Universidad Nacional de Colombia
Sede Manizales
Facultad de Ingeniería y Arquitectura
Departamento de Ingeniería Civil
Geotecnia Vial
Profesor: Luis Ricardo Vásquez Varela
Factores que afectan el comportamiento del suelo en taludes
y terraplenes
Exploración, muestreo y ensayo – Evaluación de las condiciones del sitio
Referencias:
•
•
“Soil Slope and Embankment Design. Reference Manual”. Publicación No. FHWA NHI-01-026. Federal Highway
Administration, USA, 2002.
“Geotechnical Engineering Circular No. 5. Evaluation of Soil and Rock Properties” (FHWA-IF-02-034) (Sabatini et al.
2002).
Luis Ricardo Vásquez Varela
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Factores que afectan el comportamiento del suelo en taludes
y terraplenes
1. Procesos que afectan el esfuerzo
cortante y la resistencia al corte.
5. Resistencia al corte del suelo.
6. Condiciones del agua subterránea.
2. Características intrínsecas que
contribuyen a bajas resistencia y
rigidez en el suelo.
7. Sismicidad.
8. Otros factores.
3. Condiciones geológicas.
4. Condiciones del sitio – exploración.
Luis Ricardo Vásquez Varela
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Resumen de la presentación
• Evaluación de las condiciones del sitio de un
proyecto.
• Exploración, muestreo y ensayos de campo y
laboratorio.
– Estudio de oficina o gabinete.
– Investigaciones subsuperficiales.
• Interpretación de las propiedades de los
suelos.
• Propiedades básicas de los macizos rocosos.
Esta foto de BHP está bajo licencia CC BY-SA
Luis Ricardo Vásquez Varela
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Investigaciones subsuperficiales
•
Procedimiento para la evaluación de suelos y rocas.
•
•
Muestreadores para muestras nominalmente
inalteradas.
Resumen de las necesidades de información para los
ensayos en un amplio rango de aplicaciones viales.
•
Tomadores de núcleos de roca de tubos sencillo y
doble.
•
Ensayos in situ.
Guía para definir el número mínimo de puntos y
profundidad de investigación.
•
Evaluación in situ de macizos rocosos.
•
Publicaciones recomendadas sobre ensayos in situ.
•
Ensayos geofísicos.
•
Métodos de perforación.
•
Ensayos de laboratorio de suelos.
•
Métodos de obtención de núcleos de roca.
•
Efectos de la alteración de las muestras.
•
Muestreadores comunes para muestras alteradas.
•
Ensayos de laboratorio en rocas.
•
•
Lista de actividades para el reconocimiento del sitio.
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Métodos de exploración del terreno
•
•
Perforaciones en el terreno.
– Identificación de estratigrafía subsuperficial.
– Suelos: Barrenos y rotación con lavado.
• “Wash boring”: Prohibida en los EE.UU.
– Medición de propiedades índice y de ingeniería.
– También pueden indicar estratigrafía.
– Rocas: Recuperación de núcleos.
•
Ensayos in situ.
– Algunas pruebas de campo son:
Muestreo: obtención de especímenes.
– Alteradas: Muestreador de cuchara partida o
estándar, material proveniente de los barrenos:
• Límites de Atterberg, granulometría, propiedades
índice.
– Nominalmente inalteradas: Tubos de pared
delgada (Shelby).
•
•
•
•
•
•
•
Penetración estándar (SPT).
Penetración cónica (CPT).
Veleta de corte en campo (VST).
Presurómetro.
Placa cargada.
Dilatómetro.
Ensayos geofísicos.
• Propiedades de resistencia, deformación y flujo
(propiedades de ingeniería).
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Procedimiento para la evaluación de suelos y rocas
Revise la información disponible sobre el subsuelo y proponga un modelo preliminar de sus condiciones
Identifique las propiedades de los materiales requeridas para el diseño y estime el alcance del programa de
campo
Realice las investigaciones y ensayos de campo
Realice la descripción de las muestras y los ensayos índice de laboratorio
Resuma la información básica sobre suelos y rocas e interprete el perfil subsuperficial
NO
¿Los resultados son
consistentes con el modelo
preliminar?
SÍ
Revise los objetivos de diseño y los resultados iniciales
¿Se requieren
datos adicionales?
FASE 2 DE LA INVESTIGACIÓN (de ser necesaria)
INVESTIGACIÓN DEL SITIO Y ENSAYOS DE CAMPO
Planifique la exploración de campo y el programa de ensayos de campo
SÍ
NO
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NO
ENSAYOS DE LABORATORIO E INTERPRETACIÓN DE RESULTADOS
Realice los ensayos de laboratorio
Revise la calidad de los ensayos de laboratorio y haga un resumen de resultados
NO
¿Son resultados
válidos y
consistentes?
FASE 2 DE LA INVESTIGACIÓN (de ser necesaria)
Seleccione muestras representativas de suelo y roca y defina los ensayos de laboratorio
SÍ
¿Se requiere una
Fase 2 de
investigación?
SÍ
NO
DISEÑO DE
INGENIERÍA
Seleccione las propiedades de los materiales y concluya el modelo subsuperficial
Diseñe y considere los problemas de construcción
“GEOTECHNICAL ENGINEERING CIRCULAR No. 5. Evaluation of Soil and Rock Properties” (FHWA-IF-02-034).
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Información requerida y ensayos necesarios para varios problemas
geotécnicos
Problema
geotécnico
Evaluaciones de ingeniería
• Capacidad portante.
• Asentamiento (magnitud y
tasa).
Información requerida para los análisis
• Perfil subsuperficial (suelo, agua subterránea,
roca).
• Parámetros de resistencia al corte.
Ensayos de campo
Ensayos de laboratorio
• Veleta de campo.
• Ensayo edométrico 1D.
• SPT (suelos
granulares).
• Ensayo de corte directo.
• Ensayos triaxiales.
• Contracción / expansión de
los suelos de fundación
(naturales o rellenos).
• Parámetros de compresibilidad
(consolidación, potencial de expansión /
contracción y módulo elástico).
• CPT.
• Compatibilidad química del
suelo y el concreto.
• Profundidad de penetración de la helada.
• Extracción de
muestras (núcleos)
de roca.
• Distribución granulométrica.
• Dilatómetro.
• Límites de Atterberg.
Cimentaciones
superficiales
• Expansión por
congelamiento.
• Historia de esfuerzos (Esfuerzos verticales
efectivos actual y pasado).
• Humedad.
• Densidad nuclear.
• Composición química del suelo.
• Socavación (en cruces de
agua).
• Ensayos de pH y resistividad.
• Profundidad del cambio estacional de
humedad.
• Cargas extremas.
• Peso unitario.
• Ensayo de placa
cargada.
• Contenido de materia orgánica.
• Ensayos geofísicos.
• Ensayo de potencial de expansión / colapso.
• Pesos unitarios.
• Mapeo geológico incluyendo la orientación y
características de las discontinuidades de la
roca.
• Compresión uniaxial de roca y módulo de roca
intacta.
• Ensayo de resistencia por carga puntual en roca.
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Problema
geotécnico
Evaluaciones de ingeniería
• Capacidad portante por punta.
• Capacidad portante por fricción
lateral.
• Constructibilidad.
Información requerida para los análisis
• Perfil subsuperficial (suelo, agua subterránea,
roca).
Ensayos de campo
• Prueba de carga en la
pila.
Ensayos de laboratorio
• Ensayo edométrico 1D.
• Ensayos triaxiales.
• Parámetros de resistencia al corte.
• Parámetros de fricción por resistencia al corte en
la interfase suelo – pila.
• Técnica de
excavación.
• Distribución granulométrica.
• Veleta de campo.
• Ensayos de fricción en la interfase.
• SPT (suelos
granulares).
• Ensayos de pH y resistividad.
• Fricción negativa.
• Calidad del empotramiento en
roca (rock socket).
• Parámetros de compresibilidad (consolidación,
potencial de expansión / contracción y módulo
elástico).
• Ensayos de permeabilidad.
• CPT.
• Presiones laterales de tierra.
• Coeficientes de presión horizontal de tierras.
• Asentamiento (magnitud y
tasa).
• Composición química de los suelos y las rocas.
• Límites de Atterberg.
• Dilatómetro.
Pilas preexcavadas
• Humedad.
• Piezómetro.
• Pesos unitarios.
• Flujo de agua subterránea /
drenaje
• Presencia de bloques o capas
muy duras.
• Socavación (en cruces de agua).
• Peso unitario.
• Permeabilidad de los acuíferos.
• Extracción de
muestras (núcleos) de
roca (RQD).
• Presencia de condiciones artesianas.
• Contenido de materia orgánica.
• Ensayo de potencial de expansión / colapso.
• Ensayos geofísicos.
• Presencia de suelos contráctiles / expansivos
(limitan la fricción lateral).
• Compresión uniaxial de roca y módulo de roca intacta.
• Ensayo de resistencia por carga puntual.
• Cargas extremas.
• Mapeo geológico incluyendo la orientación y
características de las discontinuidades de la roca.
• Durabilidad por desleimiento (slake).
• Degradación de rocas blandas en presencia de
agua y/o aire (por ejemplo, empotramiento en
lutitas).
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Problema
geotécnico
Evaluaciones de ingeniería
• Asentamiento (magnitud y
tasa).
• Capacidad portante.
Información requerida para los análisis
Ensayos de campo
• Perfil subsuperficial (suelo, agua subterránea,
roca).
• Densímetro nuclear.
