Exploración Geoténcica Y Ensayos De Laboratorio: Universidad Nacional De Ingeniería Facultad De Ingeniería Civil

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA Facultad de Ingeniería Civil

EXPLORACIÓN GEOTÉNCICA Y ENSAYOS DE LABORATORIO Zenón Aguilar Bardales, Dr. Eng.

CENTRO PERUANO JAPONÉS DE INVESTIGACIONES SÍSMICAS Y MITIGACIÓN DE DESASTRES - CISMID

CONTENIDO 1

INTRODUCCIÓN GENERAL

2

METODOLOGÍA DE UN ESTUDIO GEOTÉCNICO

3

EXPLORACIÓN DIRECTA DE CAMPO

4

EXPLORACIÓN INDIRECTA A TRAVÉS DE PROSPECCIÓN SÍSMICA

5

ENSAYOS DE LABORATORIO

6

CONCLUSIONES

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METODOLOGÍA DE UN ESTUDIO GEOTÉCNICO - Recopilación de información: hidrología, geología, sismicidad, topografía, etc. - Reconocimiento geológico y de sitio: interpretación del origen y formación de suelos, evaluación geológica, interpretación de posibles condiciones del subsuelo.

- Planificación de la exploración y muestreo: permite ubicar y cuantificar el número de sondajes y optimizar el muestreo.

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METODOLOGÍA DE UN ESTUDIO GEOTÉCNICO - Ejecución de la exploración y muestreo: ejecución de sondajes y obtención de muestras disturbadas e inalteradas. - Ejecución de ensayos de laboratorio: para la determinación de los parámetros de los materiales. - Interpretación de la investigación geotécnica: evaluación de los datos de campo y laboratorio. - Análisis y diseño geotécnico

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EXPLORACIÓN DIRECTA DE CAMPO -

Exploración a través de pozos abiertos (Calicatas) y posteadora manual

-

Ensayo de Penetración Estándar (SPT)

-

Ensayo de Penetración con Cono Holandés (CPT)

-

Ensayo de Carga Directa o Ensayo de Placa

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EXPLORACIÓN DIRECTA CON CALICATAS - Excavación manual con pico y lampa - Excavación con equipo mecánico

Ventaja: - Extracción de muestras disturbadas e inalteradas - Visualización directa de la estratigrafía Desventaja: - Profundidad limitada - Paredes inestables ante la presencia de agua

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EXPLORACIÓN DIRECTA CON POSTEADORA - Posteadora manual - Posteadora mecánica

Equipo: Tubería, una T y en su parte inferior una mecha Ventaja: - Auscultación rápida del terreno Desventaja: - No se extraen muestras inalteradas

- Imposible de realizar en arenas limpias secas o saturadas CENTRO PERUANO JAPONÉS DE INVESTIGACIONES SÍSMICAS Y MITIGACIÓN DE DESASTRES - CISMID

TIPOS DE POSTEADORAS

10 cm

Extensión

D 3" - 8"

D 2" - 3 1/2"

D 2" - 3 1/2"

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D 2" - 5 1/2"

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ENSAYO DE PENETRACIÓN ESTÁNDAR (SPT) A) GENERALIDADES Procedimiento ampliamente utilizado para determinar características de resistencia y compresibilidad de suelos.

B) PROCEDIMIENTO PARA REALIZAR EL ENSAYO Ejecución de la perforación - con barrenos (posteadora)

- a rotación - por lavado “wash boring” Ejecución del muestreo Se realiza con un muestreador de Caña Partida CENTRO PERUANO JAPONÉS DE INVESTIGACIONES SÍSMICAS Y MITIGACIÓN DE DESASTRES - CISMID

PERFORACIÓN POR LAVADO “WASH BORING” Polea para la soga Trípode de tubos Soga f

1”

f

2 1/2” Elevador Mango para rotación parcial de la barra

SOSTENEDOR DE BARRAS

BARRA CON UNION

Manguera Bomba

Terreno Natural

Motor con caja reductora

Depósito de agua de lavado ELEVADOR

Forro Barra de perforación

CINCEL RECTO

Cincel

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CINCEL DE CRUZ

ENSAYO DE PENETRACIÓN ESTÁNDAR - SPT Trípode de Tubo de diámetro f 2 1/2”

