INVESTIGACIÓN GEOTÉCNICA El objetivo general es determinar las condiciones geotécnicas del sitio, que intervienen en el proyecto, el diseño, el costo y/o la vida útil de la obra de ingeniería propuesta. Es conveniente establecer previamente una secuencia ordenada para realizar los estudios. Eso genera rapidez, eficiencia y menor costo de los trabajos de exploración. La investigación geotécnica representa del 1 al 8% de costo total de la obra. Es recomendable no escatimar en gastos para el estudio de suelos. ETAPAS Estudios preliminares TOPOGRAFÍA: - recopilación de información de antecedentes visita al sitio GEOTÉCNICA: - recopilación de información de antecedentes (información previa) fotointerpretación (se ayuda con geólogos) recorridos de campo en el sitio Consiste en el análisis de información bibliográfica y cartográfica del área del proyecto y hacer visitas de reconocimiento topográfico y geomorfológico del área (este aspecto es vital). Esto permite establecer una definición de los lugares más adecuados para la implantación de obra, con base en las condiciones geológicas y geotécnicas del área de estudio. Proporcionan información importante acerca de la accesibilidad, los recursos humanos y logísticos, y el marco geológico general. Además, no implican grandes costos generalmente. Estudios de detalle TOPOGRAFÍA: - levantamientos topográficos GEOTÉCNICA: - geología de detalle geofísica perforaciones excavaciones (trincheras, calicatas) ensayos de campo recolección de muestras ensayos de laboratorio En general están precedidos por los estudios preliminares y pueden aplicarse también durante la construcción y operación de la obra. En Uruguay, hay pocos salvo en obras muy importantes. La amplitud de los trabajos de investigación en esta etapa depende de la extensión, importancia y tamaño de la obra. Este aspecto es crucial, ya que determina la cantidad de trabajo. La finalidad de esta etapa es la compresión a fondo de la geotécnica del sitio, lo que permite evitar diseños inadecuados, fallas peligrosas, problemas constructivos y mal funcionamiento de la obra. Estudios durante construcción y operación GEOTÉCNICA: localización y cubicación de bancos de materiales (cuantificación de material) de construcción (aspecto vital en obras importantes, ya que el flete muchas veces define el precio) - áridos para hormigones - agua (hormigones, procesos de compactación) - suelos para construcción de terraplenes (presas, carreteras) - materiales para construcción de enrocados (presas, puertos) control de materiales (definición y control de procesos constructivos) excavaciones compactación instrumentación y control control de asentamientos controles piezométricos (estabilidad de presas) controles ambientales (muestreo de aguas para ver contaminación) Hay diferencia entre la evaluación de las condiciones del subsuelo y el control de otros materiales de construcción. En los materiales de construcción se pueden hacer especificaciones para poder determinar la calidad mínima, se puede hacer un control de calidad, establecer el fabricante y hacer una selección de materiales. En cambio, en los suelos, si se pueden hacer especificaciones para determinar la calidad mínima pero no se puede tener un fabricante o un control de calidad. La selección de materiales que en ciertos aspectos sí se puede hacer. La evaluación de las condiciones del subsuelo suele ser un poco más difícil y tiene un margen de incertidumbre mayor, que el control de las propiedades de otros materiales de construcción. El mismo suelo puede presentar comportamientos diferentes, según las condiciones externas (por ejemplo: presencia de agua). Dependiendo de la tipología de la obra y de su envergadura, se evaluarán en cada caso: - Necesidad de estudios preliminares Tipos, alcance y extensión de estudios de detalle (lo que en general se hace en Uruguay) Necesidad/viabilidad de estudios durante la construcción y operación El diseño del programa de investigación geotécnica permite determinar la cantidad de puntos de estudio, la profundidad mínima a investigar y los tipos de ensayos (campo – laboratorio). Al cliente normalmente no le interesa esto, quiere saber la permeabilidad u otras cosas. La amplitud de los trabajos de investigación dependerá de la extensión, importancia y tamaño de la obra. DISEÑO ¿Cantidad de puntos de estudio? En Uruguay no hay normas que digan cuantos pozos hay que hacer ni tampoco hay experiencias hechas. Dependerá de la superficie a investigar y la importancia de la obra (consultar Normas): - 1 punto cada 200 ó 250 m2 (superficie < 1200 m2) puntos en cuadrícula de 20x20m hasta 50x50m mínimo 2 puntos En obras