aislamiento para prevenir que los climas extremosos dañen las muestras (donde sea el caso).

137

B.2.1 CARACTERIZACIÓN DE LOS DEPÓSITOS DE SUELO B.2.1.2 EXPLORACIÓN Y MUESTREO DE SUELOS Los diferentes tipos de contenedores recomendados se observan en las Figs 1.69 a 1.73. 

Cajas especiales para el transporte de tubos de pared delgada de diámetro de 3” o 4”.



Contenedores de canales de madera. Marco exterior hecho de madera laminada con un espesor de 13 a 19 mm; la tapa debe estar asegurada con bisagra y pasador o con tornillos. Para la protección ante temperaturas extremas todo el contenedor debe ser forrado con un espesor de aislamiento mínimo de 50 mm.



Contenedores de metal. Igual que el anterior.



Contenedores de estireno. Fibra de estireno acanaladas con dimensiones del tubo de la muestra. Es apropiado que éstas se manejen en cajas de madera laminada o cartón reforzado. De arriba a abajo debe ser atornillado en su interior (en la parte superior puede ser con bisagra y pasador)

10” (0,254 m) 14” (0,356 m)

2” (0,051 m) 3 ½” (0,089 m)

4” (0,102 m) o 3”(0,076) 4 orificios en la parte superior e inferior ½” (0,013 m) manipulado con soga en los dos lados Mínimo de siete clavos a lo largo de la esquina (preferiblemente con goma impermeable)

13” (0,457 m)

10” (0,254 m)

Relleno 4” (0,102 m) de espuma de poliuretano (o equivalente) en la parte inferior de la caja 1” (0,025 m) alrededor de los tubos y en la parte superior Material ¾” (0,019 m) madera gruesa

Figura 1.69 Caja para tubos de pared delgada 138

MANUAL DE DISEÑO DE OBRAS CIVILES-CFE B.2.1 CARACTERIZACIÓN DE LOS DEPÓSITOS DE SUELOS

Semiesponja de goma de 1” (0,025 m) arriba y en toda la periferia o 2 ½” (0,064 m) de aislamiento.

Anillo de refuerzo en toda la periferia ¾” (0,019 m). 18 perfiles de acero galvanizado 1”x1 ½” (0,025 x 0,038 m).

3” (0,076 m) goma de espuma sobre la base o 1” (0,025 m) goma de espuma y 2 ½“(0,064 m) cualquier otro aislamiento.

Figura 1.70 Caja para el envío de muestras (tubos pequeños)

139

B.2.1 CARACTERIZACIÓN DE LOS DEPÓSITOS DE SUELO B.2.1.2 EXPLORACIÓN Y MUESTREO DE SUELOS

a) 55 galones (0,21m) botes de aceite con secciones de aislamiento de estireno, soldándoles dos asas a cada lado.

b) Igual al inciso (a) con el bote preparado para el envío. Con tapa de acero sellada herméticamente para la conservación de la muestra.

Figura 1.71 Barriles para envío de tubos de pared delgada

140

MANUAL DE DISEÑO DE OBRAS CIVILES-CFE B.2.1 CARACTERIZACIÓN DE LOS DEPÓSITOS DE SUELOS

Figura 1.72 Contenedores de sistemas de suspensión para tubos de pared delgada de dimensiones mínimas de 0,5m de lado y 1,0 m de alto

141

B.2.1 CARACTERIZACIÓN DE LOS DEPÓSITOS DE SUELO B.2.1.2 EXPLORACIÓN Y MUESTREO DE SUELOS

Figura 1.73 Contenedores de estireno para tubos de pared delgada de 3” (76 mm)

142

MANUAL DE DISEÑO DE OBRAS CIVILES-CFE B.2.1 CARACTERIZACIÓN DE LOS DEPÓSITOS DE SUELOS 1.3

Clasificación y caracterización de depósitos de suelos con problemas especiales.

1.3.1

Suelos Licuables.

La licuación es un fenómeno que se produce en suelos granulares saturados sueltos o medianamente densos cuando la presión del agua de poro aumenta por efecto de cargas cíclicas o monotónicas. El aumento de la presión de poro provoca la disminución de los esfuerzos efectivos y, consecuentemente, de la resistencia al esfuerzo cortante lo cual, puede dar lugar a que se pierda el contacto entre las partículas. De esta manera el suelo pierde su resistencia y se comporta como un fluido viscoso. Durante la licuación se pierden parcial o totalmente los contactos entre las partículas del suelo y estos se restablecen con la disipación de la presión de poro, cuando ha finalizado el fenómeno.

a)

Identificación

La identificación de suelos licuables se orienta a la evaluación de la susceptibilidad a la licuación de los depósitos de suelos para valorar el peligro de ocurrencia de este fenómeno y luego la evaluación del potencial de licuación mediante estudios más completos.

Recopilación de antecedentes Para evaluar la susceptibilidad de licuación se observan tres aspectos principales (Kramer, 1996). Datos históricos. Se realiza una recopilación de casos históricos de licuación que se han presentado en la región de interés (Youd,1984b) y datos de su sismicidad. Este trabajo se orienta a la identificación de sitios específicos susceptibles a la licuación y condiciones sitio generales que pueden causar licuación en episodios sísmicos futuros. De la información posterior a un evento de licuación se puede determinar la distancia a la fuente sísmica a la que no se presenta licuación y la distancia a la que la licuación se incrementa con el aumento de la magnitud del sismo. En la República Mexicana se han documentado casos de licuación de arenas en Veracruz, en las poblaciones de Jáltipan y Coatzacoalcos (Marsal, 1961), en Chiapas en Chiapa de Corzo, en Michoacán en el municipio de Lázaro Cárdenas durante el temblor del 19 de septiembre de 1985, en Baja California en el Valle de Mexicali, en 1979 y 2010, en Colima en el puerto de Manzanillo (Ovando et al., 1996) y en el temblor de Tecomán de 2001. Identificación del entorno geológico y geomorfológico. Los depósitos de suelo que son susceptibles a licuación por lo regular se formaron en ambientes geológicos similares (Youd, 1991). El ambiente en que se formó el depósito, su ambiente

143

B.2.1 CARACTERIZACIÓN DE LOS DEPÓSITOS DE SUELO B.2.1.3 CLASIFICACIÓN Y CARACTERIZACIÓN DE DEPÓSITOS DE SUELOS CON PROBLEMAS ESPECIALES hidrológico y la edad contribuyen a su susceptibilidad a la licuación (Youd y Hoose, 1977). Ambiente de formación del depósito. Los depósitos con mayor potencial de licuarse son los fluviales y los coluviales y eólicos cuando están en estado saturado. También se presenta licuación en los abanicos aluviales, las llanuras aluviales, los depósitos de estuario, las terrazas y los depósitos de playa. Sin embargo, también hay casos de licuación en algunos depósitos de arena volcánica del Antiplano Central (Mendoza y Domínguez, 2002). La ocurrencia de licuación también es frecuente en rellenos sueltos de materiales granulares deficientemente compactados y en los jales mineros constituidos por materiales limosos o limo arenosos que son el residuo del proceso de beneficio de metales. Ambiente hidrológico. El potencial de licuación disminuye al aumentar la profundidad de nivel de aguas freáticas. Edad de los depósitos. La susceptibilidad a la licuación disminuye al incrementar la edad geológica, es decir, que los suelos del holoceno tienen mayor susceptibilidad a la licuación que los del pleistoceno (Kramer, 1996).

Identificación de la composición del suelo. Los estudios preliminares están acompañados de un reconocimiento de campo para observar posibles rasgos de eventos de licuación pasados y obtener muestra alteradas de suelo mediante excavación manual superficial o usando posteadoras. El potencial de licuación de un suelo depende fundamentalmente de su compacidad, pero también está sujeto a la influencia de aquellas características del suelo que se relacionan con sus cambios volumétricos, como el tamaño y forma de las partículas, y su graduación. Pruebas de laboratorio básicas como análisis granulométricos y la obtención de propiedades índice del suelo se deben incluir en esta etapa. Posteriormente se aplican métodos semiempíricos, como los descritos en el numeral 1.31 sección d de este manual, para evaluar de manera preliminar el potencial de licuación del suelo. Los suelos granulares finos con fracción fina menor o igual a 15 %, límite liquido menor o igual a 35%, contenido de agua superior a 0,9 veces el límite líquido y un índice de liquidez por debajo de 0,75 son susceptibles a la licuación. También se ha observado licuación en arenas cuarzosas con partículas de formas redondeadas, pero rara vez en arenas con partículas de forma aplanada. Los suelos bien graduados tienen menor potencial de licuación que los suelos uniformes mal graduados.

Ensayes de campo Una vez que se determina la susceptibilidad a la licuación de un sitio de interés, se procede a realizar pruebas de campo.

144

MANUAL DE DISEÑO DE OBRAS CIVILES-CFE B.2.1 CARACTERIZACIÓN DE LOS DEPÓSITOS DE SUELOS Para determinar el potencial de licuación se tienen métodos que se basan en las siguientes pruebas de campo: la prueba de penetración estándar, SPT, la prueba de penetración con cono eléctrico, CPT o con el dilatómetro de Marchetti. También se han desarrollado métodos en los que se usa la velocidad de propagación de onda de corte medida en el campo en una prueba de cono sísmico o con otras pruebas como la de cross-hole o down-hole. En el capítulo B.2.3 se describen estas pruebas de campo. Aplicación de métodos directos Para determinar el potencial de licuación se utilizan métodos que utilizan los resultados de pruebas de campo. Estos métodos se describen en el numeral 1.3.1 sección e de este manual. Estudios de laboratorio avanzados De ser necesario se realizan estudios de laboratorio para determinar el potencial de licuación del suelo usando en una primera fase muestras reconstituidas y posteriormente, si el proyecto así lo requiere, con muestras obtenidas por congelamiento del terreno. Elaboración y análisis numérico Con los resultados de laboratorio y la exploración de campo se realizan análisis numéricos para determinar los efectos de la licuación en el proyecto, en caso que se requiera. De acuerdo a la experiencia, el problema de la determinación del potencial de licuación de una zona de interés se resuelve con métodos basados en pruebas de campo.

b)

Características del fenómeno de licuación en suelos

Las manifestaciones del fenómeno de licuación pueden tomar muchas formas: falla de flujo, desplazamiento lateral de taludes, oscilación del terreno, pérdida de capacidad portante, asentamientos y volcanes de arena. Todas estas manifestaciones implican la ocurrencia de deformaciones de gran magnitud.

