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GEOTECNIA VIAL

PARTE II REVISION DE INGENIERIA DE CIMENTACIONES

CAPITULO I: CARACTERIZACION DEL SITIO 10.1 La exploración y el tipo de proyecto 10.2 Técnicas de caracterización de sitio 10.3 Investigación de sitio a. Recolección de Información preliminar. Reconocimiento del terreno. Información existente. Necesidades del Proyecto. Hipótesis del subsuelo. b. Técnicas de Exploración. b.1 Perforaciones exploratorias ó sondeos. A mano. Con barrenadora manual. Con espiral motorizado. Por lavado (wash boring). Rotatorios. b.2 Características de los sondeos. Según Sowers. Según Michelena. Según la Norma Peruana de Suelos. b.3 Técnicas de muestreo de suelos. Muestreo representativo. Muestreo inalterado. b.4 Monitoreo del nivel freático. b.5 Métodos geofísicos.

10.4 10.5

Ensayos de Laboratorio. Ensayos In – situ. a. El ensayo SPT. a.1 Correcciones a los datos. a.2 Uso de los datos del SPT. a.3 Correlación con la Dr. a.4 Correlación con la Resistencia al Corte. a.5 Correlación con la Compresibilidad. b. El ensayo CPT. b.1 Uso de los datos. b.2 Correlaciones con la Clasificación del suelo. b.3 Correlación con la Dr. b.4 Correlación con la Resistencia al Corte. b.5 Correlación con la Compresibilidad. b.6 Correlación con datos del SPT. c. El ensayo de la Veleta de Corte. d. El ensayo del Presurómetro. e. El ensayo del Dilatómetro. f. El ensayo de Penetración de Becker.

10.6 10.7 10.8

Comparación de los Ensayos In-situ. Síntesis de la información de campo y laboratorio. Economía de la investigación y muestreo.

Ingeniería de Cimentaciones

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CAPITULO X: CARACTERIZACION DEL SITIO 10.1 LA EXPLORACION Y EL TIPO DE PROYECTO Una de las diferencias fundamentales entre la práctica de la ingeniería estructural y la ingeniería Geotécnica es la manera como se determinan las propiedades ingenieriles de los materiales con que ellas trabajan. Para problemas prácticos de diseño, los ingenieros estructurales normalmente encuentran las propiedades necesarias de los materiales por medio de los manuales. Por ejemplo, si se desea usar el acero A36, sus propiedades ingenieriles (resistencia, módulo de elasticidad, etc) son bien conocidas y pueden encontrarse en una gran variedad de fuentes. No es necesario medir la resistencia del acero A36 cada vez que lo usamos en un diseño. En contraste, el ingeniero geotécnico trabaja con el suelo y la roca, los cuales son materiales naturales con propiedades ingenieriles desconocidas. Por lo tanto, debemos identificar y ensayar los materiales de cada nuevo lugar antes de realizar cualquier análisis. La investigación de los suelos y las técnicas de ensayo modernas han progresado mucho. Pero a pesar de las múltiples técnicas existentes, las propiedades del suelo continúan siendo fuentes de incertidumbre en la ingeniería de cimentaciones. Esto debido a que nuestra habilidad para hacer análisis y cálculos es muchísimo mayor a nuestra habilidad para determinar las propiedades más adecuadas a usar en dicho análisis. Por lo tanto, es importante que el ingeniero de cimentaciones este familiarizado con las técnicas disponibles, conozca su uso y entienda el grado de precisión (o falta de precisión) asociada con ellas. Este entendimiento de las propiedades del suelo, se deberá llevar a cabo definiendo: primero, con precisión, los alcances de la exploración, logrando de esta manera nuestros objetivos al menor costo, y los alcances de la exploración estarán en función del tipo de proyecto: 1.- Proyecto de Obras Mayores.- En las cuales la selección de la ubicación de una presa, por ejemplo, depende de la disponibilidad de lugares adecuados. Es claro que en un caso como éstos si la ubicación de la estructura no es correcta, los problemas geotécnicos derivados de una alta permeabilidad del subsuelo o de la inestabilidad de taludes, por ejemplo, pueden hacer fracasar la obra. 2.- Diseño de Fundaciones y Obras de Tierra.- En estos casos, los factores de uso, precio y disponibilidad del terreno, son gravitantes en la mente del diseñador. Generalmente las exploraciones del suelo para obras medianas como autopistas y edificios de varios pisos, se ejecutan sobre terrenos ya elegidos. 3.- Investigación de Obras Existentes.- La investigación de obras existentes puede tener dos objetivos:

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•

Investigación de estructuras falladas o que se prevea que puedan fallar.- Constituye un objetivo muy importante, pues no sólo resuelve incógnitas con respecto al origen de los daños o fallas investigados, sino que permite registrar la experiencia habida para prevenir casos similares en el futuro. Algunos tipos de proyectos son mejor analizados mediante el sistema del análisis retrospectivo (back analysis) por medio de ensayos de laboratorio de pequeña escala. El análisis retrospectivo consiste en la determinación de los parámetros de resistencia al corte del suelo (u otros parámetros) suponiendo conocido el valor del factor de seguridad para una condición pasada conocida; luego, utilizando los parámetros del suelo así determinados, se evalúa el efecto que produce la variación en las solicitaciones o la ejecución de obras.

•

Verificación de la seguridad de obras existentes.- Como parte de la rutina en obras de gran envergadura sujetos a pólizas de seguro importantes, o por simple iniciativa de los propietarios, se verifica en ciertos casos el estado de seguridad de las mismas; en estas circunstancias el suelo juega un rol importante debido a su condición de riesgo no siempre evidente sino cuando ya es demasiado tarde.

10.2 TECNICAS DE CARACTERIZACION DE SITIO Como se puede observar, son diferentes los alcances de acuerdo al tipo de proyecto, pero siempre se busca caracterizar el suelo, para lo cual dividiremos estas técnicas de caracterización en 3 categorías: •

Investigación del sitio: incluye métodos para la definición del perfil del suelo y otros datos relevantes, así como de extracción de muestras de suelo.

•

Ensayos de laboratorio: incluye el ensayo de muestras de suelo en el laboratorio para determinar propiedades ingenieriles relevantes.

•

Ensayos in-situ: incluye ensayos de los suelos en el lugar, y así evitar las dificultades asociadas con la extracción de muestras, que pueden disturbarlas.

Todas estas técnicas buscan proveer al proyectista de los parámetros del suelo necesarios para efectuar los análisis apropiados para el caso específico. Otro objetivo es obtener la información geotécnica necesaria para elegir los procedimientos constructivos apropiados y evaluar la seguridad permanente de la obra. Los alcances del programa deben pues estar en función de estos fines, aunque su definición final dependa también de otros factores, como pueden ser los recursos técnicos y humanos con los que se cuente. En los países desarrollados, el ejercicio de la Mecánica de Suelos es por lo general más simple que en el nuestro. La falta de presupuesto y sobre todo la falta de conocimiento técnico y a veces incluso irresponsabilidad de los encargados de Ingeniería de Cimentaciones

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supervisar o encargar el estudio, suscita que con frecuencia el Ingeniero de suelos deba enfrentar problemas importantes con programas de investigación fijados por el propietario y sobre la base de una elección del consultor basada exclusivamente en el costo del estudio. La preparación del programa de exploración debe ejecutarse preferentemente después de contar con el anteproyecto, o, por lo menos, conociendo las características y ubicación de las estructuras que conforman el proyecto. Asimismo, se requerirá la hipótesis del subsuelo a fin de planear un tipo de exploración acorde con los requisitos del proyecto y con el suelo previsto. -

Consideraciones Geológicas

Recolección de Información Hipótesis del subsuelo Necesidades del proyecto Fórmulas requeridas para el análisis

Modificación del programa de exploración

Parámetros usados en las Fórmulas

Ensayos In-situ y de Laboratorio que determinan los parámetros

Tipo de muestras requeridas para los ensayos de Laboratorio

Disponibilidad de recursos, de equipos, personal y económica.

Determinación del tipo de Sondaje que permite obtener las muestras y realizar los ensayos de campo requeridos

Implementación del programa de exploración en base al tipo de sondaje, a su profundidad y número

Verificación de la hipótesis inicial del subsuelo

No sé verifica

Se verifica

Figura 1.1 Definición del programa de campo

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10.3 INVESTIGACIÓN DEL SITIO Los objetivos de la fase de investigación del sitio incluyen: •

Determinación de la ubicación y espesor de los estratos de suelo.

•

Determinación de la ubicación del nivel freático así como cualquier otra característica asociada.

•

Extracción de muestras de suelo.

•

Definición de problemas especiales y todo lo concerniente para el proyecto y ejecución de obras técnica y económicamente correctas. Observar la zona, identificando posibles problemas de drenaje o de estructuras antiguas.

Se deben conseguir estas metas usando una combinación de: a) b)

a.

Recolección de información preliminar. Técnicas de exploración in-situ.

RECOLECCIÓN DE INFORMACIÓN PRELIMINAR Antes de realizar una exploración nueva en el sitio de un proyecto, se debe recolectar la información ya disponible, para la estructura propuesta y las condiciones del subsuelo del lugar. En algunos lugares esta información será abundante, mientras que en otros incluso pueda no existir. La información referente a la estructura incluirá: •

Su localización y dimensiones.

•

El tipo de construcción, las cargas de las columnas, el espaciamiento entre columnas y los asentamientos admisibles.

•

El uso.

•

La elevación final.

•

El número y profundidad de los sótanos.

•

La profundidad y extensión de cualquier pendiente propuesta.

•

Los requerimientos de los códigos locales de construcción.

También se debe realizar el esfuerzo para obtener al menos una idea preliminar de las condiciones del subsuelo. Sería muy difícil planear un programa de exploración sin tal conocimiento. Afortunadamente, existen muchos métodos y recursos disponibles para obtener un conocimiento preliminar de las condiciones del suelo local.

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Estos métodos podrían incluir: •

Determinación de la historia geológica del sitio, incluyendo evaluaciones anticipadas de rocas y tipos de suelos, la proximidad de fallas, y otras características geológicas.

•

Recolección de copias de reportes de perforaciones y resultados de ensayos de laboratorio a partir de investigaciones previas en éste u otros sitios cercanos.

•

Revisión de mapas de suelos desarrollados para propósitos de la agricultura.

•

Revisión de fotografías aéreas antiguas y nuevas, además de mapas topográficos (pueden revelar el desarrollo previo o la nivelación del lugar).

•

Revisión de reportes de pozos de agua (ayuda a establecer los niveles freáticos históricos)

•

Localización de las cimentaciones de las estructuras adyacentes, especialmente aquellas que puedan ser afectadas por la construcción propuesta.

La definición de la información que se requiere del subsuelo se efectúa a partir de la confrontación de los requerimientos propios del proyecto con la hipótesis hecha acerca del subsuelo. Los alcances de la información que se requiere del subsuelo son también en cierta medida una hipótesis, como que están basados en otra hipótesis. Conforme avanza la exploración se debe estudiar si la hipótesis originalmente concebida acerca del subsuelo, es cierta o no; en la medida en que lo sea, lo serán también los alcances iniciales de la información requerida del subsuelo. Las características del programa de exploración dependerán de varios factores: del tipo de suelo a investigar, del tipo de parámetro que se busca determinar, del nivel de la investigación (preliminar o definitiva).

a.1. Reconocimiento del terreno Como parte de la recolección de la información, el ingeniero de cimentaciones debe visitar el sitio y realizar un reconocimiento del terreno. Con frecuencia tales visitas revelarán datos importantes que podrían no ser evidentes a partir de la información preliminar obtenida o de informes de perforaciones exploratorias; logrando determinar cuáles son las necesidades del proyecto. El reconocimiento del terreno debería incluir la obtención de respuestas a preguntas como las siguientes:

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•

¿Existe alguna evidencia de desarrollo previo del sitio?

•

¿Existe alguna evidencia de nivelación previa del lugar?

•

¿Hay evidencia de derrumbes u otros problemas de estabilidad?

•

¿Las estructuras cercanas se comportan satisfactoriamente?

•

¿Qué condiciones de drenaje hay en la superficie?

•

¿Qué tipos de suelos o rocas están expuestas en la superficie del terreno?

•

¿Los tipos de técnicas de exploración del subsuelo a aplicarse estarán limitadas por problemas de acceso?

•

¿La construcción propuesta podría afectar construcciones existentes? (por ejemplo: un edificio viejo, frágil, adyacente podría ser dañado por las vibraciones del hincado de pilotes).

