• Author / Uploaded
• alexander_45125asd

Citation preview

I.

EXPLORACION DEL SUBSUELO

1. Investigaciones Exploratorias Antes de planificar o emprender cualquier obra de ingeniería, ya sea ésta de limitadas proporciones o de gran envergadura, se deben conocer las características y propiedades del suelo en el cual apoyará. Para ello se debe organizar un plan de exploración que depende de la magnitud de la obra a realizar y de la naturaleza del suelo involucrado. Entre los métodos de reconocimiento del suelo se pueden distinguir dos grandes grupos:  Reconocimiento de la superficie  Exploración del subsuelo Los métodos superficiales de reconocimiento aportan sólo datos de la capa superior del suelo y cierta información aproximada de las probables características del subsuelo, por lo cual resultan sólo un complemento a la investigación global que se debe llevar acabo. Para ello es aconsejable planear de un modo racional el reconocimiento de todas las propiedades de los diferentes estratos del subsuelo, si bien esta investigación resulta en general más lenta y costosa que la anterior. El tipo de exploración del subsuelo depende de varios factores, entre los cuales se pueden mencionar la magnitud del proyecto a realizar, el uso o destino del edificio, el tiempo Previsto de su vida de servicio, etc. Por lo general se deben cumplir las siguientes etapas:

1.1.

Reconocimiento del lugar

El reconocimiento del lugar donde se levantará una construcción involucra una amplia gama de información que permite obtener una idea general de las características del suelo en toda el área del terreno y sus alrededores. Esta etapa inicial de la investigación del suelo incluye:  La información geológica de la región.  La actividad sísmica potencial. o La intensidad de la actividad sísmica de la zona o Los niveles de diseño a utilizar o Las aceleraciones máximas del terreno o Los factores de magnificación y reducción de respuestas o Los espectros de diseño o Los respectivos coeficientes sísmicos de la región.  La inspección visual del lugar.  La toma de fotografías aéreas.  La observación de las construcciones existentes.

1.2.

Tipos de sondeos y su planificación

Luego que se han obtenido las informaciones preliminares del reconocimiento del lugar mencionadas precedentemente, se procede a planificar el trabajo de exploración del subsuelo realizando sondeos, tomando muestras, analizándolas en el laboratorio e interpretando los resultados. Sondear un suelo implica horadar, taladrar, perforar, fresar o barrenar el terreno para abrir huecos en él de modo de proceder a realizar la toma de muestras, observando las características y espesor de los estratos. De una adecuada planificación de los sondeos y toma de muestras del suelo depende el éxito de la exploración para obtener una información exacta y detallada de las condiciones y naturaleza del subsuelo, Los tipos de sondeos más usuales son los siguientes: Excavación De Pozos

Generalmente se los excava a mano, con picos y palas, si bien hay también equipos para realizarlo en forma mecánica. Este sistema de reconocimiento se emplea generalmente para los estratos superiores del suelo, con profundidades limitadas, no mayores a los 5 m., y en pozos con dimensiones tales que pueda trabajar con comodidad el operario y su equipo.

En suelos permeables, la excavación alcanza el nivel freático y si se desea continuar con la operación, se debe recurrir a técnicas de drenaje. En suelos secos cohesivos, la excavación de pozos permite obtener grandes trozos inalterados o con un mínimo de alteración, para su análisis en el laboratorio, y observar directamente el perfil del terreno en su estado natural. Para obtener las muestras de suelo se cava una zanja en el fondo del pozo y se le da la forma con un cuchillo, tallando las cuatro caras verticales. En el caso de suelos no cohesivos como las arenas, capaces de desmoronarse, no son posibles sin embargo tomar las muestras en la forma indicada. Sondeos Barrenados

Un barreno es una herramienta sencilla que puede accionarse a mano o mecánicamente y en suelos cohesivos permite hacer huecos profundos y estrechos sin necesidad de entubado para contener las paredes, antes de alcanzar el nivel freático. Existen varios tipos de barrenos como muestra el esquema a) corresponde a un barreno manual que consiste en dos hojas curvas de 10 a 20 cm de diámetro que al cerrarse retienen el suelo que cortan. Están provistas de un mango de un metro de altura y una manija en la parte superior, que permite girar la herramienta a medida que penetra. Para profundidades mayores, se van agregando barras adicionales de extensión, pudiendo alcanzar así los 8 m de profundidad otro tipo de barreno es el del esquema b) que consiste en un trépano helicoidal y si bien puede accionarse a mano, es más común que se lo haga penetrar en forma mecánica, taladrando, hasta los 25m de profundidad en pocos minutos. En los suelos duros, para facilitar la penetración, se agrega una cabeza afilada en el extremo inferior del barreno, como muestra el, esquema d). La figura c) graf1ca el tipo de barreno de cepa, que se usa generalmente para colocar cartuchos de dinamita bajo las cepas, con profundidad no mayor a 3 m.