lineales (carreteras): - 1 punto cada 30 a 60 m para calles (Hvorslev, 1949) 1 punto cada 160 a 300 m para carreteras (Road Research Lab, 1954) práctica común en Uruguay: 1 punto cada 2 km ¿Profundidad mínima? Fundaciones - Exploración hasta la profundidad en que el suelo estará sometido a tensiones significativas: 10% de la aplicada al nivel de apoyo. Debería alcanzar el bulbo de 0,1q. Fundaciones directas: 2B por debajo del nivel de apoyo (2B es dos veces el ancho). Pilotes: 5D por debajo de la punta Piletas de depósito de efluentes - Alcanzar la profundidad de la base del estrato impermeable 2 veces la máxima profundidad esperada de la napa freática Lo que se hace en la práctica es hacer un pozo y se decide donde está la NF. En el momento de encontrarlo se decide la profundidad máxima. Vías terrestres (rutas) - En general: 2 a 4 metros por debajo del nivel del nivel de rodadura previsto. En zonas de terraplenado: 1,5 veces la altura del relleno, desde el nivel de terreno (NT). En zonas de desmonte: 6 metros de profundidad desde NT. Presas - De tierra: 1,5 veces el ancho de la base de la presa. Está controlado por el ancho. De hormigón: 1,5 a 2 veces la altura de la presa. Está controlado por la altura. Filtraciones: aspecto crítico en la estabilidad de la fundación por lo que habrá que atravesar cualquier estrato hasta las profundidades indicadas. Se obtienen datos para la evaluación de fuerzas de percolación. Normalmente se para en las capas resistentes pero puede haber una menos resistente por debajo. Por lo tanto, hay que ver si debajo de una capa muy resistente hay otra menos resistente. En general no, pero en Uruguay por debajo de la Fm. Chuy, que es muy resistente porque tiene procesos de cementación y ferrificación, hay arenas sueltas. Lo mismo ocurre debajo de la Fm. Salto, que presenta cantos rodados con matriz limosa con proceso de ferrificación, donde pueden haber arenas. Muros de contención - 1,5 veces la altura del muro, desde el nivel de apoyo de la base. Terraplenes - Alcanzar una profundad igual a la altura del terraplén. En caso de suelos blandos: alcanzar profundidades del orden del ancho del terraplén, a partir del nivel de apoyo. TRABAJOS DE CAMPO Calicatas Excavación a cielo abierto, generalmente realizada con retroexcavadora. Es una forma de catear la estructura del suelo. Objetivos - reconocimiento visual directo de la estratigrafía relevamiento de niveles de la napa freática recolección de muestras (alteradas y/o “inalteradas”) relevamiento de capas en terraplenes existentes (cuando no se cuenta con planos) Recolección de muestras inalteradas: muestra inalterada del suelo. - Con calicata se llega a nivel donde interesa conocer el comportamiento del suelo. Después de extraída la muestra es muy importante conservar la orientación y las características (humedad, etc.). Por esto la muestra se baña con parafina o film. Perforaciones Realizadas con equipo manual Se usa pala americana. Se apoya sobre el suelo y se va girando. Cuando se llena toda la pala, si el suelo es relativamente blando gira como “boba” y si es muy duro no gira más. Se obtienen muestras alteradas, de las cuales no se pueden obtener propiedades resistentes pero si la granulometría. Realizadas con equipo manual mediante circulación de agua Se inyecta agua a presión que va rompiendo el suelo. Se extraen muestras más alteradas. No se puede determinar la humedad. Realizados con equipos mecánicos El perforador debe ser alguien que tenga experiencia y sepa describir lo que va saliendo del suelo, la estratigrafía. Objetivos - descripción de la estratigrafía, a partir de los materiales resultantes del proceso de perforación relevamiento de niveles de la napa freática recolección de muestras (alteradas y/o “inalteradas”) Ensayos de campo Se hace una elección del tipo de ensayo con las necesidades del proyecto Ensayo de penetración estándar Se trata de una generalización de la idea de un sondista, quien propuso a Terzaghi en 1925 registrar el número de golpes necesarios para hincar una longitud igual a un pie el sacamuestras que utilizaba habitualmente. Las características del equipo, dimensiones de los componentes y metodología de ensayo se determinan en la Norma ASTM D 1586. La cuchara debe estar vacía cuando se hace el ensayo. El proceso consiste en: 1. 2. 3. 4. 