•

¿Las condiciones del lugar afectarán la construcción propuesta? (por ejemplo: problemas de inundación potencial, flujos de barro o huaycos, desprendimiento de rocas, etc.)

a.2. Información Existente La Recopilación de la información existente, constituye uno de los pasos fundamentales para la elaboración del programa. Cuanto más extenso el programa, mayor deberá ser la calidad y cantidad de la información general o específica relativa al sitio de la estructura. Entre éstos cabe mencionar: •

Usos del suelo.- El conocimiento del uso del suelo en el pasado tiene gran importancia, sobre todo en aquellos casos en los que la existencia -oculta al reconocimiento inicial- de restos arqueológicos, rellenos no consolidados, acequias de riego, antiguos reservorios de agua de riego, silos, necrópolis y cimentaciones de obras antiguas, pueden causar serios problemas al estudio de suelos, situación que se agrava si los sondajes, por azar, no detectan estas irregularidades. Conociendo la historia del terreno se pueden incluso explicar hallazgos que de otra manera no tendrían explicación.

•

Topografía.- Se requerirán planos recientes a una escala adecuada, acorde con el nivel del programa de investigación y con la escala del proyecto mismo. El conocimiento de la topografía del terreno permite ubicar sondajes en puntos críticos de acuerdo a algunas experiencias referentes a los suelos, según la morfología, la cual es en mayor grado aplicable a terrenos de las regiones de sierra y selva que a los de costa, por ejemplo:

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-

Las zonas elevadas, son generalmente más secas y los suelos son más resistentes; sus bordes pueden requerir protección contra la erosión por lluvias.

-

Las zonas bajas, son generalmente más húmedas y/o propensas a la acumulación de agua, constituyen el depósito de suelos erosionados de las partes altas por las lluvias y pueden tener vegetación y materia orgánica. Son más susceptibles a ser afectadas por flujos ocasionales de agua, inundaciones, huaycos y en la costa: flujos de arena. En general pueden requerir de drenaje superficial y/o subdrenaje.

Una cuestión de carácter topográfico que resulta fundamental, es la determinación de las cotas de la superficie del terreno en cada sondaje. La cota es necesaria para correlacionar estratos, especificar niveles de cimentación y establecer la situación de la napa freática. Se presta también para la presentación de secciones del terreno. -

La topografía también es necesaria para estudiar necesidades de drenaje superficial y subdrenaje, que se relacionan con propiedades de los suelos.

-

Asimismo, para evaluar la posibilidad de flujos de agua, inundaciones; huaycos, etc.

-

Para prever cortes y rellenos, para establecer plataformas más o menos planas.

-

Para ubicar volúmenes de materiales en las investigaciones de canteras.

•

Geología.- La geología permite conocer la roca madre -muy importante en el caso de suelos residuales- así como estimar los perfiles de intemperización. Igualmente la geología provee información valiosa para la determinación del origen de los suelos, que cualitativamente pueden servir para estimar los tipos de suelos y su uniformidad.

•

Fotos Aéreas.- Aún en el caso de estudios de suelos para estructuras pequeñas, las fotos aéreas proveen una información valiosa para la determinación, por interpretación de la geología y geomorfología del sitio.

•

Clima.- Se requiere. un conocimiento claro del clima del lugar, especialmente en lo referente a lluvias, temporadas de éstas y posibilidad de inundaciones o erosiones; así como para la planificación de las exploraciones.

•

Sismicidad.- El análisis de una cimentación requiere tomar en cuenta et factor sísmico, cuando éste puede afectar al suelo. Por ejemplo: licuefacción de arenas.

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•

Pozos de Agua.- Para determinar el nivel freático del área.

•

Estudios de Suelos.- Cuando en la cercanía del sitio existen estructuras importantes o relativamente recientes, probablemente se cuente con estudios de suelos, los cuales constituyen una información importante para la elaboración del programa de exploración.

•

Características y estado de estructuras cercanas.- Las características y el estado en que se encuentran las estructuras cercanas al sitio es una información muy importante, con que cuenta el Ingeniero que planea una exploración en un sitio desconocido para él. Si la estructura es muy antigua, probablemente no sea posible conseguir tos planos.

a.3. Necesidades del Proyecto Por razones inherentes al proyecto mismo y por la interrelación entre este y el subsuelo o el medio en el que se ubica, es necesario obtener la información suficiente que permita al proyectista resolver determinados problemas técnicos que se le presentan; entre los cuales podemos mencionar: •

Cimentaciones.- Todas las obras de ingeniería tienen una acción activa sobre el suelo a través de las cargas que se aplican. Estas pueden variar en su intensidad (alta o baja) y forma de aplicación (concentrada o distribuida), pasando por situaciones intermedias. Asimismo, por razones inherentes al tipo de obra, al servicio que presta y a los materiales que la forman; la tolerancia de la misma a los asentamientos es variable y habrá necesariamente de influir en los alcances del programa de investigación de suelos, pudiendo en algunos casos requerirse de un programa de muestreo de campo y ensayos de laboratorio, claramente orientado al estudio de los asentamientos. El programa .de exploración debe proveer información suficiente de los suelos para soportar las cargas con factores de seguridad adecuados y sin que ocurran asentamientos perjudiciales. Esto requiere determinar la resistencia al corte y la compresibilidad de los suelos bajo el nivel de cimentación.

•

Cortes.- En algunos proyectos es necesario efectuar cortes en terreno natural; dependiendo de la altura del corte y de los materiales involucrados, éste por si mismo puede resultar un problema de ingeniería más serio que la cimentación de una estructura ubicada al pié. Aún en el más simple de los casos, es necesario conocer el tipo de material en el que se efectuará el corte, para prever los métodos, equipos y costos de excavación; asimismo; determinar los parámetros necesarios para el cálculo de la estabilidad del talud.

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Sondajes

Área de Corte

La profundidad de los sondeos debe llegar por debajo del pie del talud.

Figura 1.2 Profundidad de sondajes en un corte

•

Rellenos.- En otros casos puede requerirse la ejecución de rellenos importantes; se requerirá la determinación de áreas de préstamo y el estudio de la explotación y colocación del material, así como de los parámetros del suelo colocado, que se requieran para otros análisis.

•

Excavaciones.- Diferenciamos excavaciones de cortes, considerando a las excavaciones como cortes semi-cerrados, es decir, provistos de por lo menos dos lados (ejemplo: sótanos, zanjas, pozos, etc.). Sobre todo en el caso de excavaciones profundas, se requerirá del conocimiento del suelo a excavar, de la napa freática y de los parámetros necesarios para el estudio de la estabilidad de las paredes de la excavación y el diseño consiguiente de estructuras de soporte provisionales y permanentes, del sistema de drenaje y del procedimiento de excavación y extracción del material.

Excavación

Sondeo

Sondeo

Sondeo

La profundidad de los sondeos debe alcanzar un nivel tal, bajo el fondo de la excavación que asegure que la información es suficiente para el cálculo de la estabilidad de la pared de excavación y del flujo del agua que asciende Figura 1.3 Sondajes en una excavación

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•

Permeabilidad de Cimentaciones.- Especialmente en la investigación de sitios para presas, se da una gran importancia a la determinación de los parámetros característicos de la permeabilidad del suelo. Sin embargo. hay casos excepcionales en los cuales se deben llevar a cabo programas similares, Por ejemplo el programa de investigación que se requiere para determinar los costos de bombeo durante la etapa de construcción y durante la operación de un dique seco ubicado parcialmente bajo la napa freática.

•

Investigación de Canteras.- Para todos aquellos proyectos en los que se requiere utilizar el suelo o la roca, como material .de construcción, será necesario llevar a cabo programas de investigación de canteras.

•

Muros de Sostenimiento.- En algunas estructuras es necesaria la construcción de muros de sostenimiento, bien sea para sótanos, o para el soporte de relleno o corte. En todos los casos se requerirá de la investigación para determinar los parámetros de corte, de las características del relleno a colocar; además la investigación debe orientarse hacia la determinación de los parámetros necesarios para el cálculo del empuje de tierras, orientación que, con ligeras variantes en los procedimientos, debe ejecutarse también en el caso de tratarse de muros de sostenimiento que soporten rellenos artificiales.

•

Problemas hidráulicos.- Tales como cálculo de caudales, fuerzas de filtración, abatimiento del nivel freático, subdrenaje. En estos problemas se requiere conocer la estratigrafía y permeabilidad del subsuelo, el nivel freático, la geometría de los acuíferos, etc.

•

Respuesta Dinámica.- En algunos tipos de proyectos o estructuras se requiere efectuar un análisis sísmico más preciso que el establecido en las Normas Peruanas de Diseño Sismo-Resistente; para ello se requerirá evaluar la respuesta dinámica del subsuelo, para lo cual es necesario tomar previsiones en el programa de exploración, a fin de efectuar sondeos de las profundidades y características requeridas, e incluir los ensayos necesarios para la determinación de las características dinámicas de los suelos.

•

Recomendaciones constructivas, tales como métodos de excavación, soporte temporal (entibados) y calzaduras.

•

Efecto sobre estructuras cercanas, sobre todo si se trata de estructuras frágiles a las cuales las nuevas obras pudieran causar daño durante la etapa de construcción o funcionamiento.

•

Fricción en Pilotes.- En los casos, en los cuales se requiere el uso de pilotes de fricción, el programa de exploración también deberá estar orientado a la obtención de los parámetros necesarios para la determinación de los valores aplicables de fricción entre el suelo y el pilote.

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Debe notarse que en algunos problemas, por ejemplo de cimentaciones de estructuras, normalmente es suficiente conocer las propiedades promedio del subsuelo. En cambio para analizar la estabilidad de taludes y problemas hidráulicos, se requiere conocer aún lentes muy delgados que pueden resultar críticos, por lo que en estos casos resulta necesario efectuar muestreo continuo o excavaciones a cielo abierto.

a.4. Hipótesis del Subsuelo Con el estudio de la información existente antes indicada, es necesario elaborar una hipótesis razonable sobre el perfil de suelos más probable a encontrar en el sitio; esta hipótesis es la base de los métodos de exploración, muestreo y ensayo escogidos, y deberá ser comprobada en el inicio de la ejecución de la investigación. Si la información existente es insuficiente para plantear una hipótesis razonable, puede ser necesario efectuar un programa preliminar de investigación de campo o se puede diseñar un programa elástico que se inicie con sondeos exploratorios preliminares y que se vaya reajustando en el campo de acuerdo a los resultados que se vayan obteniendo. En situaciones complejas, la hipótesis del subsuelo no es estática sino que puede variar en cierta medida conforme avanza la exploración de campo y aumenta el conocimiento que se tiene del problema. Un elemento fundamental para elaborar una adecuada hipótesis del subsuelo, es la geomorfología y geología del cuaternario imperante en el lugar.

b.

TÉCNICAS DE EXPLORACIÓN El objetivo de la fase de investigación del sitio consiste en la exploración de las condiciones del subsuelo y el muestreo de los suelos. Ello provee el fundamento para el desarrollo del diseño del perfil del suelo. Hay una variedad de técnicas para lograr estas metas.

b.1. Perforaciones exploratorias o sondeos El método más común de exploración de las condiciones del subsuelo es perforar una serie de agujeros verticales en el terreno. Estos son conocidos como perforaciones exploratorias y típicamente tienen un diámetro que varía entre 3 a 24 pulgadas (75 - 600 mm) y su profundidad entre 3 - 30 m. Ellos pueden perforarse con barrena manual o con un equipo portátil, o también usando equipos de perforación montados en camiones. Se dispone de una amplia variedad de equipos de perforación y técnicas que se acomodan a varias condiciones del subsuelo que puedan encontrarse. Los derrumbes se pueden presentar probablemente en arenas limpias, especialmente bajo el nivel freático, mientras que los estrechamientos son más probables en arcillas saturadas.

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Excavaciones a Mano En nuestro país, la excavación a mano resulta más económica que !a exploración con equipos mecánicos. La excavación a mano es técnicamente más conveniente que la mecánica en los suelos cohesivos, debido a que permite la obtención de muestras inalteradas de la mejor calidad posible y a menor costo; sobre todo permite la observación directa de los estratos, circunstancia esta que resulta invalorable en especia! cuando se requiere perfilaje continuo (en taludes y problemas hidráulicos). En suelos como el cascajo de Lima se han alcanzado 30 m de profundidad mientras que en rocas y tufos excavables la profundidad ha llegado a más de 45 m. Las excavaciones someras realizadas a una profundidad de 3 m o menos, llamadas también calicatas, se realizan con el uso de pico y lampa únicamente. En el caso de suelos que lo requieran, será necesario entibar las paredes. Si se presenta napa freática y se trata de suelos permeables, es posible que la profundidad máxima de la excavación esté limitada por la cota a la cual se encuentra la napa freática. Como las excavaciones a más de 5 m. demandan varios días, se requerirá el vaciado de un anillo de concreto pobre en la boca de la calicata, con el fin de impedir el desmoronamiento del borde que se produce con el tránsito del personal (Figura 1.4) Tornillo para elevar balde

Soga

Anillo de concreto

Entibado en sectores inestables

Balde

Figura 1.4 Excavación Profunda

Cuando se encuentran materiales deleznables, debe colocarse un entibado temporal para evitar que puedan ocurrir derrumbes; aún en las gravas más densas, la posibilidad de que caiga una piedra de lo alto y cause un accidente a los trabajadores, siempre existe. Por esta razón, aparte del uso de los cascos, se suele trabajar con la protección de un para piedras, metálico, que tiene la forma de un paraguas. Ingeniería de Cimentaciones

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En el caso de investigación de terrenos en pendiente, una variante de la calicata es la denominada "trinchera", que consiste en una zanja excavada siguiendo la máxima pendiente del talud. Tanto en las trincheras como en algunas calicatas que muestran diferente inclinación de los suelos en las caras de la excavación, se utiliza el perfilaje de suelos de cada cara individualmente. Sondeos con Barrenadora Manual La barrenadora manual (Figura l.5) permite un avance rápido en suelos cohesivos con o sin napa freática, mientras que en suelos arenosos saturados es imposible su uso sin revestimiento, así como en suelos con grava, salvo que se trate de barrenadoras con puntas intercambiables por otras que permiten un avance relativamente aceptable en gravas no mayores de 3". En arenas secas y sueltas, para et uso de la barrenadora manual se requiere del humedecimiento continuo de la arena a fin de estabilizar temporalmente las paredes del pozo.

