5 – Exploración geotécnica Importancia de la exploración de suelos El costo de la falla es muy alto 1 Importancia de la exploración de suelos Costo de ser conservador es muy alto Factor de seguridad vs probabilidad de falla Geotechnical Failures based on original idea by Lambe, Marr and Silva 1.0E-08 I - Best possible I II III II - Best practice 1.0E-07 Conservative earth dam design Probability of Failure III - Standard practice 1.0E-06 IV -Little to no engineering interpreted by Marr from R.V. Whitman (1984) References 1.0E-05 1.0E-04 Average earth dam design Better enginering practice, beta=3 Best Practice Liquefaction Analysis 1.0E-03 MSE walls, Christopher IV Retaining Wall, Duncan Empirical Liquefaction Analysis 1.0E-02 Commonly accepted engineering practice, beta=2 1.0E-01 Mine pit slopes 1.0E+00 0.5 1.0 1.5 2.0 Margin of Safety Against Failure 2.5 3.0 2 Objetivos típicos de una exploración • Determinar la ubicación y espesor de los estratos de suelo. • Ubicar la napa de agua. • Determinar la profundidad de la roca basal y sus características (si el proyecto lo requiere). • Obtención de muestras para su posterior caracterización. • Llevar a cabo ensayos en terreno y/o en el laboratorio para estimar propiedades de los distintos estratos de suelo. • Definir problemas especiales que puedan generarse durante o después de la construcción. • La magnitud de la exploración depende del tama ño y complejidad del proyecto en estudio. Etapas típicas de una exploración • • • • • Estudio preliminar. Reconocimiento del terreno. Exploración. Ensayos de laboratorio. Interpretación y análisis. 3 Estudio preliminar Por lo general el primer paso en la obtención de información consiste en revisar material ya publicado. Estos datos permiten a menudo reducir la extensión de la exploración. - Mapas geológicos • Representan los tipos de suelo y roca expuestos en la superficie. • Usualmente muestran la extensión de formaciones geológicas, fallas, deslizamientos de tierra importantes, etc. • En ocasiones se pueden encontrar perfiles transversales. • El estudio de la geología local nos ayuda a predecir posibles problemas. • Ayudan a interpretar los datos obtenidos de la exploración del terreno. Estudio preliminar - Informes geotécnicos • Se pueden obtener de proyectos realizados en la cercanía. • Pueden ser de gran ayuda, ya que generalmente incluyen sondajes, ensayos de suelo, e información relevante. - Fotografías aéreas • Permiten identificar características geológicas, tales como deslizamientos de tierra, fallas, problemas de erosión, etc. • Ayudan a comprender la topografía del terreno y patrones de drenaje. - Antecedentes varios 4 Reconocimiento del terreno • Consiste en recorrer el sitio y evaluar visualmente las condicio nes locales. • Generalmente sirve para responder a respuestas tales como: • • • • • • Si hay evidencia de construcciones previas en el sitio. Si hay evidencia de problemas de estabilidad de taludes. Si existen construcciones cercanas. Cuales son las condiciones de drenaje. Que tipos de suelo y/o rocas se encuentran en la superficie. Si existen problemas de acceso que puedan limitar los tipos de exploración. Exploración 10 • El objetivo de esta etapa es obtener el perfil de subsuelo, tomar muestras de suelo, realizar ensayos in-situ pare estimar parámetros de los materiales, y determinar la profundidad de la roca basal y el nivel freático si es necesario. • En exploraciones de poca profundidad se recurre a calicatas y/o zanjas. • En exploraciones mas profundas se realizan sondajes. 