Cadena de fierro Martillo

Guía de hinca Guía

Cabezal de hinca F 1 1/2”

MARTILLO

Cuchara

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CUCHARA F 2” - 4 1/2”

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C) REGISTRO DE PENETRACIÓN Resistencia a la penetración: golpes necesarios para hincar los últimos 30 cm de un total de 45 cm.

D) INTERPRETACIÓN DE RESULTADOS La resistencia a la penetración es un indicador de la compacidad de suelos arenosos y un indicador de la consistencia y resistencia de suelos cohesivos.

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Compacidad Relativa de Arenas Número de Golpes

Compacidad Relativa

0–4

Muy suelta

5 - 10

Suelta

11 - 30

Medianamente Compacta

31 - 50

Compacta

> 50

Muy Compacta

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Consistencia y Resistencia de Suelos Cohesivos Número de Golpes

Consistencia

Resistencia a la Compresión Simple, qu (kg/cm2)

<2

Muy Blanda

< 0.25

2-4

Blanda

0.25 - 0.50

4-8

Media

0.50 - 1.00

8 - 15

Firme

1.00 - 2.00

15 - 30

Muy Firme

2.00 - 4.00

> 30

Dura

> 4.00

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ENSAYO DE PENETRACIÓN CONO HOLANDÉS A) DESCRIPCIÓN DEL EQUIPO - Equipo de penetración estática - Tubería de acero de 1 m y barras sólidas interiores concéntricas (fext=3.6 cm y f int= 1.6 cm)

- Punta Cónica Se transmite la fuerza a través de las barras interiores, midiendo cada 20 cm la resistencia por punta y/o fricción.

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B) PUNTA DE PENETRACIÓN Punta DELFT

- Punta cónica de 3.6 cm de diámetro y 10 cm2 de área - Se encuentra montada en el extremo inferior de una funda deslizante de 9.9 cm de longitud - El cono penetra debido a la fuerza axial de un vástago - Se mide la presión que transmite en la punta

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B) PUNTA DE PENETRACIÓN Punta BEGEMANN - Punta cónica de 3.57 cm. de diámetro y 10 cm2 de área - Se encuentra montado en un pieza cilíndrica deslizante de 11.1 cm - Posee una funda de 13.3 cm de longitud y 3.6 cm de diámetro

- Se mide la presión por punta y fricción

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ENSAYO DE PENETRACIÓN CONO HOLANDÉS Esquema de Punta Cónica 2

4

3

A

1

5

F15 265 m m

F12.5 m m

69 m m

133 m m

47 m m

60°

F 36

B

F 23 m m

F 35.7 m m

F 30 m m

F 32.5 m m

1

Punta Cónica

4 Copla

2

Funda cilíndrica

5 Barra sólida

3

F 20 m m

A

POSICION CERRADA

B

POSICION EXTENDIDA

Funda de fricción

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C) DETERMINACIÓN LA RESISTENCIA qc =

QC

Ac

donde : Qc = fuerza para hincar el cono en kg Ac = área transversal del cono qc = resistencia de la punta fs =

FC

Ac

donde : FS = fuerza para hincar el cono y la funda en kg AS = área lateral de la funda fS = resistencia por fricción CENTRO PERUANO JAPONÉS DE INVESTIGACIONES SÍSMICAS Y MITIGACIÓN DE DESASTRES - CISMID

Resistencia de punta qc, kg/cm2

GRÁFICA DE PENETRACIÓN ESTÁTICA

0

10

20

30

40

50

60

0.8

1.0

1.2

1

fs

Profundidad, m

2

qs

3

4

5

6

7

0

0.2

0.4

0.6

Resistencia de fricción fs, kg/cm2

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E)

