ESTUDIO DE SUELOS Y MATERIALES PARA CAMINOS (Ing. Martín Bruck) El estudio de suelos y materiales constituye una de las tareas previas necesarias para el proyecto de una obra vial. Esta tarea tiene su primera implicancia en la elección del trazado de la obra; en efecto, en esta etapa del estudio, el ingeniero debe complementar los criterios geométricos y de drenaje determinantes de trazado, con elementos de juicio de tipo geológico, como así también con información de carácter general acerca de los suelos y materiales de la región. Con este fin, al tiempo de la elección del trazado, se deberán consultar todos los antecedentes disponibles, como ser cartas geológicas, mapas de suelos, estudios de fotointerpretación, estudios correspondientes a canteras, obras cercanas, etc.; esta consulta de antecedentes deberá ser complementada con una visita preliminar al á-rea de influencia de la obra. En esta visita el ingeniero deberá prestar especial atención a la estratigrafía de los materiales, observable en cortes naturales, barrancas o explotaciones de canteras, como así también deberá observar los afloramientos de rocas existentes, la estabilidad de taludes y laderas, los cambios de vegetación, etc. Como resultado de este análisis preliminar, el trazado del camino se podrá elegir de modo de evitar zonas particularmente comprometidas desde el punto de vista de los suelos, los materiales y la geología, como por ejemplo, laderas inestables por orientación desfavorable de diaclasas; conos de deyección; mallines; zonas susceptibles de sufrir grandes asentamientos; etc. Una vez definido el trazado del camino, corresponde efectuar el es ti: dio definitivo de suelos y materiales, necesario para el proyecto dé la obra. Dentro de este estudio se pueden diferenciar claramente las siguientes áreas: 1. Estudio de la traza 2. Estudio de yacimientos 3. Estudio de aguas 4. Estudio de fundaciones e investigaciones especiales 5. Estudio de materiales comerciales Para realizar estos estudios, en particular los cuatro primeros, se hace indispensable analizar materiales ubicados a una cierta profundidad por debajo de la superficie del terreno natural; con este fin resulta necesario efectuar sucesivas perforaciones, de acuerdo con la técnica que se detalla a continuación. PERFORACIONES Para, estos estudios, salvo el caso de estudio de fundaciones e investigaciones especiales, las muestras de los materiales a ser analizados podrán ser extraídas alterando su estado natural, dado que, durante la construcción de la obra, los suelos sufrirán, en general, un proceso de recompactación; por otro lado los materiales a investigar se encuentran generalmente ubicados a profundidades menores de 3,00 m. En base a estos dos hechos, el método de perforación utilizado con mayor frecuencia es el de la perforación con barreno de mano; esta técnica, simple y expeditiva, tiene aplicación para los casos de suelos finos, ubicados a profundidades generalmente menores de 3,00 m. El barreno de mano (Fig. 1) es una herramienta similar a la utilizada para la colocación de postes de alambrado, conocida en nuestro me dio como "pala vizcachera" o "pala barreno"; consiste en un caño de acero de un diámetro "aproximado ~de~~2~y5~~cm, ""en™ cüyo~~éxtremo inferior tiene dispuesta una "mecha", formada por dos hojas enfrentadas, de forma helicoidal; esta mecha tiene un diámetro de 5 a 6 cm, para tra bajar en suelo arenosos, y un diámetro de 7 a 10 cm para trabajar en suelos arcillosos. El extremo superior presenta una barra transversal, manija en T, que permite imprimir al barreno, con las manos, un movimiento de rotación; mediante este movimiento la mecha penetra en el suelo aprisionando una muestra de material entre sus dos hojas; una vez que se ha colmado la mecha, se detiene el movimiento de rotación, levantándose el barreno y extrayéndose la muestra de suelo. Esta operación es repetida sucesivamente, de modo de aumentar la cantidad de muestra del material al mismo tiempo que se va avanzando en profundidad - de perforación; con este último objeto, la manija en T puede ser desacoplada, para permitir el alargue del caño que conforma el cuerpo principal del barreno, este alargue se realiza mediante el acople de caños suplementarios, hasta alcanzar, si es necesario, una profundidad máxima del orden de los 3,00 m a 4fOO m. Al atravesar el barreno dos mantos de distinto suelo, la superficie de separación entre ambos mantos queda individualizada en la mecha (fig. 2) por la línea que separa los suelos de distintas características, por ejemplo suelos de distinta coloración, o