5 Exploración • La exploración de suelos se realiza comúnmente a través de calicatas, siempre que la profundidad de la napa de agua lo permita. • Cuando la napa freática es elevada o se requiera alcanzar mayores profundidades, el método más común utilizado para explorar tanto suelos como rocas, es a través de sondajes. • Existen diversos tipos de sondaje en suelos, siendo el más utilizado el de la cuchara normal para la extracción de las muestras, que proporciona además valores del número de golpes durante la penetración, • En rocas, se utilizan sondajes a rotación con coronas de diversos tipos, según sea la dureza de la roca a muestrear. Exploración: Sondaje a rotación • Los sondajes a rotación pueden perforar cualquier tipo de suelo o roca hasta profundidades muy elevadas. • Se utilizan brocas que muelen el material del fondo mediante rotación y presión. El material se extrae por medio de agua inyectada a presión. • Para obtener muestras cilíndricas “inalteradas” se utilizan coronas diamantadas. broca 6 Exploración: Sondaje con barrena • La barrena se introduce en el suelo mediante rotación. Luego se extrae y se remueve el material adherido a ella. Este proceso se repite hasta llegar a la profundidad deseada. • Cuando el terreno es firme se remueve la barrena dejando el terreno sin protección. • Una vez que se retira la barrena es posible introducir equipos para tomar muestras “inalteradas”. • Este método presenta problemas cuando la barrena se encuentra con materiales muy resistentes. Exploración: Sondaje con barrena hueca 7 Recuperación de muestras a) muestreador abierto con muestra de suelo, b) muestra de suelo, cuchara partida, tubo shelby y caja para almacenaje y transporte de muestras. Recuperación de muestras Selección de tamaños y tipos de tubos Shelby de pared delgada 8 Recuperación de muestras Formas de sellar un tubo Shelby: a) cera b) o-ring. Recuperación de muestras Coronas. De izquierda a derecha; diamante, carburo y diente de sierra 9 Recuperación de muestras Recuperación del núcleo e índice de calidad del macizo rocoso Recuperación de muestras Medición de longitud para la determinación del RQD 10 Exploración Número mínimo de puntos de exploración • No existe una regla absoluta para especificar el número de calicatas, sin embargo la nueva norma Chilena de Geotecnia (NCh 1508) establece lo siguiente (ver siguientes tablas). • De todas maneras debe primar el criterio del ingeniero. • En general el número de sondajes debería aumentar a medida que: - La variabilidad del suelo aumenta. - La carga aumenta. - La estructura sea mas crítica. Exploración Número mínimo de puntos de exploración (NCh 1508) 11 Exploración Número mínimo de puntos de exploración (NCh 1508) • La Norma NCh 1508 establece que para exploraciones profundas con calicatas o sondajes de más de 8 m de profundidad, el número debe ser establecido por el Ingeniero Civil. Exploración Profundidad mínima de la exploración • En general el sondaje debería alcanzar una profundidad a la cual el incremento de esfuerzos sea menor a un 10% de la generada por la estructura a nivel de la fundación. • La Norma NCh 1508 establece profundidades mínimas para calicatas y sondajes, utilizando el criterio de que la exploración debería llegar hasta el bulbo de presiones que se podría considerar como significativo para el subsuelo. Ver anexo A3 de la Norma NCh 1508. 12 Ensayos en terreno (In-situ) • Se utilizan cuando es difícil obtener muestras inalteradas, en arenas por ejemplo. • Sirven para estimar propiedades y parámetros del suelo. • Ensayos típicos en terreno son: - Ensayo de penetración estándar (SPT) - Ensayo de penetración de cono (CPT) - Placa de carga - Ensayo de corte in-situ (Vane shear tests, VST) - Presiómetro - Dilatómetro - Exploración geofísica Ensayos en terreno (In-situ) Ensayos de terreno más comunes. 