• Ensayo edométrico 1D.
• Ensayo de placa
cargada.
• Ensayos triaxiales.
• Estabilidad de taludes.
• Parámetros de compresibilidad
(consolidación, potencial de expansión /
contracción y módulo elástico).
• Presiones laterales.
• Parámetros de resistencia al corte.
• Estabilidad interna.
• Pesos unitarios.
Ensayos de laboratorio
• Ensayos de corte directo.
• Lleno de prueba.
• Distribución granulométrica.
Terraplenes y
fundaciones de
terraplenes
• Evaluación del material de
préstamo (calidad y cantidad
disponible).
• Refuerzo requerido.
• SPT (suelos
granulares).
• Límites de Atterberg.
• CPT.
• Contenido de materia orgánica.
• Dilatómetro.
• Relaciones humedad – peso unitario.
• Veleta de corte
• Conductividad hidráulica.
• Extracción de
muestras de roca
(RQD).
• Ensayos suelo / geosintéticos.
• Ensayos geofísicos.
• Durabilidad por desleimiento (slake).
• Parámetros de consolidación en el tiempo.
• Coeficientes de presión horizontal de tierras.
• Parámetros de fricción en la interfase.
• Resistencia al arrancamiento.
• Mapeo geológico incluyendo la orientación y
características de las discontinuidades de la
roca.
• Ensayo de potencial de expansión / colapso.
• Peso unitario.
• Contracción / expansión / degradación del
suelo y la roca de relleno.
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Problema
geotécnico
Evaluaciones de ingeniería
• Estabilidad de taludes.
• Expansión del fondo de la
excavación.
• Licuación.
Información requerida para los análisis
• Perfil subsuperficial (suelo, agua subterránea,
roca).
• Parámetros de compresibilidad
(consolidación, potencial de expansión /
contracción y módulo elástico).
Ensayos de campo
• Corte de prueba
para evaluar la
estabilidad a corto
plazo.
Ensayos de laboratorio
• Conductividad hidráulica.
• Distribución granulométrica.
• Límites de Atterberg.
• Piezómetros.
• Ensayos triaxiales.
• Drenaje.
Excavaciones y
taludes de corte
• Pesos unitarios.
• Presión lateral.
• Conductividad hidráulica.
• Ablandamiento del suelo /
falla progresiva.
• Parámetros de consolidación en el tiempo.
• Presiones de poro.
• SPT (suelos
granulares).
• Ensayos de corte directo.
• CPT.
• Humedad.
• Dilatómetro.
• Durabilidad por desleimiento (slake).
• Parámetros de resistencia al corte de suelos y
rocas (incluyendo discontinuidades).
• Veleta de corte
• Compresión uniaxial de roca y módulo de roca
intacta.
• Mapeo geológico incluyendo la orientación y
características de las discontinuidades de la
roca.
• Extracción de
muestras de roca
(RQD).
• Ensayo de resistencia por carga puntual.
• Corte directo de
roca in situ.
• Ensayos geofísicos.
“GEOTECHNICAL ENGINEERING CIRCULAR No. 5. Evaluation of Soil and Rock Properties” (FHWA-IF-02-034).
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Problema
geotécnico
Evaluaciones de ingeniería
• Estabilidad interna.
Información requerida para los análisis
• Perfil subsuperficial (suelo, agua subterránea,
roca).
Ensayos de campo
Ensayos de laboratorio
• Corte de prueba para
evaluar el tiempo de
caída.
• Ensayo edométrico 1D.
• SPT (suelos granulares).
• Ensayos de corte directo.
• CPT.
• Distribución granulométrica.
• Dilatómetro.
• Límites de Atterberg.
• Parámetros de compresibilidad
(consolidación, potencial de expansión /
contracción y módulo elástico).
• Veleta de corte
• Ensayos de pH y resistividad.
• Piezómetro.
• Humedad.
• Composición química de los suelos de relleno
y fundación.
• Evaluación del material
de lleno.
• Contenido de materia orgánica.
• Estabilidad externa.
• Ensayos triaxiales.
• Coeficientes de presión horizontal de tierras.
• Asentamiento.
• Resistencia al corte de la interfase.
• Deformación horizontal.
• Presiones laterales de tierra.
• Capacidad portante.
Muros / Taludes
de suelo
reforzado
• Compatibilidad química
entre el suelo y los
materiales del muro.
• Presiones de poro detrás del
muro.
• Evaluación de materiales de
préstamo (cantidad
disponible y calidad del
material).
• Resistencias al corte del suelo de fundación y
del relleno del muro.
• Relaciones humedad – peso unitario.
• Conductividad hidráulica de los suelos detrás
del muro.
• Parámetros de consolidación en el tiempo.
• Mapeo geológico incluyendo la orientación y
características de las discontinuidades de la
roca.
• Densímetro nuclear.
• Conductividad hidráulica.
• Ensayo de arrancamiento
(MSEW / RSS).
• Extracción de muestras
de roca (RQD).
• Ensayos geofísicos.
“GEOTECHNICAL ENGINEERING CIRCULAR No. 5. Evaluation of Soil and Rock Properties” (FHWA-IF-02-034).
Luis Ricardo Vásquez Varela
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Problema
geotécnico
Evaluaciones de ingeniería
• Estabilidad interna.
Información requerida para los análisis
• Perfil subsuperficial (suelo, agua subterránea,
roca).
• Estabilidad externa.
Ensayos de campo
Ensayos de laboratorio
• Corte de prueba
para evaluar el
tiempo de caída.
• Ensayos triaxiales.
• Ensayos de bombeo
en pozos.
• Distribución granulométrica.
• Ensayos de corte directo.
• Resistencia al corte del suelo.
• Estabilidad de la excavación.
• Coeficientes de presión horizontal de tierras.
• Drenaje.
Pantallas
excavadas
• Compatibilidad química
entre el suelo y los
materiales del muro.
• Presiones de poro detrás del
muro.
• Límites de Atterberg.
• Resistencia al corte de la interfase suelo /
refuerzo.
• SPT (suelos
granulares).
• Ensayos de pH y resistividad.
• Conductividad hidráulica del suelo.
• CPT.
• Humedad.
• Mapeo geológico incluyendo la orientación y
características de las discontinuidades de la
roca.
• Dilatómetro.
• Contenido de materia orgánica.
• Veleta de corte
• Relaciones humedad – peso unitario.
• Ensayo de
arrancamiento
(anclajes).
• Conductividad hidráulica.
• Fricción negativa en el muro.
• Obstrucciones en el suelo
retenido.
• Ensayos geofísicos.
“GEOTECHNICAL ENGINEERING CIRCULAR No. 5. Evaluation of Soil and Rock Properties” (FHWA-IF-02-034).
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Actividades para el reconocimiento en sitio
“GEOTECHNICAL ENGINEERING CIRCULAR No. 5. Evaluation of Soil and Rock Properties” (FHWA-IF-02-034).
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Luis Ricardo Vásquez Varela
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Guía para definir el número mínimo de puntos y profundidad de
perforación
Aplicación
Número mínimo y localización de los puntos de investigación
Mínimo un punto de investigación por cada muro de contención.
Para muros de más de 30 metros de longitud se deben ubicar puntos
espaciados entre 30 y 60 metros de forma alterna en el trasdós y el intradós
del muro.
Muros de
contención
Para muros anclados se requieren puntos adicionales de investigación cada 30
a 60 metros en la zona de anclaje.
Profundidad mínima de investigación
Se debe investigar hasta una profundidad por debajo de la base del muro
entre 1 y 2 veces la altura del mismo o un mínimo de 3.0 metros en lecho
rocoso.
La profundidad de investigación debe ser suficiente para penetrar
completamente suelos blandos altamente compresibles (turba, limo orgánico,
suelos finos blandos) y llegar a materiales competentes con capacidad
portante adecuada (suelo “cohesivo” duro a rígido, suelo “no cohesivo” denso
o lecho rocoso).
Para muros de suelo reforzado se requieren puntos adicionales de
investigación a una distancia entre 1.0 y 1.5 veces la altura del muro en el
trasdós del mismo y con espaciamiento entre 30 y 60 metros.
Fundación de
terraplenes
Se debe tener mínimo un punto de investigación cada 60 metros (en
condiciones erráticas) o cada 120 metros (en condiciones uniformes) a lo largo
del eje del terraplén.
La profundidad de investigación debe ser al menos dos veces la altura del
terraplén, a menos que se encuentre un estrato duro por encima de esta
profundidad.
En los sitios críticos (máxima altura del terraplén o máximo espesor de suelos
blandos) se debe investigar un mínimo de tres puntos en la dirección
transversal para definir las condiciones subsuperficiales existentes para los
análisis de estabilidad.
Si se encuentran estratos blandos a una profundidad mayor que dos veces la
altura del terraplén, la investigación debe ser lo suficientemente profunda
para penetrar totalmente el estrato blando y llegar a material competente
(suelo “cohesivo” duro a rígido, suelo “no cohesivo” denso o lecho rocoso).
Para los terraplenes de estribos de puentes se debe tener al menos una
investigación en cada estribo.
“GEOTECHNICAL ENGINEERING CIRCULAR No. 5. Evaluation of Soil and Rock Properties” (FHWA-IF-02-034).