Barrena o Iwan Auger

Barrena holandesa

Barrena Helicoidal

Barrena de espiral abierto y cerrado

Barrena de grava

Cuchara excavadora

Figura 1.5 Barrenadora y Accesorios

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Los sondeos con barrenadora manual son perforaciones limpias, generalmente sin adición de agua que altere el contenido natural de humedad; con el equipo suficiente y la experiencia necesaria se puede alcanzar con ellas hasta 10 m de profundidad y realizar tos mismos ensayos que se realizan en los demás tipos de perforaciones (SPT, Veleta, muestreo inalterado). Los alcances y usos de los sondeos con barrenadora manual dependerán finalmente de la estabilidad de las paredes del pozo.

Sondeos con Espiral Motorizado El espiral es uno de los aditamentos que se usan en las barrenadoras. Los espirales motorizados tienen la característica de ser continuos y no limitados a la punta como en el caso de la barrenadora manual. Los espirales se fabrican en diámetros variables, que va desde 1.5" a 12" y aún más, para usos especiales. Los espirales de hasta 4" de diámetro pueden usarse con pequeños motores ligeros que se sostienen entre dos hombres y con ellos se pueden ejecutar sondeos de hasta 6 m. Los espirales motorizados de mayor tamaño se operan con máquinas relativamente pesadas. Con un espiral de 10" de diámetro y el uso de una máquina pesada se puede hacer un sondeo de 30 m en apenas una hora.

Figura 1.6 Equipo de perforación con barrena espiral motorizada

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Las limitaciones de los espirales se presentan con el tipo de suelos, el mezclado de suelos de distintos estratos y con los problemas derivados de la imprecisión con que se determina la posición de un estrato. Su uso es muy práctico en suelos cohesivos no gravosos; tienen muchas dificultades para avanzar en las gravas gruesas y en los suelos arenosos saturados. La muestra del espiral es una mezcla muy disturbada de los suelos que va atravesando, .y al haber un lapso indeterminado entre el momento en que emerge la muestra y aquel en que fue cortada, es esencial ejecutar los sondeos con carreras de no más de 1 a 1.5 m, retirando el espiral para efectuar muestreos convencionales. Una versión más sofisticada del espiral tradicional, es el espiral con eje hueco (Hollow stem auger). El espiral de eje hueco, varias veces más costoso que el convencional, permite ejecutar los mismos ensayos que se realizan en las perforaciones con forro, introduciendo las barras y muestreadores a través del eje hueco, pero sin necesidad del forro y sin que sea preciso retirar el espiral, lo cual permite reducir el tiempo de operación y asegurar la estabilidad del pozo.

Sondeo por Lavado Probablemente sea el método de perforación más popular en nuestro país. El procedimiento es muy simple. Se usa un tubo de acero exterior, que actúa como forro (casing) de la perforación; el avance de la perforación se realiza rnediante el uso de una barra interior de acero hueca, a través de la cual se inyecta agua a presión, provista de una punta o cincel con salidas de agua, o toberas; colocadas de tal manera 2 que al aplicar desde arriba agua a presión (10 Kg/cm ), al salir el chorro de agua por las toberas, ayuda al cincel a desprender partículas del suelo (Figura 1.7). El agua introducida por el interior de la barra hueca, sube hacia arriba a través del espacio anular que queda entre el forro exterior y la barra interior. El flujo de agua de regreso del fondo del hueco hacia arriba arrastra las partículas, permitiendo así el avance de la perforación. Habitualmente se avanza con el cincel no más de 15 cm. delante del casing; al alcanzar esta distancia, se procede a golpear y/o rotar la parte superior del casing para hacerlo descender; este procedimiento impide que un avance excesivo del cincel delante del casing motive el desprendimiento de las paredes del pozo, lo cual en las proximidades de un ensayo o muestreo puede motivar su alteración por la presencia de trozos de suelo pertenecientes a niveles diferentes al ensayado. El éxito de las operaciones por lavado, dependerá finalmente de la potencia y caudal de la bomba de agua, para profundidades de hasta 20 m se recomiendan bombas de pistón con presión de hasta 200 lbs/pulg2.

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Polea

Conexión a la bomba

Soga Copla “T” para retorno del agua

Llaves para girar barra Jale Malacate

Motobomba de la presión

Motor

Forro El agua de lavado emerge y acarrea el suelo hacia arriba

Figura 1.7 Equipo de perforación por lavado (wash boring)

No se recomienda el uso del sistema de perforación por lavado con diámetros de forro superiores a las 4", debido a que se requiere con frecuencia una bomba extraordinariamente potente, para que mantenga en todo momento una alta velocidad en el agua de retorno. Los diámetros exteriores habituales de forros usados en la perforación por lavado varían de 73 mm a 114.3 mm y se denominan Hx (104.8 mm φ int.), Nx (80.9 mm φ int.) y Bx (65.1 mm φ int.). Hx Nx 65.1

73.0

80.9

88.9

104.8

114.3

Bx

Figura 1.8 Casing o forro de acero usado en las perforaciones

Uno de los requisitos más importantes de la perforación por lavado para propósito de investigación de suelos, es que las toberas de agua de los cinceles o herramientas de corte, no estén dirigidas hacia abajo, pues el chorro de agua directo hacia abajo altera el suelo ubicado en el fondo del hueco donde se realizan los ensayos o muestreos inalterados. Ingeniería de Cimentaciones

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Sondeos Rotatorios Los sondeos rotatorios son de varios tipos, se mencionará aquí únicamente a los más frecuentemente usados en nuestro país para propósitos de exploración de suelos: Sondeos mediante broca de diamante.- Son los más populares en el medio, Para la investigación de ingeniería civil es necesario usar el persona! más capacitado, asegurándose además que conozca los métodos de muestreo y ensayos in-situ de suelos. La perforación diamantina se usa preferentemente en rocas y en suelos gravosos o con bolos. Sondeos con broca de carburo de tungsteno.- Habitualmente utilizados cuando se perforan rocas relativamente blandas o friables. La perforación con tungsteno es bastante más económica que la diamantina, pero produce por lo común plazos de operación más largos y muestras de inferior calidad. Sondeos con zapata aserrada.- Es el procedimiento de perforación por rotación más económico, pero solamente aplicable a rocas muy blandas o arcillas muy duras, se requiere un buen enfriamiento de la broca, caso contrario ésta se puede fundir. La máquina diamantina consta de un motor que acciona un winche auxiliar y un cabezal rotatorio provisto de un husillo que gira a velocidades variables, generalmente entre 500 y 1500 RPM. Asimismo, cuenta con un sistema de avance para carreras verticales de 24" a 48", el cual es generalmente hidráulico. Las máquinas mas modernas cuentan con dispositivos automáticos que enroscan y desenroscan la tubería, midiendo en todo momento el torque aplicado durante la perforación, así como la presión aplicada a la broca y la velocidad de ésta. Toda esta información puede registrarse y grabarse para un posterior estudio de las condiciones del terreno. Por el husillo de la máquina se bajan barras de perforación huecas de acero especial; estas barras tienen dimensiones variadas y se complementan con los forros de perforación. En el extremo inferior de la sarta de barras de perforación se coloca el muestreador (core barrel) que habrá de recibir la muestra; este muestreador tiene en el extremo una broca de diamante, de carburo de tungsteno o de acero dentado y reforzado con soldadura especial. Generalmente, para asegurarse que el diámetro del sondeo no va a disminuir al desgastarse el frente de ataque de la broca, los muestreadores llevan un escariador diamantino (reaming shell), que consiste en un manguito con incrustación de diamantes grandes, ubicado detrás de la broca. Como en el caso de la perforación por lavado, aquí también se inyecta agua a presión desde la parte superior a través de la sarta de barras; el agua circula hacia abajo por el interior hueco de las mismas; el agua en este caso además de tener la función de levantar las partículas de roca Ingeniería de Cimentaciones

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cortadas por la broca, tiene como misión enfriarla, pues la broca al cortar la roca fricciona con ésta y puede calentarse al extremo de llegar a destruirse. Una vez bajada la sarta de barras con el muestreador delante debidamente provisto de la broca, se hecha a andar el husillo a una velocidad de rotación tal que produzca la velocidad tangencial adecuada según el tipo de roca, su fracturamiento y el tipo de broca usado. Una vez que la broca ha perforado la carrera total del muestreador (que varía de 1.5 a 6 m), se detiene la perforación y se extrae el muestreador para vaciar su contenido y examinarlo, colocándolo luego de nuevo para reiniciar la perforación. La elección de las brocas de corte se hace según el tipo de terreno que va a ser atravesado. Por lo general para rocas más duras se escogen brocas con matriz dura y diamantes pequeños. Para rocas muy fracturadas es conveniente brocas impregnadas (residuo de diamante embebido en la matriz, la cual al desgastarse por el roce los va exponiendo), dependiendo del grado de abrasividad de la roca fracturada, se escogerá una matriz blanda a muy dura. Para rocas de dureza media se utilizan diamantes más grandes, y para rocas relativamente blandas se utilizan brocas de carburo de tungsteno. Sondeos rotatorios "wire line".- Se utiliza un muestreador que va sujeto mediante ganchos al extremo inferior del forro, el cuál lleva una única broca de corte. Cuando el muestreador se llena con la muestra, desde arriba se baja un "pescador" sujeto a un cable de acero; el "pescador" pesca al muestreador por detrás y simultáneamente destraba los ganchos de sujección permitiendo su izaje. Este sistema se usa principalmente donde es notorio el ahorro en el izaje de las barras. Sondeos Rotatorios mediante Triconos (Tricone Rotary Drilling).- En este caso se usan máquinas muy similares a las usadas en sondeos diamantinos, con la diferencia que las máquinas deben trabajar a velocidad de rotación más baja (50 RPM) y torque más alto. Para cortar se usa una broca que en diámetros pequeños de 3 1/8" a 5" no saca testigo. Otra característica de la perforación es que la presión vertical es varias veces mayor que la aplicada en diámetros equivalentes de perforación diamantina.

Figura 1.9 Broca Tri-cono Ingeniería de Cimentaciones

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En el caso del uso de la broca tricono -la cual generalmente se utiliza solamente para avanzar la perforación en zonas en las cuales no interesa el muestreo- en lugar de agua se usa lodo bentonítico, que consiste en una mezcla de agua y bentonita. Existen muchas variedades de bentonita para uso en perforación, así como una gran cantidad de aditivos que se agregan a la mezcla para mejorar su efectividad. Básicamente el lodo bentonítico tiene por finalidad impermeabilizar las paredes del pozo y mediante ello reducir las pérdidas de lodo, enfriar la broca, y finalmente elevar los detritos resultantes del corte que efectúa la broca. El control del lodo bentonítico es una especialidad en sí y en la industria petrolera es un ingeniero especialista el que está a cargo del mismo. En las perforaciones para ingeniería civil nos limitamos a controlar los siguientes parámetros del Iodo: -

-

Peso unitario. Viscosidad (mediante el embudo de Marsh). Contenido de arena. Ph. Conductividad eléctrica.

Los tres primeros parámetros sirven fundamentalmente para controlar la eficiencia del lodo de perforación. Los dos últimos permiten detectar si el lodo esta siendo contaminado por estratos salinos o napas cargadas de sales, lo cual puede alterar su eficiencia o ser motivo de un muestreo especial.

b.2. Características de los Sondeos – Número y Profundidad El número, localización y profundidad apropiada para las perforaciones depende de varios factores, incluyendo los siguientes: • Si el perfil del suelo es errático, u homogéneo en el lugar. •

Si la estructura necesitará una cimentación superficial o profunda.

•

Cuán crítica es la estructura (¿Qué consecuencia produciría la falla de la cimentación?)

•

¿Cuán grande es la estructura?

•

En nuestro país, la poca importancia que se le da a los estudios y la informalidad, juegan un papel adverso a los proyectos, lo que requiere una actitud muy clara de los ingenieros.

