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REPUBLICA DE COLOMBIA

DEPARTAMENTO DE ARAUCA

UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA ESPECIALIZACION EN VIAS Y TRANSPORTE CONVENIO ORINOQUIA

METODOS DE EXPLORACION Y ENSAYOS

Materia: Geotecnia Vial

PRESENTADO POR : Henry Hernandez Mantilla – Cod 5314013

DOCENTE: Ing. Sergio Andrés Lopez Alvarez

Arauca, 20 de Septiembre de 2014

INTRODUCCION El presente informe se resume los conceptos más relevantes de cada uno de los métodos del capítulo tres

(Investigación de campo y ensayos) del manual de cimentaciones para carreteras. A continuación se resume de manera sinóptica los ensayos en suelo.

ORGANIGRAMA DE ENSAYOS

NOTA: Abril hipervínculo en cada cuadro para ir al título haciendo click izquierdo.

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Metodos de Exploración y Ensayos.

Plan de Exploración.

Exploración Geotécnica.

Generalidades.

Exploración del Subsuelo.

Clasificación de las Perforaciones.

Exploración Geofísica.

Toma de Muestras.

Ensayos In Situ.

Ensayos de Laboratorio.

INVESTIGACION DE CAMPO Y ENSAYOS Es la recolección de información de campo en el área de influencia de un proyecto con respecto a la

caracterización de un suelo y su medio abiótico con lo cual se reúne los criterios necesarios para la definición y realización de los trabajos de investigación geotécnica, la presentación de la información obtenida con dicha investigación, los métodos de análisis de los diversos aspectos de tipo geotécnico y el modo de evaluar los parámetros en cada caso. Esta información debe ser completa y debe permitir desarrollar diseños y métodos constructivos muy ajustados a la realidad.

Los estudios de campo, laboratorio y oficina relativos a la geotecnia tienen por finalidad establecer las características del terreno sobre el cual se fundará la estructura vial.

Ensayos In Situ

Ensayos en el suelo

Ensayos de Penetración Dinámicos.

Ensayo de Penetración

Estandas (SPT)

Ensayos de Penetración

Estática.

Cono Estático (CPT).

Veleta. Presurímetro

(PMT). Dilatómetros

(DMT).

Otros ensayos In

Situ.

Piezocono (CPTU).

Piezocono Sismico

(SCPTU).

Ensayo de Placa.

Ensayo de Permeabilidad.

Ensayo Lefranc

Inicio

METODOS DE EXPLORACION Y ENSAYO

Consiste básicamente en un recuento de los métodos disponibles para investigación del subsuelo, qué criterios se utilizan para la selección o utilización de cada uno de estos métodos, y qué ensayos de campo y laboratorio se pueden realizar durante la exploración geotécnica.

EXPLORACION GEOTECNICA Se establecen las pautas mínimas que se deben tener en cuenta para la planificación del trabajo de campo y

laboratorio, al igual que toda la información documental que deberá ser revisada para dar inicio a las labores de campo.

EXPLORACION DEL SUBSUELO

Es recolectar muestras de suelo en el sitio del proyecto para conocer el perfil de los mismos y de las rocas, las cuales se ensayarán en el laboratorio, conocer el nivel freático e identificar las condiciones más favorables en un proyecto vial. Esta actividad se realiza con personal humano y equipos de perforación.

ENSAYOS IN SITU

La determinación de las características del terreno mediante ensayos in situ ofrece una ventaja clara sobre la determinación de características en laboratorio, a lo cual se recomienda determinar el mayor número de

parámetros geotécnicos, especialmente los relativos a la resistencia al corte, la compresibilidad y la permeabilidad. Los ensayos de

Inicio

ENSAYOS EN EL SUELO Aunque el ensayo más común es el de penetración normal (norma INV E-111), hay otros que suministran

información útil y variada, como se resume en la Tabla, adaptada del Manual de Carreteras. Volumen No. 3. Instrucciones y Criterios de Diseño, de la Dirección de Vialidad, del Ministerio de Obras Públicas de Chile (MOP-CHILE, 2010).

Inicio

ENSAYOS DE PENETRACIÓN DINÁMICOS

Consisten en hincar mediante golpes, en el terreno, una punta maciza de hierro, situada en el extremo de una tubería, y medir lo que penetra en función del número de golpes y de la energía liberada en cada uno de ellos.