Falla de flujo Es el tipo de falla más catastrófico, ya que por lo general desplaza grandes masas de suelo en ocasiones hasta por decenas de metros (Fig. 1.74 a). Los materiales que fluyen pueden estar compuestos por suelo completamente licuado o por bloques intactos de material flotando sobre la capa de suelo licuado. Las deformaciones de flujo se presentan en arenas, limos sueltos y saturados, y en taludes con pendientes superiores a los 3° (Youd, 1992).

145

B.2.1 CARACTERIZACIÓN DE LOS DEPÓSITOS DE SUELO B.2.1.3 CLASIFICACIÓN Y CARACTERIZACIÓN DE DEPÓSITOS DE SUELOS CON PROBLEMAS ESPECIALES

Desplazamiento lateral de taludes Involucra el desplazamiento de grandes bloques de suelo que deslizan sobre capas o lentes de materiales licuados (Fig 1.74 b). El desplazamiento ocurre como consecuencia de la combinación de las fuerzas de la gravedad y las inerciales generadas por el sismo. Los desplazamientos laterales se presentan por lo general en pendientes suaves, comúnmente menores a los 3°, y en las cercanías de canales o de ríos (Youd, 1992).

Oscilaciones del terreno Ocurren en terrenos planos o con pendientes demasiado suaves que permiten desplazamientos laterales (Fig. 1.74 c). La licuación de estratos subyacentes ocasiona oscilaciones que no dependen de las capas superficiales, la cual se manifiesta hacia los lados, arriba y abajo en la forma de ondas. En general, dichas oscilaciones se acompañan por la apertura y cerramiento de fisuras en el suelo, y la fractura de estructuras rígidas como los pavimentos y tuberías (Youd,1992).

Pérdida de la resistencia del suelo de soporte Cuando el suelo que soporta un edificio u otra estructura se licua y pierde su resistencia, se pueden presentar grandes deformaciones en su interior, las cuales hacen que las estructuras superficiales se asienten y/o se inclinen (Fig. 1.74 d). Un ejemplo de fallas por este fenómeno ocurrieron en el sismo de Niigata, Japón, en 1964 (Fig. 1.75) (Youd, 1992).

146

MANUAL DE DISEÑO DE OBRAS CIVILES-CFE B.2.1 CARACTERIZACIÓN DE LOS DEPÓSITOS DE SUELOS

Figura 1.74 Esquemas de algunos fenómenos asociados a la licuación (Youd, 1992)

Figura 1.75 Colapso de edificaciones por licuación en el terremoto de Niigata

147

B.2.1 CARACTERIZACIÓN DE LOS DEPÓSITOS DE SUELO B.2.1.3 CLASIFICACIÓN Y CARACTERIZACIÓN DE DEPÓSITOS DE SUELOS CON PROBLEMAS ESPECIALES

Asentamientos En muchos casos el peso de la estructura es muy ligera por lo que no se desarrollan los asentamientos asociados con las pérdidas de capacidad; sin embargo, pueden ocurrir pequeños asentamientos cuando la presión de poro se disipa. Este tipo de asentamientos causan daños menores que los producidos por fallas de flujo, desplazamientos laterales o pérdidas de capacidad portante. La flotación también puede ocurrir en el caso de estructuras ligeras, tanques, cisternas, tinacos enterrados, u otros.

Volcanes de arena Se presentan cuando se generan presiones de poro muy altas, las cuales obligan a que el agua fluya rápidamente hacia la superficie formando pequeños volcanes de arena. Este flujo ascendente de agua puede ocurrir durante o después de un sismo. Los volcanes de arena indican también zonas de posibles asentamientos. México es uno de los países del mundo con mayor actividad sísmica. A partir de los sismos registrados a lo largo de los años, se ha detectado la ocurrencia del fenómeno de licuación de suelos. La licuación de suelos ha sido una de las principales causas de destrucción de estructuras e instalaciones en áreas costeras y en áreas ganadas al mar. La mayoría de los sismos que ocurren en México se originan en tres mecanismos sismogénicos principales. El primero, es la subducción de las placas de Rivera y de Cocos con la de Norteamérica, la cual produce sismos que afectan a los estados costeros del Pacífico. El segundo, es el sistema de fallas asociadas a la de San Andrés, que producen sismos que afectan regiones cercanas a la frontera norponiente del país, así como a las poblaciones y puertos cercanos a la desembocadura del Río Colorado. El tercero, se genera por el fallamiento de la placa de Cocos subducida, produce sismos profundos que afectan los estados de Puebla, Oxaca, Veracruz, Chiapas y parte del estado de Campeche. Aunado a lo anterior, existen sismos superficiales originados en fallas que afectan regiones limitadas, como los sismos locales que se originan en la Falla de Acambay.

En el mapa de la Fig. 1.76 se señalan las zonas potencialmente licuables de la república mexicana y en la Tabla 1.42 se resumen los casos de licuación más representativos ocurridos en México.

148

MANUAL DE DISEÑO DE OBRAS CIVILES-CFE B.2.1 CARACTERIZACIÓN DE LOS DEPÓSITOS DE SUELOS

Figura 1.76 Sitios potencialmente licuables de la República Mexicana (Rodríguez, 2011) c)

Caracterización de suelos

Para valorar la susceptibilidad de licuación de un material granular se deben evaluar los siguientes factores. Geología El ambiente de depósitos de suelos, su edad y el ambiente hidrológico, contribuyen a la susceptibilidad a la licuación, como lo mencionan Youd y Hoose (1977). Es decir, depósitos de suelos aluviales, fluviales, coluviales y suelos recientes, con el nivel de aguas freáticas (NAF) muy superficial tienen un mayor riesgo de licuarse. La licuación generalmente ocurre en depósitos granulares del Holoceno al Pleistoceno donde el NAF está a menos de 15 m de profundidad. Muchos de los casos de licuación reportados recientemente han ocurrido en depósitos de rellenos sueltos mal compactados. Forma de las partículas Este factor influye en la distribución y orientación de los contactos intergranulares, así como en la magnitud de las fuerzas de fricción interparticulares. Los materiales granulares con partículas angulares, bien graduados son menos susceptibles de licuarse que suelos con partículas redondas y/o uniformemente graduados. Es decir, la graduación también es un factor que influye en la licuabilidad de las arenas. La existencia de materiales con partículas laminares también da lugar a estructuras

149

B.2.1 CARACTERIZACIÓN DE LOS DEPÓSITOS DE SUELO B.2.1.3 CLASIFICACIÓN Y CARACTERIZACIÓN DE DEPÓSITOS DE SUELOS CON PROBLEMAS ESPECIALES sueltas potencialmente licuable como es el caso de arenas con fragmentos de partículas micáceas.

Tabla 1.42 Resumen de los casos de licuación en México

Año 1959 1975 1979

Sitio

Magnitud escala de Richter

Profundidad del foco

7,0

35 km

-

-

6,5

30 km

Acayucan y Jáltipan, Veracruz Chiapa de Corzo, Chiapas Lázaro Cárdenas, Michoacán

1980

Mexicali , BCN

6,7

16 km

1985

Lázaro Cárdenas, Michoacán

8,1

15 km

1995

Manzanillo, Colima

7,3

-

1999

Tehuacán, Puebla

-

-

2003

Tecomán , Colima

7,6

10 km

2010

Valle de Mexicali, BCN

7,2

10 km

Daños reportados Daños severos en Jaltipán y 20 personas muertas. Licuación en rellenos hidráulicos y daños a instalaciones Fertimex.

Grietas en el terreno natural, taludes y carreteras; deformaciones verticales y horizontales en vías férreas y volcanes de arena. Daños en caminos de acceso a plantas industriales, grietas y volcanes de arena. Licuación de los rellenos artificiales de material granular suelto y daños por cortante en la cabeza de los pilotes del muelle. Licuación de arenas de origen volcánico. Licuación al interior de las ciudades de Colima y Villa de Álvarez. Asentamientos diferenciales en casas y edificios. Daños en la infraestructura hidráulica y carretera. Licuación en zona urbana de Mexicali, ejidos vecionos y márgenes del río Colorado. Dos personas muertas y cien lesionadas, daños en viviendas, carreteras, puentes, escuelas, hospitales y canales de riego.

Referencia Marsal (1961) Arenas (1980) Jaime et al. (1979) Jaime et al. (1980) Anderson et al. (1986) Ovando y Vieitez (1997) Mendoza y Domínguez (2011) Rangel et al. (2006) Wartman et al. (2007)

Munguía et al. (2010)

Relación de Vacíos (e) La relación de vacíos influye en el cambio de volumen, el cual a su vez afecta la magnitud y el cambio de la presión de poro para un material sometido a carga no drenada. La resistencia de los materiales granulares dependen fuertemente de la relación de vacíos (Casagrande, 1976; Castro, 1969; Poulos et al., 1985).

Densidad Relativa (Dr) La resistencia al cortante, los asentamientos y el potencial a la licuación de arenas dependen de este factor. Las arenas densas (material con relación de vacíos pequeña y 150

MANUAL DE DISEÑO DE OBRAS CIVILES-CFE B.2.1 CARACTERIZACIÓN DE LOS DEPÓSITOS DE SUELOS una compacidad relativa mayor al 65%) son menos susceptibles a la licuación que las arenas sueltas. Generalmente, se acepta que una arena es licuable si Dr 12%

50 40

CH 30

MH

CL 20

Zona B: Ensayar si Wn≥0,85 LL

10

ML

CL-ML

0

0

10

20

30

Zona A: Potencialmente Licuable si Wn≥0.8 LL

40 50 60 70 Límite líquido (LL)

80

90

100

CF=contenido de finos, IP=Índice plástico, wn=Contenido natural de agua, LL=Límite líquido.