13 Ensayo de penetración estándar (SPT) • Permite tomar muestras y realizar ensayo in-situ. • La muestra sin embargo es alterada. • Este ensayo se utiliza para estimar parámetros como la densidad relativa, ángulo de fricción y cohesión. • Se introduce un tubo hueco cilíndrico mediante golpes de un martillo de 63.5 Kg. de una altura de 76 cm. • Se introduce el tubo 45 cm., registrando el número de golpes necesario para avanzar tramos de 15 cm. • NSPT = número de golpes necesarios para avanzar los últimos 30 cm. • Este resultado debe ser corregido antes de poder ser utilizado (N). • Suelos muy sueltos tienen valores típicos de N menores a 5. • Suelos muy resistentes tienen valores del orden de 50 o superior. Ensayo de penetración estándar (SPT) Esquema del procedimiento manual 14 Ensayo de penetración de cono (CPT) 30 • Este ensayo mide la resistencia de punta del cono y la resistenc ia por fricción. • Es un ensayo rápido y entrega un perfil continuo. • La desventaja es que es relativamente caro y no se obtienen muestras. • Es mas adecuado para suelos con cohesión. Ensayo de penetración de cono (CPT) 15 Ensayo de penetración de cono (CPT) Datos típicos de un ensayo Exploración geofísica • La exploración geofísica es un método que utiliza varios principios de la física para identificar estratos de suelo y roca, y determinar algunos de sus parámetros. • Los métodos de exploración geofísica fueron originalmente desarrolladas por la industria minera y petrolera. • Para la ingeniería geotécnica este tipo de exploración tiene la ventaja de cubrir grandes áreas a un relativo bajo costo. • Pueden utilizarse como primer paso en un proceso de exploración. • La desventaja es que no se obtienen muestras y se debe complementar con sondajes con muestreo. 16 Exploración geofísica • Existen varios métodos de exploración geofísica para investigar el perfil del subsuelo. • Ondas (mecánicas) -Refracción sísmica -Crosshole -Downhole • Ondas electromagnéticas -Resistividad -Radar • No alteran las condiciones del suelo (no-destructivos). Refracción sísmica • Método de exploración para estimar el espesor de uno o más estratos y la velocidad de propagación de onda. • Este ensayo elimina la limitación más importante del ensayo de reflexión sísmica, utilizando los tiempos de llegada del primer frente de onda solamente. • Consiste en generar ondas en el terreno mediante golpes o detonaciones, y medir el tiempo de llegada de las ondas P y/o S a un arreglo lineal de geófonos. • La siguiente figura muestra un esquema de este ensayo. • Por lo general el sistema de adquisición de datos comienza a grabar cuando se genera el impulso, utilizando un trigger. • En la figura también se muestran los tiempos de llegada del frente de onda a los distintos geófonos en función de sus distancias a la fuente. Aún cuando la velocidad de propagación de la onda del primer estrato fuese constante, la relación velocidad – tiempo de llegada no es lineal. 17 Refracción sísmica (Kramer S., 1996) Refracción sísmica Rango de velocidad de ondas primarias en distintos materiales (FHWA) 18 Refracción sísmica Caso 1: Un estrato plano sobre otro de mayor velocidad Vp. (FHWA) Refracción sísmica Caso 1: Un estrato plano sobre otro de mayor velocidad Vp. • Se asume que el ensayo se realiza en la superficie de un medio elástico semi- infinito compuesto por dos estratos. • La restricción es que la velocidad de propagación de ondas del estrato inferior sea mayor que la velocidad del estrato superior. • El impulso produce ondas que viajan en todas las direcciones con un frente de onda semi-esférico. • Parte de la energía viaja directamente de la fuente al receptor “n”, llegando a un tiempo igual a la distancia al receptor “n” sobre la velocidad de propagación de la onda en el estrato superior. • Otros rayos viajan hacia abajo y en el límite entre ambos estratos parte de la onda se refleja y parte se refracta. 