.. te pero procedente de golpeo en direcciones contrarias. Identificado el tiempo ele llegada ele las ondas P y S, la representación de c urvas tiempo-distancia (dromocronas), permite calcular las velocidades v i' y Y_,, y, a partir ele ellas, el módulo de Young y el coeficie nte de Poisson. Estas técnicas son e mpleadas habitualmente en ingeniería geológica en el di seño de obras subterráneas y cime ntaciones singulares. Transmisor Geófonos Ensayos en suelos Ensayo de penetración estándar (SPT) Tomografía sísmica La tomografía es un método de investi gación geofísica en el in terior de sondeos, que permi te obtener una «imagen» de la di stribución espacial de la velocidad ele propagación de las ondas sísmicas en la sección del terreno afectada. La tomografía sísmica consiste en la gene ración de impulsos sísmicos mediante medios mecánicos desde el interior de sondeos y e n la superficie del terreno, recibiendo las señales en geófonos instalados en múltipl es puntos del interior ele sondeos y/ o de la supe rfi cie. Se estudia así la respuesta del terreno a nte múltiples impulsos sísmicos desde mu ltitud de puntos, midiendo los tiempos ele llegada de las ondas. La sección de terre no afectada por el e nsayo se divide en «pixels», y el tiempo de propagación entre un punto de emisión y uno de recepción será igual a la suma de los tie mpos recorridos e n cada «pi xe l», que a su vez depende de la velocidad y espacio recorrido en cada uno de ellos. Si se dispone de tantas ecuaciones (trazas) como incógnitas (velocidades y espacios), se puede real izar un mapa con la di stribución de velocidades en la sección. Es evidente que el tamaño y por tanto el número de «pi xels» depende del número de trazas realizado (Figura 6 .57). A partir de las experie ncias sobre el uso de esta técnica se puede n aportar las siguientes conclusiones: Ensayos de resistencia @!lllflf1J Ejemplo de investigación mediante tomografía sísmica. - - Las anomalías que presentan baja velocidad de transmisión, como cavidades o huecos, presentan mayor dificultad de localizació n que las zonas de velocidad elevada, tales como núcleos de roca sana. Los va lores de velocidad de propagación de ondas sísmicas se pueden e mplear para comparar las propiedades de los materiales entre s í, pero no deb en e mplearse como va lores absolutos en cálculos ingenieriles. La interpretación del terreno es más fiable cuanto me nores son los contrastes de velocidad. Las estructuras planares, como las fa llas, pueden estudiarse en detalle mediante esta técnica. Este ensayo ele penetración dinám ica se realiza en el interior de sondeos durante la pe1foración. Permite obtener un valor N de resistencia a la p enetració n que puede ser correlacionado con parámetros geotécnicos como la densidad relativa, el á ngulo de rozamiento, la carga admisible y los asientos en los suelos granu lares. En el ensayo tambié n se obtiene una muestra alterada, para realizar ensayos de identificación e n laboratorio. El ensayo SPT puede ejecutarse prácticamente en todo tipo de suelos, incluso en roca muy alterada, aunque es en los suelos granulares donde se realiza preferentemente; la dificu ltad de obtener muestras inalteradas en este tipo de suelos añade relevancia al SPT. La frecuencia habitual para la realización del SPT a lo largo del sondeo es de un e nsayo cada 2 a 5 m, o incluso mayor, en función de las características del terreno. El procedimiento a seguir consiste en Limpiar cui dadosamente la perforación al llegar a la cota deseada para el ensayo, tanto las paredes como el fondo, retirando la batería de perforación e instalando en su lugar un tomamuestras de dimensiones estándar. El tomarn uestras consta de tres ele mentos: zapata, tubo bipartido y cabeza de acoplamiento con el varillaje (Figura 6.58). Éste se debe hincar en el terreno 60 cm , contando el número de golpes necesarios para hincar