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Suelo
reforzado
H
H
No confundir bloques
con lecho de roca
H
1.0 a 1.5H
Bulbo
No confundir bloques
con lecho de roca
Roca
Roca
2H
2H
3 metros mínimo
Al menos una perforación para
este muro si Lmuro < 30 metros
Roca
Al menos una
perforación para
zona de anclajes si
Lmuro < 30 metros
3 metros mínimo
Al menos una perforación para
este muro si Lmuro < 30 metros
Luis Ricardo Vásquez Varela
2H
3 metros mínimo
Al menos una perforación para
este muro si Lmuro < 30 metros
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Aplicación
Taludes de corte
Número mínimo y localización de los puntos de investigación
Profundidad mínima de investigación
Se debe tener mínimo un punto de investigación cada 60 metros (en
condiciones erráticas) o cada 120 metros (en condiciones uniformes) a lo largo
del talud.
La profundidad de investigación debe ser, como mínimo, de 5.0 metros por
debajo de la cota mínima del corte, a menos que se encuentre un estrato duro
por encima del nivel mínimo del corte.
En puntos críticos (máxima altura de corte o máximo espesor de estratos
blandos) se requiere un mínimo de tres puntos de investigación en la dirección
transversal para definir las condiciones del subsuelo para los análisis de
estabilidad.
La profundidad de investigación debe ser suficiente para penetrar a través de
suelos blandos y llegar a materiales competentes (suelo “cohesivo” duro a
rígido, suelo “no cohesivo” denso o lecho rocoso).
Para taludes de corte en roca se debe hacer el mapeo geológico a lo largo del
talud de corte.
Para subestructuras con anchos menores o iguales a 30 metros (pilas o
estribos) se requiere un punto de investigación por subestructura como
mínimo.
Para subestructuras con anchos mayores que 30 metros, se requiere un
mínimo de dos puntos de investigación.
Cimentaciones
superficiales
Si se encuentran condiciones erráticas del subsuelo se requerirán puntos de
investigación adicionales.
En sitios donde la base del corte quede por debajo del nivel freático se debe
incrementar la profundidad de investigación para determinar el espesor del
estrato permeable subyacente.
La profundidad mínima de investigación debe ser:
(1) Suficiente para penetrar completamente suelos inadecuado para
fundación (turba, limo orgánico, suelos finos blandos) y llegar a materiales
competentes con capacidad portante adecuada (suelo “cohesivo” duro a
rígido, suelo “no cohesivo” denso o lecho rocoso).
(2) Al menos la profundidad donde el incremento de esfuerzo debido a la
carga estimada de la cimentación sea menor que el 10% del esfuerzo
existente de sobrecarga, y
(3) Si se encuentra el lecho rocoso antes de la profundidad requerida para
satisfacer el punto (2), la profundidad de la investigación debe ser
suficiente para penetrar un mínimo de 3 metros en el lecho rocoso,
aunque la investigación de la roca debe ser suficiente para caracterizar la
compresibilidad del material de relleno de las discontinuidades
horizontales y cuasi-horizontales.
“GEOTECHNICAL ENGINEERING CIRCULAR No. 5. Evaluation of Soil and Rock Properties” (FHWA-IF-02-034).
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a
a
b
b
vía
5 metros mínimo
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Aplicación
Número mínimo y localización de los puntos de investigación
Para subestructuras con anchos menores o iguales a 30 metros (pilas o
estribos) se requiere un punto de investigación por subestructura como
mínimo.
Para subestructuras con anchos mayores que 30 metros, se requiere un
mínimo de dos puntos de investigación.
Si se encuentran condiciones erráticas del subsuelo se requerirán puntos de
investigación adicionales.
Cimentaciones
profundas
Debido a los costos asociados con la construcción de pilas empotradas en
roca, en cada punto de empotramiento de deberán confirmar las condiciones
existentes.
Profundidad mínima de investigación
En suelos, la profundidad mínima de investigación se debe extender por
debajo de la cota más baja anticipada de la cimentación
(a) 6 metros o
(b) Dos veces la dimensión mayor del grupo de pilotes, la que sea más
profunda.
Todas las perforaciones deben atravesar los estratos inadecuados tales como
rellenos no consolidados, turba, materiales altamente orgánicos, suelos finos
blandos y suelos sueltos de grano grueso hasta alcanzar materiales duros o
densos.
Para pilas apoyadas en roca se debe obtener un núcleo de mínimo 3 metros
en cada punto de investigación para verificar que la perforación no ha
terminado en un bloque.
Para pilas soportadas en roca o empotradas en esta, se debe obtener un
núcleo por debajo del nivel anticipado de la fundación con una longitud
mínima de:
(a) 3 metros,
(b) Tres veces el diámetro de la pila si está aislada, o
(c) Dos veces la dimensión mayor del grupo de pilas, la que sea mayor.
Lo anterior con el fin de determinar las características físicas de la roca dentro
de la zona de influencia de la fundación.
“GEOTECHNICAL ENGINEERING CIRCULAR No. 5. Evaluation of Soil and Rock Properties” (FHWA-IF-02-034).
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Publicaciones recomendadas sobre ensayos in situ
Método de ensayo
Designación
AASHTO / ASTM
SPT
(Ensayo de penetración estándar)
AASHTO T206
ASTM D1586
CPT, CPTu, SCPTu
(Ensayo de penetración cónica, piezo
– cono y sismo – piezo – cono)
DMT
(Dilatómetro plano)
U.S. Department of Transportation, Federal Highway Administration (1997) Subsurface Investigations,
Training Course in Geotechnical and Foundation Engineering, FHWA HI-97-021.
U.S. Department of Transportation, Federal Highway Administration (1988) Guidelines for Using the CPT,
CPTu and Marchetti DMT for Geotechnical Design, FHWA-SA-87-023-024.
ASTM D3441, D5778
Lunne, T., Robertson, P.K. and Powell, J. J. M. (1997) Cone Penetration Testing in Geotechnical Practice, E&F
Spon, 312 pp.
Método ASTM
sugerido
Schmertmann, 1986
PMT
(Presurómetro)
Referencia
ASTM D4719
U.S. Department of Transportation, Federal Highway Administration (1992) The Flat Dilatometer Test,
FHWA-SA-91-044.
Marchetti, S. and Crapps, D. K. (1981) Flat Dilatometer Manual, Internal Report of GPE, Inc. (Gainesville,
FL), disponible en www.gpe.org
U.S. Department of Transportation, Federal Highway Administration (1989) The Pressuremeter Test for
Highway Applications, FHWA-IP-89-008.
Clarke, B. G. (1995) Pressuremeters in Geotechnical Design, Blackie Academic & Professional, 364 pp.
VST
(Veleta de corte)
ASTM D2573
American Society of Testing and Materials (1988) Vane Shear Strength Testing in Soils: Field and Laboratory
Studies, ASTM STP 1014, 378 pp.
Luis Ricardo Vásquez Varela
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Table 1. Perceived applicability of in-situ tests (updated from Mitchell et al., 1978 and Lunne et al., 1997)
Applicability: A = High, B = moderate, C = low, - = none
Geotechnical parameter
Group
Penetrometer
/
Direct push
In-situ test
Soil
type
Profile
𝐮𝟎
OCR
𝐃𝐑−𝛙
𝛗′
𝐒𝐮
𝐆𝟎 − 𝐄
𝛔−𝛆
𝐌 − 𝐂𝐜
𝐤
𝐜𝐯
Dy. Probing (DP)
C
B
-
C
C
C
C
C
-
-
-
-
SPT
B
B
-
C
B
C
C
C
-
-
-
-
CPT
B
A
-
B
B
B
B
B
C
C
C
-
CPTu
A
A
A
B
A
B
A
B
C
B
A
A
SCPTu
A
A
A
A
A
B
A
A
B
B
A
A
DMT
B
B
B
B
C
B
B
B
C
B
C
B
SDMT
B
B
B
A
B
B
B
A
B
B
C
B
Full-flow (T/ball)
C
B
B
B
C
C
A
C
C
C
C
C
Field vane (FVT)
B
C
-
B
-
-
A
-
-
-
-
-
Geotechnical Parameters: 𝑢𝑜 = in-situ static pore pressure, OCR = over-consolidation ratio, 𝐷𝑅−𝜓 = relative density and / or state parameter, 𝜙 ′ = peak friction angle (depends on
soil type), 𝑆𝑢 = undrained shear strength (peak and / or remolded), 𝐺0 − 𝐸 = small strain shear and / or Young’s modulus, 𝜎 − 𝜀 = stress-strain relationship, 𝑀 − 𝐶𝑐 = constrained
modulus and / or compression index, 𝑘 = permeability, 𝑐𝑣 = coefficient of consolidation.
Luis R. Vásquez-Varela
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Table 1. Perceived applicability of in-situ tests (updated from Mitchell et al., 1978 and Lunne et al., 1997)
Applicability: A = High, B = moderate, C = low, - = none
Geotechnical parameter
Group
Pressuremeter
Other
In-situ test
Soil
type
Profile
𝐮𝟎
OCR
𝐃𝐑−𝛙
𝛗′
𝐒𝐮
𝐆𝟎 − 𝐄
𝛔−𝛆
𝐌 − 𝐂𝐜
𝐤
𝐜𝐯
Pre-bored
B
B
-
C
C
C
B
B
C
C
-
C
Self-bored
B
B
A1
B
B
B
B
A
A
B
B
A1
Full-displacement
B
B
B
C
C
C
B
A
A
B
B
A
Screw/plate load
C
-
-
C
C
C
B
B
B
B
C
C
Borehole shear
C
-
-
-
-
B
C
-
-
-
-
-
Permeameter
C
-
A
-
-
-
-
-
-
-
A
B
Borehole seismic
C
C
-
C
C
-
-
A
C
-
-
-
Surface seismic
-
C
-
C
C
-
-
A
C
-
-
-
Hydraulic fracture
-
-
B
-
-
-
-
-
-
-
C
C
Geotechnical Parameters: 𝑢𝑜 = in-situ static pore pressure, OCR = over-consolidation ratio, 𝐷𝑅−𝜓 = relative density and / or state parameter, 𝜙 ′ = peak friction angle (depends on
soil type), 𝑆𝑢 = undrained shear strength (peak and / or remolded), 𝐺0 − 𝐸 = small strain shear and / or Young’s modulus, 𝜎 − 𝜀 = stress-strain relationship, 𝑀 − 𝐶𝑐 = constrained
modulus and / or compression index, 𝑘 = permeability, 𝑐𝑣 = coefficient of consolidation.