Perforación Con Taladros

Para perforar suelos muy duros, como las rocas, se usan los sondeos rotatorios con taladros de broca de diamantes. Corrientemente se usan diamantes negros como los que muestra la figura. Para facilitar la penetración se inyecta simultáneamente agua a alta presión por el tubo interior de la broca a medida que se realiza el sondeo. El funcionamiento del taladro dentro de la roca es similar al que se lleva a cabo en cualquier taller mecánico, obteniéndose muestras cilíndricas con alturas que pueden oscilar en los 50 cm con diámetros variables de 5 a 20 cm. En algunos casos especiales se han logrado taladrar huecos de hasta 75·cm de diámetro por donde los expertos penetran para observar el perfil rocoso natural en la altura de la perforación.

A medida que el tubo penetra, la muestra de roca se va introduciendo en él, si bien algo se pulveriza en la operación. La relación entre la longitud de la muestra obtenida y la profundidad de la perforación se conoce como recuperación de muestra. En las rocas sanas y homogéneas, con pocas vetas, esta recuperación puede alcanzar el 90%. Si en un terreno donde se está realizando un sondeo normal de suelo se produce de pronto un rechazo en la penetración del barreno o la broca, significa que se alcanzó un manto rocoso o bien que alguna piedra de gran tamaño entorpece el descenso. En este caso se debe continuar la operación con un taladro hasta verificar la profundidad del manto o las dimensiones de la piedra, para constatar si debajo el suelo presenta características similares a las anteriores.

1.3.

Espaciamiento y profundidad de los sondeos

Una vez que se ha decidido el tipo de sondeo que se realizará en el suelo cuyas propiedades se quieren determinar, se debe definir:  El espaciamiento entre sondeos  La profundidad de los mismos La determinación del espaciamiento entre sondeos no se rige por reglas fijas, sino que depende de varios factores, tales como el tipo y destino de la construcción, la magnitud de las cargas, las propiedades del suelo dé fundación, el perfil del subsuelo que se obtiene de los sondeos iniciales, etc. En ciertos países existen normas de zonificación para sondeos, que determinan el espaciamiento mínimo exigido en cada región. Como espaciamiento preliminar aproximado se pueden tomar las distancias indicadas en la Tabla. Tipo de construcción Edificios una planta

Espaciamiento

Profundidad

de

15 a 30 m

6 a 9 m debajo del nivel de las fundaciones con un mínimo de un sondeo profundo para verificar si hay depósitos débiles debajo.

Edificios de varios pisos

12 a 15 m

Para estructuras muy cargadas se deben realizar sondeos profundos a altura doble del ancho del edificio o basta alcanzar la roca firme. (El menor de los valores)•

Presas de tierra, diques

30 a·60 m

12 a 15 mínimo o 3 m dentro de la roca, firme (el menor de los valores)•

Autopistas

150 a 300 m

1 a 1,5 m mínimo bajo el subrasante.

En construcciones de tamaño normal, el primer sondeo debe exceder la profundidad para la cual los esfuerzos debidos a las cargas del edificio pueden causar excesivos asentamientos.

1.4.

Toma de muestras

La toma de muestras se refiere al método de extraer el suelo de las excavaciones o perforaciones realizadas en los sondeos, a fin de enviarlas al laboratorio para determinar sus propiedades y características resistentes, entre las ·cuales se pueden mencionar: - La capacidad portante - La compresibilidad - La permeabilidad - La retracción o expansión Las muestras obtenidas en los sondeos son de dos tipos:  Disturbadas  No disturbadas Las muestras disturbadas son las obtenidas mediante los métodos de sondeos barrenados o mediante inyecciones de agua mencionados precedentemente, en las cuales el suelo se ve considerablemente alterado y aumenta su contendió de humedad. Estas muestras se colocan en recipientes especiales, etiquetados con los datos del lugar, fecha, método de sondeo y profundidad alcanzada en la penetración. El grado de alteración de una muestra depende también de la forma como se la manipula al penetrar el tubo toma muestras en el suelo. Las muestras alteradas sirven principalmente para determinar la granulometría del suelo, el peso específico, sus características de compactación y los límites de Atterberg en las arcillas. Para poder determinar otras propiedades, tales como la capacidad resistente, la compresibilidad, o la permeabilidad, es necesario obtener muestras no disturbadas. Las muestras no disturbadas se refieren a las tomadas adoptando especiales precauciones para minimizar la alteración del suelo y poder presentarlo en su estado natural de consolidación. Generalmente son difíciles de obtener, pues por más cuidados que se observen siempre se produce una cierta modificación del suelo, la cual impide que la muestra se extraiga intacta, como se encontraba antes del sondeo. Los métodos usuales de obtener muestras no alteradas son: a) Excavación de pozos en suelos cohesivos b) Perforación con taladros en rocas c) Empleando el tubo Shelby d) Utilizando el tubo delgado sueco Los métodos usuales de obtener muestras no disturbadas de en hacer penetrar en el suelo un tomamuestras en forma de delgadas y punta afilada para facilitar la penetración y con la muestra que ha quedado retenida dentro del tubo. mencionarán los tubos Shelby y el delgado sueco.