19 Refracción sísmica Caso 1: Un estrato plano sobre otro de mayor velocidad Vp. (Kramer S., 1996) Refracción sísmica Caso 1: Un estrato plano sobre otro de mayor velocidad Vp. • La dirección del rayo refractado es determinada por la Ley de Snell. Existe un ángulo de incidencia crítico “ic ”, en donde el rayo refractado viaja por el segundo estrato en forma paralela al límite. • Este frente de onda es una fuente de impulsos que generan ondas que viajan en el primer estrato hacia la superficie con una inclinación igual a (90º - ic). • A una distancia mayor a xc (ver siguiente figura) el rayo que viaja hacia abajo, se refracta y viaja en el estrato inferior paralelamente al límite entre ambos estratos y luego viaja hacia arriba hasta el receptor, llega antes que el rayo que viaja directamente entre el lugar del impulso y el receptor. • A continuación también se muestra el procedimiento y expresiones para determinar el espesor del estrato superficial y la velocidad de propagación de las ondas en ambos estratos. 20 Refracción sísmica Caso 1: Un estrato plano sobre otro de mayor velocidad Vp. sen (α1 ) sen (α 2 ) = v p1 v p2 Ley de Snell: t AD = 2H vp1 vp2 v 2p2 − v 2p1 + x v p2 Refracción sísmica Caso 1: Un estrato plano sobre otro de mayor velocidad Vp. Tiempo [seg] geófonos to (Corresponde a la onda directa) Distancia [m] to = 2H v p1 vp2 v 2p2 − v 2p1 H= t o v p1 vp2 2 v 2p2 − v 2p1 21 Refracción sísmica Caso 2: Múltiples estratos horizontales • Para el caso de múltiples estratos horizontales, el gráfico tiempo de llegada vs distancia tiene más de un quiebre, como se puede ver en la siguiente figura. • Las pendientes de cada tramo corresponden al inverso de las velocidades de cada estrato. • Las distancias correspondientes a estos quiebres en pendientes y las velocidades de los estratos se pueden utilizar para determinar los espesores de los estratos, Hk . • Se asume que la velocidad de propagación para cada estrato es mayor a mayor profundidad. Refracción sísmica Caso 2: Múltiples estratos horizontales (Kramer S., 1996) 22 Refracción sísmica Caso 3: Velocidad aumenta linealmente en profundidad (Kramer S., 1996) Refracción sísmica Caso 4: Límite inclinado entre estratos • Si los límites entre ambos estratos no son paralelos, el gráfico tiempo de llegada vs distancia realizado en una dirección no entrega las velocidades de los estratos de manera correcta, debido a que la velocidad aparente es influenciada por la pendiente del límite entre los estratos α= 1 −1 v1 v sin − sin −1 1 2 v 2D v 2U v2 = 2 v 2D v 2U cos α v 2D + v 2U 23 Refracción sísmica Caso 4: Límite inclinado entre estratos (Kramer S., 1996) Crosshole • El ensayo crosshole utiliza dos o más sondajes para medir la velocidad de propagación de ondas que viajan horizontalmente. El ensayo más simple consiste en dos sondajes, uno en donde se instala la fuente de energía y el otro donde se instala el receptor. • La velocidad de propagación se determina midiendo el tiempo de llegada y la distancia entre fuente y receptor. Este procedimiento se realiza a distintas profundidades para obtener un perfil de velocidades en profundidad. • Es más deseable utilizar tres sondajes y medir la velocidad de propagación entre los sondajes 2 y 3, y no utilizar el sondaje “fuente” y así evitar errores de medición por la utilización del trigger, y de rellenos entre la entubación y el suelo natural. • Es necesario determinar la inclinación que tienen los sondajes, de manera de determinar la distancia exacta entre fuente y receptor. • La velocidad medida puede ser afectada si existe un estrato adyacente de considerable mayor velocidad de propagación. Por esto es deseable que los sondajes no se encuentren separados a una distancia mayor a 10 metros. 24 Crosshole (Kramer S., 1996) Crosshole (FHWA) 25 Crosshole Ejemplo: Ensayo realizado por IDIEM Downhole (FHWA) 26