A1 = Only when pore pressure sensor fitted.
Luis R. Vásquez-Varela
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Table 1. Perceived applicability of in-situ tests (updated from Mitchell et al., 1978 and Lunne et al., 1997)
Applicability: A = High, B = moderate, C = low, - = none
Group
Penetrometer
/
Direct push
In-situ test
Ground type
Hard rock
Soft rock
Gravel
Sand
Silt / clay
Peat / organic
Dy. Probing (DP)
-
C
B
A
B
B
SPT
-
C
B
A
B
B
CPT
-
B
B
A
A
A
CPTu
-
B
B
A
A
A
SCPTu
-
B
B
A
A
A
DMT
-
C
C
A
A
A
SDMT
-
C
C
A
A
A
Full-flow (T/ball)
-
-
-
C
B
A
Field vane (FVT)
-
-
-
-
A
B
Luis R. Vásquez-Varela
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Table 1. Perceived applicability of in-situ tests (updated from Mitchell et al., 1978 and Lunne et al., 1997)
Applicability: A = High, B = moderate, C = low, - = none
Group
Pressuremeter
Other
In-situ test
Ground type
Hard rock
Soft rock
Gravel
Sand
Silt / clay
Peat / organic
Pre-bored
A
A
B
B
B
B
Self-bored
-
C
-
B
A
B
Full-displacement
-
C
-
B
A
A
Screw/plate load
C
A
B
B
B
B
Borehole shear
C
B
C
C
C
-
Permeameter
A
A
A
A
A
B
Borehole seismic
A
A
A
A
A
B
Surface seismic
A
A
A
A
A
A
Hydraulic fracture
B
B
-
-
B
C
Luis R. Vásquez-Varela
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Métodos de perforación
Método
Perforación con barreno
sólido
“Solid Stem Auger”
(ASTM D1452)
Perforación con barreno
hueco
“Hollow Stem Auger”
(ASTM D6151)
Procedimiento
Perforación seca excavada con
barreno manual o mecánico.
Se obtienen muestras de la
placa del barreno.
La perforación se excava con
barreno hueco.
Se muestrea el suelo por debajo
del barreno al igual que en el
caso anterior.
Aplicaciones
En suelos y rocas blandas.
Permite identificar las unidades
geológicas y la humedad por
encima del nivel freático.
Se emplea en suelos que
requieren revestimiento para
conservar la perforación abierta
para el muestreo.
Limitaciones / Observaciones
Se destruye la estratificación del suelo y
la roca.
La muestra se mezcla con agua por
debajo del nivel freático.
Muestra limitada por presencia de
gravas .
Es difícil mantener el balance
hidrostático en la perforación por
debajo del nivel freático.
Luis Ricardo Vásquez Varela
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Métodos de perforación
Método
Procedimiento
Aplicaciones
Corte y lavado del suelo por
inyección.
Perforación con
lavado
El material cortado se remueve
mediante el fluido circulante
que se descarga en una tina de
sedimentación.
Materiales “cohesivos” blandos a
rígidos y suelos granulares finos a
gruesos.
Limitaciones / Observaciones
El material grueso tiende a asentarse
en el fondo de la perforación.
No debe emplearse en perforaciones
por encima del nivel freático si se
desea obtener muestras inalteradas.
Luis Ricardo Vásquez Varela
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Métodos de perforación
Método
Ensayo de penetración con
el martillo de Becker (BPT)
Perforación con barrena de
cubo
Procedimiento
Aplicaciones
La perforación se excava empleando un martillo
diésel de doble acción para hincar un encamisado
de 168 mm y pared doble en el terreno.
La perforación se excava mediante la rotación y
avance de un cubo cilíndrico con dientes de corte
y diámetro entre 600 y 1,200 mm.
Al finalizar cada avance, se retira el cubo de la
perforación y se descarga el suelo en la superficie.
Se emplea en suelos con gravas y
guijarros.
El encamisado se hinca con la punta
abierta si se desea muestrear el
material.
La mayoría de los suelos sobre el
nivel freático.
Puede perforar suelos más duros
que las técnicas anteriores y puede
penetrar en suelos con guijarros y
bloques si se dispone de un barreno
para roca.
Luis Ricardo Vásquez Varela
Limitaciones / Observaciones
No es fácil determinar la fricción lateral del
encamisado.
No hay garantías sobre la repetibilidad del ensayo.
No es aplicable en arenas sueltas.
Se emplea para obtener grandes volúmenes de
muestras alteradas y donde es necesario ingresar a
la perforación para hacer observaciones.
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DeJong, J. T. and Boulanger, R.W. (2000) "Introduction to Drilling and Sampling in Geotechnical Practice", Educational Video, 2nd Edition, Department of
Civil and Environmental Engineering, University of California, Davis, 35 min.
Luis Ricardo Vásquez Varela
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Equipos de perforación mecanizada y
provistos de los accesorios adecuados
para realizar pruebas in situ
Luis Ricardo Vásquez Varela
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Métodos de obtención de núcleos de roca
Método
Procedimiento
El tubo exterior con punta de diamante (o
carburo de tungsteno) rota y corta un
agujero anular en la roca.
Extracción de núcleos
de roca por rotación
(ASTM D2113,
AASHTO T225)
El núcleo es protegido por el tubo interno
estático.
Los detritos se bombean a la superficie en el
fluido de perforación
Extracción de núcleos
de roca por rotación y
cable
Igual que en la ASTM D2113, pero el núcleo y
el tubo interno estático se retiran del tambor
exterior mediante un dispositivo de
elevación suspendido de un cable delgado
(wire line) a través de barras de perforación
de mayor diámetro.
Tipo de muestra
Cilindro de roca de 22 a 100 mm de diámetro
y hasta 3 metros de largo según la calidad de
la roca.
El diámetro estándar para núcleos es de 54
mm.
Aplicaciones
Pérdida de núcleos en roca fracturada o
variable.
Obtener núcleos continuos en roca sana (el
porcentaje de recuperación depende de las
fracturas, la variabilidad de la roca, los
equipos y la pericia del perforador).
Para mejor recuperación en roca fracturada
pues tiene menor tendencia a desmoronarse
durante la remoción.
Cilindro de roca de 28 a 85 milímetros de
diámetro y de 1.5 a 3.0 metros de largo.
Limitaciones / Observaciones
Para lograr un ciclo más rápido de
recuperación de núcleo y reinicio de la
perforación en excavaciones muy profundas.
La obstrucción impide la perforación en roca
severamente fracturada.
Son evidentes los buzamientos de juntas y
planos de estratificación, pero no se pueden
determinar sus rumbos.
Pérdida de núcleos en roca fracturada o
variable.
La obstrucción impide la perforación en roca
severamente fracturada.
Son evidentes los buzamientos de juntas y
planos de estratificación, pero no se pueden
determinar sus rumbos.
Similar a la extracción por rotación de rocas.
Extracción de núcleos
por rotación de
arcillas expansivas o
rocas blandas.
El núcleo de material expansivo es retenido
por un tercer revestimiento interno de
plástico.
Cilindro de suelo de 28.5 a 53.2 mm de
diámetro y 600 a 1,500 mm de longitud,
encapsulado en el tuno plástico.
En suelos y rocas blandas que se expanden o
se desintegran rápidamente en el aire
(protegidas por el tubo plástico).
Luis Ricardo Vásquez Varela
Muestreador más pequeño.
Equipo más complejo que otras técnicas de
muestreo de suelos.
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Cajas para el almacenamiento progresivo e identificación de las muestras.
¡SIN MUESTRAS O ENSAYOS IN SITU NO HAY ANÁLISIS POSIBLE!
Luis Ricardo Vásquez Varela
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Muestreadores para especímenes alterados de suelo
Muestreador
Tambor o
cuchara partida
Dimensiones típicas
El estándar tiene un
diámetro exterior de
50 mm y un
diámetro interior de
35 mm.
El diámetro varía
entre 76 y 406 mm.
Barreno
helicoidal
continuo
Suelos que dan los mejores
resultados
Método de penetración
Causa de baja
recuperación
El muestreador se puede hincar
en cualquier suelo con partículas
más finas que la grava.
Las gravas invalidan los datos.
Hinca de un martillo de
64 kilogramos (140 libras)
Las gravas pueden
obstruir el muestreador
Observaciones
El SPT se realiza con el muestreador y
martillo estándar descritos.
Las muestras son muy alteradas.
Se requiere un retenedor de
suelo en materiales granulares.
Método para determinar el perfil del
suelo. Se pueden obtener muestras en
bolsa.
La mayoría de los suelos por
encima del nivel freático.