suelos consisten tubo de paredes luego retirarlo Como ejemplo se

TUBO SHELBY

El tubo Shelby consiste en un cilindro hueco sin costuras y paredes delgadas para disminuir la perturbación producida en el terreno, que se debe empujar con rapidez para que penetre en el suelo, presionándolo a mano, sin hacerlo girar o vibrar, ni utilizando percusión, y alcanza una profundidad aproximada de 15 m. El tubo se fabrica en latón o acero. El latón ofrece mayor resistencia a la corrosión y se puede manejar y cortar fácilmente, mientras que el acero presenta un mejor comportamiento a pandeo por tener mayor espesor de paredes. Usualmente los tubos son de 4 tamaños: 50, 70, 85 y 120 mm de diámetro interno y longitudes variables entre 45 y 75 cm. Para reducir el rozamiento entre la muestra de suelo que penetra en el tubo y la pared interior de éste, se disminuye ligeramente el diámetro del extremo inferior, lo cual no impide sin embargo una cierta expansión posterior del suelo dentro del tomamuestras.

TUBO DELGADO SUECO

El tubo delgado sueco es un tomamuestras de pistón estacionario especialmente diseñado para anular la fricción entre la muestra del suelo y las paredes internas del tubo (Ver figura 3.6) pues elimina el movimiento relativo entre ambos. Esto se logra disponiendo una serie de hojas metálicas muy delgadas en forma de espiral que van unidas en su parte superior a un pistón flotante en la cabeza del tomamuestras. El pistón y las espirales permanecen fijos en su lugar a medida que el tomamuestras penetra en el suelo por presión estática y sus paredes van deslizando dentro de las espirales, estirándolas. Los tomamuestras de pistón estacionario se utilizaron por primera vez en Suecia (y de ahí su nombre) en 1949 pues en ese país el suelo es blando y ofrece muy baja resistencia al corte (aproximadamente 0,2 Kg/cm2). Su empleo no está indicado sin embargo en arenas ni gravas, pues estos tubos fueron diseñados especialmente para arcillas y limos blandos. El tubo se introduce hasta la profundidad deseada y se usan preferentemente tubos largos, para poder utilizar la parte central de la muestra únicamente, que no sufre desplazamientos ni alteraciones. Las muestras se extraen cada 1,5 m de profundidad en suelos homogéneos, pero si se advierten cambios de coloración o comportamiento del suelo, se deben obtener nuevas muestras.

TOMA DE MUESTRAS EN SUELOS GRANULARES

Los métodos y procedimientos detallados precedentemente para obtener muestras inalteradas de suelos, son aplicables únicamente a aquellos suelos cohesivos que pueden mantener su forma bajo el peso propio. Pero en suelos

no cohesivos como las arenas o las gravas, para extraer muestras no disturbadas es necesario aplicar previamente algún tratamiento artificial que les provea cohesión temporal. Para ello se pueden usar dos métodos: Congelar el agua de los vacíos del suelo es en esencia simple, pero el equipo que se necesita para ello puede resultar costoso y poco práctico. Más sencillo resulta inyectar un líquido gelatinoso en los poros de los suelos granulares, que reemplace el agua contenida en ellos. Se usan para esto derivados pesados del petróleo, asfalto, etc., que luego pueden ser removidos en el laboratorio empleando solventes adecuados. La operación, sin embargo, es algo delicada. TOMA DE MUESTRAS EN EL FONDO DEL MAR.

La investigación de la plataforma submarina exige nuevas técnicas para la extracción de muestras en el fondo del mar. La construcción de puertos, escolleras, espigones, aeropistas sobre el mar, etc. está demandando en la actualidad avances en los métodos a emplear para determinar las características del suelo donde apoyarán sus fundaciones. Las técnicas de pilotajes usualmente empleadas en estructuras costeras son similares a las de tierra firme, pero cuando las muestras deben tomarse mar afuera, se emplean equipos montados sobre grandes lanchas con taladros o barrenos dentro de tubos que descienden hasta el fondo de las aguas y toman las muestras en el lecho marino. En aguas profundas se usan técnicas más sofisticadas, tales como proyectiles teledirigidos, con cargas explosivas que facilitan la penetración en el suelo.

1.5.