Figura 1.79 Recomendaciones acerca de la evaluación del potencial de licuación de suelos cohesivos (Seed et al., 2003)

e)

Métodos directos para evaluar el potencial de licuación

La evaluación de la susceptibilidad a la licuación de un depósito de suelo generalmente se hace hasta unos 15 a 25 m de profundidad, ya que a profundidades mayores rara vez ocurre este fenómeno. A continuación, se mencionan algunas de estas metodologías, las cuales se basan en los resultados de: Método de laboratorio Simplificados Se basan en la comparación de la resistencia obtenida en ensayos cíclicos de laboratorio con los esfuerzos que provocará el sismo. Estos últimos se calculan en forma simplificada. Los ensayes requeridos para evaluar el potencial de licuación se describen en el Capítulo B.2.2 de este manual.

Las pruebas de laboratorio se efectúan a partir de muestras inalteradas o de la fabricación en laboratorio de muestras reconstituidas. Métodos basados en pruebas de Campo. Se basa en observaciones del comportamiento del suelo durante eventos sísmicos y se apoya en correlaciones empíricas obtenidas mediante pruebas de campo: prueba de penetración estándar (SPT), prueba de penetración con cono (CPT) y pruebas para determinar la velocidad de propagación de ondas de corte. La aplicación de estos métodos requiere de la sectorización en estratos homogéneos en profundidad recopilando tanto la información de campo como la de laboratorio. Cada estrato homogéneo se evalúa por separado para determinar su potencial de licuación.

154

MANUAL DE DISEÑO DE OBRAS CIVILES-CFE B.2.1 CARACTERIZACIÓN DE LOS DEPÓSITOS DE SUELOS Métodos matemáticos. Se basa en modelos matemáticos y estos comprenden a un número creciente de modelos acoplados y desacoplados para el análisis de la respuesta dinámica y para la generación de la presión de poro de suelos granulares sujetos a fuerzas sísmicas. Estos métodos no se incluyen en este manual.



Método basado en el número de golpes del SPT

Es un método simplificado para evaluar la resistencia a propuesto por Seed et al. (1983 y 1985).

la licuación de los suelos

A partir del estudio del comportamiento de los suelos arenosos saturados se tiene una correlación entre la resistencia a la licuación y las características del terreno, expresadas a través del número de golpes en el ensayo de penetración estándar (NSPT). Este criterio involucra la relación de esfuerzos cíclicos promedio (CSR) contra el número de golpes corregido (N1), normalizado con una sobrepresión de 100 kPa y una energía o eficiencia del martillo del 60%, Fig. 1.80. La relación de esfuerzos cíclicos promedio se calcula, de manera simplificada, mediante la siguiente expresión (Seed e Idriss, 1970).

CSR  0,65

amáx  v rd g  v'

(1.7)

donde:

amáx, es la aceleración máxima en la superficie del terreno; g, es la aceleración de la gravedad;  v , es el esfuerzo vertical total;  ´v , es el esfuerzo vertical efectivo y rd , es el factor de reducción que tiene en cuenta la deformabilidad de la columna de suelo. El valor del factor de reducción (rd) se determina a partir de la Fig. 1.81. Para efectos prácticos se pueden utilizar las siguientes ecuaciones para estimar el promedio de los valores de rd (Liao y Withman, 1986).

rd  1,0  0,00765 z rd  1,174  0,0267 z

para z  9,15 m para 9,15 m  z  23,00 m

(1.8) (1.9)

El número de golpes corregido se obtiene como

N1  C N N SPT

(1.10)

155

B.2.1 CARACTERIZACIÓN DE LOS DEPÓSITOS DE SUELO B.2.1.3 CLASIFICACIÓN Y CARACTERIZACIÓN DE DEPÓSITOS DE SUELOS CON PROBLEMAS ESPECIALES donde:

CN , es el factor de corrección y se obtiene de la Fig 1.82 o se puede calcular, en forma aproximada, con la expresión siguiente.

C N  1  1,25 log  v'  v' 1

(1.11)

Donde:

 ´v1 , es igual a 100 kPa (1 kg/cm2) y  ´v , es el esfuerzo vertical efectivo.

Relación de esfuerzos cíclicos promedio, tprom/’v

0,6

0,5

0,4 NO LICUABLE

LICUABLE 0,3

0,2 CONT EN I D O DE F I N OS ≤ 5 % Método chino (Pc – 0)

0,1

Datos americanos Datos japoneses Datos chinos

0

0

10

Licuación

30

20

Sin Licuación Marginal Licuación

40

50

(NI)60

Figura 1.80 Relaciones de esfuerzo cíclicos que causan licuación en función de N1, para arenas limpias y sismo M=7,5 (Seed et al., 1985) La curva que aparece en la Fig. 1.80 separa condiciones de licuación y de no licuación. Esta curva límite corresponde solamente para sismos de magnitud de 7,5 (M=7,5) y para arenas con contenido de finos menor o igual al 5 % (CF≤5%). Para obtener las curvas límite para sismos de diferentes magnitudes, Fig. 1.83, se deben multiplicar las ordenadas de la curva de la Fig. 1.80 por los factores de escala que se muestran en la Tabla 1.44.

156

MANUAL DE DISEÑO DE OBRAS CIVILES-CFE B.2.1 CARACTERIZACIÓN DE LOS DEPÓSITOS DE SUELOS

Figura 1.81 Rango de valores de rd para diferentes tipos de suelo (Seed e Idriss, 1982)

0

0

0,2

0,4

0,6

CN y Cqc 0,8 1,0

1,2

1,4

1,6

49 98

qc (obtenido con CPT) cr 40 a 80 %

147

’v (kPa)

196 245

cr = 60 a 80 %

294

cr = 40 a 60 %

342 391

440 N (obtenido con SPT) 489

Figura 1.82 Curva de valores de CN (Seed e Idriss, 1982)

157

B.2.1 CARACTERIZACIÓN DE LOS DEPÓSITOS DE SUELO

Relaciones de esfuerzos cíclicos que producen aumentos de la presión de poro del orden el 100 % ’v, con un potencial de deformación limitado

B.2.1.3 CLASIFICACIÓN Y CARACTERIZACIÓN DE DEPÓSITOS DE SUELOS CON PROBLEMAS ESPECIALES 0,5

0,4 LICU ABLE 0,3

0,2 NO L I C U A B LE 0,1

0

0 10 20 30 40 Resistencia a la penetración corregida, N (golpes/pie)

0 190 268 329 379 Velocidad promedio de las ondas de corte en los 15 m superiores, v s (m/s)

Figura 1.83 Relaciones de esfuerzos cíclicos que causan licuación en función de N1 y de Vs para arenas limpias y sismos de diferentes magnitudes (Seed et al., 1983) Tabla 1.44 Factores de corrección de la resistencia a la licuación en función de la magnitud del sismo (Seed et al., 1983)

Magnitud del sismo

Número de ciclos representativos para

τprom = 0,65τmáx

Factor de corrección

8,50

26

0,89

7,50

15

1,00

6,75

10

1,13

6,00

5a6

1,32

5,25

2a3

1,50

Por otro lado, para arenas limosas se deben usar las curvas que aparecen en la Fig. 1.85. En todas estas curvas, el valor N1 corresponde a una energía de penetración del orden del 60 %. En caso de que la energía difiera del porcentaje mencionado, deberá aplicarse un factor de corrección a los valores de NSPT obtenidos, de acuerdo con los datos que, a modo de referencia, se indican en la Tabla 1.45. 158

MANUAL DE DISEÑO DE OBRAS CIVILES-CFE B.2.1 CARACTERIZACIÓN DE LOS DEPÓSITOS DE SUELOS

Figura 1.84 Relaciones de esfuerzos cíclicos que causan la licuación en función de (N1)60, para arenas limosas y sismos de magnitud M=7,5 (Seed et al., 1985) Tabla 1.45 Energías aplicadas a las barras del SPT en función del procedimiento empleado en distintos países (Seed et al., 1983) Sistema para cortar la pesa

Energía aplicada a las barras (%)

Factor de correlación para energías distintas del 60%

Donut

Caída libre

78

78/60=1,30

Donut

Polea y cuerda con mecanismo especial de liberación de pesa

67

67/60=1,12

Polea y cuerda

60

60/60=1,00

Polea y cuerda

45

45/60=0,75

Donut

Polea y cuerda

45

45/60=0,75

A

Donut

Caída libre

60

60/60=1,00

B

Donut

Polea y cuerda

50

50/60=0,83

País

Tipo de pesa

Japón A B USA A B

De seguridad Donut

Argentina A China

159

B.2.1 CARACTERIZACIÓN DE LOS DEPÓSITOS DE SUELO B.2.1.3 CLASIFICACIÓN Y CARACTERIZACIÓN DE DEPÓSITOS DE SUELOS CON PROBLEMAS ESPECIALES Además de la energía de penetración existen otros factores que afectan los resultados. Dichos factores son los siguientes:    

La naturaleza del fluido utilizado en la perforación. El diámetro del sondeo. El tipo de herramienta usada para perforar. La frecuencia con que se dan los golpes con la pesa.

Para eliminar la influencia de estos factores se recomienda adoptar los procedimientos recomendados que aparecen en la Tabla 1.46. En estos procedimientos se adopta como energía estándar (Er) la magnitud de 60 % de la teórica (Et), por lo que se deberá conocer con exactitud razonable la energía realmente aplicada y corregir los valores del número de golpes (N) con la fórmula siguiente (Seed et al., 1985).

N 60  N

E r 100 e4 Et 60

(1.12)

donde

Er, es la energía estándar; Et, es la energía teórica y e4 es un coeficiente de corrección y su valor se determina de la Tabla 1.47.

Tabla 1.46 Procedimiento de ejecución del SPT recomendado para usarlo en correlaciones de licuación (Seed et al., 1985) Factor

Recomendación

Perforación

Diámetro de 4” (0,1 m) a 5” (0,13 m), por rotación, con fluidos bentoníticos para mantener estabilidad.