Se puede penetrar a
Rotación
profundidades
No penetra en suelos duros o en
superiores a 15
aquellos con guijarros o bloques.
metros.
“GEOTECHNICAL ENGINEERING CIRCULAR No. 5. Evaluation of Soil and Rock Properties” (FHWA-IF-02-034).
Luis Ricardo Vásquez Varela
Suelos duros, guijarros
y bloques
El registro y profundidad de las muestras
debe considerar el retraso entre la
penetración de la punta y la llegada de la
muestra a la superficie para minimizar el
error en la profundidad estimada.
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Recuperación de muestra alterada de las palas de un barreno manual.
Las perforaciones manuales tienen limitaciones de calidad de las muestras recuperadas.
Recuperación de muestra de barreno mecanizado.
Exploración geotécnica. Deslizamiento El Arenillo, Manizales (2007).
Luis Ricardo Vásquez Varela
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Muestreadores para especímenes nominalmente inalterados
de suelo
Muestreador
Dimensiones típicas
Diámetro exterior de 76
mm y diámetro interior de
73 mm.
Tubo Shelby
(ASTM D1587,
AASHTO T207)
Disponibles entre 50 y 127
mm de diámetro exterior.
La longitud estándar del
muestreador es de 760 mm.
Diámetro exterior típico de
76 mm.
Pistón estático
Disponibles entre 50 y 127
mm de diámetro exterior.
La longitud estándar del
muestreador es de 760 mm.
Suelos que dan los
mejores resultados
Suelos cohesivos de
grano fino o suelos
blandos.
Suelos gravosos o
muy rígidos deforman
el tubo
Arcillas de
consistencia blanda a
media y limos finos.
Método de penetración
Se presiona con una fuerza
relativamente rápida y
uniforme.
Se podría hincar con golpes
cuidadosos, pero esto
causará una distorsión
adicional.
Causa de baja recuperación o alteración
Aplicación de presión errática durante el
muestreo o golpeteo (martillo).
Partículas de grava.
Deformación del borde del tubo.
Suelo inadecuado para el muestreador.
Hinca del tubo en más de un 80% de su
longitud.
Aplicación de presión errática durante el
muestreo.
Se presiona con una fuerza
continua y constante.
No es adecuado para
suelos arenosos.
Movimiento de la barra del pistón
durante la presión.
Observaciones
Es el dispositivo más simple para muestras
inalteradas.
La perforación DEBE ESTAR LIMPIA antes de
bajar el muestreador.
El muestreador tiene poca área de desperdicio.
No es apropiado para suelos duros, densos o
gravosos.
El pistón en el fondo del muestreador impide
la entrada de fluidos y materiales
contaminantes pero requiere una plataforma
pesada con equipo cabeza de perforación
hidráulica.
Las muestras suelen ser menos alteradas que
las de tubo Shelby.
Suelo inadecuado para el muestreador.
No es apropiado para suelos duros, densos o
gravosos.
“GEOTECHNICAL ENGINEERING CIRCULAR No. 5. Evaluation of Soil and Rock Properties” (FHWA-IF-02-034).
Luis Ricardo Vásquez Varela
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Muestreador
Dimensiones típicas
Suelos que dan los
mejores resultados
Método de penetración
Causa de baja recuperación o alteración
Observaciones
Requiere de barras de perforación estándar.
Diámetro exterior típico de
76 mm.
Pistón
hidráulico
(Osterberg).
Disponibles entre 50 y 101
mm de diámetro exterior.
Limos y arcillas,
algunos suelos
arenosos.
Presión hidráulica o
neumática.
La longitud estándar del
muestreador es de 910 mm.
Sujeción inadecuada de las barras de
perforación.
Aplicación de presión errática.
Requiere una adecuada capacidad hidráulica o
neumática para activar el muestreador.
Las muestras suelen ser menos alteradas que
las de tubo Shelby.
No es apropiado para suelos duros, densos o
gravosos.
“GEOTECHNICAL ENGINEERING CIRCULAR No. 5. Evaluation of Soil and Rock Properties” (FHWA-IF-02-034).
Luis Ricardo Vásquez Varela
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Relación de área para tubos de muestreo y medida de la alteración de la muestra (M. Juul Hvorslev, 1949).
𝐴𝑟 =
𝐷𝑒
2
− 𝐷𝑖
𝐷𝑖 2
Alteración en tubo de 50 mm
Arcilla
Arena
2
× 100%
Muestreador
Diámetro
exterior
(De)
Diámetro
interior
(Di)
Relación
de área
(Ar)
Tipo de
muestra
Barril o cuchara partida
50 mm
35 mm
104 %
Alterada
Tubo Shelby 2” (calibre 16)
53.7 mm
50.8 mm
11.7%
Alterada
Tubo Shelby 2” (calibre 18)
53.1 mm
50.8 mm
8.5%
Inalterada
Tubo Shelby 3” (calibre 16)
76 mm
73 mm
8.4%
Inalterada
http://enriquemontalar.com/hvorslev-estructura-del-suelotipo-de-tomamuestras/
La relación de área para considerar una muestra inalterada debe ser menor o igual a 10%.
El tubo Shelby de 50.8 mm de diámetro interno cumple con acero de calibre 18 (0.0451 pulgadas de espesor: 1.1455 mm).
Luis Ricardo Vásquez Varela
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Cabezal del
muestreador
Tubo
muestreador
Muestreador de tambor o cuchara partida
Barra transmisora
de fuerza
Pistón
Tubo Shelby de pared delgada para muestreo (con tapas)
“GEOTECHNICAL ENGINEERING CIRCULAR No. 5. Evaluation of Soil and Rock Properties” (FHWA-IF-02-034).
Luis Ricardo Vásquez Varela
Punta de corte
Muestreador de pistón estático.
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Aunque de un muestreador estándar se obtenga un cilindro
de suelo, esta no es una muestra inalterada.
Luis Ricardo Vásquez Varela
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Cortadores de núcleos de roca de tubo sencillo y de tubo
doble
Cabezal del tubo toma núcleos
Cabezal del tubo toma núcleos
Eleva núcleos
Tubo toma núcleos
Tubo externo
Punta de corte
Coraza mecanizada
Tubo interno
Coraza
mecanizada
Eleva núcleos
Punta de corte
“GEOTECHNICAL ENGINEERING CIRCULAR No. 5. Evaluation of Soil and Rock Properties” (FHWA-IF-02-034).
Luis Ricardo Vásquez Varela
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Ensayos de campo en depósitos de suelos
Ensayo de penetración estándar (SPT) y problemas comunes en su realización
“GEOTECHNICAL ENGINEERING CIRCULAR No. 5. Evaluation of Soil and Rock Properties” (FHWA-IF-02-034).
Causa
Limpieza inadecuada de la perforación
Efectos
El SPT no se hace sobre el suelo original in situ y, por lo tanto, el suelo puede quedar
atrapado en el muestreador y comprimirse con la hinca del mismo reduciendo la
recuperación
Influencia en el valor de N
Aumenta
Incapacidad para mantener un nivel de agua adecuado en la
perforación (ver esquema)
El fondo de la perforación puede entrar en condición “rápida”.
Medida imprecisa de la altura de caída
La energía del martillo varía, generalmente por el lado bajo.
Peso impreciso del martillo
La energía del martillo varía (variaciones comunes de 5% a 7%)
El martillo golpea excéntricamente el yunque de las varillas
Se reduce la energía del martillo
Restricción a la caída libre del martillo por falta de lubricación,
cuerda nueva (rígida), más de dos vueltas al malacate o liberación
parcial en cada caída.
Se reduce la energía del martillo
Muestreador hincado por encima del fondo del revestimiento de
la perforación (ver esquema)
El muestreador se hinca en suelo alterado y artificialmente densificado
Aumenta de forma
importante
Conteo impreciso de golpes
Resultados imprecisos
Aumenta o reduce
Uso de muestreador no estandarizado
Se invalidan las correlaciones con el muestreador estándar
Aumenta o reduce
Grava gruesa o guijarros en el suelo
El muestreador se obstruye o se bloquea
Aumenta
Uso de varillas de perforación dobladas
Se inhibe la transferencia de energía al muestreador
Aumenta
Disminuye
Aumenta
Aumenta o reduce
Aumenta
Aumenta
Luis Ricardo Vásquez Varela
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Incapacidad para mantener un nivel de agua
adecuado en la perforación (ver esquema)
Muestreador hincado por encima del fondo del
revestimiento de la perforación (ver esquema)
Encamisado o revestimiento
Encamisado o revestimiento
NAF
Suelo debilitado por el
flujo ascendente.
Suelo alterado por densificación al
hincar el revestimiento.
Reducción del N.
Incremento importante del N.
Flujo hacia la perforación
Luis Ricardo Vásquez Varela
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Luis Ricardo Vásquez Varela
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Exploración geotécnica. Deslizamiento El Arenillo, Manizales (2007).
Luis Ricardo Vásquez Varela
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Eficiencia del sistema en el ensayo de penetración
estándar:
•
Relación de energía: Energía cinética / Energía
potencial.
1
𝐸. 𝐶. 2 𝑚𝑣²
𝑅. 𝐸. =
=
𝐸. 𝑃.
𝑚𝑔ℎ
•
•
Las correlaciones del número de golpes medidos
con el SPT y las propiedades del suelo se han
formulado para una eficiencia del 60%.
Factores de corrección del valor N (Skempton, 1986).