Pruebas de penetración

Las pruebas de penetración son el método más usado para la explotación del subsuelo y la obtención de datos acerca de la profundidad de los estratos, composición del suelo, resistencia, compacidad, etc. El procedimiento es rápido y económico, aplicable a la mayoría de los suelos. Las pruebas de penetración resultan especialmente indicadas para determinar la consistencia de los depósitos cohesivos y la densidad relativa de los granulares, para los cuales la obtención de las muestras no disturbadas se vuelve a menudo complicada. La resistencia que opone un suelo a ser penetrado se determina mediante aparatos que se denominan penetrómetros, cuya aplicación es relativamente simple. Existen dos técnicas diferentes para introducir un penetrómetro en el terreno, conocidas como pruebas de: Penetración estática de Cono Holandés.-

Las pruebas de penetración estática están reservadas para los suelos cohesivos y los depósitos arcillosos blandos y limosos, en los cuales los golpes o impactos pueden alterar las condiciones naturales del suelo. Para ello se usan penetrómetros con una punta cónica unida a una barra de diámetro reducido que se va haciendo penetrar en el suelo a velocidad regulada. La fuerza necesaria para producir el movimiento se va midiendo con un pistón neumático. El cono holandés deriva su nombre del país que primero lo utilizó, ya que el suelo de Holanda está formado en su mayor parte por turbas y arcillas hasta profundidades de 20 m, que descansan sobre estratos de arena de diferente densidad, hasta donde deben extenderse los pilotes. La prueba estática es muy sensible a los cambios de consistencia del suelo y la velocidad de penetración que puede desarrollar es limitada, variando entre 10 a 20 mm/seg. El cono holandés es el más popular de los penetrómetros estáticos y presenta un ángulo en la punta de 60°. Además, lleva un manguito independiente unido a la parte superior del cono. La resistencia que opone el penetrómetro a introducirse en el suelo es la suma de la fricción del cono y la del manguito con el suelo, y se pueden medir simultáneamente. Por lo general la resistencia del cono a la penetración se relaciona con la capacidad del suelo a corte en condiciones no drenadas. Además, en los

suelos cohesivos, la resistencia a la fricción en el manguito es mayor que la del cono, mientras que en los suelos granulares tiende a igualarse. La figura b) y e) muestra otros modelos de penetrómetros estáticos, con puntas variables entre 45 y 90°.En proyección horizontal, el diámetro de la cabeza de los conos varía entre 3 y 5 cm. Todos ellos se operan en forma similar a pilotes en miniatura, forzando el suelo a su paso con una compleja distribución de esfuerzos cortantes a lo largo de su fuste. El factor de fricción Fr se obtiene relacionando la resistencia a fricción del manguito y el cono: Esta prueba resulta de gran utilidad en depósitos marinos blandos y homogéneos, mientras que en las gravas los resultados obtenidos son aleatorios. - Penetración dinámica

Penetración dinámica.

Esta prueba de penetración dinámica es aplicable a una amplia variedad de suelos, especialmente los arenosos, las gravas y las rocas blandas, para los cuales la prueba de penetración estática puede resultar difícil de realizar. El ensayo de penetración dinámica se utiliza en diferentes formas. Una de ellas es mediante los conos y puntas que se muestran en la figura en sus tipos liviano, mediano y pesado, que se hincan con golpes de maza o martinetes. Por ejemplo el del esquema a) presenta una punta cónica de acero no recuperable, con ángulo de 60° y diámetro de 3,5 cm, que se hace penetrar a golpes de maza de 65 Kg con 75 cm de calda libre. El número de golpes N necesarios para hacerlo penetrar los últimos 30 cm en el terreno corresponde al de la resistencia en la prueba de penetración estándar que se detalla a continuación.

Pruebas de penetración Standard.

La prueba de penetración dinámica más comúnmente usada para explorar las características del subsuelo es la llamada Prueba de Penetración Standard

(PPS) que sirve para todo tipo de suelos. Esta prueba se realiza en dos etapas sucesivas, a saber: - Perforar un hueco en el suelo - Extraer la muestra Para la primera parte de la prueba se debe perforar un hueco mediante cualquiera de los métodos, empleando barrenos, inyección de agua, sondeos rotativos, etc. Si el terreno es firme, mantiene la forma luego de retirado el equipo de perforación utilizado, pero si es blando o se desmorona con facilidad, se deben colocar tubos o camisas de entibación para evitar que la caída de, las paredes lo obstruya, o bien llenarlo de lodo bentonítico. Cuando se ha alcanzado la profundidad deseada en el sondeo, se retira el equipo de perforación y se hace descender hasta el fondo del hueco un tomamuestras, conocido como de tubo partido, pues puede abrirse longitudinalmente. La parte inferior del tomamuestras tiene un anillo filoso y la parte superior, una válvula conectada a una barra de sondeo. Al igual que en los casos anteriormente mencionados, este tomamuestras se hinca con golpes de maza o martinete de 65 Kg de peso y caída libre desde una altura de 75 cm. Primero se lo hace penetrar en el suelo unos 45 cm para que se asiente en el estrato y luego se cuenta el número de golpes necesarios para hincarlo 3 tramos de 15 cm por vez. N resulta el número de golpes que se deben aplicar para hacerlo penetrar los últimos 30 cm. Luego se retira el equipo, extrayendo el tomamuestras con la muestra de suelo dentro, la cual obviamente se halla disturbada. Primero se la examina en el campo y luego se la envía al laboratorio. En estas muestras se puede apreciar el grado de humedad del suelo, la composición, la estratificación, la consistencia, etc.