No tendremos una respuesta final a algunas de estas preguntas (tal como el tipo de cimentación) hasta que se completen los programas de exploración y muestreo. Sin embargo, debemos tener al menos una idea aproximada del diseño final para planear un programa de exploración más acorde a lo que podría ser dicho diseño (aspecto muy difícil a veces).

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Según Sowers (1979) Sugirió ciertas normas para el espaciamiento entre perforaciones para proyectos sobre perfiles de suelos típicos. Estas normas se muestran en la tabla 1.1 También sugirió que estos espaciamientos podrían duplicarse en sitios con condiciones muy uniformes de suelo o pueden reducirse a la mitad en sitios con condiciones muy erráticas del suelo. El código básico de construcción (BOCA, 1,990) requiere un espaciamiento más cercano: al menos 1 perforación para cada 2,500 p² (230 m²) de área de construcción. Tipo de Estructura

Espaciamiento aproximado de perforaciones (pie)

(m)

Construcciones de varios pisos

50 - 150

15 – 45

Plantas de producción de 1 piso

100 - 300

30 –90

Tabla 1.1 Norma para el espaciamiento de perforaciones exploratorias.

Las perforaciones deberían extenderse a una profundidad tal que el cambio del esfuerzo efectivo debido a la construcción no sea mayor que el 10% del esfuerzo efectivo inicial. Para edificaciones sobre zapatas aisladas, Sowers (1,979) sugiere este criterio que será satisfecho si las perforaciones llegan a las profundidades especificadas en la tabla 1.2.

Tipo de edificación

Profundidad mínima de perforaciones1. (pie)

(m)

Estrecha y liviana

10 S

0.7

3S

0.7

Ancha y pesada

20 S

0.7

6S

0.7

1

s es el número de pisos de la edificación. Tabla 1.2 Normas para escoger la profundidad de las perforaciones exploratorias para edificaciones con cimentaciones superficiales

Ejemplo: 2 pisos Liviana : Profundidad (p) = 4.87 m Pesada: Profundidad (p) = 9.75 m

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Si se presenta un relleno, las perforaciones deben extenderse a través de él e introducirse en terreno natural. Para estructuras pesadas, al menos algunas de las perforaciones deberían ser llevadas al manto rocoso, si es posible. Si se anticipa una cimentación profunda, las perforaciones deberían extenderse muy por debajo de la base de la cimentación. En grandes proyectos, el programa de perforación puede dividirse en 2 fases: una fase preliminar para determinar el perfil general del suelo y una fase final planeada en base a los resultados de las perforaciones preliminares. Las condiciones encontradas en una perforación exploratoria normalmente se presentan en la forma de un reporte de perforación como se muestra en la figura 1.3. Estos reportes también indican la localización de las muestras y podrían incluir algunas resultados de los ensayos de laboratorio.

Según Michelena

Número de sondajes (n) El número de sondajes a realizar está determinado por el espaciamiento entre éstos y la extensión del proyecto. No existe un criterio único para la determinación del distanciamiento de los sondeos. En general, el programa inicial se basa en la hipótesis del subsuelo, durante su ejecución se va verificando si esta hipótesis se confirma o no; de no ser confirmada, el distanciamiento puede disminuir si el subsuelo es más uniforme de lo previsto, o aumentar, si el subsuelo resulta menos uniforme. El siguiente cuadro muestra los espaciamientos típicos utilizados en función del tipo de proyecto. Los valores dados pueden duplicarse si el suelo regular, uniforme y conocido, o reducidos a la mitad si el suelo es irregular. ESPACIAMIENTO DE SONDEOS Estructura o Proyecto Urbanizaciones (casas hasta 2 pisos) Fábricas de un piso (luces de hasta 6 m.) Edificios de Varios pisos Carreteras y autopistas Presas Canteras

Espaciamiento (m) 40 - 70 30 - 60 20 - 50 50 - 500 20 - 60 30 - 120

Tabla 1.3 Espaciamiento de sondeos según el tipo de estructura

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UNIVERSIDAD DE PIURA Laboratorio de Estructuras y Ensayo de Materiales

EXPLORACIÓN DEL SUELO

Área de Mecánica de suelos

Clasificación S.U.C.S.

Perfil Estratigráfico

Indice de Plasticidad (%)

Limite Liquido (%)

N° de Golpes (30cm). Humedad (&)

Profundidad

Proyecto: Colegio Nacional San Miguel LP-153-95 Fecha: 14/07/95 Ubicación: Piura Perforación: S-1 Profundidad Total: 6.35 Cota del Terreno ----- Nivel Freático: Prof.: 2.50m Cota ------

Resistencia a la Penetración

Descripción del Suelo

Golpes/30cm. 10 20 30 40 50 60 70 De 0.00 a 1.95m.: Arena fina color gris cloro (SP).

1.61

1.0

1.0

De 1.95 a 4.45 m.: Arena fina con finos no plásticos color gris claro (SP/SM).

2.0

De 4.45 a 5.15 m.: Arena limosa con finos no plásticos, color gris verdoso (SM).

SP 10

4.97

2.0 18

21.47 NF

20

22.20

3.0

3.0 44

23.36

De 5.15 a 6.35 m.: Arcillas inorgánicas de baja plasticidad, color gris claro (CL).

SP-SM

4.0

4.0 45

22.42 5.0

5.0 SM 39

26.68

37

21.33

6.0

6.0 CL

El nivel freático se encontro a 2.50m. 7.0

7.0

8.0

30.25

7.92 LAMINA N° 03

Arena Arcilla Limo

Grava Orgánico Relleno

LEYENDA

Figura 1.10 Reporte de un Sondeo Ingeniería de Cimentaciones

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En el cuadro anterior se puede observar que el rango mayor lo tienen las carreteras; en éstas, como en todas las estructuras de carácter lineal (líneas de transmisión; oleoductos, canales, fajas transportadoras, etc.) el costo de la investigación de suelos puede resultar muy alto debido a la extensión de la obra. Recordemos que una presa o estructura similar, por grande que ésta sea, está confinada a un área determinada y por consiguiente la inversión en la investigación de suelos se concentra también en esa área reducida; en cambio en las estructuras lineales, de utilizarse la misma densidad de investigación que en las estructuras concentradas, el costo de la investigación resultaría inaceptable. En el caso de las estructuras lineales, lo más conveniente es efectuar una zonificación geomorfológica en la etapa previa de reconocimiento. Luego, la investigación del subsuelo se enfoca con un criterio de muestreo estadístico de cada una de las zonas. Para cualquier tipo de estructura el número mínimo de sondeos a realizar es de tres, solamente en el caso de terrenos con suelos muy conocidos o en estructura con carga reducida o un área muy pequeña puede disminuirse este número. En el caso de edificaciones convencionales, el número y distribución de los sondeos dependerá principalmente de la posición y densidad de los elementos que transmiten la carga al suelo (columnas, muros, etc.); así se puede observar en la figura adjunta, la distribución de sondeos en el caso de estructuras con distinta disposición de cargas en planta.

Edificio con muchas zapatas aisladas.

Pabellón industrial con tijerales de gran luz.

Sondeo Figura 1.11 Ubicación de Sondeos

Profundidad de los Sondajes (p) La profundidad de los sondeos, debe llegar hasta una profundidad tal que el efecto de las cargas no sea mayor al 10% de la presión de confinamiento, esta afirmación no es absoluta y es fruto de la experiencia en este campo. Sin embargo, reconocemos que profundidad en que el incremento de presión es 10% sólo podrá conocerse después de estudiado el suelo y de determinadas las condiciones de cimentación.

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Para los fines prácticos se requieren reglas prácticas. Estas reglas se dan a continuación, según las denominaciones empleadas para las necesidades del proyecto:

-

Cimentación de edificaciones.- Para el caso de un edificio típico de acero o concreto armado de varios pisos, el incremento del 10% antes citado, ocurrirá en un amplio rango según los depósitos de suelos. Para el caso de edificaciones cimentadas sobre pilotes, deberá conocerse el perfil del suelo por debajo de la punta de los pilotes, en la profundidad influenciada por éstos. Esto implica que el tipo de cimentación debe poderse decidir mientras se está ejecutando la exploración, si se quiere evitar el elevado costo que representaría regresar para efectuar sondeos más profundos.

-

Cortes y excavaciones.- La profundidad de los sondeos debe llegar a un nivel ubicado por debajo de la cota del corte. Debe conocerse el material a excavar pata elegir los métodos de excavación, prever los problemas de estabilidad y soporte de las paredes del corte, y efectuar los análisis de costos; asimismo, debe llevarse bajo la cota de corte porque la estabilidad de las paredes requiere de análisis que pueden involucrar un determinado espesor de suelo por debajo del fondo de corte o de la excavación. Adicionalmente. si existe napa y el área del fondo es mayor que la de las paredes o compuesta por un material varias veces más permeable, el flujo de ésta a la excavación estará en gran parte regido por las características de los estratos ubicados bajo el fondo de! corte.

-

Muros de sostenimiento.- En este caso, la investigación hasta la cota de cimentación del muro, interesa para la determinación de las características del suelo que se requieren para el análisis del empuje de tierras; adicionalmente, la profundidad del sondeo debe llegar por debajo de la cota de cimentación del muro de sostenimiento, para poder diseñar la cimentación; esta profundidad se calcula de manera similar a la indicada para el caso de edificaciones.

-

En estructuras para las cuales se han de realizar análisis sísmicos, la profundidad de los sondeos deberá ser tal que alcance todos los estratos que puedan interesar para este análisis; esta profundidad es generalmente mayor que la requerida para un estudio de suelos convencional.

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Según la Norma Peruana E.050 En primer lugar, se hará una clasificación de las edificaciones de acuerdo a uno de los tipos determinados en la Tabla 1.4. Los tipos de edificación A, B y C designan la importancia relativa de la estructura desde el punto de vista de la investigación de suelos necesaria para cada tipo, siendo el A más exigente que el B y éste que el C. TIPO DE EDIFICACIÓN N° de Pisos (Incluidos sótanos) Distancia Mayor entre 4a8 9 a 12 > 12 ≤3 Apoyos* (m)

Tipo de Estructura Aporticado de Acero Porticos y/o muros de concreto Muros portantes de Albiñilería Tanque elevados y similares Bases de máquinas y similares Estructuras especiales Otras estructuras

< 12

C

C

C

B

< 10

C

C

B

A

< 12

B

B

-

-

< 10

B

A

A

A

Cualquiera

A

-

-

-

Cualquiera

A

A

A

A

> 10

B

A

A

A

* Cuando la distancia sobrepasa a la indicada, se clasificará en el tipo de edificación inmediato superior. * De 4 a 5 pisos.

Tabla 1.4 Tipo de Edificación

Número de sondajes (n) Se determina este número de sondajes en la Tabla 1.5 en función del tipo de edificio y del área de la superficie a ocupar por éste. NUMERO DE PUNTOS A INVESTIGAR Tipo de edificación

Número de puntos a investigar (n)

A B C

1 cada 225 m2 1 cada 450 m2 1 cada 800 m2

Urbanizaciones

3 por cada Ha. de terreno habilitado

Tabla 1.5 Número de puntos a Investigar

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Cuando se conozca el emplazamiento exacto de la estructura n se determinará en función del área en planta de la misma; cuando no se conozca dicho emplazamiento, n se determinará en función del área total del terreno. El valor de n nunca será menor que 3, excepto en los casos donde no sea obligatorio un Estudio de Mecánica de Suelos (EMS) según la Norma. Los puntos de exploración se distribuirán uniformemente en la superficie del terreno y por lo menos el 70% de los puntos caerán dentro de la superficie a ocuparse con la edificación.

Profundidad de los sondajes (p)

Cimentación Superficial Se determina de la siguiente manera: Edificio sin sótano: p =

Df

Edificio con sótano: p = h

+

Z

+

Df

+

Z

Donde: Df = En edificio sin sótano, es la distancia vertical de la superficie del terreno al fondo de la cimentación. En edificios con sótano, es la distancia vertical entre el nivel del piso terminado del sótano al fondo de la cimentación. h = Distancia vertical entre el nivel del piso terminado del sótano y la superficie del terreno natural. Z = 1 .5 B; siendo B el ancho de la cimentación prevista de mayor área.

En el caso de ser conocida la existencia de un estrato resistente que normalmente se utiliza como plano de apoyo de la cimentación en la zona, a juicio y bajo responsabilidad del Profesional Responsable, se podrá adoptar para p la profundidad del estrato resistente más una profundidad de verificación, la cual no deberá ser menor de 1 m. La profundidad p mínima será de 3 m. Si se encontrase roca antes de alcanzar la profundidad p, el Profesional Responsable deberá llevar a cabo una verificación de su calidad, por un método adecuado.