Factor
Variable del equipo
Término
Corrección
CE = RE / 60
0.5 a 1.0 (1)
0.7 a 1.2 (1)
0.8 a 1.5 (1)
Relación de energía (CE)
Martillo tipo rosquilla
Martillo de seguridad
Martillo automático
Diámetro de la perforación (CB)
65 a 115 mm
150 mm
200 mm
CB
1.00
1.05
1.15
Método de muestreo (CS)
Muestreador estándar
Muestreador no estándar
CS
1.0
1.1 a 1.3
Longitud de las varillas (CR)
3 a 4 metros
4 a 6 metros
6 a 10 metros
10 a más de 30 metros
CR
0.75
0.85
0.95
1.00
Así, el valor corregido de una prueba de SPT es:
(1) Los valores presentados son una guía. Los valores de RE deben medirse según la ASTM D4633.
𝑁60 = 𝑁𝑐𝑎𝑚𝑝𝑜 × 𝐶𝐸 × 𝐶𝐵 × 𝐶𝑆 × 𝐶𝑅
“GEOTECHNICAL ENGINEERING CIRCULAR No. 5. Evaluation of Soil and Rock Properties” (FHWA-IF-02-034).
Luis Ricardo Vásquez Varela
46 / 76
Como el valor N de materiales similares se incrementa con
el esfuerzo efectivo de sobrecarga, se debe corregir el valor
N60 para un esfuerzo normalizado de 1 atmósfera (100 kPa
aproximadamente).
𝑁1
60
= 𝐶𝑁 × 𝑁60
𝑃𝑎𝑡𝑚𝑜𝑠𝑓é𝑟𝑖𝑐𝑎
=
𝜎′𝑣𝑜
Autor
Liao & Whitman (1986)
𝑛
CN
𝐶𝑁 =
× 𝑁60
Skempton (1986)
La presión de sobrecarga (σ’vo) debe estar en las mismas
unidades de la presión atmosférica.
Seed et al. (1975)
El exponente n es:
Peck et al (1974)
σ‘1 = 1 ton U.S. / pie²
Para σ’v ≥ 0.25 ton U.S./pie²
– 1.0 en arcillas (¿SPT en arcillas?).
𝐶𝑁 =
2
1
𝜎𝑣′
1
1 + 𝜎𝑣′
𝐶𝑁 = 1 − 1.25 ∙ log
𝐶𝑁 = 0.77 ∙ log
𝜎𝑣′
𝜎1′
20
𝜎𝑣′
En estas relaciones la presión efectiva geoestática (σ’v) se expresa en
tonelada U.S. / pie² (1 tonelada U.S. = 2,000 lbf).
– 0.5 a 0.6 en arenas.
1 ton U.S. / pie² = 95.76 kPa.
CN varía de acuerdo con las correlaciones propuestas por
otros autores.
Luis Ricardo Vásquez Varela
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0
σ’vo
𝑁60 = 𝑁𝑐𝑎𝑚𝑝𝑜 × 𝐶𝐸 × 𝐶𝐵 × 𝐶𝑆 × 𝐶𝑅
𝑁1
Ncampo
60
100 𝑘𝑃𝑎
=
𝜎′𝑣𝑜
𝑛
× 𝑁60
NAF
Depósito homogéneo:
φ, c, E => aproximadamente
constantes en diferentes muestras
Ncampo
Ncampo
z
u0
Luis Ricardo Vásquez Varela
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Ensayo de Penetración de Cono (CPT / CPTu / SCPTu)
Método
Penetrómetro
de cono
eléctrico (CPT)
Procedimiento
Se hinca verticalmente en el suelo una sonda
cilíndrica, empleando equipo hidráulico, y se mide la
resistencia en la punta cónica y a lo largo del
manguito de acero.
Tipos de
suelos
aplicables
Limos, arenas,
arcillas y
turba
Las medidas se toman en intervalos de 2 a 5 cm.
Propiedades del suelo
Estimación del tipo de
suelo y estratigrafía
detallada.
Arena: φ’, Dr, σ’ho.
Arcilla: Su, σ’p.
Igual que el CPT.
Igual que el CPT.
Penetrómetro
de piezocono
(CPTu)
Adicionalmente, se miden las presiones del agua de
los poros debidas a la penetración mediante un
transductor y un elemento poroso.
Limos, arenas,
arcillas y
turba.
Adicionalmente:
Arena:
u0, NAF.
Arcilla:
σ’p, ch, kh, RSC
Igual que el CPT.
CPTu sísmico
(SCPTu)
Adicionalmente, mediante un geófono se registran
ondas de corte generadas en la superficie en
intervalos de 100 cm a lo largo del perfil para calcular
velocidad de onda de corte.
Igual que el CPTu.
Limos, arenas,
arcillas y
turba.
Adicionalmente:
Vs, Gmáx, Emáx, ρtot,
e0.
Limitaciones / Observaciones
No se obtiene muestra del suelo.
La sonda puede dañarse si se intenta penetrar suelos gravosos.
Los resultados del ensayo no son buenos para estimar características de
deformación.
Si el elemento poroso no está completamente saturado se obtienen
resultados erróneos de presión del agua de los poros.
La compresión y el desgaste de un elemento poroso en la punta (u1)
afectará las lecturas.
Los resultados del ensayo no son buenos para estimar características de
deformación.
Para el cálculo de la velocidad de onda de corte se debe emplear el
tiempo de la primera llegada.
Si se emplea el tiempo del primer cruce, el error en la estimación de la
velocidad de onda de corte se incrementará con la profundidad.
“GEOTECHNICAL ENGINEERING CIRCULAR No. 5. Evaluation of Soil and Rock Properties” (FHWA-IF-02-034).
Luis Ricardo Vásquez Varela
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Penetrómetros de cono y piezocono.
Forma de medida de los penetrómetros de cono: (a) Penetrómetro de cono eléctrico (CPT),
(b) Penetrómetro de piezocono con el filtro detrás de la punta (CPTu2), (c) Penetrómetro de
piezocono con filtro en la punta (CPTu1), y (d) Piezocono sísmico (SCPTu2).
Camión para la prueba de penetración cónica.
“GEOTECHNICAL ENGINEERING CIRCULAR No. 5. Evaluation of Soil and Rock Properties” (FHWA-IF-02-034).
Luis Ricardo Vásquez Varela
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Ensayo del dilatómetro plano (DMT)
Método
Procedimiento
Tipos de suelos
aplicables
Se hinca una placa plana en el suelo a la
profundidad deseada, en intervalos de 20 a 30 cm.
Dilatómetro
plano
(DMT)
Se registra la presión necesaria para expandir una
membrana metálica delgada en la cara de la placa.
Limos, arenas,
arcillas y turbas.
Se hacen dos o tres mediciones en cada
profundidad.
Propiedades del suelo
Limitaciones / Observaciones
Estimación del tipo de
suelo y la estratigrafía.
Las membranas se pueden deformar o inflar en exceso.
Peso unitario total.
Las membranas deformadas no dan lecturas precisas.
Arena:
Si hay fugas en las tuberías o las conexiones se tendrán
lecturas mayores que lo real.
φ’, E, Dr, mv.
Arcilla:
σ’p, K0, su, mv, E, ch,
kh.
Es un buen ensayo para estimar características de
deformación a deformaciones pequeñas.
“GEOTECHNICAL ENGINEERING CIRCULAR No. 5. Evaluation of Soil and Rock Properties” (FHWA-IF-02-034).
Luis Ricardo Vásquez Varela
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Dial de
lectura
baja
Dial de
lectura
alta
Pala del dilatómetro
Equipo para el ensayo del dilatómetro plano.
http://www.marchetti-dmt.it/pagespictures/blade&case.htm
Luis Ricardo Vásquez Varela
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Ensayo de presurómetro (PMT)
Método
Presurómetro en
perforación preexcavada (PMT)
Presurómetro de
desplazamiento
total (PMT)
Procedimiento
Se hace una perforación y se prepara
cuidadosamente el fondo de la misma para la
inserción del equipo.
Se registra la presión necesaria para expandir la
membrana cilíndrica hasta cierto volumen o
deformación radial.
Tipos de suelos
aplicables
Propiedades del
suelo
Arcillas, limos y turba.
Se obtiene una
respuesta marginal en
algunas arenas y gravas.
La preparación adecuada de la perforación es el paso
más importante para obtener buenos resultados.
E, G, mv, su.
Se hinca hidráulicamente en el suelo una sonda
cilíndrica con punta cónica y se detiene en
intervalos seleccionados para el ensayo.
Se registra la presión necesaria para expandir la
membrana cilíndrica hasta cierto volumen o
deformación radial.
Arcillas, limos y turba en
arenas.
Limitaciones / Observaciones
E, G, mv, su.
Es un buen ensayo para el cálculo de las características
de deformación lateral.
La alteración durante el avance de la sonda causa un
módulo inicial más rígido y enmascara la presión de
elevación inicial (p0).
Es un buen ensayo para el cálculo de las características
de deformación lateral.
“GEOTECHNICAL ENGINEERING CIRCULAR No. 5. Evaluation of Soil and Rock Properties” (FHWA-IF-02-034).
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Cable de señal
Acople a varilla AW
Manguera de presión
Coraza exterior de metal
Escudo exterior de
metal (corte de
sección)
Circuito amplificador
Membrana
Sensor de
desplazamiento
(3 sensores a 120°)
Sensor de presión
Equipo para el ensayo de presurómetro en perforación pre-excavada.
http://www.insituengineering.com/images/pmt_device.jpg
“GEOTECHNICAL ENGINEERING CIRCULAR No. 5. Evaluation of Soil and Rock Properties” (FHWA-IF-02-034).
