EXPLORACIÓN GEOTÉCNICAS Y MUESTREO INGENIERÍA GEOTECNICA • CI169 • Ingeniería Civil – UPC • 2020 - 2 Área Geotecnia Caraterização física Motivación Área geotecnia 2 Caraterização física Motivación 𝐏𝐞𝐫𝐟𝐢𝐥 𝐝𝐞𝐥 𝐬𝐮𝐞𝐥𝐨 − 𝐏𝐫𝐨𝐲𝐞𝐜𝐭𝐨: 𝐀𝐞𝐫𝐨𝐩𝐮𝐞𝐫𝐭𝐨 𝐈𝐧𝐭𝐞𝐫𝐧𝐚𝐜𝐢𝐨𝐧𝐚𝐥 𝐝𝐞 𝐂𝐡𝐢𝐧𝐜𝐡𝐞𝐫𝐨 Área geotecnia 3 Caraterização física Motivación PROSPECCIÓN GEOTÉCNICA: Investigación del subsuelo con la finalidad de determinar las características geotécnicas. Habitualmente incluye la obtención de muestras del subsuelo Área geotecnia 4 Caraterização física Objetivos de la prospección geotécnica Objetivo principal: ➢ Detectar, reconocer e identificar el perfil geotécnico, profundidades de napa freática, profundidad de roca basal en sector de emplazamiento (o trazado) de obras de ingeniería que se proyectan (a profundidades influenciadas por ella -bulbo de presión), en el área en que pueden influenciarla (taludes adyacentes) o en profundidades donde se requiera prevenir efectos en aguas subterráneas. ➢ Tomar muestras representativas para la posterior evaluación en laboratorio y así caracterizar las propiedades del suelo. ➢ Obtener parámetros a través de ensayos directo. Área geotecnia 5 Caraterização física Etapas de exploración Estudio preliminar Reconocimiento del terreno Exploración Ensayos de laboratorio Interpretación y análisis Área geotecnia 6 Caraterização física Programa de exploración geotécnica Se debe definir mediante: – Cantidad de puntos a investigar – Profundidad a alcanzar en cada punto – Distribución de los puntos en la superficie del terreno – Numero y tipo de muestras a extraer Área geotecnia 7 Caraterização física Normativa REGLAMENTO NACIONAL DE EDIFICACIONES 1.1.3 Normas de Estructuras ▪ ▪ ▪ ▪ E.010 Madera E.020 Cargas E.030 Diseño sismoresistente E.040 Vidrio ▪ E.050 Suelos y cimentaciones ▪ ▪ ▪ ▪ ▪ E.060 Concreto armado E.070 Albañileria E.080 Diseño y construcción con tierra reforzada E.090 Estructuras metálicas E.100 Bambú https://www.sencico.gob.pe/publicaciones.php?id=230&dPrint=1 Área geotecnia 8 Caraterização física Número de exploraciones Fuente: RNE – E.050, 2018 Área geotecnia 9 Caraterização física Número de exploraciones Fuente: RNE – E.050, 2018 Área geotecnia 10 Caraterização física Profundidad de exploración Edificación sin sótano Edificación con sótano 𝑃 = 𝐷𝑓 + 𝑧 𝑃 = ℎ + 𝐷𝑓 + 𝑧 Nota: ➢ z=1.5B, siendo B el ancho de la cimentación prevista de mayor área. ➢ En ningún caso P es menor de 3 m en el caso de estructuras sin sótano y de 6 m en el caso de estructuras con sótano Fuente: RNE – E.050, 2018 Área geotecnia 11 Caraterização física Profundidad de