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Cimentación Profunda La profundidad mínima de cimentación profunda corresponderá a la profundidad activa de cimentación, la cual se determinará de acuerdo al tipo de cimentación empleada. Se debe analizar la interacción entre las cimentaciones mediante los métodos aceptados por la mecánica de suelos.

b.3. Técnicas de muestreo de suelos Uno de los principales propósitos de las perforaciones exploratorias es el obtener muestras representativas del suelo que son usadas para determinar el perfil estratigráfico y para realizar ensayos de laboratorio. Existen 2 categorías de muestras. Muestras Disturbadas.- Una muestra disturbada (algunas veces llamada volumen de muestra) es aquella que no mantiene la estructura in-situ del suelo. Muestras no disturbadas.- Una muestra verdaderamente no disturbada es aquella en la que el suelo se recupera completamente intacto al igual que su estructura in-situ y los esfuerzos no se modifican de ningún modo Algunos suelos están más sujetos a la disturbancia que otros. Por ejemplo, existen técnicas para obtener muestras de buena calidad de arcillas medias mientras que es casi imposible obtener una muestra sin disturbancia excesiva en arenas limpias. Sin embargo, incluso las mejores técnicas producen muestras que son mejor descritas como relativamente no disturbadas.

(a)

Los muestreadores de tubo Shelby tienen paredes muy delgadas para reducir la disturbancia de la muestra.

(b)

Los muestreadores de Cuba tienen las paredes gruesas para resistir un manejo más exigente

Ambos tienen aproximadamente 2.5 – 4” de diámetro.

Figura 1.12 Herramientas usadas con frecuencia en el muestreo.

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Se dispone de una gran variedad de instrumentos para el muestreo. Algunos de estos instrumentos se muestran en la Figura 1.12. Aquellos con paredes delgadas producen una disturbancia mínima, pero podrían no tener la integridad necesaria para penetrar suelos duros. Se distinguen dos tipos de muestreo: el muestreo representativo y el inalterado.

Muestreo Representativo Se denomina muestreo representativo a aquel que logra una muestra disturbada, que conserva la integridad y proporción de sus componentes originales: suelo, agua, sales y componentes sólidos varios, es decir, que no ha pedido partículas sólidas ni agua durante el proceso de muestreo. Una muestra representativa permite su clasificación e identificación correctas. Muestreo Representativo en excavaciones a mano.- Se lleva a cabo extrayendo la muestra del estrato respectivo en las paredes de la calicata, haciendo uso de una lampa pequeña o herramienta similar; previamente se ha cortado la costra exterior de suelo para eliminar el suelo que se haya secado o humedecido por la exposición a la intemperie; a continuación se introduce la muestra en una bolsa de plástico y se identifica. Paralelamente se puede obtener una muestra destinada a la determinación del contenido de humedad, introduciendo. el material en una lata metálica (preferentemente de aluminio) con tapa. La tapa de la lata se cierra y para asegurar su hermeticidad se sella con unas vueltas de cinta aislante; a continuación se identifica debidamente. Muestreo Representativo en perforaciones.- En las perforaciones y sondeos realizados a mano como los realizados con herramientas especiales y los ejecutados a máquina, el muestreo representativo se lleva a cabo con elementos especiales denominados muestreadores; éstos son generalmente diseñados para ser introducidos a golpes. En el caso de suelos con un ligero contenido de finos (arenas limosas por ejemplo) cuyo porcentaje debe ser claramente definido, se corre el peligro de alterar el contenido de finos si el muestreador pierde agua al ser extraído, o si durante el proceso de lavado previo al muestreo, sedimentó demasiado suelo en el fondo, o si no se ejecutó este lavado previo. Las condiciones más difíciles para el muestreo representativo en perforaciones se registran en las perforaciones con espiral motorizado, debido a que la muestra no se sabe usualmente a qué profundidad se encuentra el estrato al cual representa.

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Muestreo Inalterado Se denomina muestreo inalterado a aquel que procura una muestra no disturbada, es decir que cumpla no solamente con los requisitos de la muestra representativa, sino que además mantiene intacta su forma, estructura original y sus características físicas (peso volumétrico, humedad, color, estructura, etc.). Una muestra inalterada perfecta que cumpla con estos requisitos no existe, debido a que se puede producir: la liberación de los esfuerzos in-situ del suelo, un posible secado o desecación del suelo, corte y compresión del suelo durante el proceso de inserción del muestreador o la vibración de la muestra durante su recuperación y transporte; así que debemos conformarnos con una muestra lo menos disturbada posible. Muestreo inalterado en excavaciones a mano.- Se lleva a cabo principalmente mediante dos métodos: el método del bloque de suelo o muestra cúbica y el método del tubo metálico. Método del bloque.- Se talla un bloque de suelo en la pared o en el piso de la calicata, cuidando de escoger un sector de suelo fresco, no alterado por la excavación o por la intemperie. Para ello se sigue el procedimiento graficado en la Figura 1.13 a! término del tallado, se coloca encima del bloque una caja de madera con el fondo lleno con 2 cm. de cera blanda, recién vaciada y se cubre el bloque de tal manera que asiente correctamente en el fondo, posteriormente se voltea la caja (después de haber cortado la muestra por su base) y .se rellenan todos lo costados con cera microcristalina fundida, que no produce retracción (de esa manera no se raja y no se separa de las paredes de la caja); finalmente la caja se llena de cera de tal manera de cubrir la muestra con un mínimo de 2 cm. de ella.

Figura 1.13 Procedimiento de obtención de muestras cúbicas.

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En un procedimiento equivalente, pero menos seguro, la muestra antes de ser extraída se sella con cera derretida, haciendo uso de una brocha; posteriormente se le adhieren varias capas alternadas de yute y cera líquida. Al final, se corta la base de la muestra y se termina de forrarla con capas sucesivas (no menos de 3) de cera derretida y yute. Este tipo de muestras solo pueden ser seguras si el transporte se realiza por auto y en cajas debidamente amortiguadas. Método del tubo metálico.- Se usa un tubo de fierro galvanizado, generalmente de 4" de diámetro, al cual se !e ha limado la costura interior; el tubo debe tener rosca en ambos extremos; en uno de los extremos se le coloca un anillo roscado con un extremo en forma de bisel, y en el otro lado se le coloca una madera con un dispositivo para aplicar presión vertical (una gata de auto, tipo tornillo). Se coloca el tubo sobre la superficie a muestrear y con una herramienta afilada se procede a tallar el suelo para que el tubo vaya bajando e introduciéndose en éste conforme avanza el tallado y se presiona con una gata. Al terminar de llenar el tubo, se corta la base de la muestra, se retira el anillo cortante y se rebajan 2 cm. de suelo en cada extremo, para colocar un tapón de madera, debidamente embebido en cera. Después, se sellan los extremos del tubo con tapones de plástico roscado. En el muestreo inalterado en bloques debe identificarse claramente la posición original de la muestra, ya que las probetas para ensayos de laboratorio deben orientarse según esa dirección, puesto que los parámetros de resistencia vertical u horizontal son diferentes y la orientación de la muestra durante el ensayo afecta los resultados de los mismos. Muestreo inalterado en perforaciones.- Se usan diversos equipos dependiendo del tipo de material a muestrear. En el caso de arcillas sobre-consolidadas como las de la selva, lo recomendable es usar muestreadores rotativos del tipo Denninson. El problema es que estos muestreadores requieren para operar de una máquina rotatoria cuyo transporte a la zona es muy costoso. Se ha probado con éxito la extracción de muestras inalteradas en arcillas duras, usando un solo golpe con martillo muy pesado (200-300 kg) soltado de más de 1 a 2 m. Se debe controlar que la caída sea libre, perfectamente vertical y que en la introducción el tubo no entre más de lo debido para que la muestra no se aplaste en su interior. Este sistema es equivalente al utilizado en los Estados Unidos de N. A. haciendo uso de una carga de dinamita que impulsa hacia abajo el muestreador. Dentro de los sistemas de muestreo inalterados más exitosos se encuentran indudablemente aquellos que permiten que la muestra permanezca dentro del tubo el menor tiempo posible, y que sea lo menos transportada que se pueda por medio de vehículos, en vista del estado de nuestras carreteras.

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b.4. Monitoreo del nivel freático La posición del nivel freático y su posible variación son factores muy importantes para el diseño de una cimentación. Por ello, las investigaciones subterráneas deben incluir una evaluación de las condiciones del nivel freático. Frecuentemente esto se efectúa instalando un pozo de observación en una perforación culminada para monitorear las condiciones del nivel freático. Típicamente, tales pozos consisten de tubos de PVC perforados o ranurados como se muestra en la figura 1.14. Una vez que se ha estabilizado el nivel freático, podemos localizarlo bajando una sonda dentro del pozo de observación. Tubería PVC no perforada

Relleno de arcilla

Tubería de PVC no perforada

Relleno atravesado

Figura 1.14 Pozo de observación Típico

Algunas veces sólo se requiere explorar hasta menos de 10 pies (3 m) de suelo. Este podría ser el caso de estructuras de peso ligero ubicadas sobre sitios donde las condiciones del suelo son buenas o sobre lugares con antiguos rellenos superficiales de cuestionable calidad. Podrían ser necesarias investigaciones superficiales adicionales para completar un programa de perforaciones exploratorias. En tales casos, puede ser muy útil excavar calicatas exploratorias (también conocidas como zanjas de prueba) usando picos y palas. Ellas proveen más información que una perforación de profundidad comparable (porque más suelo está expuesto), y frecuentemente son menos costosas; se pueden obtener muestras disturbadas fácilmente con una pala, y también muestras no disturbadas usando equipo portátil. El reporte de una calicata exploratoria se muestra en la figura 1.15. Ingeniería de Cimentaciones

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Figura 1.15 Reporte de una calicata exploratoria

Se deben tener dos precauciones especiales cuando se usan calicatas exploratorias: primero, estas calicatas deben estar apuntaladas adecuadamente antes de que alguien ingrese en ellas. Segundo, las calicatas deben ser rellenadas adecuadamente para evitar crear una zona débil artificialmente que podría afectar una futura construcción.

b.5. Métodos Geofísicos Los métodos directos de exploración del subsuelo, como perforaciones y calicatas, frecuentemente pueden complementarse con varios métodos indirectos. Muchos de estos métodos caen dentro del dominio del arte y ciencia de la geofísica. La mayoría de los métodos geofísicos fueron originalmente desarrollados para usarse en la exploración de los depósitos minerales (Dobrin, 1988). Algunos de ellos han encontrado un uso práctico en varios aspectos de la ingeniería geotécnica, incluyendo la ingeniería de cimentaciones. Aunque, son usados en relativamente pocos proyectos, ellos pueden ser muy útiles en aquellos casos. Quizás el método geofísico más común en el contexto de la ingeniería de cimentaciones es la técnica de refracción sísmica, mostrada en la figura 1.16. Este método consiste en generar ondas en el terreno, permitiendo que ellas viajen a través del suelo y el manto rocoso, entonces los sensores conocidos como geófonos miden las ondas que regresan a la superficie del terreno. Este método proporciona una buena estimación de la profundidad del estrato rocoso en el lugar.

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Figura 1.16 Uso de la Refracción Sísmica para medir la distancia a un estrato duro tal como un manto rocoso.

10.4 ENSAYOS DE LABORATORIO Las muestras de suelo obtenidas en el campo son llevadas normalmente al laboratorio de mecánica de suelos para su clasificación y ensayo adicional. El propósito del programa de ensayos es determinar las propiedades ingenieriles del suelo más apropiadas.

a. CLASIFICACIÓN, RELACIÓN PESO-VOLUMEN, Y ENSAYOS ÍNDICE Varios ensayos de rutina se desarrollan en muchas muestras para averiguar las características generales del perfil del suelo. Estas incluyen: •

Contenido de humedad

•

Peso unitario (densidad)

•

Límites de Atterberg (límite plástico, límite líquido)

•

Distribución del tamaño de las partículas.

Estos ensayos no son caros y pueden proveer una gran cantidad de valiosa información.

b. RESISTENCIA AL CORTE El análisis y diseño de las cimentaciones se confía en la información de la resistencia al corte. Por lo tanto, una de las metas principales de la investigación del sitio y del programa de ensayos del suelo es la obtención de los parámetros de diseño de resistencia del suelo.

Ingeniería de Cimentaciones

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Se usan diferentes ensayos de laboratorio para medir la resistencia al corte del suelo. Cada uno tiene sus ventajas y desventajas y no es recomendable un único tipo de ensayo para todas las circunstancias. Cuando seleccionamos un método de ensayo, debemos considerar muchos factores, principalmente los siguientes: •

Tipo de suelo

•

Contenido inicial de humedad o si es necesario saturar la muestra.

•

Condiciones de drenaje requeridas (drenada o no drenada)

Los métodos disponibles son: •

Ensayo de corte directo

•

Ensayo de compresión no confinada

•

Ensayo de compresión triaxial (CD, CU, UU)

c. CONSOLIDACIÓN Si se ha extraído una muestra de suelo cohesivo, nos interesará evaluar su compresibilidad, por lo que se realizan usualmente uno a más ensayos de consolidación. Karl Terzaghi concibió la idea del ensayo de consolidación en los años 20 como una extensión natural de su teoría de consolidación, y el primer aparato de ensayo apareció en los años 30. Este es ahora uno de los ensayos más comunes del suelo. El ensayo de consolidación es muy sensible a la disturbancia de la muestra y por lo tanto debería realizarse sólo en muestras de buena a excelente calidad. Se disponen de las herramientas necesarias para obtener muestras adecuadas para la mayoría de suelos cohesivos, pero esto es muy difícil o imposible de realizar para suelos sin cohesión. Por ello, los ensayos de consolidación se realizan solo en arcillas o limos. Los ensayos in-situ proporcionan una mejor medida de la compresibilidad de las arenas limpias.