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Presión
Prueba de
flujo
plástico
Ciclo de carga - descarga
Seudoelástico
La presión pL
corresponde a:
ΔV = V0
o cuando
Plástico
V = 2V0
Volumen
Curvas típicas y presiones características del presurómetro de Menard en perforación pre-excavada.
“GEOTECHNICAL ENGINEERING CIRCULAR No. 5. Evaluation of Soil and Rock Properties” (FHWA-IF-02-034).
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Ensayo de veleta de corte (VST)
Método
Procedimiento
Tipos de suelos aplicables
Propiedades del
suelo
Limitaciones / Observaciones
Se puede presentar alteración en arcillas blandas y
sensitivas, lo cual reduce la resistencia medida.
Ensayo de
veleta de corte
(VST)
Se rota lentamente una veleta de cuatro palas
mientras se mide el torque aplicado con el fin de
calcular la resistencia pico al corte sin drenaje.
Se rota la veleta rápidamente durante 10 giros y
se registra el torque requerido para fallar el
suelo con el fin de calcular la resistencia al corte
sin drenaje del material remoldeado.
Arcillas, algunos limos y
turbas si se pueden asumir
condiciones sin drenaje.
No se debe emplear en
suelos granulares.
Se pude presentar drenaje parcial en arcillas fisuradas y
materiales limosos, lo cual lleva a errores en la resistencia
calculada.
σ’p, su y St.
Se debe tener en cuenta la fricción de la barra en el
cálculo de la resistencia.
El diámetro de la veleta y la capacidad de la llave de
torque deben seleccionarse apropiadamente para una
medida adecuada en varios depósitos de arcilla.
“GEOTECHNICAL ENGINEERING CIRCULAR No. 5. Evaluation of Soil and Rock Properties” (FHWA-IF-02-034).
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Geometría
de las palas
de la veleta
(a) Veleta rectangular, (b) Parámetros empleados en la definición de las
dimensiones de la veleta.
“GEOTECHNICAL ENGINEERING CIRCULAR No. 5. Evaluation of Soil and Rock Properties” (FHWA-IF-02-034).
Exploración geotécnica. Deslizamiento El Arenillo, Manizales (2007).
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Evaluación in situ de macizos rocosos
Método
Dilatómetro
en perforación
Gato en
perforación
Procedimiento
Propiedades de la roca
El dilatómetro se ubica en la profundidad de prueba y la membrana
flexible se expande aplicando una presión uniforme en las paredes de
la excavación.
El gato aplica una presión unidireccional a las paredes de la perforación
mediante dos placas curvas y opuestas.
Limitaciones / Observaciones
Se debe asumir la relación de Poisson de la roca.
Módulo del macizo
rocoso fracturado
Módulo del macizo
rocoso fracturado.
El ensayo solo afecta un área pequeña del macizo rocoso, pero
se pueden hacer varias pruebas a diferentes profundidades.
El módulo medido se debe corregir para tener en cuenta la
rigidez de las placas de acero.
El ensayo se puede emplear para estimar la anisotropía.
Ensayo de
placa cargada
Ensayo de
corte directo
in situ
Se aplica la carga a una placa de acero o a una cimentación de concreto
empleando un sistema de gatos hidráulicos y un marco de reacción
anclado a la fundación rocosa.
El ensayo suele realizarse en un socavón, en el cual la reacción a la
carga de cortante se logra en las paredes del mismo.
La carga normal se aplica mediante un sistema de gatos que emplea el
techo del socavón como punto de apoyo.
Módulo del macizo
rocoso fracturado.
Resistencias al corte pico
y residual de las
discontinuidades o del
relleno de las mismas.
El área cargada es pequeña, de forma que el ensayo no es
efectivo en la evaluación del macizo rocoso si las
discontinuidades están muy espaciadas entre sí.
Los valores del módulo se deben corregir por la geometría de la
placa, el efecto de la rotura de la roca, la anisotropía de la roca y
el módulo de la placa de acero.
Se requiere aislar un bloque de roca por encima de la superficie
de la discontinuidad sin alterar su material de relleno.
“GEOTECHNICAL ENGINEERING CIRCULAR No. 5. Evaluation of Soil and Rock Properties” (FHWA-IF-02-034).
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Calibración
Presión aplicada Pi (MPa)
Leyenda:
Ensayo
n asentamiento
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
Anclaje en roca.
Concreto.
Viga de acero de ala ancha.
Madera dura.
Placas de acero.
Gato de 30 toneladas.
Dial de medida.
Rodillos de acero.
Apoyo de concreto reforzado.
Placa de apoyo.
Espuma de poliestireno.
Gato de 50 toneladas.
Esfera de acero.
Piso del
socavón
Bloque de prueba:
0.63 x 0.63 x 0.30 m
Dilatación (número de vueltas de la bomba, n)
ESCALA
Gráficas típicas de presión – dilatación para un
dilatómetro en perforación (ISRM, 1987).
Configuración típica para un ensayo de corte directo in situ en un socavón (Saint
Simon et al., 1979).
“GEOTECHNICAL ENGINEERING CIRCULAR No. 5. Evaluation of Soil and Rock Properties” (FHWA-IF-02-034).
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Ensayos geofísicos
Método
Procedimientos básicos de campo
“GEOTECHNICAL ENGINEERING CIRCULAR No. 5. Evaluation of Soil and Rock Properties” (FHWA-IF-02-034).
Aplicaciones
Limitaciones
Métodos sísmicos:
Refracción sísmica
Se aplica una carga por impacto en la superficie del
terreno. La energía sísmica se refracta en las interfases
del suelo / roca y se registra en la superficie mediante
varias docenas de geófonos ubicados a lo largo de una
línea, o con un solo geófono para múltiples eventos.
• Profundidad del lecho rocoso.
• Profundidad del nivel freático.
• Espesor y rigidez relativa de las capas de suelo / roca.
• Profundidad del lecho rocoso.
Análisis espectral de
ondas superficiales
(SASW)
Se aplica una carga por impacto en la superficie del
terreno. Las ondas superficiales se propagan a lo largo
de la superficie y se registran con dos geófonos
ubicados a lo largo de una línea.
• No funciona si la rigidez se reduce con la
profundidad o si la capa blanda subyace a la
capa rígida.
• Funciona bien cuando existe una discontinuidad
marcada en la rigidez.
• La resolución se reduce significativamente con
la profundidad.
• Medida de la velocidad de onda de corte.
• Espesor y rigidez de capas superficiales de
pavimento.
• Indicador cualitativo del agrietamiento en
pavimentos.
• Se requiere mucha pericia para una adecuada
interpretación.
• La interpretación es difícil si una capa rígida
yace sobre una capa blanda cuyas propiedades
son de interés.
Métodos eléctricos:
• Profundidad del nivel freático.
• Contaminación inorgánica del agua subterránea.
Resistividad a la
corriente directa
Se aplica una corriente directa al terreno mediante
electrodos. Se miden los voltajes en diferentes puntos
de la superficie del terreno con otros electrodos
ubicados a lo largo de una línea.
• Salinidad del agua subterránea.
• Lenta. Se deben instalar los electrodos
directamente en el terreno.
• La resolución se reduce significativamente con
la profundidad.
• Espesor de las capas de suelo.
• Delineación de ciertas características verticales
(sifones, trincheras de desechos).
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• La resolución es difícil de obtener en depósitos
muy heterogéneos.
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Método
Procedimientos básicos de campo
Aplicaciones
Limitaciones
Métodos eléctricos:
• Salinidad del agua subterránea.
Electromagnetismo
Se sostienen bobinas eléctricas sobre el
terreno. La corriente que pasa a través de las
bobinas induce un campo magnético en el
terreno, el cual se mide con bobinas
receptoras.
• Contaminación inorgánica del agua subterránea.
• Detección de objetos metálicos enterrados.
• Delineación de ciertas características verticales
(sifones, trincheras de desechos).
• Se requiere un esfuerzo adicional para caracterizar una
profundidad específica.
• La resolución se reduce significativamente con la
profundidad.
• Profundidad del nivel freático.
Radar de
penetración del
terreno (GPR)
La energía electromagnética se envía
mediante pulsos al terreno. Esta energía se
refleja en las fronteras entre diferentes capas
de suelo y se mide en la superficie.
• Identificación de objetos enterrados.
• Espesor de capas de pavimento.
• No es efectivo por debajo del nivel freático o en arcillas.
• La profundidad de penetración está limitada a 10
metros.
• Detección de vacíos.
Métodos gravitacionales y magnéticos:
• Identificación de vacíos subsuperficiales.
Gravitacional
Se mide el campo gravitacional de la Tierra en
la superficie del terreno.
• Identificación de grandes objetos con
densidades inusualmente altas o bajas.
• Identificación de materiales ferrosos.
Magnético
Se mide el campo magnético de la Tierra en la
superficie del terreno.
• Identificación de suelo / roca que contenga
grandes cantidades de materiales magnéticos.
• Los resultados no son únicos, es decir, varias
condiciones subsuperficiales pueden dar el mismo
resultado.
• Es una aplicación de reconocimiento a gran escala con
aplicaciones limitadas en Ingeniería.
• Los resultados no son únicos, es decir, varias
condiciones subsuperficiales pueden dar el mismo
resultado.
• Es una aplicación de reconocimiento a gran escala con
aplicaciones limitadas en Ingeniería.