exploración Ducto enterrado Edificación con sótano 𝑃 = 𝐷𝑓 + 𝑧 Área geotecnia 12 Caraterização física Profundidad de exploración Cimentación profunda 𝑃 = ℎ + 𝐷𝑓 + 𝑧 Nota: ➢ z = 6.00 metros, en el 80 % de los sondeos y 1.5 B, en el 20 % de los sondeos, siendo B el ancho de la cimentación, delimitada por los puntos de todos los pilotes o las bases de todos los pilares. Área geotecnia 13 Caraterização física Exploraciones geotécnicas Excavación de calicatas Excavación de zanjas Perforación de sondajes Desarrollo de procedimientos geofísicos Área geotecnia 14 Caraterização física Exploraciones – in situ Área geotecnia 15 Caraterização física Ensayos in situ: Standard Penetration Test (SPT) –ASTM D1586 ➢El ensayo SPT consiste en conducir un muestreador (cilindro hueco delgado) en el fondo de un pozo con un martillo estándar (63.5kg) lanzado desde una altura estándar (76.2cm). ➢El número de golpes necesarios para introducir el muestreador 30 cm en el suelo se define como el número de golpes SPT (N). ➢El número de golpes correlaciona con la resistencia al corte no drenado para suelos cohesivos y el ángulo de fricción para suelos granulares. ➢Permite recuperación de muestra alterada. ➢El procedimientos es el siguiente: ➢Se introduce el muestreador en 15cm anotándose el numero de golpes 𝑵𝟎 . Si no se puede lograr una penetración en 50 golpes, la profundidad correspondiente marca el final del ensayo. ➢A continuación se registra el numero de golpes 𝑵𝟏 y 𝑵𝟐 necesarios para penetrar 30cm (cada 15cm). ➢El valor 𝐍 = 𝑵𝟏 + 𝑵𝟐 es la resistencia a la penetración. ➢Si en 15cm el numero de golpes supera los 50 o si en 30cm se supera los 100 golpes o se registra 10 golpes son avance; se establece el RECHAZO y se finaliza en ensayo. Área geotecnia 16 Caraterização física Ensayos in situ: Standard Penetration Test (SPT) –ASTM D1586 Fuente: In Situ Tests in Geotechnical Engineering - J Monnet 2015 Área geotecnia 17 Caraterização física Ensayos in situ: Standard Penetration Test (SPT) –ASTM D1586 Fuente: In Situ Tests in Geotechnical Engineering - J Monnet 2015 Área geotecnia 18 Caraterização física Ensayos in situ: Standard Penetration Test (SPT) –ASTM D1586 𝐄𝐧𝐞𝐫𝐠í𝐚 𝐝𝐞 𝐢𝐦𝐩𝐚𝐜𝐭𝐨 − 𝐄𝐧𝐞𝐫𝐠í𝐚 𝐓𝐞ó𝐫𝐢𝐜𝐚 𝐝𝐞 𝐒𝐏𝐓 (𝑬𝑻 ) 𝐸𝑇 = 𝑀𝑔𝐻 = 63.5𝑘𝑔 9.81 𝑚Τ𝑠 2 0.762𝑚 = 𝟒𝟕𝟒. 𝟔 𝑱 Según Kovacs & Salome (1982) la energía del ensayo varia entre el 30% y 80% de la energía teórica, según el equipo y la técnica utilizada para liberar el martillo. En estas condiciones el valor de 𝑁 se reduce al numero de golpes que se obtendría con un equipo que entrega el 60% de la energía teórica. 