de distinta plasticidad. En este caso el espesor del manto superior se determina (fig. 3) midiendo, una vez extraído el barreno, la distancia que media entre la línea de separación de suelos en la mecha (A) y la línea en la que la superficie del terreno natural ha interceptado el caño del barreno (B), (con este objeto, esta última línea se la acostumbra marcar con tiza sobre el caño del barreno); a fin de simplificar esta medición, el caño del barreno está graduado, con marcas señaladas en su eje, cada 10 cm. De este modo se van determinando las profundidades de las superficies de separación de los distintos mantos de suelos atravesados, lo que permite conocer los correspondientes espesores de cada manto. En esta operación se deberá tener especial cuidado, cuando se extra e la muestra de suelo de la mecha, en no mezclar suelos de distintos mantos, de modo de no alterar la representatividad de las muestras correspondientes a cada capa. Estas muestras deberán ser embolsadas y cuidadosamente identificadas, mediante la asignación de un número correlativo y la indicación de la progresiva y profundidad de extracción, para ser finalmente remitidas al laboratorio, donde serán sometidas a los ensayos que más adelante se indicarán para cada caso. Tal como se indicara, la perforación con barreno de mano tiene limitada su aplicación a los casos de suelos finos; en efecto, la presencia de partículas gruesas, duras, como ser rodados, concreciones calcáreas, etc. impiden el avance del barreno, haciendo muy dificultosa su operación. En estos casos se hace necesario recurrir a pozos a cielo abierto, efectuados en forma manual a pico y pala, o bien por medios mecánicos. De este modo se descubren en forma directa los distintos mantos, de terminándose su espesor y extrayéndose las correspondientes muestras de material. Con ambos métodos de trabajo, barreno de mano o pozo a cielo abierto, la profundidad de perforación resulta limitada, como ya se indicara, por cuestiones operativas. En los casos en que se deban alcanzar profundidades mayores al orden de los 3,00 a 4,00 m se hace necesario hincar elementos saca muestras mediante golpes e inyección de agua a presión; en ciertos casos se debe hincar también un caño camisa, que sirva de soporte a las paredes de la perforación, para evitar su desmoronamiento; el conjunto de cañerías y martinete para el hincado es sostenido por un trípode de caños de acero. En el caso en que se deban atravesar mantos de gran dureza y compacidad, como ser rocas compactas, la perforación debe efectuarse con equipos rotativos, provistos de coronas de vidia o diamante, que permitan el corte del material. Estos dos últimos métodos de perforación mencionados, por percusión y por rotación, se utilizan generalmente para los estudios de fundaciones y otras investigaciones particulares. En todos los casos, la información resultante de cada perforación se registra en una planilla de campaña (Pig. 4), donde se asienta la ubicación de la perforación (progresiva, si corresponde a estudios d« la traza o N° de pozo si corresponde a estudio de yacimiento), la profundidad de extracción de la muestra, el número que identifica la misma, el tipo de material, como asi también observaciones del operador. ESTUDIO DE LA TRAZA El estudio de los suelos de la traza del camino tiene como objetivo fundamental el aportar información acerca de los siguientes puntos: a) Aptitud de los suelos de los préstamos para ser utilizados en la construcción de los terraplenes. Al respecto, cabe indicar que deberán ser desechados para su uso suelos de elevada plasticidad, de características expansivas, sue los con elevados contenidos de materia orgánica, materiales resultantes de rellenos indiscriminados, etc. b) Capacidad portante de los suelos que servirán de apoyo al pavimento (suelos de la subrasante). Conocida la capacidad portante (valor soporte) de estos suelos, se estará en condiciones de efectuar el diseño estructural del pavimento, esto es, definir los espesores de las distintas capas que constituyen la estructura del pavimento. c) Existencia de zonas susceptibles de sufrir asentamiento de consideración. Deberán detectarse aquellas zonas que, por las características de sus suelos y por su estado de humedad, puedan sufrir un proceso de consolidación debido a la acción del peso de los terraplenes, en particular si los mismos presentan una gran altura. Una vez definida la presencia de estas zonas, se deberá desarrollar sobre las mismas un programa especial de investigación. d) Existencia de materiales a ser removidos mediante