5. Se hinca un sacamuestras de dimensiones normalizadas mediante golpes de una pesa La pesa (63,5 ± 1 kg) debe caer libremente sobre el cabezal El sacamuestras se hinca un total de 45cm en el suelo, divididos en 3 tramos de 15cms Se cuentan los golpes necesarios para hincar cada tramo de 15cm N(SPT) = a la suma de los golpes necesarios para hincar el segundo y el tercer tramo de 15 centímetros Si el suelo es muy duro, la cuchara luego del ensayo no se saca fácilmente. Los problemas que se presentan son: Cuando la perforación es profunda y estrecha, puede existir una fricción lateral importante de las barras del SPT con la pared del pozo que entorpece la penetración. La norma para evitarlo exige una inercia mínima. En arcillas con alta humedad, el impacto del muestreador golpea en un suelo saturado impermeable que no permite desalojar el agua, absorbiendo la misma una parte importante del golpe. Parte de la resistencia a los golpes lo hace el agua. Se hacen por lo tanto correcciones. En gravas gruesas o suelos con clastos de gran tamaño, los mismos pueden entorpecer el avance del muestreador, obteniéndose valores más altos que lo real. Se ha comprobado que la energía que llega efectivamente al muestreador se va perdiendo con la profundidad, y que todos los equipos tienen una pérdida importante por arqueo de barras y fricción lateral con las paredes del pozo. Cuando se perfora con circulación de agua, eventualmente la inyección de agua puede romper la estructura del suelo en el frente de perforación, obteniéndose valores más bajos que lo real. El ensayo trata de evitarlo descartando los golpes en los primeros 15 cm. Usando correlaciones se puede determinar a partir del ensayo SPT y la tensión efectiva actual. Se tiene un N(SPT)=0 cuando la pesa se apoya sobre el suelo. Baja sola. La resistencia de las arenas es por fricción. Cuanto más densa, más confinada y más resistencia va a presentar. En las arcillas saturas en condición no drenada la tensión admisible es N(SPT)/8. Ensayo de cono (CPT) Durante el ensayo se hinca en el suelo una punta cónica de dimensiones normalizadas, mediante un equipo hidráulico de manera “quasi-estática” Se registran: - Resistencia de punta (qc) Resistencia lateral (fs) Presión de poros (u) El operario tiene que ser bastante calificado (más que en SPT). El ensayo es más caro. Tiene sensores de punta y laterales que miden la presión. La piedra porosa permite medir la presión de poros. En la foto se puede ver un resultado de ensayo de cono, y se observa como la fricción lateral cae a 0 en el nivel de la napa freática ya que el agua actúa instantáneamente como lubricante. La arena tiene la capacidad de drenar. Puede drenar la presión de poros del hincado. Con los ábacos se puede determinar el tipo de suelo (sin sacar una muestra). Ensayo de veleta Es el método más común utilizado en campo para estimar la resistencia no dreanda de suelos. Se usa en suelos blandos. En Uruguay, más que nada asociado a las obras viales. Los equipos tienen escala para saber a qué velocidad se está realizando el ensayo. Con este ensayo es posible es posible determinar . Cuando se determina el ensayo se hace girar de 10 a 12 veces y luego se realiza nuevamente el ensayo. Otros Sondeo eléctrico vertical Se “inyecta” una corriente al subsuelo mediante electrodos que se ubican en los extremos del dispositivo (distancia AB). Se mide la diferencia de potencial entre dos electrodos que se ubican en el centro del mismo (distancia MN). A mayor distancia entre los electrodos de emisión (A y B), la corriente penetra a mayor profundidad en el subsuelo. Mide la resistividad de suelo. Da una idea de cómo se disipa la corriente en el suelo. A menor velocidad de propagación, el material es más blando. Los valores obtenidos en el campo se grafican en escala bilogarítmica: - en las absisas la distancia entre electrodos de emisión de corriente AB/2 en ordenadas la resistividad aparente Se mide la diferencia de potencial entre dos electrodos que se ubican en el centro del mismo (distancia MN). La interpretación se realiza “comparando” la curva obtenida con curvas patrón teóricas que se corresponden con un modelo de capas “geoeléctricas”. Si se encuentra una curva teórica que coincida con la curva de campo, a partir del modelo geoeléctrico deduciremos el perfil geológico. Sísmica de refracción La sísmica de refracción, mide el tiempo en que se refractan en las diferentes capas del subsuelo, ondas sísmicas producidas artificialmente. La interpretación de estas refracciones permite inferir los espesores de las capas y sus velocidades sísmicas. El dispositivo de campo está compuesto por un sismógrafo que registra los movimientos sísmicos captados por sensores, llamados geófonos, que se ubican sobre una línea. Otros ensayos - Ensayo de carga de placa circular: tensión-deformación Dilatómetro: tensión-deformación Ensayos de bombeo: conductividad hidráulica Piezómetros Determinación de densidad “in situ”: conductividad hidráulica