tramos de 15 cm. El golpeo para la hinca se realiza con una maza de 63,5 kg cayendo libremente desde una altura de 76 c m sobre una cabeza de golpeo o yunque (Figura 6.59). La lectura del golpeo del pri- @!lliflfjl Equipo de SPT (foto L. González de Vallejo). mero y último tramo no se debe tener en cuenta, por la alteración del suelo o derrumbes de las paredes del sondeo en el primer caso, y por posible sobrecompactación e n el segundo. La suma de los valores de golpeo de los dos tramos centrales de 15 cm es el valor N, de nominado también resistencia a la penetración estándar. En ocasiones, dada la alta resistencia del terre no, no se consigue el avance del tomamuestras. En estos casos, el e nsayo se suspende c uando se exceden 100 golpes para avanzar un tramo de 15 cm, y se considera rechazo. El resultado de los ensayos SPT puede verse afectado por fac tores como: - - Preparación y calidad del sondeo: li mpieza y estabilidad de las paredes de la perforación. Longitud del varillaje y diámetro del sondeo: condicionan el peso del elemento a hincar y la fricción con las paredes del sondeo. Dispositivo ele golpeo: puede ser manual o automático, existiendo d iferencias notables entre los resu ltados de ambos. Debe n emplearse dispositivos automáticos, pues garantizan la aplicación de la misma e nergía de impacto en todos los casos. Cuando el ensayo se realiza por debajo del nivel freático se uti li za la sigui ente corrección (Terzaghi y Peck, 1948), aplicable a suelos poco permeables (limos y arenas finas): Ensayos in situ Los ensayos in situ tienen gran importancia para la determinació n de las propiedades geotécnicas de los materiales. A partir ele ellos se miden los parámetros que determinan el comportamiento geomecánico del terreno, como la resistencia, deformabi lidad, permeabilidad, etc. 340 INGENIERÍA GEOLÓG ICA La principal ventaja de los ensayos in sitv es que son más representativos que los ensayos de laboratorio con respecto a las condiciones del terreno en el que se va a construir la obra o estructura, al in vol ucrar un volumen considerablemente mayor de material y estar éste en condiciones naturales. Sin embargo, la escala de los ensayos in situ no alcanza a representar todo el conjunto de macizo rocoso o suelo, lo que debe tenerse e n cuenta para su interpretación y extrapolación de resultados. N = 15 + [(N' - 15)/ 2] válida para N' > 15, sie ndo N e l valor corregido y N' el valor medido. El extendido uso del SPT ha permitido establecer una serie de correlaciones con diferentes parámetros geotécnicos: Pi!!llflfj:I Tomamuestras. puntazas y elementos del ensayo SPT (foto L. González de Vallejo). Con la compacidad para suelos granulares (Cuadro 2.5, Capítulo 2). o INVESTIGACIONES IN S/Tll 341 .. 50 , ,, 40 , ./ ... ..... ./ ... V <: v_, Vl ~ 30 .; oO') .;' ./ Q) "O ?;C'fJ~'" o , -~e<V _,..__, __, (¡; 20 E / / r 1/ .,oe :..;:=;. 0 ...... "V ·::J z G~~ ~-:; ,. ,, ,, ,, , ./ .;' . / /.; ./ ............. .... .... _... ..........._.......... _ ....... -.... • •e~H§"-:::: ~;... ~....- o 10 y / V ./ 1/ V ...... 1...- -- ...... ~ , ..... ~ .... ~ ,, - 1...- 1 5,25 m 4,50 m ' --4-- EQUIPO 1 IZl 32 •f-1 - 3,75 m ..; V " / Cotas en mm 6,00 m ~ l. / " ,/.., ¡,....' ..... ........... ........ ¡.... / ...... ,, / ./ ..... ...... ............ ,_, -::;i-:: ............. ¡,... ..... .......... ...... ...... ...... 10 'l./ V , ./ V ./ PUNTAZAS •f-1 - 6,75 m " V ./ o Profundidad 7,50 m , rr 1I 3,00 m 2,25 m ...-~ ~ 1,50 m 0,75 m ..... ~-- 1' .' 1 20 30 40 50 60 80 70 90 Densidad relativa Muy floja Floja 1 T e~~: ~ Media J_ Muy densa Densa 40 Ql!!llflfd•I 0 40 (50 + 35) mm 40 (120 + 20) mm X Interpretación de datos SPT. teniendo en cuenta la profundidad (Thorn burn. 1963). Qi!!iiflfftf Ensayo de penet ración dinámica tipo Borros. dispositivo y puntazas (Jiménez Salas et al.. 1976). Con la densidad relativa, teniendo en cuenta la influencia de la profu ndidad (Figura 6.60). Con el ángulo de rozamiento en suelos granulares, </J; aplicable a partir de 2 m de profundidad (Figura 6.61). 