Introducción La seguridad de las obras civiles es uno requisitos principales para que estas sean aceptadas y promuevan el progreso de una sociedad, de esta forma para garantizar un nivel aceptable de seguridad es necesario emplear instrumentación geotécnica, la cual tiene como finalidad determinar el comportamiento y las características del terreno para predecir su evolución frente a cargas, movimientos, empujes y demás acciones, tanto naturales como inducidas por las obras. De esta forma, la instrumentación geotécnica también aporta a los ingenieros datos acerca del comportamiento del suelo para así poder evaluar la obra ante la situación más crítica y garantizar la estabilidad de la estructura, así en este trabajo se tocan a fondo todo lo relacionado con instrumentación geotécnica para una mejor compresión del tema. Piezómetros El piezómetro es un instrumento de medición geotécnica el cual se utiliza para medir la presión de poros o nivel del agua en perforaciones, terraplenes, cañerías y estanques a presión. La aplicación geotécnica más común es para determinar la presión de agua en el terreno o el nivel de agua en perforaciones ; Esto se realiza con la intención de evaluar los riesgos ante tuberías, diques, u otros canales o conductos que se encuentren en el subsuelo, de esta forma, ofrece un control eficaz en sondeos y excavaciones dotando el servicio de una mayor precisión. Existen varios tipos de piezómetro, entre los cuales los más utilizados son Piezómetro neumático; Piezómetro de cabeza abierto; Piezómetros de Hilo Vibrátil Piezómetros neumáticos Este piezómetro consiste en una punta porosa unida a una válvula o diafragma muy sensitivo que es accionado por gases o fluidos y se requiere una unidad de lectura exterior, la cual produce una presión dentro del sistema interno del piezómetro hasta igualar la presión en la cavidad del mismo. La precisión depende del equipo de medición. En la experiencia con este tipo de piezómetros se ha encontrado que hay poca exactitud cuando las presiones son bajas y que el nivel de precisión de las unidades de lectura, no es muy exacto. Figura # 1 Piezómetro Neumático. Piezómetro de Cabeza Abierta Uno de estos piezómetros es el tipo Casagrande, que es muy similar al tubo abierto con un filtro y con la colocación de sellos de Bentonita, permite especificar el sitio de la lectura, eliminando el factor de error ya descrito. Generalmente, se coloca un filtro o un elemento poroso, para determinar el sitio específico de la medición. La versión original del piezómetro de Casagrande, consiste en un cilindro poroso de cerámica unido con un manguito de caucho que se encuentra conectado a un tubo plástico. Los piezómetros modernos consisten en un elemento poroso de polietileno de alta densidad unido a un tubo de PVC o ABS. Los piezómetros de cabeza abierta son considerados por los ingenieros, como los más confiables. Algunas de las ventajas de los piezómetros de cabeza abierta son los siguientes (Abramson y otros, 2002): Son simples y fáciles de interpretar. Su durabilidad y permanencia en el tiempo es muy buena. Son fáciles de mantener. Se pueden utilizar unidades de medida portátiles. Se puede muestrear el agua freática. Se pueden utilizar para medir la permeabilidad del suelo Figura #2 Piezómetro de Cabeza Abierta Piezómetros de Hilo Vibrátil Consisten en un diafragma metálico que separa la presión del agua del sistema de medida. Un cable tensionado está unido al punto central de un diafragma metálico. Las deflexiones del diafragma ocasionan cambios en la tensión del cable, la cual es medida y convertida en presión (Figura 12.36). La utilización de piezómetros de hilo vibrátil origina, con frecuencia, errores por el comportamiento del piezómetro a través del tiempo (Abramson y otros, 2002). Son muy comunes los problemas de corrosión por falta de hermeticidad de la cavidad sellada. Entre las ventajas del piezómetro de hilo vibrátil se encuentra la facilidad de lectura y la poca interferencia para la colocación de rellenos. Igualmente, puede utilizarse para medir presiones negativas de agua. El principal uso de los piezómetros de hilo vibrátil, se relaciona con la facilidad para incorporarlos a los sistemas automáticos de adquisición de datos y la posibilidad de transmitirlos a grandes distancias. Tensiómetros. Los tensiómetros miden la presión de poros negativa en materiales no saturados y generalmente, son capaces de medir presiones desde cero hasta menos una atmósfera (Abramson, 1996). Figura #3 Tensiómetro. El instrumento tiene una piedra porosa de entrada de aire en un extremo de un tubo metálico lleno de agua. Una válvula de vacíos se coloca al otro extremo del tubo. Cuando la punta porosa está en contacto con el suelo, existe una tendencia del agua a salir del tubo y entrar al suelo. El potencial de salida de agua del tubo es una medida de la succión o presión negativa. Medidor Superficial de Inclinación. Los medidores superficiales de inclinación se utilizan para determinar la rotación o la inclinación de un punto en la superficie del terreno. Su uso más común es para monitorear movimientos de taludes en minas de cielo abierto, carreteras y ferrocarriles (Mikkelsen, 1996). Los