𝑁60 = 𝑁 ∙ 𝐶𝐸 𝑁1 60 = 𝑁 ∙ 𝐶𝐸 ∙ 𝐶𝑁 ∙ 𝐶𝐵 ∙ 𝐶𝑅 ∙ 𝐶𝑆 𝐸𝑅 𝐶𝐸 = 60%𝐸𝑇 𝑁 = Numero de golpes de ensayo 𝐶𝐸 = Factor de corrección de energía 𝐶𝑁 = Factor de corrección de sobre carga 𝐶𝐵 = Factor de corrección del diámetro de forado 𝐶𝑅 = Factor de corrección de longitud de varilla 𝐶𝑆 = Factor de corrección de muestreador 𝑝𝑎 = Presión atmosférica ≈ 100kPa 𝐸𝑅 = Energía real que entrega el equipo 𝐸𝑅 = Energía teórica 474.6 J Área geotecnia 19 Caraterização física Ensayos in situ: Standard Penetration Test (SPT) –ASTM D1586 𝐅𝐚𝐜𝐭𝐨𝐫𝐞𝐬 𝐝𝐞 𝐜𝐨𝐫𝐫𝐞𝐜𝐜𝐢ó𝐧 Fuente: In Situ Tests in Geotechnical Engineering - J Monnet 2015 Área geotecnia 20 Caraterização física Ensayos in situ: Standard Penetration Test (SPT) –ASTM D1586 𝐄𝐥 𝐞𝐧𝐬𝐚𝐲𝐨 𝐒𝐏𝐓 𝐩𝐞𝐫𝐦𝐢𝐭𝐞 𝐨𝐛𝐭𝐞𝐧𝐞𝐫 𝐥𝐨𝐬 𝐬𝐢𝐠𝐮𝐢𝐞𝐧𝐭𝐞𝐬 𝐩𝐚𝐫á𝐦𝐞𝐭𝐫𝐨𝐬: Suelos con fricción (Wolff, 1989) (Kulhawy & Mayne, 1990) (Hatanaka & Uchita, 1996) Área geotecnia 21 Caraterização física Ensayos in situ: Standard Penetration Test (SPT) –ASTM D1586 𝐄𝐥 𝐞𝐧𝐬𝐚𝐲𝐨 𝐒𝐏𝐓 𝐩𝐞𝐫𝐦𝐢𝐭𝐞 𝐨𝐛𝐭𝐞𝐧𝐞𝐫 𝐥𝐨𝐬 𝐬𝐢𝐠𝐮𝐢𝐞𝐧𝐭𝐞𝐬 𝐩𝐚𝐫á𝐦𝐞𝐭𝐫𝐨𝐬: Suelos con fricción Fuente: In Situ Tests in Geotechnical Engineering - J Monnet 2015 Área geotecnia 22 Caraterização física Ensayos in situ: Standard Penetration Test (SPT) –ASTM D1586 𝐄𝐥 𝐞𝐧𝐬𝐚𝐲𝐨 𝐒𝐏𝐓 𝐩𝐞𝐫𝐦𝐢𝐭𝐞 𝐨𝐛𝐭𝐞𝐧𝐞𝐫 𝐥𝐨𝐬 𝐬𝐢𝐠𝐮𝐢𝐞𝐧𝐭𝐞𝐬 𝐩𝐚𝐫á𝐦𝐞𝐭𝐫𝐨𝐬: Suelos con cohesión (Kulhawy & Mayne, 1990) (Hara et al. , 1974) Fuente: In Situ Tests in Geotechnical Engineering - J Monnet 2015 Área geotecnia 23 Caraterização física Ensayos in situ: Standard Penetration Test (SPT) –ASTM D1586 Área geotecnia 24 Caraterização física Ensayos in situ: Standard Penetration Test (SPT) –ASTM D1586 VENTAJAS DESVENTAJAS ➢Se obtiene muestra y número de golpes en función a la resistencia al corte del suelo. ➢ Sencillo y de bajo costo ➢ Funciona en muchos tipos de suelo ➢ Se puede utilizar en rocas blandas Disponible en todo el mundo ➢Se obtiene muestra alterada ➢ No aplica en arcillas blandas y limos. ➢ La resistencia del suelo es sensible al análisis de los números de golpes. ➢Variabilidad e incertidumbre. Área geotecnia 25 Caraterização física Ensayos in situ: Cone Penetration Test (CPT) –ASTM D5778 ➢El ensayo CPT consiste en introducir en el suelo una sonda cilíndrica (diámetro de 30 a 100 mm) con una punta de cono, de forma continua a una velocidad lenta y constante (2cm ± 0.5cm/𝑠). ➢La sonda está equipada con medidores de esfuerzo para medir la resistencia de la punta y lateral mientras la sonda es penetrada en el suelo. ➢Los datos son recopilados continuamente en un computador. ➢Permite determinar la resistencia al corte no drenado del suelo (𝒄𝒖 ) a través de la resistencia del cono. ➢Permite conocer de forma aproximada