CORRELACIÓN CON EL ENSAYOS DE PENETRACIÓN ESTÁNDAR

Tipos de Suelos Limos, limos arenosos, mezclas de limo

qc/N

2.0

arena-arena ligeramente cohesiva Arenas limpias a medias y arenas

3.5

ligeramente limosa Arenas gruesas y arenas con algo de

5

grava Gravas arenosas y gruesas

6

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ENSAYO DE CARGA IN-SITU

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ENSAYO DE CARGA DIRECTA 12 11 10 9

CARGA (Kg/cm2)

8 7 6 5 4 3 2 1 0 0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

ASENTAMIENTO (mm)

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10

Ensayos de Prospección Sísmica Ensayos de Refracción Sísmica Ensayos down-hole y up-hole

Ensayo cross-hole Ensayo con la Sonda de Suspensión

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ENSAYO DE REFRACCIÓN SÍSMICA

Disposición detallada de la conexión de cables a los geófonos, trigger, equipo de adquisición y amplificador

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ENSAYO DE REFRACCIÓN SÍSMICA

Geófono vertical y cable conductor de señales para realizar ensayos de refracción sísmica y ensayos en pozo abierto de poca profundidad

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ENSAYO DE REFRACCIÓN SÍSMICA Xc Disparo t2 t1 t3

Frente de Ondas

t4 t5

t8

t7

t6

Frente de Ondas en un Medio de Dos Estratos a tiempos t1, t2,...

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Principio de la Refracción Sísmica 





Cuando la onda sísmica alcanza la frontera entre dos materiales de distinta velocidad sísmica, las ondas son refractadas. Cuando el ángulo de incidencia es igual al ángulo crítico en la frontera, la onda refractada se mueve a lo largo de ésta, entre los dos materiales, transmitiendo de nuevo la energía a la superficie. Esta frontera es llamada un refractor. CENTRO PERUANO JAPONÉS DE INVESTIGACIONES SÍSMICAS Y MITIGACIÓN DE DESASTRES - CISMID

LEY DE SNELL Fuente

sen (i) = sen (r)

Estrato 1 Velocidad = V1

Vo V1

a = Angulo Crítico de Incidencia i

a Estrato 2 Velocidad = V2

r

Refracción de las ondas a través de una frontera entre dos medios elásticos

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• Parámetros: - Tiempo de inicio del movimiento sísmico (tiempo cero) - Distancia entre el punto de impacto y el sensor - Primer arribo de energía sísmica que llega a los sensores DIRECTA

ic i

r

ic

V1 REFRACTADA

V2

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Desplazamiento

Onda P Onda S

Onda R

Tiempo

Onda Hipotética Registrada por un Geófono en la Superficie de un Medio Elástico Homogéneo a Cierta Distancia de la Fuente

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OPERACIÓN Y OBSERVACIÓN DE CAMPO LONGITUD DE TENDIDO L L > 4h - 3h h

DETERMINACION DE LA GEOMETRÍA DE LOS PUNTOS DE IMPACTO

L shot

shot

1 L/2

shot

shot

2

3

4

5

6 L/2

7

8

9

10 11

12 13 14

shot

15 16 17 18 19

20 21 22 23

shot

shot

24

L/2

e : espaciamiento entre geófonos

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L/2

Unidad de Adquisición y Procesamiento de Datos

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Colocación de Geófonos en Taludes de Relaves

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Tendido de Líneas en Presas de Relaves CENTRO PERUANO JAPONÉS DE INVESTIGACIONES SÍSMICAS Y MITIGACIÓN DE DESASTRES - CISMID

Martillo de 25 lbs. Utilizado Generalmente en Líneas Pequeñas

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Preparación de Explosivo para Generar una Onda Sísmica

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Disparo Producido por Explosivo CENTRO PERUANO JAPONÉS DE INVESTIGACIONES SÍSMICAS Y MITIGACIÓN DE DESASTRES - CISMID

REGISTRO DE ONDAS “P”