medidores de inclinación utilizan sensores electrolíticos o servoacelerómetros. Los sensores electrolíticos tienen una mayor sensibilidad, pero los servoacelerómetros tienen un mayor rango. Extensómetros Horizontales. Los extensómetros permiten medir los movimientos horizontales relativos y los cambios en la amplitud de las grietas. El extensómetro es utilizado para medir el movimiento relativo comparando la distancia entre dos puntos de una forma manual o automática. Los extensómetros, generalmente, se instalan a través del escarpe principal o a través de las grietas, para determinar su movimiento. Colocando una serie de extensómetros interconectados desde el escarpe principal hasta la punta del deslizamiento, se puede determinar en forma clara, el movimiento de los bloques individuales dentro del movimiento general Figura #4 Extensómetro Horizontal. Extensómetros Verticales. Los extensómetros verticales (o medidores de deformación vertical) miden el aumento o disminución de la longitud de un cable que conecta varios puntos anclados dentro de una perforación y cuya distancia de separación, es conocida aproximadamente. Generalmente, se colocan unos pesos para mantener la tensión en los cables. El fondo del cable debe estar en el suelo o en roca dura y estable Los extensómetros verticales son muy útiles para determinar movimientos de la superficie de falla cuando las deformaciones son mayores de cinco centímetros, caso en el cual, los inclinómetros no se pueden utilizar por la imposibilidad de la entrada del equipo medidor, al tubo del inclinómetro. El sistema es simple y permite mediciones frecuentes con facilidad. Figura # 5 Extensómetro Vertical. Medidores de grilla graduada. Los medidores de grilla graduada también se conocen como medidores calibrados y consisten en dos láminas transparentes plásticas traslapadas Figura 12.6 una a cada lado de la discontinuidad. Las láminas contienen una grilla, que permite determinar la posición de una lámina con respecto a la otra y medir los desplazamientos. Figura # 6 Medidor de grilla graduada. Deformímetros eléctricos. Los deformímetros eléctricos permiten mediciones muy precisas. Existen diferentes sistemas de medición eléctrica de deformaciones, los cuales generalmente utilizan transductores con precisión entre 0.0025 y 0.01 milímetros. Los deformímetros eléctricos son más costosos que los mecánicos y su rango también es limitado, dependiendo del transductor eléctrico. Por otra parte, las lecturas pueden afectarse por cambios de temperatura u otras condiciones ambientales Células de Asiento Las células de asiento se utilizan para medir asentamientos en terraplenes, presas, tanques de almacenamiento, cimentaciones y otro tipo de estructuras. El sistema que constituye las células de asiento consiste en una reservorio de líquido, un tubo lleno de líquido y la célula que tiene alojada en su interior un transductor de presión de cuerda vibrante. Un extremo del tubo está conectado al transductor de presión, el cual se coloca lleno de líquido. El otro extremo del tubo se conecta al reservorio, el cual se debe colocar en una zona estable a ser posible fuera de la zona de trabajo y más elevada. Clinómetro Los clinómetros son herramientas muy útiles para geólogos y topógrafos. Estos tienen que conocer la inclinación del terreno para sus prospecciones o para hacer un análisis detallado de las capas y estratos que componen el suelo y las rocas. El trabajo con clinómetro se acompaña de una brújula, precisamente para conocer hacia dónde se orientan los pliegues, y por ejemplo hacia donde está orientada una beta de determinado mineral. Son equipos portátiles y de mano, aptos para trabajo de campo. En prácticas de geología, el equipo se completa con una brújula, un martillo de geólogo y una lupa codington. Tipos Existen distintos tipos: de péndulo (utilizados generalmente en combinación con una brújula), de burbuja, electrónicos con o sin puntero láser. Hay modelos que incluye aparte de una o dos escalas de pendientes (grados y %), una escala para determinación de la altura del objeto visado. Hoy en día se hace uso de sensoreselectrónicos, los cuales son importantes componentes en el funcionamiento de los clinómetros modernos. Funcionamiento Todos los clinómetros incluyen un arco graduado, parecido a un transportador. El clinómetro se sostiene con la mano y se lee la pendiente con la escala graduada, es posible medir una pendiente en sentido ascendente o descendente haciendo girar el transportador o semicírculo graduado. Uso Pueden ser usados en varias profesiones. Su función básica es determinar unas medidas precisas relacionadas con pendientes, alturas y distancias. El clinómetro se suele usar bastante en la meteorología, como también la vigilancia y tareas medioambientales. Una de las aplicaciones más comunes es medir ángulos según su relación con pendientes en formaciones naturales, o también en edificios y otros proyectos de construcción. La idea es medir el ángulo para identificar la cantidad de pendientes con respecto a la gravedad. Los clinómetros se pueden usar tanto para inclinaciones como declinaciones, basándose en la perspectiva de la persona que está tomando estas medidas. Junto a