Para problemas de resistencia frente a cargas cíclicas (licuefacción) el ensayo más indicado es el de corte simple. Para problemas de deformación dinámica el ensayo más adecuado es el de columna de resonancia.

Ensayo de penetración estándar SPT

El ensayo de penetración estándar, SPT (Standard Penetration Test), (Norma INV E-111) es el más utilizado por

las empresas y su ejecución cuidadosa debido a que son diversas las variables que pueden afectar el resultado del ensayo, como se observa en la Figura, donde se presentan los resultados de un ensayo sin corrección y uno con corrección, debido a las diferentes variables.

Inicio

ENSAYOS DE PENETRACIÓN ESTATICA

Cono estático (CPT)

Cone Penetration Test, consiste en una hinca, mediante empuje, de una varilla con una punta adecuada, a

velocidad lenta (1 a 3 cm/s), dentro del terreno. El avance del penetrómetro se realiza en intervalos discontinuos de modo que se pueda medir la resistencia a la

penetración de la punta sola o del conjunto completo. El equipo utilizado en Colombia es el presentado en la Norma ASTM D3441, que miden, en una hinca continua, la

resistencia al avance en la punta y la resistencia a la penetración por fricción (D5778). Los equipos varían según su capacidad de empuje y las distintas formas de las puntas.

En los gráficos de resultados conviene incluir un esquema del tipo de punta utilizado, pues este dato no siempre es el mismo (varias normativas). Ver Figura.

Inicio La interpretación de estos ensayos permite determinar la resistencia al corte del terreno y obtener una

descripción indirecta del tipo de suelo atravesado y de su compresibilidad. Como se observa en la Figura 3.12, en el eje horizontal está la resistencia y en el eje vertical la profundidad, para el caso que se muestra la resistencia aumenta con la profundidad.

Veleta

El ensayo de veleta o vane test, realizado en el fondo de las perforaciones o mediante hinca directa hasta el nivel

de ensayo, está especialmente indicado para investigar la resistencia al corte no drenada de suelos arcillosos blandos. Este ensayo se encuentra normalizado con la Norma INV E-170. En la Figura, se presentan de manera

esquemática los componentes esenciales del equipo y el procedimiento del ensayo.

Inicio Los parámetros de resistencia que se obtienen están igualmente indicados para la determinación de los

asentamientos de cimentaciones superficiales o profundas en condiciones no drenadas.

PresurÍmetros (PMT)

La prueba de presurímetro PMT, no se encuentra en las Normas de ensayo de materiales para carreteras del

INVIAS, por lo que el ensayo, se describe brevemente en la norma ASTM D4719 el cual consiste en la aplicación de una presión en el interior del terreno midiendo la deformación que se provoca. Este se realiza en el interior de una perforación donde se introduce el equipo presurímétrico.

Se ha estado utilizando el presurímetro autoperforador SBP (Self-Boring Pressuremeter) que va alojado en el propio equipo de perforación y, en consecuencia, no requiere la separación del ensayo en dos fases, evitando la relajación de esfuerzos y la deformación previa (incluso posible rotura) que se puede producir antes de posicionar los presurímetros convencionales. También pueden utilizarse presurímetros hincados en suelos blandos (PIP, Push-In Pressuremeter).

Inicio En los presurímetros se utiliza un recinto cerrado por una membrana que aloja un volumen de fluido controlable.

El aumento del volumen del fluido comprime la membrana contra las paredes del sondeo. Con estos dos datos (volumen y presión) se puede preparar el diagrama deformación-presión que se ilustra en el esquema de la Figura.

Normalmente los resultados del ensayo con presurímetro se representan en gráficos cuya abscisa corresponde a la deformación radial, definida por la expresión:

Inicio

Dilatómetros (DTM)

Las Normas de ensayo de materiales para carreteras del INVIAS, no incluye la prueba del dilatómetro. El ensayo

se puede consultar en la norma ASTM D6635, se puede utilizar en rocas y en suelos muy firmes, dado que se pueden utilizar equipos más robustos, denominados dilatómetros, los cuales miden la deformación mediante extensómetros, así se obtiene la deformación radial en forma directa y con mayor precisión.