60 maza, de 63,5 kg de peso, cae libremente desde una altura de 0,50 m. Las puntazas pueden ser cuadradas o cónicas. El registro del número de golpes N 8 se efectúa cada 20 cm. Si son necesarios más de 100 golpes para hincar los 20 cm de tubería se considera rechazo y se suspende la prueba. Se puede estimar de forma aproximada que N =Na, para Na comprendido entre 8 y 12. Para valores mayores, Na resulta ser algo mayor que N. Dhalberg (1974) propuso dos c01Telaciones, no estrictamente equivalentes, aplicables únicamente a suelos arenosos: 50 1- a.. 40 (/) Ensayos de penetración dinámica Estos ensayos sencillos y económicos permiten estimar Ja resistencia a la penetración de los suelos en función de la profundidad. Cuando se dispone de info rmación geológica (sondeos o calicatas en zonas próximas) se pueden correlacionar las diferentes capas de suelos. Son muy utilizados en estudios geotécnicos para la cimentación de estructuras, en obras lineales y en edificació n. El método consiste en la hjnca en el terreno de una puntaza metálica, unida a un varillaje, mediante golpeo. El equipo de golpeo se compone de una maza, un yunque y unas guías. El yunque transmite la energía recibida a la puntaza mediante unas varillas que se van acoplando sucesivamente según progresa el ensayo. La maza cae libremente, y la velocidad en el momento de iniciar la caída debe ser igual a cero. El yunque se une rígidamente al varillaje y su diámetro es igual o superior a 100 mm y menor o igual que la mitad del diámetro de la maza. Existen varios tipos de ensayos en función de la energía de golpeo, estando 342 INGEN IERIA GEOLÓGICA Vl Q) c.. oOl 30 e Q) E •::J 20 z 10 o o 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 log (Na) = 0 ,035N + 0,668 ± 0,044 o 2 ~ 3 .§.. ro ~ e: ± 1, 16 c.. .!!! 5 Q) 'O 'O justificado el uso de cada equipo según sea la consistencia del terreno. • ENSAYO BORROS Puede realizarse a profu ndidades considerables, en ocasiones superiores a 25 m (Figuras 6.62 y 6.63). La '5 e: .2 6 e a.. 7 W!llifif§I Estimación del valor de if> a partir del valor N en arenas (De Mello. 1971). 4 ::J "O N = 25 ,0 log (Na) - 15,16 Número de golpes cada 20 cm 50 75 100 125 150 1 1 25 1 175 >--->---- ro Presión de recubrimientos (Kp/cm2) o • ENSAYO DPL (DYNAMIC PROBING LIGHT) 8 Ensayo muy ligero aplicable a profundidades de hasta 8 m. Se emplea una maza de 10 kg con una altura de caída de 0,50 m. El área de la puntaza es de 10 cm2 • Se debe contar el número de golpes necesario para hacer avanzar la puntaza 10 cm (N 10) . Se obtiene un registro del golpeo a lo largo de toda Ja profundidad del ensayo en intervalos de 10 cm. 9 P, ~ ~ Es_ ES . ~ B 1------rl 10 Rechazo 1 11 W!lilhflrl'I Registro del ensayo Borro (IGME. 1987). o INVESTIGACIONES IN srru 343 200 • ENSAYOS DPM (DYNAMIC PROBING MEDIUM) Presión intersticial kPa - Permiten estudiar profundidades de hasta 20 m. La maza tiene una masa de 30 kg cayendo libre mente desde 0,50 m (N 10 ) . Resistencia por punta kPa - Perfil geológico .. ,. , .. ·..'.". ·.· :: ::::..~··:·:: ...-.·.·.' :" · .,.· ··. ·.·. ·.: ,·· ... · • 2 • ENSAYOS DPH (DYNAMIC PROBING HEAW) 6 al "O 8 '6 Pueden realizarse a profundidades mayores de 25 metros. La maza es de 63,5 kg, siendo la altura de caída de 0,75 m. Los golpes necesarios para la hinca se registran cada 20 cm (N20) . e ~ D... 10 12 Ensayos de penetración estática También llamados e nsayos C.P.T. (cone penetra/ion test), mide n la reacció n del suelo ante la penetració n continua de una punta cónica mediante dos parámetros: la resistencia de punta (qJ y el ro zamiento lateral (JJ La instalación de un sensor adicional de la presión intersticial constituye un equipo denom inado piezocono (C.P.T.U.), que además de medir q" y