la medida de las inclinaciones, también se usa en temas medioambientales. Mientras que medir formaciones naturales en zonas de bosque es lo más común, también se usa para medir la altura de los árboles. Usando el haz directo que emite el aparato, es posible determinar esta altura sin usar métodos más tradicionales para hacer esta tarea. Su uso en meteorología es de gran ayuda para los que se dedican a esta profesión. Es particularmente útil para medir la altura de las nubes por la noche. De nuevo, se hace uso del haz de luz del dispositivo, apuntando a las nubes y saber a la altura que están con respecto a la Tierra. Esto permite a los meteorólogos predecir un buen número de diferentes condiciones atmosféricas. Ejemplos de utilización Aeronáutica: Permite medir la inclinación de un avión, particularmente útil cuando las nubes o la bruma impiden ver el horizonte. Marina y pesca: Permite medir la inclinación de la quilla de un buque y, por consiguiente, la diferencia de calado existente entre la proa y la popa. Minería, geodesia y topografía: Permite medir la pendiente del terreno, los ángulos de buzamiento de los filones y otras desnivelaciones. Inclinometros. El inclinómetro mide el cambio de inclinación de un tubo que se coloca en una perforación dentro del talud y de esta manera, se calcula la distribución de los movimientos laterales. De esta manera, se puede determinar la profundidad de la superficie de falla y la dirección y magnitud de los desplazamientos. Un sistema de inclinómetro está compuesto por cuatro componentes principales. Figura #7 Inclinometro Los inclinómetros permiten determinar la siguiente información: La profundidad de los movimientos del deslizamiento. La localización y forma de la superficie de falla. El espesor de la zona de corte, generalmente, tiene espesores entre 30 centímetros y 1.5 metros, la cual se requiere medir especialmente para el diseño de los pilotes al cortante, de esta manera, seleccionar muestras para ensayo de laboratorio y localización de otros tipos de instrumentación. La cantidad de desplazamiento, con relativa precisión. La rata o velocidad del movimiento para obtener factores estáticos de seguridad, para medir la variación en rata con las lluvias y otros elementos, o para confirmar la efectividad de una medida de mitigación o estabilización. Sondas hidrostáticas de asentamientos Estas sondas son diseñadas para monitorear los asientos en terraplenes y fundaciones. El sistema consiste en una sonda de solución equipada con un transductor de alta sensibilidad a la presión conectado por un tubo lleno de líquido a un depósito, la sonda se retira metro a metro a través de una tubería enterrada en el terraplén. Acelerógrafo. Es un instrumento que nos proporciona un gráfico (el acelerograma), que muestra la variación de las aceleraciones en lugar determinado, y a lo largo de un tiempo. Está muy ligado al campo de la arquitectura debido a que este instrumento se utiliza para detectar los movimientos sísmicos de una zona y determinando las fuerzas que se sometería a una estructura ante un terremoto muy destructivo. Sismógrafo: Instrumento utilizado para detectar desde terremotos hasta pequeños movimientos sísmicos, estos son localizados para localizar con gran precisión en tres dimensiones , el epicentro del movimiento y la zona afectada por este, para detectar estas ondas se basa en el tiempo que tardan estas en propagarse hacia fuera del epicentro. Una de sus principales utilidades consiste en detectar explosiones en pruebas nucleares así como en el ámbito de la geología para hacer mapas del interior terrestre. Conclusión La instrumentación geotécnica juega un papel importante en la estabilidad y durabilidad de las estructuras, ya que estas nos garantizan el conocimiento total del suelo que vamos a emplear para nuestras estructuras. Es notable que gran parte de la información de instrumentación geotécnica encontrada hace referencia a deslizamientos, siendo esta posiblemente una de las mayores causas de inestabilidad en suelos. Es indispensable hacer conciencia del uso de estos instrumentos desde las universidades, o durante el proceso de formación familiarizar a los estudiantes sobre estos equipos que ayudaran a la estabilidad de sus futuras estructuras, evitando pérdidas de vidas innecesarias por el desconocimiento de estos equipos. Referencias Suárez Díaz, J. (2009). Deslizamientos. Bucaramanga, Colombia: División de Publicaciones UIS, pp.498-526. Alva, J. (2002). Instrumentación geotécnica de la presa pillones. Universidad Nacional de ingeniería, Lima Abramson L. W., Lee T.S., Sharma S., Boyce G. M. (2002). “Slope stability and stabilization methods”. John Wiley & Sons, Inc. New York. pp 712. Sierra, J. (2012). Instrumentacion Geotecnica. Sioingenieria.com. (2018). ACELEROGRAFO Y EL SISMOGRAFO. [online] Available at: https://www.sioingenieria.com/sitio/contenidos_mo.php?it=523 [Accessed 22 Nov. 2018]. EcuRed. (2018). Clinómetro. [online] Available at: https://www.ecured.cu/Clin%C3%B3metro [Accessed 22 Nov. 2018]. TRABAJO INVESTIGATIVO INSTRUMENTACIÓN GEOTÉCNICA JHAN CARLOS MAESTRE PIÑEROS GRUPO 802 FUNDACIÓN UNIVERSITARIA DEL ÁREA ANDINA FACULTAD DE INGENIERÍA VALLEDUPAR 2018