El tarado del equipo, antes de su utilización, permite conocer qué parte de la presión que se aplica es necesaria para deformar la membrana y ese valor se resta a la presión aplicada para obtener la presión corregida que es la que se utiliza en el gráfico de resultados.

En diseño de cimentaciones, es útil para cimentaciones profundas, superficiales y pilas sometidas a cargas laterales; se determina la estratigrafía y algunas características del suelo. Sin embargo, los ensayos de CPT/CPTu pueden ser más adecuados para esta tarea que el DMT.

El dilatómetro se inserta en el terreno usando un dispositivo de penetración de cono. Los ductos de gas y eléctricos se extienden desde la caja de control en la superficie hasta la hoja a través del vástago del dilatómetro, se toman dos lecturas que son:

a. La presión A para levantar la membrana. b. La presión B a la que la membrana se expande 1.1 mm (0.4 plg) hacia el suelo que la rodea. Estas lecturas son corregidas como sigue:

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OTROS ENSAYOS IN SITU

Para el estudio de problemas geotécnicos que puedan tener una repercusión importante es recomendable realizar pruebas de campo especialmente destinadas al análisis del problema en cuestión.

Entre ellas se destacan las siguientes:

Son frecuentes los estudios de asentamientos y consolidación de zonas blandas mediante terraplenes de prueba instrumentados.

Son especialmente recomendables las pruebas de hinca de pilotes, que hoy se pueden instrumentar y analizar detalladamente.

Son frecuentes, y recomendables en grandes obras, las pruebas de carga de pilotes y de resistencia de anclajes o elementos en tracción horizontal.

Son de particular interés, por su menor dificultad de ejecución, las pruebas de empuje entre pilotes. De ellas se deducen con buena precisión los parámetros de deformación del terreno para el estudio de

pilotes sometidos a esfuerzos horizontales con distintas configuraciones. Otros más destacados son:

Inicio

Piezocono - CPTU

El piezocono o CPTU consiste en un penetrómetro estático continuo en cuya punta se añade un piezómetro. El

equipo permite el registro continuo de resistencia por punta y por fuste, y además el control de las presiones intersticiales generadas durante la hinca, así como la evolución de su disipación cuando la hinca se detiene. El método de este ensayo esta descrito en la norma ASTM D3441.

Este tipo de penetrómetros es muy adecuado para el reconocimiento de suelos blandos, fundamentalmente para determinar parámetros destinados al estudio de problemas de consolidación y problemas de estabilidad que impliquen roturas profundas a través de suelos blandos.

Los registros que se obtienen durante la hinca del piezocono permiten la identificación de niveles de diferente permeabilidad aunque tengan estos niveles pequeños espesores. Este aspecto es de especial interés cuando se trata de evaluar las condiciones de drenaje de los procesos de consolidación.

No existe una normativa claramente establecida, aunque sí hay una literatura técnica abundante acerca de su interpretación.

Para interpretar los resultados medidos con el piezocono se suelen calcular, a cada profundidad, los siguientes parámetros auxiliares:

Resistencia a la penetración, de acuerdo con la expresión siguiente:

Inicio Incremento relativo de presión intersticial, definida por:

Se debe determinar el tiempo necesario para alcanzar el 50% de disipación, y puede obtenerse con las mismas técnicas que se utilizan en la interpretación de los tiempos de consolidación de los ensayos edométricos (método logarítmico o de Casagrande y método de la raíz cuadrada del tiempo, por ejemplo).

Inicio También se necesita conocer el índice de rigidez definido mediante la siguiente igualdad:

Con estos datos (t50 e Ir) se puede estimar el valor del coeficiente de consolidación radial, ch, del nivel donde se detenga la hinca del cono y se realice el ensayo de disipación. Esa estimación está basada en experiencias previas, tal como la que se recoge en la Figura.

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Piezocono sísmico SCPTU

Para la prueba sísmica del piezocono (SCPTu), un geófono está situado aproximadamente 1.6 pies (500

milímetros) por encima de la punta del cono. El geófono detecta las ondas de corte generadas en la superficie del terreno en intervalos de aproximadamente 3 o 5 pies (1 o 1.5 m), que corresponden a las penetraciones sucesivas de la barra. Si es necesario, se deben hacer ajustes cuando se usan tuberías de diámetros AW o EW para penetrar el cono en longitudes más largas.