Los valores de N están influenciados por la magnitud de la sobrecarga del suelo superyacente con respecto al estrato explorado, y deben ser corregidos luego de realizada la prueba. Usualmente se los corrige afectándolos de un coeficiente CN: ̅

̅ es la presión efectiva que ejerce el suelo por encima del nivel donde se realiza la Prueba de Penetración Standard, y se mide en Kg/cm2. La figura 3.10 corresponde al gráfico que da los valores de CN en función de ̅ según la ecuación 2. CN varía entre 0,4 y 2, pero la ecuación 2 no da valores muy exactos para ̅ Se observa que si ̅ resulta CN = 1, es decir el número de golpes N permanece invariable. Cuando se ha calculado el valor de N corregido, es posible establecer una correlación entre N y la densidad relativa de los suelos granulares, o la consistencia en los arcillosos, como indica la Tabla. Además, en los suelos no cohesivos, los valores de N permiten obtener el ángulo de fricción interna. Si bien la Prueba de Penetración Standard es de uso muy frecuente para determinar el valor del coeficiente N de resistencia del suelo, los resultados obtenidos en diferentes ensayos pueden dar magnitudes variables. Sin embargo, resulta de gran utilidad en

el diseño de fundaciones, aunque se necesita mucha experiencia para definir con corrección los datos así obtenidos. En suelos limosos y arcillosos, sin embargo, es preferible utilizar los resultados que dan las pruebas de penetración estática con el cono holandés. RESISTENCIA A LA PENETRACION N2 DE GOLPES N

DENSIDAD RELATIVA Suelos arenosos

< 4

Muy suelta

4 a 10

Suelta

11 a 30

Mediana

31 a 50

Densa

> 50

Muy densa

< 2

1.6.

CONSISTENCIA Suelos arcillosos

Muy blanda

2 a 4

Blanda

5 a 8

Mediana

9 a 15

Firme

16 a 30

Muy firmé

> 30

Dura

Prueba de la veleta

La prueba de la veleta es un método sencillo y útil para determinar en el lugar la resistencia a corte de las arcillas blandas, los depósitos de limos o los suelos de granos muy finos no drenados y libres de partículas de arena o grava, sin necesidad de tomar muestras no disturbadas. La figura 3.11 muestra algunas veletas de ensayo. El esquema a) corresponde a una típica, con altura L = 20, siendo D en ancho total de las aspas. Una barra central de soporte vertical conecta las aspas con el mecanismo superior que las hace girar y mide las fuerzas que se ejercen. La veleta se introduce forzándola en el suelo, en el fondo de un pozo previamente cavado en el lugar y a una profundidad entre 2D y 5D, y luego se aplica un momento torsor a la barra de soporte. La magnitud de las fuerzas que se deben aplicar para producir la falla del suelo al girar la veleta, permite valorar la resistencia de agotamiento del suelo a corte . Al girar la veleta, el suelo resulta cortado según un cilindro circular de diámetro D, dentro del cual queda amasado. La resistencia a corte de los suelos cohesivos depende fundamentalmente de la cohesión c. Para diseño se acepta: Según el tipo de suelo, si bien la anisotropía propia de los suelos hace variar el valor de . Por otra parte, la experiencia ha demostrado que cuando la veleta se orienta paralela al plano de consolidación de los estratos, los resultados de son menores que cuando se la orienta perpendicularmente. Algunos investigadores han relacionado el valor de obtenido mediante el ensayo de la veleta, con pudiendo aceptarse en forma aproximada: Siendo

el esfuerzo de agotamiento del suelo en compresión.

1.7.

Localización del agua subterránea

Toda exploración del subsuelo debe incluir la localización del agua subterránea. La presencia del agua en el subsuelo se detecta a través del contenido de humedad de las muestras que se van extrayendo en los diferentes sondeos, pero esta información generalmente no es suficiente. Por ello, adicionalmente, se deben cavar pozos de observación hasta la profundidad necesaria para verificar la altura que alcanza el nivel freático en el lugar. En los suelos de alta permeabilidad, como las arenas y las gravas, esto ocurre en el lapso de pocas horas, pero en suelos de baja permeabilidad como las arcillas y los limos, puede tomar varias semanas, Para evitar el desmoronamiento de las paredes de los pozos se colocan tubos o camisas de entibación con finas ranuras en su extremo inferior. La investigación de los niveles alcanzados por el agua subterránea debe prolongarse durante la temporada de lluvias y de sequía, de modo de poder comparar su fluctuación a lo largo del año. Hvorsley propuso en 1949 un método numérico para medir la profundidad aproximada del nivel freático estable del agua subterránea, en un lapso breve de tiempo. Para ello se debe cavar un pozo hasta el nivel deseado, como muestra la figura 3.12 midiendo el ascenso o descenso del agua a intervalos regulares de tiempo. Luego de cavar el pozo se lo llena de agua hasta una determinada altura D0 medida desde la superficie del terreno, y a intervalos regulares ΔT se van anotando las alturas alcanzadas por el agua dentro del pozo. Los diferentes valores de H corresponden a las distancias entre el nivel del agua ascendente o descendente y la profundidad del nivel freático estable. T0 es el tiempo inicial de observación.