Herramienta de perforación

Deflexión hacia arriba del fluido de perforación (tricononica o broca tipo draga)

Toma de muestras

Diámetro exterior 2” (0,05 m) pulgadas, Diámetro interior 1,38” (0,035 m)

Barras de perforación

A a AW para profundidades menores de 50 pies (15,4 m) y N o Nw para profundidades mayores.

Velocidad de golpeo

30 a 40 golpes por minuto

Conteo de resistencia a penetración

Medido sobre el rango de 6” (0,15 m) a 18” (0,46 m) de penetración en el terreno.

Por otro lado, los principales factores que influyen en la magnitud de la energía de penetración son:   

160

Dispositivo usado para soltar la pesa. Tipo de pesa y de cabeza de golpeo. Longitud de las barras.

MANUAL DE DISEÑO DE OBRAS CIVILES-CFE B.2.1 CARACTERIZACIÓN DE LOS DEPÓSITOS DE SUELOS Tabla 1.47 Coeficientes de corrección aproximados para los valores de e4 (Skempton, 1986) Coeficiente de corrección

Factor

e4

Diámetro de sondeo (mm) 65-115

1,00

150

1,05

200

1,15

Toma de muestras Estándar

1,00

Americano, sin forro

1,20

Frecuencia de golpes 3-40 golpes/minuto

1,00

10-20 golpe/minuto y Si (N1)60 < 20

0,95

Si (N1)60 > 20

1,05

De tal manera, la energía estándar (Er) se determina por medio de la siguiente expresión.

Er  e1  e2  e3  Et

(1.13)

Donde: los coeficientes de corrección e1, e2 y e3 tienen en cuenta los factores anteriores y se obtienen de la Fig. 1.85, de la Tabla 1.48 y de la Tabla 1.49, respectivamente.

Tabla 1.48 Efecto del peso de la cabeza de golpeo sobre la energía transmitida a las barras (Henríquez, 2007)

Pesa

Dona

De seguridad

Cabeza de golpeo

e2

Pequeña (2,0 kg)

0,85

Grande (12,0 kg)

0,70

Pequeña (2,5 kg)

0,90

Grande (19,0 kg)

0,65

161

B.2.1 CARACTERIZACIÓN DE LOS DEPÓSITOS DE SUELO B.2.1.3 CLASIFICACIÓN Y CARACTERIZACIÓN DE DEPÓSITOS DE SUELOS CON PROBLEMAS ESPECIALES 1,0 Caída libre 15mm

19mm

0,8

Polea grande (200 mm)

25mm

Polea pequeña (125 mm)

19mm

0,6 19mm

ei 0,4 Kovacs y otros (1978) 0,2

Kovacs y Salamone (1982) Oh – oka (1984)

0 0

1 2 3 Número de vueltas de cuerda alrededor de la polea

Figura 1.85 Influencia del dispositivo para levantar y soltar la pesa, sobre la energía aplicada al muestreador (Henríquez, 2007)

Tabla 1.49 Efecto de la longitud de las barras sobre la energía transmitida a ellas (Tokimatsu, 1988) Longitud de barras



e3 Seed y otros (1988)

Skempton (1986)

10 m

1,00

1,00

Métodos basados en la resistencia por punta (qc) del CPT.

Método de Robertson y Campanella (1985) Este método utiliza la correlación entre la relación de esfuerzos cíclicos ( 𝛕/σ´v) y la compacidad relativa (Dr) para establecer la curva límite entre las condiciones de licuación y de no licuación que se presenta en la Fig. 1.86 (Robertson y Campanella, 1985). La Fig. 1.87 se construyó a partir de la Fig. 1.86 y de las correlaciones entre la

162

MANUAL DE DISEÑO DE OBRAS CIVILES-CFE B.2.1 CARACTERIZACIÓN DE LOS DEPÓSITOS DE SUELOS compacidad relativa (Dr) y la resistencia a la penetración de la punta (qc) (Robertson y Campanella, 1985). La Fig. 1.88 se utiliza para transformar el número de golpes (N) a una resistencia por punta (qc) del cono, a partir del tamaño medio del grano (D50) (Robertson et al., 1983)

Figura 1.86 Correlación entre la relación de esfuerzos cíclicos (t/σ´v) y la compacidad relativa (Dr) (Robertson y Campanella, 1985)

Figura 1.87 Correlación entre la relación de esfuerzos cíclicos (t/σ´v) y la resistencia a la penetración de punta del cono (qc) (Robertson y Campanella, 1985)

163

B.2.1 CARACTERIZACIÓN DE LOS DEPÓSITOS DE SUELO B.2.1.3 CLASIFICACIÓN Y CARACTERIZACIÓN DE DEPÓSITOS DE SUELOS CON PROBLEMAS ESPECIALES

10

qc en kg/cm 2; N en golpes/30cm Limo arcilloso y arcilla limosa Limo arenoso y limo arcillo limoso

Arcilla

Arena 4

9

9

8

16 13

Relación, qc/N

7 4

6

14 3

5 12

4 12

3 12

2

11

1 0

9

10

7

5 4

9

6 11

4

9

13 12

5

8

11 10 291 7 15 5

13

8

0,001

0,01 0,1 Tamaño medio de grano, D50(mm) 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.

Isla Tilsbury

Meyerhof (1956) Meigh y Nixón (1961) Rodin (1961) De Alencar Vellosos (1959) Schmertmann(1970) Sutherland (1974) Thornburn y Mac Vicar (1974) Campanella y otros (1979) SPT N, Eri = 47% SPT Nc, Eri = 55%

1,0

9. Nixón (1982 10. Kruizinga (1982) 11. Douglas (1982) 12. Muromachi 13. Goel (1982) 14. Ishihara i Koga (1981) 15. Laing (1983) 16. Mitchell (1983)

SPT N, Eri = 65% SPT Nc, Eri = 55%

UBC Granja Mc Donald’s

Figura 1.88 Relación qc/N con el tamaño medio del grano (D50) (Robertson et al., 1983) Finalmente, la Fig. 1.89 sirve para determinar el potencial de licuación en arenas limpias con un D50>0,25mm. Sin embargo, para suelos con D50 0,25 mm M = 7,5

0,5

t/ Iv

0,4 Licuable

0,3

1

2 3

0,2 0,1 0

1 SPT basado en qc/N = 0,45 MPa 2 Correlación propuesta 3 Cr

No licuable 0

10 qc1 (MPa)

20

Figura 1.89 Determinación del potencial de licuación en función de la relación de esfuerzos cíclicos y qc1 (Robertson y Campanella, 1985)

164

MANUAL DE DISEÑO DE OBRAS CIVILES-CFE B.2.1 CARACTERIZACIÓN DE LOS DEPÓSITOS DE SUELOS 0,5 M = 7,5

0,4

t/ lv

Licuable 0,3 1

2

1 D50 < 0,15 mm 2 D50 < 0,25 mm

0,2 0,1 No licuable

0

0

10 qc1 (MPa)

20

Figura 1.90 Determinación del potencial de licuación en función de la relación de esfuerzos cíclicos y qc1, para arenas limosas (Robertson y Campanella, 1985) Método propuesto por el NCEER (National Center for Earthquake Engineering Research) (1996) En este método se utilizan los datos de la penetración por punta obtenidos en la prueba de cono eléctrico (CPT) para evaluar el potencial de licuación de un depósito de suelo. Por lo que no se requieren convertir los resultados de penetración por punta a un número de golpes equivalentes del ensayo de penetración estándar (SPT). En la Fig. 1.91 se muestra la gráfica para determinar el potencial de licuación mediante el ensayo CPT en arenas limpias con un contenido de finos menor al 5% (Robertson y Wride, 1996). Esta carta sólo es válida para magnitudes de sismos de 7,5. Las curvas discontinuas muestran el potencial de deformación cortante cíclica (Ye) en función de la resistencia a la penetración por punta normalizada a 100 kPa (qc1N). En estas curvas se observa que la deformación de corte cíclica y el potencial de deformación en los suelos licuables disminuyen en la medida en que la resistencia a la penetración se incrementa. Por otro lado, la curva de cortante cíclico ( CRR) de la Fig. 1.92 se obtiene de manera aproximada con las siguientes ecuaciones.

Si

qc1N cs  50

 q   CRR 7,5  0,833 c1N cs  0,05  1.000 

Si 50  q c1N cs  160

 q    93 c1N cs   0,08  1.000 

(1.14)

3

CRR 7,5

(1.15)

165

B.2.1 CARACTERIZACIÓN DE LOS DEPÓSITOS DE SUELO B.2.1.3 CLASIFICACIÓN Y CARACTERIZACIÓN DE DEPÓSITOS DE SUELOS CON PROBLEMAS ESPECIALES donde:

(qc1N )cs es la resistencia a la penetración por punta normalizada a 100kPa en una arena limpia. La resistencia a la penetración por punta del CPT se normaliza mediante la siguiente expresión.

q c1N cs

 C Q q c Pa 

(1.16)

donde: CQ , es un factor de normalización y se determina con la (ecuación 1.17);

Pa , es igual a 100 kPa y qc , es la resistencia a la penetración de la punta.



CQ  Pa  v'



n

(1.17)

donde:

Pa , tiene el mismo significado que en el párrafo anterior;  ´v , es el esfuerzo vertical efectivo; y n, es un coeficiente que depende de las características granulométricas del suelo. El valor del coeficiente n es igual a 0,5 para arenas limpias y 1 para arcillas, mientras que para arenas limosas y limos éste toma un valor intermedio entre 0,5 y 1,0 (Olsen, 1996). La estimación del contenido de finos se realiza de manera aproximada a partir de los registros de la resistencia por fuste (fs) y de la resistencia por punta (qc), ambos obtenidos de la prueba CPT. Por lo general, el valor de fs se incrementa al aumentar el contenido de finos y la plasticidad del suelo como se observa en las Figs. 1.93 y 1.94 (Robertson y Wride, 1996).

El valor del Índice de tipo de suelo ( Ic) de la Fig. 1.94 se determina mediante la siguiente ecuación.



I c  3,47  log Q   1,22  log F 



2 0 , 5

2

(1.18)

donde:

Q, es la resistencia de cono normalizada y F, es la relación de fricción normalizada; ambos coeficientes se calculan con las siguientes expresiones.