10.5 ENSAYOS IN-SITU Los métodos de ensayo in-situ consisten en llevar el equipo de ensayo al campo para ensayar al suelo en el lugar. La determinación de la resistencia al corte o densidad de los suelos a partir de ensayos in-situ son de significativo valor en la investigación del sitio ya que estas características pueden ser obtenidas directamente sin los efectos de disturbancia producidos por perforaciones y muestreos. Los ensayos in-situ son especialmente útiles en suelos en los que es difícil extraer una muestra de buena calidad, y particularmente ventajosos en arcillas blandas sensitivas y en limos, o en arenas sueltas.

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Otra ventaja de estos ensayos es que sus resultados están disponibles inmediatamente, además permiten obtener la caracterización del suelo más detallada. En general, los ensayos in-situ se realizan con el fin de obtener parámetros del suelo tales como: •

Dr (Densidad relativa)

•

φ(Angulo de fricción)

•

u (Presión de poros)

•

su (Resistencia al corte no drenado)

•

OCR (relación de sobreconsolidación)

•

E (módulo de elasticidad del suelo)

•

k (permeabilidad)

•

Potencial de licuefacción, etc.

En la mayoría de casos, para convertir los resultados in-situ en apropiadas propiedades ingenieriles a usarse en el diseño, se deben usar correlaciones y calibraciones. Algunos métodos de ensayos in-situ han sido comúnmente usados por varias décadas, mientras que otros han aparecido recientemente. Entre ellos tenemos los siguientes: 1.- Ensayo de Penetración Estándar (SPT). 2.- Ensayo del Cono de Penetración (CPT). 3.- Ensayo de la Veleta de corte (VST). 4.- Ensayo del Presurómetro (PMT). 5.- Ensayo del Dilatómetro (DMT). 6.- Ensayo de Penetración de Becker. Los resultados de los ensayos de penetración (1 y 2) permiten obtener ciertos datos sobre la densidad de los suelos granulares y la consistencia de los suelos cohesivos así como su compresibilidad y resistencia al corte. Están especialmente indicados para determinar los límites de las capas, los niveles rocosos o estratos resistentes y las cavidades del terreno. También sirven para determinar rápidamente la uniformidad del terreno. Estos dos ensayos de penetración así como el de la Veleta, son usados rutinariamente, pero el SPT es el ensayo universalmente disponible, y por ello el más ampliamente usado. Se tratará su uso y aplicación en las siguientes secciones. Los ensayos 4 y 5 son difícilmente disponibles y usados en proyectos especiales.

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a. EL ENSAYO DE PENETRACIÓN ESTÁNDAR (SPT) El ensayo de penetración estándar, que nació en 1,920 (U.S.A) con la finalidad de estimar el grado de densificación de los suelos y fue desarrollado en 1927, es actualmente el más común de los ensayos in-situ, y el medio más económico de obtener información subterránea. Debido a su largo registro de experiencias, el ensayo está bien establecido en la práctica de ingeniería, aunque desafortunadamente también presenta muchos problemas que afectan su exactitud y reproducibilidad. Se estima que el 85 a 90 % del diseño de cimentaciones convencional en Norte y Sudamérica es hecho usando el SPT. Debido a su amplio uso, el método ha sido estandarizado con la norma ASTM D1586 desde 1958 y con periódicas revisiones. Es esencialmente como sigue: 1. Realizar una perforación de 6 a 20 cm (2.5" a 8") de diámetro, a profundidad del primer ensayo. 2. Insertar el toma muestras del SPT, denominado "muestreador de cuchara partida", cuya forma y dimensiones se muestran en la figura 1.17. 3. Hincar el toma muestras dentro del fondo de la perforación mediante energía proporcionada por un martillo de 64 Kg. (140 lb) de peso que cae libremente 76 cm (30"); este dispositivo puede ser manual o mecánico. Realizar este hincado hasta que el muestreador haya penetrado una distancia de 45 cm, registrando el número de golpes de martillo requeridos para cada 15 cm de intervalo. Parar el ensayo si más de 50 golpes son requeridos para cualquiera de los intervalos, o si más de 100 golpes totales son requeridos. A cualquiera de estos eventos se les conoce como rechazo, éste debe registrarse en el reporte de la perforación (ver figura 1.10). 4. Calcular el valor de N mediante la suma del conteo de golpes en los últimos 30 cm de penetración. El conteo para los primeros 15 cm es tomado para propósitos de referencia, pero no es usado para el cálculo de N, dado que el suelo podría estar alterado por efectos del proceso utilizado durante la ejecución del sondaje (el fondo del agujero probablemente está disturbado por el proceso de perforación, y puede estar cubierto con suelo suelto que cae de los lados del agujero). 5. Sacar el toma muestra del SPT examinando su contenido, el cual aunque está disturbado, frecuentemente es suficiente para observar laminaciones o características similares. Extraer la muestra de suelo, guardarla, sellarla y enviarla al laboratorio. 6. Perforar el agujero hasta la profundidad del siguiente ensayo. Repetir del paso 2 al 6.

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Figura 1.17 El muestreador del SPT

Figura 1.18 Ensayo estándar de penetración (SPT)

Consistencia

2

N (golpes/30 cm)

qu (Kg/Cm )

<2

< 0.25

Blanda

2-4

0.25 - 0.50

Medianamente Compacta

4-8

.50 - 1.00

Muy Blanda

Compacta Muy Compacta Dura

8 - 15

1.00 - 2.00

15 - 30

2.00 - 4.00

> 30

> 4.00

N = Resultado del ensayo SPT qu = Resistencia a la compresión no confinada

Tabla 1.6 SPT en Suelos Cohesivos

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Desafortunadamente el procedimiento usado en el campo varía principalmente como resultado de variaciones en el procedimiento del ensayo y la baja destreza o habilidad de los operadores. Los resultados de campo son sensitivos a estas variaciones, de manera que el valor de N obtenido es afectado. Algunas de las principales variantes son: -

El diámetro del agujero de perforación y el método de perforación.

-

El tipo de martillo, especialmente si tiene un mecanismo manual o automático.

-

Número de vueltas de la cuerda del ensayo alrededor del malacate de fricción. Parece ser que 2 vueltas es lo óptimo, siendo ampliamente usado.

-

Altura de caída real a la que el operador suelta la cuerda que permite al martillo caer libre.

-

Masa de la cabeza de golpeo con la que el martillo choca.

-

Fricción de las guías de la cuerda y polea.

-

Presencia o ausencia de lineadores dentro del muestreador (este pequeño detalle puede alterar los resultados de ensayo en un 10 a 30%).

-

Razón a la cual los golpes son aplicados.

Estas variaciones en el procedimiento del ensayo pueden ser parcialmente compensadas mediante la siguiente corrección:

a.1. Correcciones de los datos del ensayo Podemos mejorar los datos del SPT aplicando ciertos factores de corrección. Las variaciones del procedimiento del ensayo pueden ser al menos parcialmente compensadas convirtiendo N a N60 a través de la sgte. expresión:

N60 =

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E m CB CS CR N 0.60

(1.2)

40

Donde: N60 = Valor corregido N del SPT por el procedimiento de campo. CB = Corrección por diámetro del sondeo.(de la tabla 1.8) CS = Corrección por el muestreador (de la tabla 1.8) CR = Corrección por la longitud de la barra de perforación (de la Tabla 1.8). N = Valor medido del SPT. Comúnmente se usan muchos diseños de martillos, ninguno es 100% eficiente. Algunos de ellos son mostrados en la figura 1.13 y sus eficiencias típicas son listadas en la tabla 1.6. Muchas de las correlaciones de diseño basadas en los ensayos SPT han sido desarrolladas usando martillos que tenían eficiencias de casi 60%, por lo que la ecuación 1.2 corrige los resultados con otros martillos a los resultados que habrían sido obtenidos si un 60% de eficiencia de martillo hubiera sido usada.

Cable para levantar y bajar el peso

Cable para soportar el martillo Cable para levantar y bajar el peso Abertura de ventilación Cilindro guía

Peso del Donut 140 lb.

Cabeza de golpeo Peso de 140 lb.

Barra guía

Casquillo de 140 lb.

Mecanismo de suspensión automática

Cabeza de golpeo Cabeza de golpeo Barra (conectada al muestreador)

Martillo “Donut”

Barra (conectada al muestreador)

Martillo de Seguridad

Barra (conectada al muestreador)

Martillo Automático

Figura 1.19 tipos de Martillo SPT

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País

Tipo de martillo

Eficiencia

Automático "Donut" "Donut"

Mecanismo de caída de martillo Caída automática Manual Malacate de fricción

China

Japón

Con disparador Malacate de fricción

0.78-0.85

"Donut" "Donut"

(cuerda con dos vueltas)

0.65-0.67

De seguridad

Malacate de fricción

0.55-0.60

"Donut"

(cuerda con 2 vueltas)

0.45

Argentina

"Donut"

Malacate de fricción

0.45

Colombia

"Donut"

Malacate de fricción

0.50

Venezuela

"Donut"

Malacate de fricción

0.43

USA

0.60 0.55 0.50

Em = Eficiencia del martillo. Tabla 1.7 Eficiencias de martillos SPT

Factor

Variables del equipo

Valor

Por diámetro del sondeo, CB

60 - 120 mm 150 mm 200 mm

1.00 1.05 1.15

- Sin lineador (No recomendado) - Estándar

1.20

> 10 m 6 - 10 m 4-6m 3-4m

1.00 0.95 0.85 0.75

Por método de: • Muestreador •

Muestreador CS

Por longitud de la barra, CR

1.00

Tabla 1.8 Factores de corrección CB, CS y CR

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Los datos del SPT también pueden ajustarse usando una corrección que compense los efectos de la presión de tapada. En un depósito de suelo uniforme, los ensayos profundos darán un valor de N mayor que los ensayos superficiales en el mismo suelo, es así como la corrección por presión de tapada ajusta el valor de N obtenido a una presión efectiva vertical dada, σ’v, al valor de N que habría sido obtenido bajo un esfuerzo efectivo vertical estándar de 2000 lb/p² (100 KPa). Entonces, el valor corregido N’60 es:

N '60 = C N N 60

(1.3)

Las funciones de Skempton para el factor de corrección por presión de tapada, CN, son: -

Para arenas finas normalmente consolidadas:

CN = -

(1.4)

Para arenas gruesas normalmente consolidadas :

CN =

-

2 1 + σ 'v / σ r

3 2 + σ v' / σ r

(1.5)

Para arenas sobreconsolidadas:

CN =

1.7 0.7 + σ v' / σ r

(1.6)

Donde: N'60 = Valor corregido del SPT por procedimiento de campo y presión de tapada. σ r = Esfuerzo de referencia = 2000 lb/p² = 100 KPa = 1 Kg/cm

2

σ'v = Esfuerzo efectivo vertical donde se ubica el ensayo. N60 = Valor corregido N del SPT por procedimiento de campo. Frecuentemente, el uso de los factores de corrección es tema de confusión. En el caso de las correcciones por procedimientos de campo éstas son siempre apropiadas, pero la corrección por presión de tapada puede o no ser apropiada dependiendo de los procedimientos usados por aquellos quienes desarrollaron los métodos de análisis bajo consideración. Es decir si la correlación lo pide habrá que usarla.

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a.2. Usos de los datos del SPT El valor N del SPT, al igual que en varios otros ensayos, es solo un índice del comportamiento del suelo. Este no mide directamente alguna propiedad ingenieril convencional del suelo y es útil sólo cuando se disponen de correlaciones apropiadas. Existen muchas correlaciones, algunas de las cuales fueron obtenidas empíricamente.

Desafortunadamente, la mayoría de estas correlaciones son muy aproximadas, especialmente aquellas que fueron basadas en datos antiguos obtenidos cuando los procedimientos del ensayo y equipo eran diferentes de los actuales. Adicionalmente, todas estas correlaciones tienen un amplio margen de error debido a las muchas incertidumbres de los resultados del SPT.

Se debe ser especialmente cuidadoso (Incluir F.S Apropiado) cuando se usan correlaciones entre los resultados del SPT y las propiedades ingenieriles de las arcillas porque estas funciones son especialmente gruesas. En general, el SPT debería usarse sólo en suelos arenosos.

a.3. Correlación con la densidad relativa. Las primeras correlaciones proporcionaban una relación directa entre la densidad relativa de los suelos arenosos, Dr, y el valor N del SPT. Sin embargo, investigaciones posteriores han mostrado que también son importantes la presión de tapada, la relación de sobreconsolidación, el tamaño de las partículas, y otros factores. La figura 1.20 expresa una relación para Dr como una función de N60 y el esfuerzo efectivo vertical, σ'v en el punto de ubicación del ensayo. La ecuación 1.7 da una relación más sofisticada que también consideran la relación de sobreconsolidación y la distribución del tamaño de las partículas

La densidad relativa constituye el fundamento para algunos métodos de análisis de cimentaciones. También es usada para clasificar la consistencia de los suelos arenosos usando el sistema descrito en la tabla 1.9.