Ensayo de Placa

Se trata de medir los asentamientos de una placa cuadrada o circular (de 30 x 30 cm normalmente) al ir

aumentando la presión vertical transmitida, la cual está limitada por los elementos de contrapeso y lo habitual es no alcanzar la rotura del terreno. (INV E 168).

Resulta un ensayo útil siempre que se tenga constancia de la homogeneidad del terreno o de la mejora de sus características resistentes y de deformación conforme se profundiza.

Nunca hay que fiarse exclusivamente, de este ensayo para diseñar una cimentación de cualquier estructura (a no ser que el tamaño de la zapata prevista sea similar al de la placa, o se utilicen ensayos a mayor escala).

Ensayos de permeabilidad

Las observaciones del nivel de agua subterránea y de la presión de agua de poros son partes importantes de

todas las exploraciones geotécnicas. La identificación de las condiciones del agua subterránea debe recibir el mismo nivel de cuidado dado a las descripciones y a las muestras del suelo. Las medidas de la entrada del agua durante y después de la perforación, deben ser evaluadas al menos de manera mínima, para obtener datos sobre nivel del agua. La información detallada respecto a observaciones del agua subterránea se puede obtener de la normas ASTM D 4750 y ASTM D 5092.

Inicio El control de las pérdidas de agua en apiques o trincheras, cuyo entorno se haya saturado previamente, o en

perforaciones llenas de agua hasta niveles superiores al nivel freático del entorno (ensayo Lefranc), o en perforaciones obturadas con presión forzada (ensayo Lugeon), permite una estimación aproximada de la permeabilidad del terreno. Este último ensayo es explicado en el numeral 3.3.2.2.6, en el aparte dedicado a los ensayos en rocas.

La permeabilidad obtenida de estos ensayos se utiliza en el análisis cualitativo de las condiciones de drenaje de un determinado problema. Si la permeabilidad de un nivel de terreno resulta ser un parámetro crítico del proyecto, entonces tal parámetro se determina mediante ensayos de bombeo, específicamente pensados para el análisis del problema concreto.

No siempre las mediciones de permeabilidad hechas con muestras de laboratorio son confiables ni concluyentes sobre el comportamiento del terreno. Por ello es preciso efectuar ensayos in situ.

Ensayos Lefranc

Los ensayos de permeabilidad más frecuentes en perforaciones consisten en el control del caudal del agua

introducido en el terreno, bajo ciertas condiciones de geometría de la zona de contacto del agua libre con el terreno circundante, y ciertas condiciones de carga hidráulica. Este ensayo está descrito en la norma ASTM D 4631 y es aplicable para la determinación de la permeabilidad en suelos y/o rocas.

El ensayo puede ser de carga constante o variable; y se emplea para medir el coeficiente de permeabilidad en suelos permeables o semipermeables, de tipo granular, situados por debajo del nivel freático y en rocas muy fracturadas. Consiste en llenar de agua la perforación y medir el caudal que se necesita para mantener constante el nivel (ensayo a régimen permanente); o se mide la velocidad de descenso del nivel de agua (ensayo a régimen variable).

Se mide el caudal de admisión cada 5 minutos manteniendo en la parte superior de la perforación el nivel constante durante 45 minutos. Si la admisión es muy alta, se mide por minuto durante 20 minutos y luego cada 5 minutos hasta completar los 45 minutos. En todos estos ensayos, de carácter tridimensional, el caudal viene dado por una expresión del tipo:

Inicio

Inicio Evaluar la permeabilidad del terreno donde se vaya a desarrollar una cimentación, es de gran importancia

pensando en garantizar la estabilidad futura de esta, con el fin de:

Evaluar empujes sobre estructuras de contención. Evaluar las subpresiones que actúen sobre la cimentación. Considerar la necesidad de la construcción de posibles drenajes y/o impermeabilizaciones. Suponer el riesgo en la modificación en los esfuerzos en el terreno, por la variación del nivel del agua

durante la construcción a corto y a largo plazo. Considerar la influencia de estas variaciones en estructuras cercanas.

HENRY HERNANDEZ MANTILLA C.C. No. 17.588.029