 

Q  q c   v' / Pa Pa /  v' 166

 n

(1.19)

MANUAL DE DISEÑO DE OBRAS CIVILES-CFE

 

B.2.1 CARACTERIZACIÓN DE LOS DEPÓSITOS DE SUELOS



F  fs / q c   v'  100 %

(1.20)

donde:

qc , es la resistencia a la penetración de la punta;  ´v , es el esfuerzo vertical efectivo; Pa , es igual a 100kPa; n, es un coeficiente que depende de las características granulométricas del suelo y fs, es la resistencia del fuste.

Debido a que el criterio de Ic es una aproximación, los suelos con un valor de Ic de 2,4 o mayores que indiquen que sean propensos a licuarse deberán compararse con otro criterio con el objeto de corroborar su posible potencial de licuación. Una ventaja del CPT es que presenta un perfil casi continuo de la resistencia a la penetración para el desarrollo de la interpretación estratigráfica. Los resultados con CPT son generalmente más consistentes y repetitivos que los de otras pruebas (Idriss et al., 1996).

0,6

Relación de esfuerzo cíclico (CSR)

M=75 0,5

0,25 < D50 (mm) < 2,0 Ye ≅20% ≅10 ≅3 % FC (%) < 5 Curva CRR

0,4 Licuación No licuación

0,3 0,2 0,1 NCEER (1996)

0 0

Datos de campo Liq. Stark & Olson. (1995) Suzuki et al. (1995b)

No Liq.

5 10 15 20 25 30 Resistencia del CPT corregida, qcIN (MPa)

Figura 1.91 Gráfica para determinar el potencial de licuación mediante el ensayo CPT (Robertson y Wride, 1996) 

Métodos basados en la velocidad las ondas de corte

Los métodos para la medición de las velocidades de propagación de ondas sísmicas se describen en el Capítulo B.2.3.

167

B.2.1 CARACTERIZACIÓN DE LOS DEPÓSITOS DE SUELO B.2.1.3 CLASIFICACIÓN Y CARACTERIZACIÓN DE DEPÓSITOS DE SUELOS CON PROBLEMAS ESPECIALES Método de Robertson (1990) El método de Robertson (1990) consiste en una carta en donde se muestran las relaciones de esfuerzos cíclicos y la velocidad de ondas de corte corregida (Vs1) que causan licuación, Fig. 1.95. Esta carta se formó a partir de valores de Vs medidos en el Valle Imperial de California que sufrieron licuación. La curva que aparece en la Fig. 1.95 tiene la siguiente expresión.

P  Vs1  Vs  a'  v 

0 , 25

(1.21)

donde:

Vs1, es la velocidad de onda cortante corregida; Vs, es la velocidad de la onda cortante y se introduce en m/s; Pa, es la presión atmosférica y se expresa en las mismas unidades que el esfuerzo vertical efectivo y σ'v, es el esfuerzo vertical efectivo.

Figura 1.92 Caracterización del suelo en función de la resistencia por fuste del CPT (Robertson y Wride, 1996)

168

MANUAL DE DISEÑO DE OBRAS CIVILES-CFE B.2.1 CARACTERIZACIÓN DE LOS DEPÓSITOS DE SUELOS

Índice de tipo de suelo (I)

4

Zona 2: Suelos orgánicos, turbas Zona 3: Arcilla limosa, arcilla

3

Zona 4: Limo arcilloso, arcilla limosa Zona 5: Arena limosa, limo arenoso

2 Zona 6: Arena limpia, arena limosa

La correlación es aproximada, debido a que lc depende de otros factores, como Zona 7: Arena gravosa, arena densa plasticidad, minerología, sensitividad y la historia de esfuerzos.

1

0 0

10

20

30

40

50

Contenido aparente de finos (CF%)

Figura 1.93 Tipo de suelo y contenido aparente de finos para suelos normalmente consolidados (Robertson y Wride, 1996)

0,5

San salvador, 1994, M=6,2, CF=30% M=7,5

0,4

t/’v

0,3 0,2

Licuable

Imperial Valley, 1987 M=6,6, CF=35%

0,1 0 0

No licuable

Borah Peak, 1983 M=7,3, Grava arenosa

Chibaken Toho Oki, 1987, M=6,7, CF≤35 % Nigata, 1964, M=7,5, CF≤10 %



 

Vs1  Vs 1  v'

0 , 25



M=Magnitud del sismo CF= Contenido de finos

100

150

200

250

Vs1 (m/s) Figura 1.94 Relaciones de esfuerzos cíclicos - velocidad de ondas de corte corregida (Vs1) (Robertson, 1990)

169

B.2.1 CARACTERIZACIÓN DE LOS DEPÓSITOS DE SUELO B.2.1.3 CLASIFICACIÓN Y CARACTERIZACIÓN DE DEPÓSITOS DE SUELOS CON PROBLEMAS ESPECIALES Método de Seed y otros (1983) En términos generales, un depósito de suelo a una profundidad menor de 15,0 m, y potencialmente licuable tiene un esfuerzo vertical efectivo de aproximadamente 190 kPa y para presiones menores que dicho valor, la magnitud de CN oscila entre 0,7 y 1,3. Tomando en cuenta lo anterior, Seed y otros (1983) consideraron como un criterio conservador que el valor de

CN =0,9.

Por lo que propusieron que la velocidad de onda cortante se determine como:

Vs 

56 N1 CN



56 N1  60 N1 0,9

(1.22)

A partir de la expresión anterior, se estableció una correlación aproximada entre la velocidad de onda cortante (Vs) y el número de golpes (N) con los valores de la relación de esfuerzos cíclicos que producen licuación, ver Fig. 1.95.

Relaciones de esfuerzos cíclicos que producen aumentos de la presión de poro del orden el 100 % ’v, con un potencial de deformación limitado

Con base en la Fig. 1.95 se puede concluir que aún para sismos con M=8,5, no se producirá licuación si Vs, en los 15 m superiores, supera los 350 m/s. Esto coincide con lo establecido en otras investigaciones, según las cuales las arenas del Holoceno, con valores típicos de Vs entre 200 y 225 m/s, son más susceptibles de licuarse que las del Pleistoceno, con Vs mayor que 325 a 350 m/s (Seed et al., 1983). 0,5

0,4 LICU ABLE 0,3

0,2 NO L I C U A B LE 0,1

0

0 10 20 30 40 Resistencia a la penetración corregida, N (golpes/pie)

0 190 268 329 379 Velocidad promedio de las ondas de corte en los 15 m superiores, v s (m/s)

Figura 1.95 Relaciones de esfuerzos cíclicos que causan licuación en función de N y de Vs para arenas limpias y sismos de diferentes magnitudes (Seed et al., 1983)

170

MANUAL DE DISEÑO DE OBRAS CIVILES-CFE B.2.1 CARACTERIZACIÓN DE LOS DEPÓSITOS DE SUELOS Método del dilatómetro sísmico (SMDT) El dilatómetro sísmico (SDMT), introducido por Hepton (1988), se basa en el uso de un dilatómetro plano estándar (DMT) (Marchetti, 1980; TC16, 2001) al cual se le agrega un módulo sísmico para medir la velocidad de onda cortante Vs (capítulo B.2.3 “Prueba sísmica con sensores en pozo único”). Los detalles para la medición de ondas de corte con este dispositivo se mencionan en el Capítulo B.2.3. Una vez conocido el perfil de velocidades de onda con el dilatómetro sísmico, se determina la capacidad del suelo para resistir la licuación (relación de resistencia cíclica CRR) a partir de la velocidad de onda cortante ( Vs) o mediante el índice de esfuerzo horizontal (KD) medido en campo con el dilatómetro de Marchetti. Para ello se emplea cualquier de los métodos ya descritos, el de Robertson (1990) o el de Seed y otros (1983).

Determinación del CRR a partir del índice horizontal de esfuerzo KD Con el dilatómetro DMT se obtiene el índice de esfuerzo horizontal KD como se explica en el capítulo B.2.3 de este manual (Marchetti, 1982; Robertson y Campanella, 1986; Reyna y Chameau, 1991) usando la siguiente expresión:

KD 

 p0  u 0   v' 0

(1.23)

donde:

KD es el índice de esfuerzo horizontal, p0 es la presión del gas, u0 es la presión de poro o intersticial y ’v0 es el esfuerzo vertical efectivo inicial.

En la Fig. 1.96 se presentan varias correlaciones para estimar el valor de CRR a partir del KD (Marchetti, 1982; Robertson y Campanella, 1986; Reyna y Chameau, 1991, Coutinho y Mitchell, 1992). Monaco et al. (2005) propuso la siguiente expresión que es directamente aplicable para sismos de magnitud 7,5 y arena limpia (Fig. 1.97). Para usar la ecuación 1.24 con otras magnitudes de sismo se debe utilizar un factor de escala.

CRR  0,0170K D3  0,0741K D2  0,2169K D  0,1306

(1.24)

Algunas ventajas del método basado en velocidad de propagación de las ondas de corte (Vs) son las siguientes: 

La velocidad de la onda cortante (Vs) se mide con precisión mediante ensayos in situ, como el ensayo de pozos cruzados (cross-hole), de pozo abajo (down hole), de pozo arriba (up hole),

171

B.2.1 CARACTERIZACIÓN DE LOS DEPÓSITOS DE SUELO B.2.1.3 CLASIFICACIÓN Y CARACTERIZACIÓN DE DEPÓSITOS DE SUELOS CON PROBLEMAS ESPECIALES ensayo de cono sísmico (SCPT) o mediante el análisis espectral de ondas superficiales; también se han empleado dispositivos como el penetrómetro de Marchetti para evaluar la licuabilidad de arenas. Todos estos ensayes permiten definir perfiles de la variación de la velocidad de ondas de corte con la profundidad. No es recomendable utilizar métodos como el de refracción sísmica o el de reflexión sísmica somera para evaluar el potencial licuable. 

La medición se realiza en suelos en donde la obtención de muestras resulta difícil, como las gravas, y en sitios donde los sondeos no son permitidos, como en vertederos.