f,., registra las presiones intersticiales, u, que se van generando durante la hinca; también se pueden instalar sensores adicionales de temperatura, inclinación, etc. El ensayo de penetración estáti ca (Figura 6.64) consiste en hincar en el suelo una punta cónica a presión y a velocidad constante midiendo el esfuerzo necesmio para la penetración del cono, qc. S i se e mplea un cono de tipo móvil se puede medir el rozamiento lateral local, L y en el caso de utili zar un piezocono se registrará, además, la presión inte rsti cial que se va generando durante la hinca. Los parámetros medidos durante el e nsayo, qc, f, y u, se representa n gráficamente respecto a la profundidad. En la Figura 6.65 344 INGENIERÍA GEOLÓGICA W!ilhfl®' Equipo de penetración estática (cortesía de M. Devicenci). • ••• • • - Arena • ...::~ ::·:".::: . ·..... :: Limo -- - Arcilla - . ... .............. _s ENSAYOS DPSH (DYNAMIC PROBING SUPER HEAW) La presentación de los resultados de los ensayos de penetración se realiza e n un estadillo con el parte de trabajo (locali zació n, profundidad, equipos, incide ncias, observaciones) y los gráficos res ulta ntes, e n los que se representan los valores de golpeo de Nio ó N20 en el eje de abcisas, y la profundidad de penetración en el eje de ordenadas (Figura 6.63). ••• 1 • 4 Para profundidades de hasta 20-25 m. La maza es de 50 kg y la altura de caída de 0,50 m. El registro de golpeo se toma cada 10 cm (N 10). • • . ... .- ... •. . : ..... : .... : : : ·.· ·. Arena .. ..... - - -- - -=----=- - -- - : - _- :--_ - - --- -- - - Arcilla limosa 14 Arena densa puede observarse que los picos que se producen en la presión intersticial permiten determinar la presencia de pequeñas capitas limosas o arenosas intercaladas entre los paquetes más impermeables, así como detectar las capas impermeables intercaladas entre los estratos a renosos, obteniendo de esta manera una interpretación de la estratigrafía del terre no. Los e nsayos de penetració n estáti ca se reali zan en suelos granul ares y en suelos cohesivos de consistencia b landa. La presencia de bolos, gravas, suelos cementados y roca produce rechazo y daños en los equipos. Estos ensayos se utili zan para el cálculo de cimentaciones, y proporcionan información continua del terre no ensayado. A partir de los datos obtenidos se pueden establecer correlaciones con otros parámetros geotécni cos, algunas de las cuales son: - Con el ángulo de rozamiento interno para suelos granulares; aunque no existe una relación si mple y ge neral, en la Figura 6.66 se da una orientación. Con el módulo de Young, E, para suelos granulares. Schmertmann (1978) propone la relació n: E = 2,5q, sie ndo qc la resistencia unitaria por punta. 16 W!i!flflfj Esquema de un registro del ensayo de penetración estática con piezocono. Ensayo de molinete ( vane test) Este ensayo se reali za ha bitualmente en el fondo de un sondeo e n ej ecució n o una vez que éste ha finali zado. Igualmente, se puede realizar desde la superficie del terreno en Ja modalidad de hinca dinámica o estáti ca (vane-borer). El e nsayo de moline te se emplea para determinar la resistencia al corte sin drenaje de suelos cohesivos blandos, siendo adecuado para materiales saturados. El procedimiento consiste en la hinca de un «molinete», constituido por cuatfo palas de acero soldadas a un a varilla central (Figura 6.67). Las palas se introducen en el fo ndo del sondeo hasta una profundidad de 5 veces H (Hes la altura de las palas, norm almente de 50 ó lOO mm). A continuació n se hacen rotar las palas con una velocidad constante de O, 1 °/s (6 º/rnin) y se rnide el momento de torsión T necesario para romper el suelo. Al tratarse de un ensayo rápido, se realiza e n condiciones sin drenaje, por lo que la resiste ncia al corte será la resistencia sin drenaje, que equivaldrá a la cohesión del material (para </J = Oº). También debe medirse la resistencia residual o valor de resistencia estabilizado una vez que el suelo ha roto. La separación entre puntos de e nsayo debe ser de al menos 0,5 a 0,7 m a lo largo de la perforación. La resiste ncia al corte sin drenaje, S,,, se obtiene e n función del momento de torsión , y de la sensiti vidad del ten-eno, S,: S,, = 2M/ [nD2 (H + D/ 3)] S, = S,,(ma.