el uso de explosivos. Al respecto, se deberán delimitar cuidadosamente todos aquellos materiales cementados, de gran compacidad, rocas, etc., para cuya extracción sea necesario recurrir a voladuras. Dado el alto costo que implica la utilización de explosivos, resulta de gran importancia la ubicación de estos materiales rocosos, a fin de que el proyectista trate de evitar su remoción, como así también, ante la necesidad obligada de su extracción, el proyectista pueda computar lo más ajustadamente posible los volúmenes de material a ser extraído mediante voladura. A fin de obtener la información relativa a estos temas, se efectúan perforaciones a lo largo de toda la traza del camino. Estas perforaciones se pueden efectuar sobre el eje del trazado o bien a ambos costados del mismo, en forma alternada; la separación máxima entre perforaciones puede llegar a los 500 m, debiéndose realizar perforaciones intermedias toda vez que se detecte un cambio significativo en los suelos, ya sea en sus características o en el espesor de los mantos. La profundidad mínima de perforación aconsejable es de 1,50 m, debiéndose en todos los casos alcanzar la cota de fondo de préstamo o zanja de desagüe, por lo que, en los casos de desmonte, la profunda, dad de perforación puede alcanzar valores considerables. El operador responsable de esta tarea, al tiempo que la realiza y recorre la traza del camino, deberá tomar debida nota en su planilla de extracción de muestras de la existencia de afloramientos de rocas, deslizamientos, vertientes, mallines, rellenos no clasificados, etc. Esta información complementaria servirá de ayuda al proyectista en las etapas posteriores. Las muestras que se extraigan en estas perforaciones deberán ser correctamente identificadas y embolsadas para su remisión al laboratorio. Una vez en el laboratorio, sobre estas muestras se efectuarán ensayos de granulometría y determinación de constantes físicas (límites de Atterberg}, lo que permitirá su clasificación mediante el sistema H.R.B. En algunos casos, en los que se sospeche su presencia, se investigará también el contenido de sales solubles y sulfatos . Una vez completada la clasificación de los suelos de la traza, se está en condiciones de elaborar el perfil edafológico del camino. El perfil edafológico es un gráfico que muestra la ubicación, a todo lo largo del camino, de los distintos tipos de suelos que se encuentran en la zona de su traza; con tal fin, utiliza signos o trazados convencionales (Fig. 5) para representar cada tipo de material, en la zona en que sé lo ha detectado mediante las perforaciones realiza das. Esta representación gráfica se complementa con una planilla resumen de los resultados de los ensayos efectuados. En la Fig. 6 se muestra, a título ilustrativo, un ejemplo de perfil edafológico. Este perfil facilita la visualización de los distintos tipos de suelos existentes en la zona de camino, permitiendo la ubicación de los suelos característicos o típicos del trazado. Sobre estos suelos característicos, en particular sobre aquellos suelos que presentan condiciones críticas para el diseño, como podrían ser los suelos de bajo valor portante, se hace necesario profundizar las investigaciones. Con este último fin es necesario extraer nuevas muestras, "muestras tipo", de ciertos lugares seleccionados en base al análisis del perfil edafológico, de modo que resulten representativas de los tipos de suelos característicos del trazado. Al tiempo de la extracción de estas muestras tipo, se deberán efectuar en campaña determinaciones acerca del estado natural de densificación y contenido de humedad de los suelos característicos; esta in formación permitirá, entre otras cosas, efectuar previsiones acerca del coeficiente de compactación. Sobre estas muestras tipo, una vez en laboratorio, se deberá efectuar un programa completo de ensayos, a saber: Ensayos de granulometría y constantes físicas, para su clasificación H.R.B., lo que permitirá asegurar su representatividad. Ensayos de compactación, a fin de poder evaluar la densificación a obtener posteriormente en obra. .. Ensayos de valar soporte, a fin de poder estimar la capacidad por tante de los suelos. Ensayos de mejoramiento con.cal, en aquellos suelos que presenten una elevada plasticidad o excesivo hinchamiento. De este modo, con la información proporcionada por el perfil edafoló gico y con los resultados de los ensayos efectuados sobre las muestras tipo, se contará con un panorama completo acerca de las propiedades de los suelos de la traza, que interesan desde el punto de vis ta vial.