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t

D1 =

XC 2

V2

TIEMPO

TIEMPO DE INTERSECCION,

- V1

V2 + V1

1 Ti

v2

1 v1

DISTANCIA CRITICA, X

C

X DISTANCIA

DISPARO H E v1 F

v2

a

D1

G

(SIN a =

v1 v 2

Caso Simple de Dos Estratos con Fronteras Planas y Paralelas, y Curva Tiempo - Distancia Correspondiente CENTRO PERUANO JAPONÉS DE INVESTIGACIONES SÍSMICAS Y MITIGACIÓN DE DESASTRES - CISMID

PERFILES SÍSMICOS EN LA ZONA DE CHEN CHEN

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Perfil Sísmico (Deposito de Relave Yauliyacu Nuevo - Huarochiri)

CENTROPERUANO PERUANOJAPONÉS JAPONÉSDE DEINVESTIGACIONES INVESTIGACIONES CENTRO SÍSMICAS CISMID SÍSMICASYYMITIGACIÓN MITIGACIÓN DE DE DESASTRES DESASTRES- FIC - UNI

Esquema del Ensayo de Medición en Pozos Ondas P y S CILINDRO DE GAS

MONITOR

REGULADOR

MARTILLO

AMPLIFICADOR

MONITOR DE DATOS

ESTACA

CARGA TABLA

ONDAS S

ONDAS P

TUBO DE TRANSDUCTOR DE 3 COMPONENTES

CAUCHO

POZO

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Tiempo (Seg.) 0. 00

0. 02

0. 04

0. 06

0. 08

0. 10

0. 12

0 1 2 3 4

Profundidad (m)

5 6 7 8 9

10 11 12 13 14 15 15 17 18 19

20 20.3 20.8

Registros de Ondas P

(Ondas P)

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Tiempo (Seg.) 0. 00 0. 2 4

0. 04

0. 08

0. 12

0. 16

0. 20

0 1 2 3 4

Profundidad (m)

5 6 7

8 9

10 11 12 13 14

15 15 17 18 19 20 20.3 20.8

(Ondas S)

Registros de Ondas S

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shot 0105

LLEGADA DE LAS ONDAS S 14 Vs = 300 m/s

Vp = 630 m/s 12

Vp = 1550 m/s

Profundidad (m)

10

8

Vs = 630 m/s 6

4 Vp = 1890 m/s 2 Vs = 655 m/s 0

0

Estrato N° 1 2 3

Velocidades Vp (m/s) Vs (m/s) 630 300 1550 630 1890 655

Poisson s 0.35 0.40 0.43

5

10

15 Milisegundos

20

Módulo 2 2 E d (T/m ) Gd (T/m ) 44744.1 16530.6 238319.0 85050.0 263252.9 91933.9

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25

30

Densidad 3 (T/m ) 1.8 2.1 2.1

Ejemplo de Prospección de velocidades por el método Downhole m

Tipo Valor de N de 10 20 0 Suelo

1

2

Tiempo de Viaje ( x 10 -2 ) sec. 3 4 5 6 7 8 9

10

11

12

1.35 mm 580 5

10

Owi Island N°1 C2 Tokyo Bay

210

Vp = 1300 m sec

Vs = 155 m sec 100 140

120 15 1890

195 150

20

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Determinación de propiedades dinámicas de los materiales. r = 0.2 Vp 0.25

(Vp /Vs )2 - 2 n= 2 ((Vp /Vs )2 - 1)

Donde: r = densidad volumétrica. n = relación de Poisson. Gd = módulo de corte. Ed = módulo de Young.