La velocidad de propagación de las ondas de corte está asociada a deformaciones pequeñas con las cuales se estima el módulo de corte máximo Gmáx, el cual es un parámetro necesario para la evaluación analítica de las deformaciones tangenciales dinámicas.

Entre las desventajas del uso de estos métodos en la evaluación de la resistencia a la licuación se encuentran.

f)



Al obtener la velocidad de onda cortante se inducen pequeñas deformaciones en el suelo (del orden de 10 al 6 %); por el contrario, el fenómeno de licuación genera grandes deformaciones en el suelo.



Los ensayes sísmicos no proporcionan muestras para la clasificación del suelo, ni tampoco se pueden determinar los pesos volumétricos o el contenido de finos.

Cálculo del factor de seguridad por licuación (FSlic)

Ovando y Segovia (1996) definen el factor de seguridad por licuación (FSlic) como.

FS lic

t /    t /   av

av

' 0 crit ' 0



CRR t av /  0'





(1.25)

donde (tav/´o)crit, es el esfuerzo cortante cíclico promedio que producirá licuación y (tav/´o), representa los esfuerzos cortantes cíclicos que induce en el suelo un sismo con cierta intensidad determinada por la aceleración máxima del terreno. Cuando el valor de este factor de seguridad es menor que la unidad se presenta el fenómeno de licuación a la profundidad analizada.

172

MANUAL DE DISEÑO DE OBRAS CIVILES-CFE B.2.1 CARACTERIZACIÓN DE LOS DEPÓSITOS DE SUELOS

Relación de esfuerzo cíclico CSR or Relación de Resistencia cíclica CRR

0,6

Datos de campo Lic. No lic. Cont. finos ≤ 5% 6 to 34% ≥ 35%

Mw = 7,5 ≥35 20 ≤5 Contenido de finos (%)

0,4 Datos basados en: Mw = 5,9 a 8,3; ajustado al dividir CSR entre (Mw /7,5)-2,56 Suelos no cementados del Holocene Valores medios de VS1 y amax

0,2

0,0

0

Licuación

No licuación

100

200

300

Velocidad de onda cortante corregida Vs1 (m/s) Figura 1.96 Ejemplo de curvas para evaluar el CRR a partir de la velocidad de onda cortante Vs para arenas limpias no cementadas (Andrus y Stokoe, 2000)

0,5 Reyna & Chameau 1991

Relación de esfuerzo cíclico CSR o Relación de resistencia cíclica CRR

Relación de esfuerzo cíclico CSR o Relación de resistencia cíclica CRR

M = 7,5

Licuación

0,4

Rango de curvas derivadas del CPT

Marchetti 1982

0,3

Curva CRR-KD propuesta (Monaco et al., 2005)

0,2

Rango de curvas derivadas del SPT

0,1

Robertson & Campanella 1986

No licuación

0,5 0,4 0,3

No

0,2

Sitios de l Puerto de Puerto de Puerto de Bahía Alam Sitios no c Puerto de

0,2 0 0

0 0

2

4

6

8

KD

10

(Mo

Licuación

a)

Figura 1.97 Curvas CRR-KD para la evaluación de la resistencia a la licuación a partir de la prueba DMT (Monaco et al., 2005)

173

2

4

B.2.1 CARACTERIZACIÓN DE LOS DEPÓSITOS DE SUELO B.2.1.3 CLASIFICACIÓN Y CARACTERIZACIÓN DE DEPÓSITOS DE SUELOS CON PROBLEMAS ESPECIALES

Juang et al. (2002) manifiestan la incertidumbre que existe en la determinación de la licuación o no de un suelo a partir del valor del factor de seguridad (FS lic), ya que normalmente se considera que para valores de FSlic≤1 la licuación ocurre y cuando FSlic>1 la licuación no ocurre. Sin embargo, se han presentado casos en los cuales el suelo se licua a pesar de que FSlic>1. Por consiguiente, se recomienda que para estructuras típicas se considere un valor de FS lic ≥1,2 y para el caso de estructuras críticas se considere un valor de FSlic≥1,5 (BSSC, 1997).

g)

Procedimiento de identificación de suelos licuables

La Fig 1.98 muestra el diagrama de flujo recomendado como procedimiento para identificar suelos licuables. Dentro de los estudios preliminares de un proyecto, se debe contar con el entorno geológico de la zona y datos históricos de licuación en cercanías del proyecto. El mapa de zonas potencialmente licuables que se presentó en la Fig 1.76 es una ayuda para la identificación inicial del problema. El reconocimiento de campo para este tipo de problema se enfoca a la identificación de del ambiente de formación del depósito, la edad del mismo y las condiciones hidrológicas de la zona. Rasgos de eventos de licuación previos también se identifican físicamente en la zona del proyecto. Es importante realizar encuestas en las poblaciones aledañas que complementen los antecedentes de licuación. Se toman muestras de suelo inalteradas de las formaciones arenosas que podrían licuarse por métodos manuales de acuerdo a lo descrito en el Capítulo 1. Estas muestras se usarán para realizar pruebas índice que permitan la aplicación de los métodos directos de identificación que se describieron en el numeral 1.3.1 sección d, los cuales son ideales para identificación rápida del problema. Si en la zona del proyecto el suelo es potencialmente licuable, se programa una exploración geotécnica completa que incluya pruebas geotécnicas para determinar el potencial licuable de los suelos así como ensayes geofísicos de campo efectuados con el mismo fin, a partir de la medición de velocidades de propagación de ondas de corte. La aplicación de estos métodos requiere de una adecuada sectorización del perfil estratigráfico para identificar los estratos que son potencialmente licuables y posteriormente estudiar los efectos de la licuación de estos estratos en todo el perfil estratigráfico. En la etapa de diseño de las alternativas de mitigación de la licuación puede involucrarse la obtención de parámetros dinámicos del suelo en laboratorio y el empleo de métodos numéricos de análisis.

174

MANUAL DE DISEÑO DE OBRAS CIVILES-CFE B.2.1 CARACTERIZACIÓN DE LOS DEPÓSITOS DE SUELOS

Figura 1.98 Diagrama de flujo para la identificación de suelo licuables

175

B.2.1 CARACTERIZACIÓN DE LOS DEPÓSITOS DE SUELO B.2.1.3 CLASIFICACIÓN Y CARACTERIZACIÓN DE DEPÓSITOS DE SUELOS CON PROBLEMAS ESPECIALES 1.3.2

Suelos expansivos

a)

Descripción del fenómeno de expansión

El fenómeno de expansión en arcillas es un mecanismo que induce daños en estructuras. La expansividad está relacionada con cambios de humedad en el suelo y con sus propiedades y características (e.g. Barrera-Brucio y Garnica-Aguas, 2002; Delgado, 1986 y Snethen et al., 1979). Hay tres grupos principales de minerales arcillosos: El grupo de la Caolinita que generalmente no es expansivo (a menos que el tamaño de partícula es sea menor a 1.0E-07 m), el grupo de la Ilita, el cual posee muy bajo potencial de expansión y el grupo de la Esmectita en donde se incluyen minerales como la Montmorillonita, la Vermiculita y la nontronita que son altamente expansivos (Grim, 1968; Mitchell, 1973, 1976; Snethen et al., 1977). La presencia de estos últimos le otorga al suelo propiedades expansivas, principalmente en zonas donde la evapotranspiración media anual es mayor que la precipitación media anual (clima semiárido). Las arcillas expansivas se originan a partir de la desintegración mecánica de rocas sedimentarias constituidas por montmorillonita y de rocas ígneas básicas (Arnol, 1984; Donalson, 1969 y Schreiner, 1987). Cuando se encuentran suelos expansivos se deben evaluar y analizar las condiciones ambientales que pueden contribuir a que se produzcan cambios de humedad y así valorar los efectos posibles. En cuanto a los programas de exploración y muestreo, la presencia de suelos expansivos demanda mayor detalle en la investigación de campo y la realización de ensayes especiales de laboratorio y campo. La investigación de campo para proyectos de gran envergadura en sitios con presencia de arcillas expansivas debe considerar en sus fases de reconocimiento, investigación preliminar e investigación final los siguientes aspectos:

176



Durante el reconocimiento de campo se deben compilar experiencias locales que ayuden a precisar áreas con problemas potenciales de expansión



La investigación preliminar se orienta a la confirmación de sitios con suelos potencialmente expansivos, incluyendo la realización de sondeos y ensayes de laboratorio para su identificación y clasificación. Con los resultados de esta fase de exploración se define la investigación detallada.



En la etapa de investigación detallada se define el perfil del suelo, se determinan las propiedades de los distintos estratos que lo conforman y se cuantifica el potencial de expansión de los estratos arcillosos. Para lograr esto se requiere de la obtención de muestras inalteradas empleando métodos de muestreo adecuados para arcillas duras que se explican a detalle en el Numeral 1.2.6 sección d del Capítulo “Caracterización de los Depósitos de Suelo”.

MANUAL DE DISEÑO DE OBRAS CIVILES-CFE B.2.1 CARACTERIZACIÓN DE LOS DEPÓSITOS DE SUELOS b)

Problemas asociados a los suelos expansivos

Los problemas en suelos expansivos normalmente se presentan como resultado del incremento en el contenido de agua de los primeros metros de suelo superficial, el cual es influenciado por factores ambientales y climáticos. Esta zona se denomina zona de fluctuación estacional o zona activa. La Fig. 1.99 muestra la zona activa. La distribución de contenidos de agua en la zona activa es diferente que la que existiría en condiciones de equilibrio hidrostático como resultado de factores climático y la evapotranspiración. Las condiciones hidrostáticas indicarán una presión de poro positiva (succión del suelo) por encima del nivel de agua freático la cual varía linealmente con la distancia al nivel freático (Fig 1.99). En esta zona el grado de saturación será menor o igual al 100% dependiendo de las características de retención de agua en el suelo. En la Fig 1.99 también se muestra que el contenido de agua en regiones áridas y semiáridas serán menores que el contenido de agua hidrostático debido a la evapotranspiración. La expansión ocurre cuando el agua migra desde la superficie hacia la zona activa o bien, debe eliminarse la evapotranspiración. La migración de agua también puede ocurrir debido a gradientes de temperatura. La Fig 1.99 muestra los perfiles de contenido de agua para estaciones calurosa y fría debajo de una losa de cimentación o de pavimento. Debajo de la losa de cimentación el efecto de la temperatura será normalmente menos pronunciado cerca de su centro que de sus extremos. En losas de pavimento en estaciones frías los gradientes de temperatura pueden ser importantes, incluso en el centro de la losa.