el perfil estratigráfico del suelo ➢Permite determinar la capacidad de carga del suelo para cimentaciones. ➢. Área geotecnia 26 Caraterização física Ensayos in situ: Cone Penetration Test (CPT) –ASTM D5778 Fuente: In Situ Tests in Geotechnical Engineering - J Monnet 2015 Área geotecnia 27 Caraterização física Ensayos in situ: Cone Penetration Test (CPT) –ASTM D5778 Área geotecnia 28 Caraterização física Ensayos in situ: Cone Penetration Test (CPT) –ASTM D5778 Piezocone CPTU Área geotecnia 29 Caraterização física Ensayos in situ: Cone Penetration Test (CPT) –ASTM D5778 𝐄𝐥 𝐂𝐏𝐓 𝐩𝐞𝐫𝐦𝐢𝐭𝐞 𝐦𝐞𝐝𝐢𝐫 𝐥𝐨𝐬 𝐬𝐢𝐠𝐮𝐢𝐞𝐧𝐭𝐞𝐬 𝐩𝐚𝐫á𝐦𝐞𝐭𝐫𝐨𝐬 Resistencia a la penetración del cono (qc ) 𝑄𝑐 𝑞𝑐 = 𝑀𝑃𝑎 𝐴𝑐 Fuerza total de penetración Qt en KN Fricción lateral en todo el eje Q𝑠t 𝑄𝑠𝑡 = 𝑄𝑡 − 𝑄𝑐 𝐾𝑁 Fricción lateral unitaria f𝑠 𝑄𝑠 𝑓𝑠 = 𝑀𝑃𝑎 𝐴𝑠 Razón de fricción R𝑓 𝑓𝑠 𝑅𝑓 = 𝑞𝑐 Área geotecnia % 30 Caraterização física Ensayos in situ: Cone Penetration Test (CPT) –ASTM D5778 Fuente: The Penetrometer and Soil Exploration – Sanglerat, 1972 Área geotecnia 31 Caraterização física Ensayos in situ: Cone Penetration Test (CPT) –ASTM D5778 Fuente: In Situ Tests in Geotechnical Engineering - J Monnet 2015 Área geotecnia 32 Caraterização física Ensayos in situ: Cone Penetration Test (CPT) –ASTM D5778 VENTAJAS DESVENTAJAS ➢ Se obtiene perfil continuo del suelo y de forma rápida. ➢ Los resultados no depende del operador. ➢ Muy buena base teórica. ➢ Muy bueno para suelos blandos. ➢ Costo elevado. ➢ Se requiere operadores muy capacitados. ➢ Elementos electrónicos se descalibran ➢ No permite la toma de muestra. ➢ No es apto para suelos gravosos. Área geotecnia 33 Caraterização física Ensayos in – situ: Vane test (VST) – ASTM D2573 Apropiado para determinar la resistencia no drenada de arcilla blandas a media. Consiste en un dispositivo de cuatro hélices que se introduce en el suelo cohesivo no perturbado aplicándose de torque. El torque aplicado está relacionado con la resistencia al corte no drenado (𝒄𝒖 ). Este ensayo proporciona una medición directa y confiable de la resistencia al corte no drenada (in situ). Área geotecnia 34 Caraterização física Ensayos in – situ: Vane test (VST) Fuente: In Situ Tests in Geotechnical Engineering - J Monnet 2015 Área geotecnia 35 Caraterização física Ensayos in – situ: Vane test (VST) Fuente: In Situ Tests in Geotechnical Engineering - J Monnet 2015 Área geotecnia 36 Caraterização física Ensayos in – situ: Vane test (VST) Procedimiento de ensayo: ✓Introducir en el suelo la hélice a una velocidad de 2cm/s sin producir torque. ➢El ensayo se debe realizar a una profundidad