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σ‘V (KPa)

Esfuerzo efectivo vertical, σ‘V (lb/p2)

Valor N60 de SPT Figura 1.20 Densidad relativa, Dr, determinada a partir de los N60 del SPT y el esfuerzo efectivo vertical, σ’V, en el lugar de ensayo

Dr =

N '60 C P C A C OCR

(1.7 )

C P = 60 + 25 log D 50

(1.8)

CA = 1.2 + 0.050 log (t/100)

(1.9)

C OCR = OCR

0.18

(1.10)

Donde: Dr N'60

= Densidad relativa (en forma decimal) = Valor corregido N del SPT por procedimiento de campo y presión de tapada. CP = Factor de corrección por el tamaño de los granos CA = Factor de corrección por la edad. COCR = Factor de corrección por sobreconsolidación. D50 =Tamaño del grano que corresponde al 50% de las partículas mas finas de suelo. t = Edad del suelo en años (desde el tiempo de deposición). OCR = Relación de sobreconsolidación.

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Densidad relativa, Dr (%) 0 - 15

Descripción Muy suelta

15 - 35

Suelta

35 - 65

Medianamente densaa

65 - 85

Densa

85 - 100

Muy densa

a

Lambe y Whitman usaron el término "media", pero emplear el término "medianamente densa" es mejor porque, "media" usualmente hace referencia a la distribución del tamaño de las partículas Tabla 1.9 Densidad relativa según grado de soltura.

Según Michelena, en los suelos granulares el valor de N depende de la Densidad Relativa y de la presión de confinamiento a la profundidad del ensayo. La interpretación presentada en la Tabla 1.10 es aproximada y válida para 7.5 m. de profundidad. Densidad Relativa

N (golpes/30 cm)

Muy Suelta Suelta Medianamente Densa Densa Muy Densa

<4 4 - 10 10 - 30 30 - 50 > 50

N = Resultado del ensayo SPT

Tabla 1.10 Ensayo SPT para Suelos Granulares

a.4. Correlación con la resistencia al corte Peck, Hansen y Thornburn (1953) propusieron una correlación antigua entre N y el ángulo φ. También De Mello (1971) sugirió una correlación entre los resultados del SPT y este ángulo de fricción para arenas no cementadas. Véase figuras 1.21 y 1.22. La correlación de De Mello debe usarse sólo para profundidades mayores de 7 pies (2 m).

a.5. Correlación con la compresibilidad Muchos correlaciones han sido propuestas para relacionar los valores N del SPT con el módulo de elasticidad E, o con el módulo de compresibilidad, M. Desafortunadamente, varios métodos producen resultados muy diferentes, por ello es difícil determinar cuales son correctos. Kulhowy y Mayne (1990) sugirieron las siguientes expresiones:

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Para arenas con finos: E ≈ 5 σr N60

(1.11)

Para arenas limpias normalmente consolidadas: E ≈ 10 σr N60

(1.12)

Para arenas limpias sobreconsolidadas: E ≈ 15 σr N60

σ‘V (KPa)

2

Esfuerzo efectivo vertical, σ‘V (lb/p )

(1.13)

Valor N60 de SPT

Figura 1.21 Correlación De Mello entre N’60 y φ para arenas no cementadas

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Figura 1.22 Correlación de Peck, Hanson and Thornburn

b. EL ENSAYO DEL CONO DE PENETRACIÓN (CPT) El ensayo del cono de penetración, o CPT es otro ensayo in-situ comúnmente usado. Fue desarrollado en el oeste de Europa en los años 30 y también en los 50. Aunque se han usado muchos diferentes estilos y configuraciones, el cono estándar se trabajó en Holanda y por eso algunas veces es llamado cono holandés. El CPT ha sido usado extensivamente en Europa por muchos años y está siendo popular en Norte América y en otras partes. Los tipos de conos más usados son 2: el cono mecánico y el cono eléctrico, mostrados en la figura 1.23. Ambos tienen 2 partes, una punta de forma cónica de 35.7 mm de diámetro y 60° de áng ulo y un mango cilíndrico de 35.7 mm de diámetro y 133.7 mm de largo. El cono es empujado por un martillo hidráulico dentro del terreno y los instrumentos miden la resistencia a la penetración. La resistencia del cono, qc, es la fuerza total actuante sobre el cono dividida por el área proyectada del cono (10 cm²); y la fricción lateral local, fsc , es la fuerza de fricción actuante sobre el mango de fricción dividida por su área lateral (150 cm²). Es común expresar la fricción lateral en términos de la razón de fricción, Rf , la cual es igual a fsc/qc x 100%.

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La operación de los 2 tipos de conos difiere en que el cono mecánico avanza por etapas y mide qc y fsc en intervalos de aproximadamente 20 cm, mientras que el cono eléctrico incluye un instrumento que mide y plotea las deformaciones y también es capaz de medir qc y fsc continuamente con la profundidad. En ambos casos, el CPT define el perfil del suelo con mucho mayor resolución que el SPT.

Figura 1.23 Tipos de conos: (a) Cono Mecánico (Cono de Begemann), (b) Cono eléctrico.

El equipo CPT con frecuencia se monta en camiones grandes de 3 ejes que son capaces de producir esfuerzos máximos de 10 - 20 ton. (100 200 KN). También se puede montar el equipo en trailer o camiones de menor tamaño. El CPT ha sido objeto de investigación y desarrollo extensivo (Robertson y Campanella, 1983) y es así como esta llegando a ser muy útil en el ejercicio de un ingeniero. Algunos de estos esfuerzos de investigación se han orientado a usar conos equipados con traductores de presiones de poros para medir el exceso de presión de agua en los poros que se desarrollan durante la realización del ensayo. Estos se conocen como, piezoconos, y el procedimiento es llamado ensayo CPTU. Estos equipos prometen son especialmente útiles en arcillas saturadas. Un gráfico típico de los resultados del CPT se muestra en la figura siguiente.

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Figura 1.24 Resultados de un ensayo típico CPT

Aunque el CPT tiene muchas ventajas sobre el SPT, existen al menos 3 desventajas importantes: - No se recuperan muestras de suelos, en consecuencia no existe oportunidad de inspeccionar los suelos. - El ensayo no es confiable y no se puede usar en suelos con un contenido de grava significativo. - Aunque el costo por pie de penetración es menor que el de las perforaciones, es necesario movilizar un equipo especial para desarrollar el CPT.

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b.1. Usos de los datos del CPT El CPT es una manera de evaluar los perfiles del suelo muy útil y económica. Desde que recupera información en forma contínua con la profundidad (con conos eléctricos), el CPT es capaz de detectar los finos cambios en la estratigrafía. Por ende, los ingenieros frecuentemente usan el CPT en la primera fase de la investigación del subsuelo, reservando las perforaciones y el muestreo para la segunda fase.

El CPT también puede usarse para evaluar las propiedades ingenieriles del suelo a través del uso de correlaciones empíricas. Las correlaciones dadas para usarse en suelos sin cohesión son generalmente más exactas y las más comúnmente usadas. En suelos cohesivos hay buenas correlaciones que usan el exceso de presión de agua en los poros y otros factores. También se disponen de correlaciones que relacionan directamente los resultados del CPT con el comportamiento de la cimentación, especialmente de pilotes.

b.2. Correlaciones con la clasificación del suelo El CPT no puede sustituir las perforaciones exploratorias convencionales porque no puede recuperar ninguna muestra de suelo. Sin embargo, es posible obtener una clasificación aproximada del suelo usando la correlación mostrada en la figura siguiente.

Figura 1.25 Clasificación del suelo basada en resultados del CPT

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b.3. Correlación con la densidad relativa Kulhawy y Mayne (1990) desarrollaron la siguiente relación aproximada entre los resultados del CPT y la densidad relativa de los suelos no cohesivos:

Dr = (

1 q σ )( c ) r' 0.18 305Q COCR σr σv

(1.14)

Donde: Qc

= factor de compresibilidad = 0.91 para arenas altamente compresibles = 1.00 para arenas moderadamente compresibles = 1.09 para arenas escasamente compresibles.

OCR = relación de sobreconsolidación. qc σv

= resistencia del cono = Esfuerzo efectivo vertical

σr

= Esfuerzo referencial = 2000 lb/p² = 100KPa = 1 bar

1 bar

= 1 Kg/cm².

Para propósitos de solución de esta fórmula, una arena con un alto contenido de finos o un alto contenido de mica es "altamente compresible", mientras que una arena de cuarzo puro sería "escasamente compresible".

b.4. Correlación con la resistencia al corte Los resultados del CPT también pueden ser correlacionadas con los parámetros de resistencia al corte, especialmente en arenas. La figura siguiente presenta la correlación de Robertson y Campanella para arenas de cuarzo normalmente consolidadas no cementadas. Para arenas sobreconsolidadas, restar 1 o 2° del ángulo de fric ción obtenido de esta figura.

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σ‘V (KPa)

Esfuerzo efectivo vertical, σ‘V (lb/p2)

Resistencia del Cono, qc (Kg/cm2)

Figura 1.26 Relación entre los resultados del CPT, la presión de tapada y el ángulo de fricción para arenas de cuarzo, normalmente consolidadas, no cementadas.

b.5. Correlación con la compresibilidad La relación entre los resultados del CPT y el módulo de compresibilidad, M, para suelos sin cohesión puede expresarse como sigue: M = α qc

(1.15)

El coeficiente α depende de la mineralogía y la distribución del tamaño de los granos del suelo, su densidad relativa y su relación de sobreconsolidación entre otros factores. Jamiolkowski y otros (1988) estudió esta relación para la arena de Ticino (arena con cuarzo, media a gruesa) con aproximadamente 5% de mica). Los resultados de sus estudios se muestran en la figura siguiente. Este parece ser al menos aproximadamente correcto para otras arenas.

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α Figura 1.27 Relación entre los resultados del CPT y los módulos de compresión para Arena Ticino.

Use σr = 2000 lb/pie = 100 KPa

Relación de Sobreconsolidación, OCR

b.6. Correlaciones con el valor N del SPT Puesto que el SPT y el CPT son 2 de los más comunes ensayos in-situ. con frecuencia es útil convertir los resultados de uno a otro. La relación qc /N60 como una función del tamaño de grano medio, D50 , se muestra en la figura siguiente. Nótese que N60 no incluye la corrección por presión de tapada. Se debe ser cuidadoso respecto a la conversión de los datos del CPT a valores equivalentes de N, y luego usar métodos de análisis basados en el SPT. Esta técnica combina las incertidumbres de ambos métodos porque usa 2 correlaciones - una para realizar la conversión a N, y la otra para calcular el parámetro deseado.

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Resistencia del Cono, qc (Kg/cm2) N60

Tamaño medio de partículas, D50 Figura 1.28 Correlación entre qc/N60 y el tamaño medio de grano, D50

c. EL ENSAYO DE LA VELETA DE CORTE El ingeniero sueco John Olsson desarrolló en los años 20 el ensayo de la veleta de corte para ensayar las arcillas sensitivas de Scandinavia in-situ. El VST ha crecido en popularidad, especialmente desde la segunda guerra mundial y es ahora usado en todo el mundo. Este ensayo (ASTM D2573) consiste en insertar una veleta metálica en el suelo, como se muestra en la figura 1.20, y se le hace rotar hasta que el suelo falla por corte. La resistencia al corte no drenado puede ser determinada a partir del torque en la falla, las dimensiones de la veleta, y de otros factores. La veleta puede avanzar a grandes profundidades simplemente empujándola en lo más profundo (especialmente en suelos blandos) o el ensayo puede desarrollarse bajo el fondo de una perforación y puede ser repetido conforme avanza la perforación. Sin embargo, la veleta debe ser muy delgada para minimizar la disturbancia del suelo, y lo suficientemente fuerte para usarse en suelos cohesivos blandos a medios. El ensayo se realiza rápidamente (aproximadamente en un minuto se produce la falla) y por lo tanto se mide solo la resistencia no drenada. No existe un procedimiento de ensayo y dimensiones de la veleta universalmente aceptado; ambos afectan la relación entre el torque y la resistencia al torque. Sin embargo, para procedimientos típicos y veletas típicas como la mostrada en la figura siguiente con una relación altura entre diámetro de 2:1, usadas en suelos con plasticidad moderada, podemos usar la siguiente expresión: (Chandler, 1988). Ingeniería de Cimentaciones

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Su =

0.86T Π d3

(1.16)

Donde: Su = Resistencia al corte no drenado T = Torque en la falla d = Diámetro de la veleta.