< / S11(rcsidual) siendo M el par de giro necesario para romper el telTeno, H la altura de las palas, D el diámetro del molinete, S,,(ma-<l la resistencia de pico al corte sin drenaje y S,,(rcs idual) la resistencia residual del suelo hasta que el valor de T (momento de torsión) se estabiliza. Ensayos en la matriz rocosa En el Apartado 3.4 del Capítulo 3 se describen los ensayos de laboratorio para medir la resistencia de la o INVESTIGACIONES IN SITU 345 .. Mecanismo qc (bares) 100 200 300 ~-- de 400 500 torsión 1,0 ~ ro e,. 1:) nan 6). Por lo tanto, quedarían los siguientes valores para el cálculo de la media: 46, 46,5, 48,5, 49, 50 y se obtendría un valor del rebote medio igual a 48. En función de la incli nación del martillo, se entra con el valor del rebote medio en el gráfico que aparece en este recuadro, desde el eje de abcisas hasta alcanzar el valor de la densidad de la roca estudiada. A partir de este punto, se traza una línea horizontal hasta cortar el eje de ordenadas, obteniendo de esta forma el valor de la resistencia a compresión simple de la roca, que será igual a 125 MPa. A partir de los datos de rebote obtenidos con el martillo Schmidt sobre matri z rocosa, calcular la resistencia a compresión simple de la roca, cuya densidad es 27 kN/ m 3 . Valores de rebote del mattillo: 49; 46,5; 45,5; 45; 44,3; 50; 48,5; 46; 43,2; 44 (el martillo se ha aplicado perpendiculatmente a una pai·ed vertical durante el ensayo). Solución: se calcula el valor del rebote medio con los datos de campo. Para ello de cada 1O valores se eliminan los cinco menores y se obtiene el va lor medio con los cinco restantes (en caso de tener 12 valores se elimi- 0,5 en Gjemplo de cálculo de la resistencia a partir del martillo Schmidt 1,5 -¡¡; u t Q) > ro > ·~ 2Q) e: ·O ·¡¡; ~ Dispersión media de valores de resistencia para la mayoría de rocas (MPa) a.. o o o ... 400 o 8 IO ... IO ... '.;l "'E 350 z 300 6 ro 250 u e 200 i@!i!f ljdj -ro Q. Relación entre la resistencia por punta q, y el ángulo de rozamiento interno para arenas no cementadas (Robertson y Campanella. 1983) . -- - t;;;Ju e: -o ·¡¡; ~ E o matriz rocosa. En campo es posible estimarla mediante el esclerómetro o martillo Schmidt y el ensayo de carga puntual (PLT). u ro -¡¡; ")( ro ·2 ::l W!liihjffj Ensayo de molinete o vane test (Mazariegos. 1993). ro ·¡:¡ Q) .. 150 ~ o. Esclerómetro o martillo Schmidt .!!! - f\, " -- -- "O "O ro -o ·¡¡; e: Q) o 100 90 80 70 60 50 40 e: .l!l U) ·¡¡; 30 Q) Este ensayo pe1mite estimar de forma aproximad~ la resistencia a compresión simple mediante una sencilla correlación, siendo aplicable fundamentalmente a matriz rocosa, pero también a discontinuidades . Su us.o está muy extendido dada la facilidad y rapidez de utilización. El esclerómetro consiste en un pequeño aparato metálico de geometría cilíndrica que dispone de un muelle en su interior y de un punta retráctil, la cual, al ser presionada contra Ja roca hace que el muelle se d ispare (Figura 6.68) . Para Ja realización del ensayo, en primer Jugar, se limpia Ja zona a ensayar, qu~ debe estar libre de fisuras o grietas, eliminando la pátina de roca meteorizada. A continuación se aplica el martillo , presionando hasta que salta el muelle; el aparato debe colocarse perpendicul ar al plano de ensayo. En o:: 20 15 10 o 10 5 15 20 10 25 30 20 10 30 20 30 30 40 4 50 40 30 20 20 35 40 60 50 40 40 55 60 50 50 50 60 60 60 Resistencia del martillo Schmidt o 5l ~ g t ro E Q) l<l- ~ ~ "f •O ·¡:¡ .!!! e: Q) 8 INVESTIGACIONES IN S/TU 346 INGENIERIA GEOLÓGICA 347