Zona activa

Profundidad

Evapotranspiración

Contenido de agua con E.T. (sin losa) Contenido de agua hidrostático

Barrera contra humedad (losa de cimentación o pavimentos) Contenido de agua con losa (Estación calurosa) (Estación fría)

Contenido de agua Figura 1.99 Perfiles de contenido de agua en la zona activa Para determinar la zona activa se debe realizar gráficas de contenido de agua como función de la profundidad para distintas épocas del año, secas y húmedas. La profundidad a la cual el contenido de agua se vuelve aproximadamente constante define la profundidad de la zona activa (Hamberg, 1985). Si el suelo no es uniforme

177

B.2.1 CARACTERIZACIÓN DE LOS DEPÓSITOS DE SUELO B.2.1.3 CLASIFICACIÓN Y CARACTERIZACIÓN DE DEPÓSITOS DE SUELOS CON PROBLEMAS ESPECIALES con la profundidad o está conformado por varios estratos se recomienda graficar las siguientes relaciones: Profundidad vs

w/ IP

Profundidad vs

LL  w / IP

(1.26) (1.27)

donde w es la humedad del suelo, IP es el índice de plasticidad y LL es el límite líquido. En suelos expansivos los cambios de volumen asociados a los cambios del contenido de agua del suelo generan diferentes tipos de daño en estructuras y cimentaciones. La mayoría de los daños en estructuras se deben a desplazamientos diferenciales generados por la expansión y contracción de los suelos expansivos. Ocurre una redistribución de las cargas estructurales y concentraciones de carga en zonas de la cimentación, y por consiguiente, cambios en los momentos y las fuerzas cortantes no considerados durante el diseño. Dependiendo de las características climáticas, del sitio de desplante y de la edificación, los daños pueden reflejarse a corto, mediano o largo plazo, de acuerdo a la rapidez y magnitud de los cambios de humedad en el suelo. Las estructuras livianas son más susceptibles a sufrir daños, casas y edificios de uno o dos niveles (daños en la cimentación y/o en los muros) carreteras, canales, muros de contención y revestimientos de embalses. Esto se debe a que estas estructuras no son capaces de constreñir los desplazamientos diferenciales como si ocurre en estructuras más rígidas o más pesadas. Los daños más comunes son la distorsión y la rotura de losas de concreto en pavimentos o en el revestimiento de canales, también pueden aparecer grietas en vigas de amarre de muros y columnas. El desalineamiento y atascamiento de puertas y ventanas y las grietas en muros de mampostería son otros de los efectos de la aparición de diferenciales de hundimiento. Además, las fuerzas laterales pueden generar deformaciones en los muros de sótano, sobre todo en suelos preconsolidados no fisurados. La magnitud de los daños puede ser extensa, comprometer la integridad de la estructura y afectar la apariencia estética de la construcción. Pueden requerirse reparaciones extensivas cuyos costos pueden incluso sobrepasar los de la cimentación original. De acuerdo con lo anterior, se distinguen cinco tipos de efectos dañinos en estructuras debidos a la expansión del suelo:



178

Movimientos concéntricos en donde el valor máximo de expansión ocurre en el centro del área construida, como se observa en la Fig 1.100 Estos movimientos ocurren de manera gradual y están asociados a la disminución de la evapotanspiración por la pérdida de vegetación, en estructuras ligeras construidas con muros de tabique. El patrón de las grietas se presenta en forma vertical, horizontal y diagonal.

MANUAL DE DISEÑO DE OBRAS CIVILES-CFE B.2.1 CARACTERIZACIÓN DE LOS DEPÓSITOS DE SUELOS 



 

Movimientos cíclicos asociados a los periodos de expansión y contracción que se presentan en el suelo debido a cambios en el drenaje, la precipitación y la evapotranspiración. El patrón típico de grietas se observa en la Fig 1.101, en donde los muros de tabique muestran generalmente grietas diagonales cruzadas. Movimientos periféricos causados por el aumento de la humedad en las zonas adyacentes a la construcción o por el retiro de vegetación. Los daños se reflejan a corto plazo después de la construcción con el levantamiento de las esquinas de la estructura; se observan grietas horizontales, verticales y diagonales. los movimientos del terreno formas un patrón de disco en la periferia de la construcción (Fig 1.102). Empujes laterales por movimientos horizontales en zonas de talud que pueden causar deslizamientos o daños en muros de retención. Agrietamientos en el suelo debidos a los esfuerzos de tensión que se generan durante la contracción horizontal del suelo (grietas por secado).

Figura 1.100 Agrietamientos en estructura por movimientos concéntricos (Tzatchkov y Caldiño-Villagómez, 2007)

179

B.2.1 CARACTERIZACIÓN DE LOS DEPÓSITOS DE SUELO B.2.1.3 CLASIFICACIÓN Y CARACTERIZACIÓN DE DEPÓSITOS DE SUELOS CON PROBLEMAS ESPECIALES

Figura 1.101 Agrietamientos en estructura liviana por movimiento cíclico (Tzatchkov y Caldiño-Villagómez, 2007)

Figura 1.102 Agrietamientos en estructura liviana por movimiento periférico (Tzatchkov y Caldiño-Villagómez, 2007)

180

MANUAL DE DISEÑO DE OBRAS CIVILES-CFE B.2.1 CARACTERIZACIÓN DE LOS DEPÓSITOS DE SUELOS c)

Identificación en campo

El procedimiento sugerido para la identificación de los suelos expansivos en campo es el siguiente: 

Identificar en campo rasgos en el terreno que sugieran expansión, como grietas en el suelo y ondulaciones. La superficie de suelo recientemente expuesta al aire muestra fisuras y espejos de fricción. El suelo húmedo es resbaloso y se pega con facilidad a los zapatos y las llantas de los vehículos.



Hacer pruebas de identificación de suelos en campo (ASTM D2488-09a, Capítulo 1 de este manual). La resistencia en estado seco de la arcilla es alta al igual que la plasticidad.



Estimar los cambios previsibles de humedad (datos meteorológicos del sitio).



Estimar el espesor de la capa activa.



Estimar visualmente las propiedades de expansión de la arcilla.



Reunir información de la zona con los habitantes del lugar.



Estimar de manera cualitativa el grado de expansión de la arcilla mediante la prueba de hinchamiento de campo.

La prueba de hinchamiento de campo, consiste en tomar una muestra representativa del material, con la cual se moldea un cubo de aproximadamente 1,5 cm de lado. Luego se coloca dentro de una bureta con agua destilada y se registra su altura. Se toman lecturas antes y después de 24 horas. Si el hinchamiento presentado es mayor a 4%, el suelo podría ser expansivo (González de Vallejo, 2004). Para una mejor identificación del grado de expansibilidad de los suelos es recomendable seleccionar una muestra representativa del sitio y llevarla a laboratorio para identificar su mineralogía, obtener sus límites de consistencia (límite líquido, plástico y de contracción lineal), realizar pruebas por los métodos USBR, método de la actividad, método del potencial del cambio de volumen (PVC) y prueba de saturación bajo carga, los cuales se describen en el capítulo B.2.2 de este manual (Pruebas de laboratorio para determinar las propiedades de los suelos) y obtener otras propiedades como la expansión libre y su contenido coloidal. La mayoría de las arcillas expansivas se clasifican al grupo CH de acuerdo con el SUCS. Los suelos expansivos generalmente presentan consistencia de firme a dura, con capacidades de carga admisibles superiores a 100 kPa, su peso específico suele ser mayor que el de la mayoría de los suelos.

En México los suelos expansivos se presentan en regiones con depósitos de arcilla donde ocurren variaciones significativas de humedad: en zonas monzónicas, con estaciones muy diferentes, y en zonas semidesérticas en las cuales se alternan extensas temporadas de sequía con pequeños periodos de precipitación. En especial los suelos expansivos se encuentran en las zonas semiáridas de las regiones con clima templado y tropical donde la evapotranspiración anual es mayor que la precipitación anual.

181

B.2.1 CARACTERIZACIÓN DE LOS DEPÓSITOS DE SUELO B.2.1.3 CLASIFICACIÓN Y CARACTERIZACIÓN DE DEPÓSITOS DE SUELOS CON PROBLEMAS ESPECIALES Los estados que presentan el problema de arcillas expansivas son: Querétaro, Durango, Guanajuato, Michoacán, Tamaulipas, Morelos, Sonora, Baja California, Veracruz, Chiapas y Campeche. En la Fig 1.103, se muestran esquemáticamente las zonas potenciales de suelos expansivos en México de acuerdo con la presencia de suelos de tipo Vertisol (suelo con un alto contenido de Montmorillonita) como suelo principal o asociado (Zepeda y Castañeda, 1987). Así mismo, se han detectado arcillas expansivas en Sinaloa y Tamaulipas donde se ha encontrado que las presiones de expansión superan los 300 kPa.

d)

Clasificación

Para clasificar el potencial de expansión de los suelos se pueden utilizar tres métodos: el análisis mineralógico, las mediciones directas y los métodos indirectos.



Análisis mineralógico

La mineralogía de la arcilla es un factor fundamental en el comportamiento expansivo de los suelos. Los minerales arcillosos se pueden identificar mediante diferentes técnicas. En la Tabla 1.50 se presenta un resumen de las diferentes pruebas para análisis mineralógico.