Figura 1.29 Ensayo de la Veleta de Corte

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d. EL ENSAYO DEL PRESURÓMETRO (PMT) En 1954, un joven estudiante francés de ingeniería llamado Louis Menard comenzó a desarrollar un nuevo tipo de ensayo in-situ: el ensayo del presurómetro. Aunque 20 años atrás Kogler había realizado un trabajo limitado sobre un ensayo similar, fue Menard quien lo hizo una realidad práctica. El presurómetro es un globo cilíndrico que se inserta en el suelo y luego se infla, como se muestra en la figura adjunta. Las mediciones del volumen y la presión se usan para evaluar los esfuerzos in-situ, la compresibilidad, y la resistencia del suelo adyacente y así el comportamiento de una cimentación.

Figura 1.30 Esquema de ensayo del Presurómetro

El PMT puede desarrollarse en una perforación realizada cuidadosamente o el equipo del ensayo puede combinarse con un pequeño barreno para crear un presurómetro que también perfora, SBPMT. Este último diseño provee una disturbancia menor del suelo y un contacto más íntimo entre el presurómetro y el suelo. El PMT proporciona muchas más mediciones directas de la compresibilidad del suelo y los esfuerzos laterales que el SPT y el CPT. Por lo tanto, en teoría, éste debería proporcionar una mejor base para el análisis de asentamientos y posiblemente para el análisis de la capacidad de pilotes. Sin embargo, el PMT es un ensayo difícil de realizar y esta limitado por la disponibilidad del equipo y el personal entrenado para su uso. Aunque, el PMT es ampliamente usado en Francia y

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Alemania, su uso es sólo ocasional en otras partes del mundo. Sin embargo, puede llegar a ser más popular en el futuro.

e. EL ENSAYO DEL DILATÓMETRO (DMT) El dilatómetro, el cual es uno de los más nuevos instrumentos de ensayo in-situ, fue desarrollado durante los años 70 en Italia por Silvano Marchetti. Es también conocido como el dilatómetro plano o el dilatómetro Marchetti y consiste en una hoja metálica de 95 mm de ancho y 15 mm de espesor con una membrana de acero expandible fina, plana y circular sobre uno de sus lados. El ensayo del dilatómetro (DMT) se conduce como sigue:

1. Presionar el dilatómetro dentro del suelo hasta la profundidad deseada usando el equipo del CPT o algún otro mecanismo apropiado. 2. Aplicar una presión de gas nitrógeno a la membrana para que salga al exterior. Registrar la presión requerida para mover el centro de la membrana 0.05 mm dentro del suelo (presión A) y la requerida para mover su centro 1.10 mm dentro del suelo (presión B). 3. Reducir la presión de aire en la membrana y registrar la presión actuante sobre la membrana cuando esta retorna a su posición original. Esta es la presión C y es una medida de la presión de agua en los poros del suelo. 4. Profundizar progresivamente el dilatómetro dentro del terreno (150 a 300 mm) y repetir el ensayo. Continuar hasta alcanzar la profundidad deseada. Cada una de las secuencias del ensayo requiere 1 a 2 minutos para completarse, por lo tanto un sondaje típico (una serie completa de ensayos DMT entre la superficie del terreno y la profundidad deseada) podría requerir aproximadamente 2 horas. En contraste, el sondaje comparable de un CPT podría completarse en aproximadamente 30 minutos. La ventaja principal del DMT es que mide la condición de esfuerzo lateral y la compresibilidad del suelo. Estas son determinadas a partir de las presiones A, B, y C y ciertos factores de calibración del equipo y se expresa como los índices de DMT: ID = Índice del material (módulo normalizado) KD = Índice de esfuerzo horizontal (esfuerzo lateral normalizado) ED = Módulo del dilatómetro (módulo elástico teórico)

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Los investigadores han desarrollado correlaciones entre estos índices y ciertas propiedades ingenieriles del suelo, incluyendo: • Clasificación • Coeficiente de presión lateral de tierra, Ko • Relación de sobreconsolidación, OCR • Módulo de elasticidad, E, o módulo de compresibilidad, M. Los ensayos CPT y DMT son complementarios. El cono es una buena manera de evaluar la resistencia de suelo, mientras que el dilatómetro evalúa la compresibilidad y los esfuerzos in-situ. Estas tres clases de información constituyen la base para la mayoría de los análisis de la ingeniería de cimentaciones. Adicionalmente, es más fácil empujar la hoja del dilatómetro dentro del suelo usando el equipo convencional CPT y así resulta simple conducir ambos ensayos CPT y DMT mientras se moviliza sólo el equipo mínimo. El ensayo del dilatómetro es relativamente nuevo. Los ingenieros tienen una limitada experiencia con este ensayo y el análisis y los métodos de diseño basados sobre los resultados del DMT se están desarrollando. Sin embargo, su costo es relativamente menor, su versatilidad y compatibilidad con el CPT sugiere que puede ser ampliamente usado en el futuro.

f. EL ENSAYO DE PENETRACIÓN BECKER Los suelos que contienen un gran porcentaje de gravas y aquellos que contienen guijarros grandes y bolones crean problemas para la mayoría de los métodos de ensayo in-situ. Frecuentemente, el aparato del ensayo in-situ no es capaz de penetrar a través de tales suelos (encuentra el rechazo) o los resultados son no representativos porque las partículas son aproximadamente del mismo tamaño que el del mecanismo de ensayo. Con frecuencia, incluso el equipo de perforación convencional no puede penetrar a través de estos suelos. Un método de penetración a través de estos suelos de granos muy grandes es usar el perforador de martillo de Becker. Este aparato, desarrollado en Canadá, usa un pequeño martillo Diesel para clavar pilotes y su acción de percusión maneja un casing de pared doble de acero, cuyo diámetro puede ser de 5.5 a 9.0 pulgadas (135 – 230 mm). Los golpes son efectuados en la parte superior, soplando aire a través del casing. Esta técnica ha sido usada exitosamente sobre suelos de partículas gruesas y densas. El perforador de martillo Becker también puede usarse para evaluar la resistencia a la penetración de estos suelos usando el ensayo de penetración de Becker, el cual consiste en monitorear un martillo contador de golpes. El número de golpes requerido para que el casing avance 1 pie (300 mm) es el número de golpes de Becker, NB . Existen varias correlaciones para convertir el NB al valor equivalente de N del SPT. Uno de estos métodos de correlación también considera el salto de la presión de cámara en el martillo Diesel. Ingeniería de Cimentaciones

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10.6

COMPARACIÓN DE LOS MÉTODOS DE ENSAYO IN-SITU

Cada uno de los métodos de ensayos in-situ tienen sus potencialidades y flaquezas. La tabla 1.11 compara alguno de los atributos más importantes de los ensayos anteriormente descritos.

10.7

SÍNTESIS DE LA INFORMACIÓN DE CAMPO Y LABORATORIO

Frecuentemente los programas de investigación y muestreo generan grandes cantidades de información que pueden ser difíciles de clasificar y sintetizar. Los perfiles reales de los suelos son casi siempre muy complejos, en consecuencia las perforaciones no correlacionarán y los resultados de los ensayos variarán significativamente. Por lo tanto, debemos desarrollar un perfil simplificado del suelo antes de proceder a su análisis. En muchos casos, este perfil simplificado se define mejor en términos de una función unidimensional del tipo del suelo y las propiedades ingenieriles vs. la profundidad; este es, un reporte idealizado de una perforación. Sin embargo, cuando el perfil del suelo varía significativamente en un sitio, pueden darse una o mas secciones transversales verticales. El desarrollo de estos perfiles simplificados requiere de mucho juicio ingenieril junto con la interpolación y extrapolación de la información. Es importante tener tacto para las magnitudes aproximadas de muchas incertidumbres en este proceso y reflejarlas en un apropiado nivel conservador. Este juicio viene principalmente de la experiencia combinada con el entendimiento de las metodologías de laboratorio y de campo.

10.8

ECONOMÍA DE LA INVESTIGACIÓN Y EL MUESTREO

La fase de la investigación del lugar y el muestreo del suelo de la ingeniería de cimentaciones es la fuente más grande de incertidumbres. No importa cuan extensiva sea, existe siempre alguna duda si las perforaciones retratan exactamente las condiciones del subsuelo, si las muestras son representativas, y si los ensayos están midiendo correctamente las propiedades del suelo. Los ingenieros tratan de compensar estas incertidumbres aplicando factores de seguridad en sus análisis. Desafortunadamente, esta solución solo incrementa los costos de la construcción. El ingeniero debe escoger un programa de investigación y muestreo mas extensivo para mejorar la definición de los suelos, en un esfuerzo para reducir el nivel de conservación necesario para el diseño de las cimentaciones. Los costos adicionales de tales esfuerzos darán por resultado la reducción de los costos de construcción (para un punto) como se muestra en la figura adjunta. Sin embargo, en algún punto, éste alcanza un rendimiento decreciente y eventualmente el incremento del costo de la investigación y muestreo adicional no produce una reducción igual o mayor de los costos de construcción. El mínimo de esta curva representa el nivel óptimo de esfuerzo. Ingeniería de Cimentaciones

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Ingeniería de Cimentaciones

Tabla 1.11 APLICACIONES DE LOS METODOS DE ENSAYO IN-SITU

Simplicidad y durabilidad del aparato Facilidad del ensayo Perfil continuo o valores puntuales Base para la interpretación Suelos recomendables Disponibilidad del equipo y uso en la práctica

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Potencial para desarrollo futuro

Ensayo de Penetración estandar SPT

Ensayo del cono de penetración CPT

Ensayo de la veleta de corte

Ensayo del presurómetro

Ensayo del dilatómetro

Ensayo de penetración Becker

VST

PMT

DMT

Sencillo, resistente

Complejo, resistente

Sencillo, resistente

Complejo, delicado

Comlejo, moderadamente resistente

Sencillo, resistente

Fácil

Fácil

Fácil

Fácil

Fácil

Puntual

Contínuo

Puntual

Puntual

Puntual

Contínuo

Empírica

Empírica y teórica

Mediciones directas

Empírica y teórica

Empírica y teórica

Empírica

Todos con exepción de gravas y arcillas

Todos con exepción de gravas

Suelos blandos

Todos

Todos con exepción de gravas

Arenas con bolonería

Universalmente disponibles, usado rutinariamente

Generalmente disponibles, usado rutinariamente

Generalmente disponibles, usado rutinariamente

Difícil de ubicar usado en proyectos especiales

Difícil de ubicar usado en proyectos especiales

Difícil de ubicar usado en proyectos especiales

Limitado

Magnífico

Incierto

Magnífico

Magnífico

Incierto

TIPO DE SUELO

Cohesivo Saturado

PROPIEDADES MECANICAS POR DETERMINAR

ENSAYOS IN-SITU

Resistencia al Corte

SPT, Cono Holandés, Veleta, Cono de Peck, Corte Directo

Compresibilidad Fricción

Gravas > 2"

Suelos Intermedios

MUESTRAS REQUERIDAS

Inalterada en bloques, Inalterada en Compresión no confinada, tubo, Inalterada en tubo de pared Triaxial UU, veleta, corte directo delgada (Shelby), Shelby con platón (en suelos blandos), Rotatoria Denison ((arcillas y limos plásticos muy Consolidación compactos y duros)

Cono Holandés

Resistencia al Corte Arenas y Gravas Finas

ENSAYOS DE LABORATORIO

Asentamiento

SPT, Cono Holandés, Cono de Peck SPT, Cono Holandés, Cono de Peck, prueba de carga

Fricción

Cono Holandés

Asentamiento

Prueba de carga

Resistencia al Corte Asentamiento

Todos los anteriores

Todos los anteriores

Colapsabilidad

Prueba de carga con saturación

Consolidación con saturación

Todos los anteriores, con limitaciones según el tipo de suelo Todos los anteriores, restringiéndose el uso de aguaen la excavación o perforación; y suspendiéndose totalmente durante el muestreo

Tabla 1.12 Ensayos para Propiedades Mecánicas según tipo de Suelo

Ingeniería de Cimentaciones

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En grandes proyectos, el ahorro potencial en los costos de construcción justificarán uno o más ensayos, mientras que en proyectos pequeños, un diseño conservativo desarrollado sin el beneficio de los ensayos de carga puede producir un costo total menor.

Costos Mayores

Costo total del proyecto

Nivel óptimo de investigación y muestreo

Debemos decidir entre realizar un gran número de ensayos de moderada precisión (tal como el SPT) o un pequeño número de ensayos más precisos pero más caros (tal como el PMT). Handy (1980) sugirió el ensayo de costo más efectivo como aquel cuya variabilidad es consistente con la variabilidad del perfil del suelo. Así, pocos ensayos precisos pueden ser apropiados con un depósito de suelo uniforme, pero en suelos erráticos son necesarios más puntos de información, incluso si ellos son de menor precisión.

Costo total mínimo Costo de Construcción

Costo del programa de investigación y muestreo

Programa de investigación y muestreo más extensivo

Figura 1.31 Efectividad del costo de los programas de investigación y muestreo más extensivo

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