mayor a 50cm. ➢La distancia entre dos ensayos consecutivos no debe ser menor a 50cm. ✓La instalación del cabezal de medición y ejecución del ensayo debe realizarse inmediatamente después de introducir la hélice. ✓La velocidad de aplicación de torque debe estar entre 6 y 18° por minuto ✓Se toma lectura cada 10s y el torque máximo ✓Es habitual realizar ensayos continuos espaciados 1m de profundidad. Área geotecnia 37 Caraterização física Ensayos in – situ: Vane test (VST) El torque aplicado mediante el cabezal (𝑇𝑚𝑒𝑑 ), genera 4 momentos repartidos: 3 𝐷 න 𝑑𝑇1 = න 2𝜋𝑟 2 𝑐𝑢 𝑑𝑟 −→ 𝑇1 = 𝜋 𝑐 12 𝑢 𝐷2 𝑇2 = 𝜋 𝐻 𝑐𝑢 2 𝐷 3 − 𝑑𝑐3 𝑇3 = 𝜋 12 𝑐𝑢 𝑑𝑠3 − 𝑑𝑐3 𝑇4 = 𝜋 𝑚. 𝑐𝑜𝑠𝜃 𝑐𝑢 𝑑𝑜𝑛𝑑𝑒 𝑚 = 0.6 12 ഥ= 𝐾 𝑇1 + 𝑇2 + 𝑇3 + 𝑇4 𝑇𝑚𝑒𝑑 = = 1310 𝑐𝑚3 𝑐𝑢 𝑐𝑢 𝐑𝐞𝐬𝐢𝐬𝐭𝐞𝐧𝐜𝐢𝐚 𝐧𝐨 𝐝𝐫𝐞𝐧𝐚𝐝𝐚 (𝒄𝒖 ) 𝐑𝐞𝐬𝐢𝐬𝐭𝐞𝐧𝐜𝐢𝐚 𝐫𝐞𝐬𝐢𝐝𝐮𝐚𝐥 (𝒄𝒓 ) 𝑇𝑚𝑒𝑑 𝑐𝑢 = 𝑘 ഥ 𝐾 𝑇𝑟𝑒𝑠 𝑐𝑟 = 𝑘 ഥ 𝐾 𝑘 𝑑𝑒𝑝𝑒𝑛𝑑𝑒 𝑑𝑒𝑙 𝐼𝑃 𝑑𝑒𝑙 𝑠𝑢𝑒𝑙𝑜 Área geotecnia 38 Caraterização física Ensayos in – situ: Vane test (VST) 𝑉𝑎𝑙𝑜𝑟𝑒𝑠 𝑑𝑒 𝑘 (𝑃𝑖𝑙𝑜𝑡, 1982) 𝑂𝑏𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖ó𝑛 𝑑𝑒𝑙 𝜏𝑚𝑎𝑥 (𝐴𝐹𝑁𝑂𝑅, 1991) Área geotecnia 39 Caraterização física Ensayos in – situ: Vane test (VST) Fuente: In Situ Tests in Geotechnical Engineering - J Monnet 2015 Área geotecnia 40 Caraterização física Sondeos por rotación – Perforaciones Diamantinas • Utilizado en rocas o suelos duros. • Se obtiene muestras inalteradas mediante rotación, empuje vertical y lavado. • El muestreador emplea en la punta un material mas duro que el que se requiere penetrar, del tipo corona diamantada. • Es necesario un liquido lubricante, agua a presión. • Los sondeos mixtos son la combinación de un equipo de sondeo rotatorio y a la vez con un equipo de penetración (SPT) Coronas. De izquierda a derecha; diamante, carburo y diente de sierra Área geotecnia 41 Caraterização física Sondeos por rotación – Perforaciones Diamantinas Área geotecnia 42 Caraterização física Sondeos por rotación – Perforaciones Diamantinas Área geotecnia 43 Caraterização física Sondeos por rotación – Perforaciones Diamantinas Área geotecnia 44 Caraterização física Sondeos por rotación – Perforaciones Diamantinas Área geotecnia 45 Caraterização física Prospecciones geofísicas Los métodos geofísicos son técnicas de exploración indirectas basadas en mediciones realizadas en la superficie del suelo o en perforaciones. Permite estimar y correlacionar las propiedades físicas del sub suelo: Densidad Resistividad eléctrica Permitividad eléctrica Susceptibilidad magnética Velocidad sísmica (Módulo elástico) Métodos invasivos Prueba Cross – hole Prueba Down – hole Métodos no invasivos Refracción sísmica (ondas SH) Análisis