El análisis mineralógico es adecuado para la evaluación de las propiedades básicas de la arcilla, pero no es suficiente para evaluar suelos naturales. Otra desventaja de este método, es su alto costo, que hace que su utilización sea limitada. Se recomienda realizar la identificación de minerales de arcilla en dos o tres muestras por cada sitio estudiado. Tabla 1.50 Pruebas para identificación mineralógica de suelos expansivos Ensaye

Referencia

Propiedad evaluada

Difracción de rayos X

ASTM D934-08

Análisis térmico diferencial

Barshad (1965)

Microscopía electrónica

McCrone y Delly (1973)

Capacidad de intercambio catiónico

Chapman (1965)

Dimensiones características de los cristales Reacciones características para tratamientos termicos Tamaño y forma de las partículas de arcilla Deficiencia de carga y actividad superficial de las partículas de arcilla

182

Parámetro determinado Espaciamiento basal (Tabla 1.51) Area y amplitud de reacciones pico en termogramas Registro visual de partículas CIC (meq/100g)

MANUAL DE DISEÑO DE OBRAS CIVILES-CFE B.2.1 CARACTERIZACIÓN DE LOS DEPÓSITOS DE SUELOS

183

B.2.1 CARACTERIZACIÓN DE LOS DEPÓSITOS DE SUELO B.2.1.3 CLASIFICACIÓN Y CARACTERIZACIÓN DE DEPÓSITOS DE SUELOS CON PROBLEMAS ESPECIALES

ESTADOS UNIDOS DE AMÉRICA 112 ° 32 °

Tijuana

Mexicali

88 °

96 °

104 °

32 °

Cd. Juárez Hermosillo Chihuahua Cd. Obregón

Nuevo Laredo

Navojoa

Los Mochis OCÉANO PACÍFICO

Guamúchil Culiacán

Torreón

Monterrey

Reynosa

Marina Cd. Victoria

Durango 24 °

MËXICO León

112 °

Ciudades donde se ha reportado la presencia de suelos expansivos

Guanajuato Querétaro

Irapuato Salamanca La Piedad Celaya

San Juan del Río

Ciudades donde potencialmente pueden presentarse suelos expansivos Zonas donde el vertisol es el suelo principal

Chilpancingo

Poza Rica Campeche GOLFO DE MÉXICO

Oaxaca

104 °

T. Gutiérrez

BELICE 16 °

OCÉANO PACÍFICO

Vertisol: suelo con un alto contenido de motmorillonita

24 °

Tula

Pachuca Morelia Toluca Cuernavaca Cuautla

Colima

Zonas donde el vertisol aparece como suelo asociado en segundo o tercer lugar

Soto la Marina Tampico

Comitán

16 °

GUATEMALA 96 °

Figura 1.103 Representación de los suelos expansivos en México (Zepeda y Castañeda 1987)

184

88 °

MANUAL DE DISEÑO DE OBRAS CIVILES-CFE B.2.1 CARACTERIZACIÓN DE LOS DEPÓSITOS DE SUELOS Tabla 1.51 Espaciamiento del plano basal para algunos minerales arcillosos Espaciamiento del plano basal x10-12 m (1 Å) 14,4

Mineral arcilloso Caolinita Ilita

10,0

Motmorillonita



Métodos indirectos

i.

Límites de Atterberg

9,6

La clasificación para suelos expansivos que se ha demostrado ser confiable para los suelos expansivos en la república Mexicana, es la propuesta por Bureau of Reclamation, EU. Esta clasificación se basa en el peso volumétrico seco y el límite líquido (Fig 1.104). Otras clasificaciones que consideran propiedades índice, como las propuestas por: Holtz y Gibbs (1956), Vijayvergiya y Ghazzaly (1973), Raman (1967), Holtz y Gibbs (1956), Snethen (1984) y Chen (1975) y Kariuri y Van der Meer (2004) mostraron no ser aplicables para los suelos expansivos mexicanos.

8

10

Peso volumétrico seco en kN/m3

Colapsable

12

Estable Ss = 2,2

14

2,8 4

3

2,6

16 2,4

2

18 1

20

Expansivo

22 10

20 No 1 2 3 4

30 Grado de expansividad Bajo medio alto muy alto

40

50

60

70

80

90

100

Límite Liquido en % Nota: Los límites de expansividad se definieron de los datos reportados por W.G. Holtz en su libro “Propiedades y Problemas de las Arcillas Expansivas”

Figura 1.104 Clasificación de suelos expansivos y colapsables de acuerdo al límite líquido y el peso volumétrico seco

185

B.2.1 CARACTERIZACIÓN DE LOS DEPÓSITOS DE SUELO B.2.1.3 CLASIFICACIÓN Y CARACTERIZACIÓN DE DEPÓSITOS DE SUELOS CON PROBLEMAS ESPECIALES

Los límites de Atterberg y el contenido de arcilla se combinan en un parámetro llamado Actividad (Skempton, 1953) y se define por la siguiente ecuación:

Ac 

IP % de partículas de tamaño menor de 2,0 E  06 m

(1.28)

En donde: IP, es el índice de plasticidad y Ac la Actividad. De acuerdo a su actividad, la arcilla se clasifica en tres clases: inactiva, para actividades menores de 0,74; normal, para actividades entre 0,75 y 1,25; y activa, para actividades mayores de 1,25. Los mayores potenciales de expansión están asociados a arcillas activas como se muestra en la siguiente Tabla 1.52.

Tabla 1.52 Valores de Actividad típicos de minerales arcillosos (Skempton, 1953) Mineral Caolinita Ilita Montmorillonita (Ca) Montmorillonita (Na)

ii.

Actividad 0,33 a 0,45 0,90 1,50 7,20

Capacidad de intercambio catiónico

La capacidad de intercambio catiónico, CIC, es la cantidad de cationes intercambiables para balacear la carga negativa en la superficie de las partículas de arcilla y se relaciona con el mineral arcilloso. El CIC se expresa en miliequivalentes por cien gramos de arcilla seca (meq/100g). Un CIC alto indica una actividad superficial alta. En general el potencial de expansión aumenta con el incremento de CIC. Valores típicos de CIC para tres minerales arcillosos básicos se presentan en la Tabla 1.53.

Tabla 1.53 Valores típicos de capacidad de intercambio catiónico para algunos minerales arcillosos (Mitchell, 1976) Mineral arcilloso Caolinita Ilita Motmorillonita

CIC (meq/100g) 3 a 15 10 a 40 80 a 150

Para medir la capacidad de intercambio catiónico se requiere de procedimientos de ensaye precisos y detallados, que usualmente no se realizan en laboratorios de mecánica de suelos. Esta prueba se realiza rutinariamente en laboratorios edafológicos de agronomía a costos accesibles (Tzatchkov y Caldiño-Villagómez, 2007).

186

MANUAL DE DISEÑO DE OBRAS CIVILES-CFE B.2.1 CARACTERIZACIÓN DE LOS DEPÓSITOS DE SUELOS iii.

Coeficiente de expansibilidad libre (COLE)

La prueba mide la deformación lineal de una muestra inalterada y no confinada, secada a una succión entre 33 kPa y 1000 MPa. El COLE es una medida del cambio en la dimensión de la muestra desde el estado húmedo al seco y se estima a partir de la densidad bulk del terrón, a una succión de 33 kPa y secado al horno. El COLE se puede expresar como porcentaje y se determina mediante la siguiente expresión:

COLE  L LD   dD  dM 

0.33

1

(1.29)

En donde: L/LD es la deformación relativa para las dimensiones secas, dD es la densidad de la muestra seca al horno y dM es la densidad de la muestra a una succión de 33 kPa.

Para clasificar suelos expansivos mediante el COLE, Pearring (1963) y Holt (1969), desarrollaron una carta de clasificación mineralógica basada en correlaciones entre la mineralogía, la actividad de la arcilla AC y la capacidad de intercambio catiónico CIAC definido como:

CIAC  CIC contenido de arcilla

(1.30)

Actividad de intercambio catiónico (CIAc)

En la Fig 1.105 se presenta la carta de clasificación Pearring-Holt en donde grupos mineralógicos se relacionan en regiones para una actividad y capacidad de intercambio catiónico determinadas.

2,0

1,5 MONTMORILLONITA

1,0 0,8

INTER-ESTRATIFICADO

0,6 0,4

ATAPULGITA

HALOYSITA

0,2

0,1 0,1

ILITA CLORITA CAOLINITA

0,2

0,4 0,6 0,8 1,0 1,5 Actividad (Ac)

3,0

Figura 1.105 Carta de clasificación mineralógica basada en la actividad de la arcilla y la actividad de intercambio catiónico (Pearring, 1963 y Holt, 1969)

187

B.2.1 CARACTERIZACIÓN DE LOS DEPÓSITOS DE SUELO B.2.1.3 CLASIFICACIÓN Y CARACTERIZACIÓN DE DEPÓSITOS DE SUELOS CON PROBLEMAS ESPECIALES

McKeen y Hamberg (1981) y Hamberg (1985) modificaron la clasificación mineralógica de Pearring-Holt, asignando valores del coeficiente de expansibidad libre, COLE, a diferentes regiones con una actividad de intercambio catiónico y una actividad de arcilla determinados como se observa en la Fig 1.106 y Tabla 1.54. La relación entre el COLE y el contenido de arcilla se calcula para cada una de las cinco regiones de la Tabla 1.54 usando La Fig 1.107 El COLE se puede determinar en laboratorio o estimar mediante la curva CIAC contra AC de la Fig 1.106 y la correlación correspondiente a cada región de la Fig 1.108. Usando la Fig 1.108 se obtiene el potencial de expansión de acuerdo a la carta CIAC contra AC. En general los suelos que caen en la región 1 y 2 tendrán desde un alto a muy alto potencial de expansión, en las regiones 3 y 4 el suelo tendrá un moderado potencial y en la región 5 un bajo potencial de expansión.

Actividad de intercambio catiónico (CIAc)

2,0 Región 1

1,5 Región 4

Región 3

1,0 0,8 0,6

Región 2

0,4 Región 5

0,2 0,1 0,1

0,2

0,4 0,6 0,8 1,0 Actividad (Ac)

2,0

4,0

Figura 1.106 Carta de clasificación COLE (Hamberg, 1985) Tabla 1.54 Composición de regiones mineralógicas en el CIAC-AC Región 1 2 3 4

188

Motmorillonita >50 >50 5 a 50