Cuando se necesita obtener información sobre la presión artesiana del agua subterránea, se utilizan aparatos conocidos por piezómetros. Los piezómetros permiten medir la presión del agua in situ, en un determinado punto de la masa del suelo. Este dato reviste especial interés pues su valor indica la presión en los poros del suelo, de la cual depende la magnitud de los esfuerzos efectivos. Todo piezómetro es un aparato que permite directa o indirectamente medir la presión aplicando los principios de la mecánica de fluidos. La muestra dos tipos diferentes de piezómetros usuales en la práctica. El del esquema a) es un aparato sencillo, formado por un tubo de plástico con ranuras en su extremo inferior, que se coloca en el fondo de un pozo de observación, hasta la profundidad deseada, dentro del estrato acuífero.

1.8.

Exploración geofísica

La exploración geofísica ha sido usada exitosamente desde hace muchos años en numerosos campos de la ingeniería de suelos, especialmente orientada a la extracción de petróleo o minerales, construcción de presas y autopistas, registro de pozos, etc. Todas las técnicas geofísicas se basan en unas pocas leyes simples pero fundamentales de la física, tales como la de gravedad de Newton, la ley de Ohm y la de refracción de Snell. Mediante al exploración geofísica se pueden determinar las diferentes propiedades físicas de los estratos que forman los suelos, su homogeneidad, densidad, anomalías, profundidad, características resistentes, etc. Entre las ventajas que ofrecen los métodos de exploración geofísica están la rapidez en la obtención de los resultados y la capacidad de poder cubrir grandes áreas con un instrumental relativamente sencillo. Varias técnicas se han desarrollado para este tipo de exploración, entre las cuales se pueden mencionar las de: - Refracción sísmica - Resistividad eléctrica - Gravimetría - Ondas magnéticas - Ondas sonoras A continuación se analizarán algunas de ellas, que dan información sobre las características tanto superficiales como del subsuelo de los terrenos cuyas condiciones se desean investigar. Los métodos mencionados permiten

determinar también con facilidad la profundidad del lecho rocoso y la presencia del agua subterránea. En razón de que las mencionadas técnicas resultan en general costosas, su aplicación se limita a la investigación de grandes áreas para la construcción de proyectos de envergadura, o zonas de difícil acceso. Método de refracción sísmica.

Este método de investigación sísmica para reconocimiento del suelo se usa para determinar los contornos de los estratos de diferentes densidad," que constituyen las fronteras entre suelos o entre suelos y rocas. El método se basa en la producción de energía por vibración emitiendo ondas similares a las de un sismo, las cuales se transmiten en todas direcciones pero a diferentes velocidades según la densidad del estrato. Los impulsos se generan artificialmente por explosiones menores o impactos de mazas unos 20 Kg de peso que se dejan caer libremente desde una altura de 2 m sobre un plato metálico o placa de acero. Para mayores distancias se utilizan cargas de dinamita de no más de 1 Kg. En todos los casos, las ondas generadas atraviesan los estratos con velocidades variables según la resistencia a la deformación que éstos posean. Las ondas elásticas resultantes son de tres tipos: - Longitudinales de compresión - Transversales de corte - Superficiales De estas ondas, las longitudinales de compresión son las que revisten mayor importancia para el estudio estratigráfico. La velocidad de propagación de los impulsos depende del módulo de elasticidad E, del coeficiente de Poisson μ y del peso específico γ de la masa del suelo, y las ondas de choque son detectadas por aparatos auditores llamados geófonos, al tiempo que los sismógrafos registran automáticamente su paso. Ver figura 3.14. Estos geófonos captan las ondas de compresión, ubicados de tal manera que los más próximos a la fuente de impulsos reciben primero las ondas viajando por el estrato superior, y los más alejados, las refractadas en estratos inferiores. Algunas de estas ondas refractadas activan primero los geófonos lejanos que los próximos, dependiendo de la forma de estratificación del suelo. El comportamiento cinético del medio a través del cual se propagan las ondas da la necesaria información acerca del tipo de suelos tales como heterogeneidad, anisotropía, plasticidad, etc. En rocas duras, la velocidad de propagación de las ondas es muy grande, pudiendo alcanzar los 7.500 m/seg mientras que en los estratos blandos, la velocidad decrece hasta 150 m/seg. La Tabla 3.3 indica estas velocidades. VELOCIDAD DE PROPAGACION DE LAS ONDAS SISMICAS EN LA SUPERFICIE DEL SUELO O A POCA PROFUNDIDAD Suelo

Velocidad (m/seg)

Arena suelta seca

150 a 500

Loess

300 a 600

Arcilla dura, parcialmente saturada

600 a 1.000

Arcilla saturada

1.000 a 1.600

Suelos saturados

1.200 a 3.800

Roca sana

2.000 a 6.000

Granito

4.000 a 6.000

Cuarcita

6.000 a 7.500

La experiencia ha demostrado que en bancos de arena suelta, con velocidad inicial de propagación de ondas de 150 m/seg, ésta se logró incrementara430 m/seg luego de un proceso de compactación del suelo mediante pilotes de arena. El método de refracción sísmica da mejores resultados en suelos con estratos de límites bien definidos, especialmente cuando la densidad

aumenta con la profundidad, y los estratos son horizontales o con ligera pendiente. Se lo ha empleado con éxito en suelos blandos apoyados sobre mantos de rocas. Por el contrario, si los estratos blandos se hallan debajo de los suelos duros, los resultados obtenidos son aleatorios y no evidencian la realidad. Tampoco es aconsejable aplicar este método cuando existe una gradual transición de suelo a roca, pues no se logra un claro contraste en la velocidad de las ondas.