Gd = r Vs 2 Ed = 2 (1 + n )G

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VALORES PROMEDIOS DE Vp SEGÚN LA NORMA ASTM-D5777 Velocidad Vp

Descripción pie/s

m/s

Suelo intemperizado

800

a 2000

240 a

610

Grava o arena seca

1500 a 3000

460 a

915

Arena saturada

4000 a 6000

1220 a 1830

Arcilla saturada

3000 a 9000

910 a 2750

Agua

4700 a 5500

1430 a 1665

Agua de mar

4800 a 5000

1460 a 1525

Arenisca

6000 a 13000

1830 a 3960

Esquisto, arcilla esquistosa

9000 a 14000

2750 a 4270

Tiza

6000 a 13000

1830 a 3960

Caliza

7000 a 20000

2134 a 6100

Granito

15000 a 19000

4575 a 5800

Roca metamórfica

10000 a 23000

3050 a 7000

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Determinación de velocidades por el método Crosshole

Receptor

Oscilógrafo

Receptor

Fuente de

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Grabadora

Medición de Velocidades por el Método de la Sonda de Suspensión

Segundo Receptor 1.0 m.

Primer Receptor

Tubo de Filtro Fuente de Impulso

Pesa

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ENSAYOS DE LABORATORIO

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A) Ensayos Estándar Permiten determinar las propiedades físicas de los

suelos

- Análisis granulométrico por tamizado y sedimentación - Límites de consistencia

- Contenido de humedad B) Ensayos Especiales Permiten obtener las propiedades de resistencia, compresibilidad y de flujo de los suelos. - Ensayo de Corte Directo

- Ensayo de Compresión Triaxial - Ensayo de Consolidación - Ensayo de Permeabilidad CENTRO PERUANO JAPONÉS DE INVESTIGACIONES SÍSMICAS Y MITIGACIÓN DE DESASTRES - CISMID

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ENSAYO DE CORTE DIRECTO Objetivo: Medir la resistencia cortante de suelos granulares. Equipo: Se utiliza el aparato para Corte Directo (caja partida, una fija y la otra se puede mover horizontalmente con una fuerza lateral aplicada). Procedimiento del Ensayo: - Colocar el especimen al interior de la caja - Aplicar esfuerzo vertical - Aplicar esfuerzo horizontal hasta la falla

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Esquema del Aparato de Corte Directo s =

N A

t=

F A

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t

t

f

f C

s

s Envolvente de falla para una arena seca ensayada en corte directo

Envolvente de falla para una arcilla dura ensayada en corte directo

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ENSAYO DE COMPRESIÓN TRIAXIAL Objetivo: Medir la resistencia cortante de diferentes tipos de suelos en diferentes condiciones de carga y drenaje. s3

sd

s3

+

s1 s3

= s3

1° ETAPA

2° ETAPA

s1 = s1 - u

u

s 1 = s3 + s d s d = s1 - s 3

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s3 = s3 - u

Tipos de Ensayos Triaxiales

- Ensayo No Consolidado - No drenado (UU) Construcción rápida en arcillas blandas Análisis al final de la construcción de presas de tierra - Ensayo Consolidado - Drenado (CD) Construcción en arenas. Construcción lenta en arcillas. Análisis en el estado de infiltración constante de presas de tierra.

- Ensayo Consolidado - No Drenado (CU) Construcción rápida sobre arcillas sobreconsolidadas. Análisis de desembalse rápido de presas de tierra.

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OTROS ENSAYOS

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ENSAYO DE COMPRESIÓN NO CONFINADA

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ENSAYO DE CONSOLIDACIÓN UNIDIMENSIONAL

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ENSAYO TRIAXIAL DINÁMICO

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CONCLUSIONES - Es importante realizar el reconocimiento del sitio antes de realizar una propuesta de investigación del terreno. - De preferencia y siempre que sea posible se deben realizar excavaciones a cielo abierto o calicatas, para visualizar en forma directa la estratigrafía del terreno y extraer muestras disturbadas e inalteradas para ensayos de laboratorio. - El ensayo de penetración estandar SPT debe ejecutarse en todos los terrenos donde pueda ser factible de realizar. La gran ventaja de este ensayo es que permite recuperar muestras disturbadas, existiendo además diversas correlaciones entre el número de golpes “N” y parámetros del suelo. CENTRO PERUANO JAPONÉS DE INVESTIGACIONES SÍSMICAS Y MITIGACIÓN DE DESASTRES - CISMID