de onda superficial (SASW, MASW) Ensayo de resistividad eléctrica Área geotecnia 46 Caraterização física Prospecciones geofísicas – Ensayos invasivos Down Hole Test Limitado a una profundidad entre 50 a 60m Área geotecnia 47 Caraterização física Prospecciones geofísicas – Ensayos no invasivos Refracción y reflexión sísmica Área geotecnia 48 Caraterização física Prospecciones geofísicas – Ensayos no invasivos Refracción y reflexión sísmica Área geotecnia 49 Caraterização física Prospecciones geofísicas – Ensayos no invasivos Refracción y reflexión sísmica 𝐏𝐞𝐫𝐟𝐢𝐥 𝐝𝐞𝐥 𝐬𝐮𝐞𝐥𝐨 − 𝐏𝐫𝐨𝐲𝐞𝐜𝐭𝐨: 𝐀𝐞𝐫𝐨𝐩𝐮𝐞𝐫𝐭𝐨 𝐈𝐧𝐭𝐞𝐫𝐧𝐚𝐜𝐢ó𝐧 𝐝𝐞 𝐂𝐡𝐢𝐧𝐜𝐡𝐞𝐫𝐨 Área geotecnia 50 Caraterização física Prospecciones geofísicas – Ensayos no invasivos Tomografía de Resistividad eléctrica (ERT) Área geotecnia 51 Caraterização física Prospecciones geofísicas Método invasivos vs Métodos no invasivos Área geotecnia 52 Caraterização física Técnicas de Muestreo Las técnicas de muestreo utilizan varios métodos: ✓Pozos, zanjas, excavaciones y túneles: excavados mecánica o manualmente; ✓Perforación manual: realizada a mano con una barrena; ✓Perforación a percusión: el barril central se hunde sin rotación, ya sea por percusión, golpes o por perforación a una velocidad de penetración constante. ✓Perforación de rotación: el taladro central puede enfriarse con un fluido de perforación (agua, aire, lechada de bentonita, etc.). Área geotecnia 53 Caraterização física Técnicas de Muestreo Excavación Manual Proporcionan muestras de alta calidad. Se muestrea en una caja cúbica o cilíndrica Durante el transporte y almacenamiento, las muestras deben permanecer selladas y no debe haber variaciones del contenido de humedad. Área geotecnia 54 Caraterização física Técnicas de Muestreo Muestreadores utilizados en perforaciones diamantinas ▪ El muestreador Raymond – Terzaghi permite obtener muestra alterada. ▪ Si se quiere la toma de muestra inalteradas se debe utilizar muestreadores de pared delgada Área geotecnia 55 Caraterização física Área geotecnia 56 Caraterização física Bibliografía ▪ ▪ ▪ ▪ ▪ ▪ Terzaghi, K; Peck, R.B; Mesri, G. Soil Mechanics in Engineering Practice. Holtz, R.D. and Kovacs, W.D. (1981). An Introduction to Geotechnical Engineering, Prentice Hall. Bowles, J. (1992). Engineering Properties of Soils and their Measurement, McGraw Hill. Poul V. Lade (2016) Triaxial Testing of Soil. Wiley Blackwell. Monnet, J. (2015) In Situ Tests in Geotechnical Engineering. Wiley Velloso, D.A. Lopes F.R. (2012) Fundações: Volume Completo. Área geotecnia 57 Caraterização física ¡GRACIAS POR LA ATENCIÓN! Área geotecnia 58