La velocidad de propagación de las ondas de compresión resulta proporcional a la raíz cuadrada del módulo de corte y del módulo de elasticidad del suelo, por lo cual se deduce que las altas velocidades corresponden a suelos con módulos considerables, es decir, suelos resistentes. La velocidad de las ondas de corte es menor que la de las ondas de compresión y se obtienen de la raíz cuadrada del cociente entre el módulo de corte y la densidad del suelo. Las ondas superficiales tienen aproximadamente la misma velocidad que las de corte. Cuando se emiten simultáneamente ondas de compresión, de corte y superficiales, por lo general estas dos últimas no se registran, con excepción de aquellos casos en que interese especialmente conocer el módulo de corte de un suelo. En un suelo homogéneo y elástico, la velocidad de propagación de las ondas sísmicas puede obtenerse mediante la ecuación: √ Donde g es la aceleración de la gravedad y C representa una constante que depende del tipo de material. En la figura 3.14, las ondas emitidas por la fuente y propagadas directamente a través del estrato 1, alcanzan los geófonos cercanos con velocidad V1:

Siendo d1 y d2 las distancias respectivas entre el geófono y la fuente. Simultáneamente, otras ondas de choque se están propagando hacia abajo, y al llegar al estrato 2 se refractan y viajan por él para luego retornar a la superficie y activar los geófonos más alejados con velocidad V2. Si ocurre que las ondas refractadas llegan primero a los geófonos distantes, significa que han encontrado en su camino estratos profundos duros, mientras que las ondas que activan los geófonos cercanos posteriormente a las refractadas han encontrado suelos blandos. En este caso, V2>V1•

La figura 3.14 grafica estas velocidades, según una recta representativa delas diferentes densidades de los estratos. El espesor H1 del estrato superior se obtiene:

quebrada,

√ Ecuaciones similares a la 3.11 se pueden aplicar en los diferentes estratos para determinar sus espesores, si cumple la condición de que la velocidad de propagación de las ondas aumenta con la profundidad de las capas, es decir: Vi+1 >Vi La pendiente de la recta inicial del gráfico de figura 3.14 es la inversa de la velocidad de ondas V1:

Por lo tanto resulta:

OE es el tiempo que demora la onda directa, emitida desde la fuente para llegar al geófono 3 atravesando el estrato superior en línea recta, es decir en la distancia (

)

En forma simplificada, se puede plantear para un suelo de tres estratos:

Donde α y β son los ángulos subyacentes en contacto.

de

refracción

de

los

sucesivos

estratos

Cuando las ondas de choque emitidas por la fuente encuentran en su camino diversidad de estratos, se .reflejan y refractan sucesivamente antes de regresar a la superficie y alcanzar los geófonos distantes. Método de resistividad eléctrica.

Este método se basa en el reconocimiento de los diferentes materiales que componen un suelo, según su reacción al recibir un flujo de corriente eléctrica. Considerando un cubo unitario dentro de la masa del suelo, la resistividad eléctrica del suelo se define como la resistencia en Ohms entre sus caras opuestas. Donde ρ la resistividad, R la resistencia del cilindro conductor, A el área de la sección transversal y L la longitud. El grado de compactación y el contenido de humedad de un suelo hacen variar su resistividad. Por ejemplo las rocas densas y sin huecos presentan muy elevada resistividad, pudiendo alcanzar 800.000 Ohms-cm y aún superar este valor, mientras que las gravas secas tienen un promedio de 50.000 Ohms-cm y algunas arcillas saturadas solamente alcanzan los 500 Ohms-cm. La Tabla da algunos de estos valores para diferentes tipos de suelos. VALORES DE LA RESISTIVIDAD ELECTRICA PARA ALGUNOS TIPOS DE SUELOS Y ROCAS Suelos

Resistividad (Ohms-cm)

Arcillas o limos saturados Orgánicos Inorgánicos

500 a 2.000 1.000 a 5.000

Arcillas o limos Parcialmente saturados Secos

5.000 a 10.000 10.000 a 50.000

Arenas y gravas Saturadas Secas Rocas densas

10.000 a 15.000 20.000 a 100.000 100.000 a 1.000.000

El método más comúnmente usado para determinar la resistividad de una masa de suelo es el de Wenner, el cual utiliza 4 electrodos ubica.1os a distancias iguales D entre sí, en línea recta como muestra la figura 3.15. Los electrodos extremos se colocan a distancia 3D, y se hacen penetrar en el suelo unos 20 cm. Externamente se conectan entre sí mediante una batería. Dos electrodos adicionales situados en los tercios de la distancia entre los exteriores, miden la caída de potencial que permite calcular ρ. Este valor de la resistividad corresponde a un suelo cuyo espesor sea aproximadamente D.

Por lo tanto, variando la distancia entre los electrodos, se obtienen diferentes valores de ρ y graficando las magnitudes de D y ρ se conocen los cambios de las caracterist1cas de los estratos del subsuelo. Para aplicar el método, se hace pasar una corriente eléctrica generada por la batería N, entre los electrodos extremos A1 y A2. A continuación se mide la calda de voltaje en la masa, entre los electrodos internos B1 y B2. Se puede utilizar corriente alterna o continua, con electrodos no polarizables. Conocido el voltaje de la corriente y la separación D entre electrodos, la resistividad ρ en Ohms-cm se obtiene: Donde E es la diferencia de potencial entre los electrodos B1 y B2, medida en voltios e I el flujo de la corriente entre los electrodos A1 y A2, medido en amperes. Repitiendo la operación con diferentes separaciones D entre electrodos, se pueden localizar estratos a diferentes profundidades por su heterogénea resistividad. Pero en suelos mixtos, el valor de p obtenido debe ser corregido. Otras pruebas pueden realizarse asimismo dejando fija la distancia D y trasladando los electrodos de modo de cubrir toda el área del terreno, con lo cual se pueden localizar lechos rocosos o depósitos de agua a una ·profundidad fija igual a D, en función de las respuestas de resistividad que dan los ensayos. En todos los casos, sin embargo, los resultados deben ser interpretados por personal altamente capacitado.

La técnica de variar la separación de los electrodos se utiliza para localizar estratos profundos de resistividad variable. Aumentando los valores de Den cada caso, puede trazarse el gráfico de la figura 3.15 b). Se mide en las ordenadas la suma de los valores de la resistividad aparente y en las abscisas el espaciamiento D, y las curvas resultantes pueden asimilarse a segmentos rectos si los estratos son horizontales y de espesor uniforme. Cada punto de intersección de los tramos rectos indica el límite de un estrato y las pendientes son proporcionales a la resistividad del estrato. Por ejemplo, una recta muy empinada representa un suelo de gran resistividad como las rocas densas o las gravas secas, mientras que las rectas aplanadas evidencian suelos húmedos como las arcillas y limos saturados, con muy baja resistividad. En general, los métodos de exploración geofísica resultan un complemento a otros métodos de investigación del subsuelo, tales como sondeos con toma de muestras, de modo que siempre el conjunto de datos obtenidos permita llegar a conclusiones exactas acerca de las condiciones y profundidad de los estratos analizados. Métodos gravimétricos y de

emisión de ondas

Los métodos gravimétricos, así como los de emisión y recepción de ondas magnéticas o sonoras, tienen un campo de aplicación más limitado en la exploración geofísica. El gravimétrico se basa en la medición de la fuerza de la gravedad mediante el empleo de balanzas electrónicas de torsión, que permiten distinguir los depósitos según su densidad. Los de emisión de ondas magnéticas o sonoras miden el tiempo de recorrido de las ondas y registran mejor los resultados en suelos blandos como las arcillas o limos saturados. Están especialmente indicados cuando se desea determinar la altura de los estratos blandos apoyados sobre mantos rocosos. Estos métodos mencionados resultan por lo general costosos pues se aplican usando sofisticados equipos de alta precisión, por lo cual su uso no está muy difundido.

1.9.

REGISTRO DE LOS RESULTADOS

El registro de los resultados de exploración del subsuelo a diferentes profundidades permite determinar el perfil, la naturaleza de los estratos, su origen, heterogeneidad, la presencia del agua subterránea y demás características que afectan su capacidad portante y su resistencia. Para obtener un perfil típico de un subsuelo, los diferentes ensayos deben proporcionar información sobre múltiples datos, entre los cuales se pueden mencionar: - *Alturas de los diferentes estratos - *Límites de Atterberg - *Contenido de humedad y porosidad - *Consistencia y actividad - *Peso específico y tamaño de los granos - *Compresibilidad y capacidad portante - *Cohesión y resistencia a corte - *Angulo de fricción natural del suelo Para cada sondeo, se grafica una faja vertical como la de figura, según una escala de alturas, donde se han representado algunos de los datos obtenidos. Los sondeos deben alcanzar la profundidad necesaria en los distintos puntos del terreno que se investiga, de modo de lograr una información tridimensional. Los resultados se presentan por lo general en planos paralelos y ortogonales, mostrando la variación de las características e irregularidades de los sucesivos estratos. La figura muestra la sección del subsuelo según un plano obtenido mediante sondeos paralelos en el terreno que se explora. El perfil indica el lugar donde se realizó el sondeo correspondiente.