“GEOTECHNICAL ENGINEERING CIRCULAR No. 5. Evaluation of Soil and Rock Properties” (FHWA-IF-02-034).
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Método
Procedimientos básicos de campo
Aplicaciones
Limitaciones
Métodos nucleares cercanos a la superficie:
Contenido de agua
por neutrones
Densidad Gamma
El instrumento se ubica en la superficie del terreno y
emite neutrones en el mismo. La energía de los
neutrones que regresan se relaciona con la humedad
del terreno (los átomos de hidrógeno reducen la
energía de los neutrones detectados por el sensor).
El instrumento se ubica en la superficies del terreno y
emite radiación Gamma en el mismo. La energía
Gamma que regresa es una función de la densidad del
material (los materiales más densos absorben más
energía gamma de forma que menos de esta es
detectada en el sensor).
• Estima la humedad de un suelo
compactado.
• Profundidad limitada de investigación (pocas
pulgadas).
• Estima el contenido de bitumen en el
concreto asfáltico.
• Riesgos a la seguridad y la salud si el operador no
está bien entrenado.
• Puede ser cuantitativo si se calibra
adecuadamente con las condiciones in situ.
• Detecta iones de hidrógeno (gas, arcillas) en
estratos que no contienen agua.
• Profundidad limitada de investigación (pocas
pulgadas).
• Estima la densidad del suelo o del concreto
asfáltico.
• Profundidad de investigación aún más limitada a
pocas pulgadas si el suelo no puede penetrarse.
• Riesgos a la seguridad y la salud si el operador no
está bien entrenado.
“GEOTECHNICAL ENGINEERING CIRCULAR No. 5. Evaluation of Soil and Rock Properties” (FHWA-IF-02-034).
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Método
Procedimientos básicos de campo
Aplicaciones
Limitaciones
Métodos en perforaciones:
Crosshole/
Downhole
Se instalan fuentes de energía y geófonos
en perforaciones y/o en superficie. Los
intervalos de tiempo de viaje se convierten
en velocidad de ondas sísmicas como
función de la profundidad en la
perforación.
• Medida de las velocidades de onda para análisis
de respuesta sísmica del sitio.
• Profundidad del nivel freático.
• Correlación de las unidades litológicas con sísmica
superficial.
• Requiere una o más perforaciones y equipo de
apoyo en campo.
• Identificación de capas delgadas en profundidad.
Registro en
suspensión
El instrumento se instala en una
perforación llena de un fluido y se emplea
para medir las velocidades de ondas P y S
en el suelo o roca circundante.
• Medida de las velocidades de onda para análisis
de respuesta sísmica del sitio.
• Requiere una perforación y equipo de apoyo.
• Correlación de las unidades litológicas con sísmica
superficial.
• La perforación debe llenarse con un fluido.
• Identificación de capas delgadas en profundidad.
• Requiere perforación y equipo de apoyo en
campo.
Registro eléctrico
El instrumento se instala en una
perforación. Se aplican campos eléctricos
de forma directa o se inducen
electromagnéticamente en el suelo o roca
circundante y se mide la resistividad
eléctrica.
• Estimación de la permeabilidad o porosidad de
suelo / roca.
• Identificación de lentes de contaminación
inorgánica o intrusión de agua salada.
• No se puede realizar en una perforación
encamisada.
• Puede requerir que la perforación se llene con un
fluido.
• Identificación de capas delgadas en profundidad.
• Los resultados pueden variar con la salinidad de
los lodos de perforación.
“GEOTECHNICAL ENGINEERING CIRCULAR No. 5. Evaluation of Soil and Rock Properties” (FHWA-IF-02-034).
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Método
Procedimientos básicos de campo
Aplicaciones
Limitaciones
Métodos en perforaciones:
Registro nuclear
El instrumento se instala en una
perforación. El suelo o roca circundante se
irradia con neutrones o energía Gamma. Se
miden los neutrones y la energía que
regresa al instrumento y se correlacionan
con la densidad de la roca, la porosidad y el
tipo de fluido en los poros.
• Estimación del tipo de suelo o roca, su densidad,
porosidad y tipo de fluido en los poros.
• Identificación de capas delgadas en profundidad.
• Requiere perforación y equipo de apoyo en
campo.
• Riesgos a la seguridad y la salud si el operador no
está bien entrenado.
• Requiere perforación y equipo de apoyo en
campo.
Registro litológico
El instrumento se instala en una
perforación. Los campos eléctricos y los
niveles de radiación naturales se relacionan
con el tipo de suelo o roca.
• Clasificación del tipo de suelo o roca.
• Puede requerir que la perforación se llene con un
fluido.
• Identificación de capas delgadas en profundidad.
• Los resultados dependen de las condiciones
específicas del sitio y /o de la salinidad del fluido
en la perforación.
“GEOTECHNICAL ENGINEERING CIRCULAR No. 5. Evaluation of Soil and Rock Properties” (FHWA-IF-02-034).
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Ensayos geofísicos. Deslizamiento El Arenillo, Manizales (2007).
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Ensayos de laboratorio sobre muestras de suelos
Categoría de
ensayo
Identificación
visual
Propiedades índice
Nombre del ensayo
Designación del ensayo
AASHTO
ASTM
Práctica para la descripción e identificación de suelos (procedimiento visual – manual).
-
D2488
Práctica para la descripción de suelos congelados (procedimiento visual – manual).
-
D4083
Método de ensayo para la determinación del contenido de agua (humedad) del suelo por el método
de calentamiento directo.
T265
D2216
Método de ensayo para el peso específico de suelos.
T100
D854; D5550
Método para el análisis del tamaño de partículas de suelos.
T88
D422
M145
D2487; D3282
Método de ensayo para la clasificación de suelos con propósitos de ingeniería.
Método de ensayo para determinar la cantidad de material más fino que el tamiz No. 200 (75 µm) en
el suelo.
Método de ensayo para obtener el límite líquido, límite plástico e índice de plasticidad de los suelos.
Compactación
D1140
T89; T90
D4318
Método de ensayo para obtener las características de compactación en laboratorio de suelos,
empleando la energía estándar (600 kN . m / m³).
T99
D698
Método de ensayo para obtener las características de compactación en laboratorio de suelos,
empleando la energía modificada (2,700 kN .m / m³).
T180
D1557
“GEOTECHNICAL ENGINEERING CIRCULAR No. 5. Evaluation of Soil and Rock Properties” (FHWA-IF-02-034).
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Categoría de
ensayo
Propiedades de
resistencia
Propiedades de
consolidación y
expansión
Nombre del ensayo
Designación del ensayo
AASHTO
ASTM
Método de ensayo para obtener la resistencia a la compresión no confinada de suelos cohesivos.
T208
D2166
Método de ensayo para obtener la resistencia a la compresión no consolidada – no drenada de suelos
cohesivos en compresión triaxial.
T296
D2850
Método de ensayo para obtener la resistencia a la compresión consolidada – no drenada de suelos
cohesivos en compresión triaxial.
T297
D4767
Método de ensayo para el corte directo de suelos bajo condiciones consolidadas y drenadas.
T236
D3080
Métodos de ensayo para obtener el módulo y el amortiguamiento de suelos mediante el método de
columna resonante.
-
D4015
Método de ensayo para veleta de corte en miniatura en laboratorio sobre suelos de grano fino,
arcillosos y saturados.
-
D4648
Método de ensayo para obtener el CBR (California Bearing Ratio) de suelos compactados en
laboratorio.
-
D1883
Método de ensayo para obtener el módulo resiliente de suelos.
T294
-
Método de ensayo para obtener el Valor-R de resistencia y la presión de expansión de suelos
compactados.
T190
D2844
Método de ensayo para obtener las propiedades de consolidación unidimensional de suelos.
T216
D2435
Método de ensayo para obtener las propiedades de consolidación unidimensional de suelos
empleando carga con deformación controlada.
-
D4186
T258
D4546
-
D5333
Método de ensayo para obtener el potencial de expansión o asentamiento de suelos cohesivos.
Método de ensayo para medir el potencial de colapso de los suelos.
“GEOTECHNICAL ENGINEERING CIRCULAR No. 5. Evaluation of Soil and Rock Properties” (FHWA-IF-02-034).
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Categoría de
ensayo
Permeabilidad
Corrosividad
Contenido de
materia orgánica
Nombre del ensayo
Designación del ensayo
AASHTO
ASTM
Método de ensayo para obtener la permeabilidad de suelos granulares (carga hidráulica constante).
T215
D2434
Método de ensayo para medir la conductividad hidráulica de materiales porosos saturados mediante
un permeámetro de pared flexible.
-
D5084
Método de ensayo para obtener el pH de materiales de turba.
-
D2976
Método de ensayo para obtener el pH de los suelos.
-
D4972
Método de ensayo para obtener el pH de los suelos para su empleo en pruebas de corrosión.
T289
G51
Método de ensayo para obtener el contenido de sulfatos.
T290
D4230
Método de ensayo para medir la resistividad.
T288
D1125; G57
Método de ensayo para obtener el contenido de cloruros.
T291
D512
Método de ensayo para determinar los contenidos de agua, ceniza y materia orgánica de turbas y
otros suelos orgánicos.
T194
D2974
“GEOTECHNICAL ENGINEERING CIRCULAR No. 5. Evaluation of Soil and Rock Properties” (FHWA-IF-02-034).
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Ensayos índice
Humedad natural,
wn
Procedimiento
Tipos de suelos aplicables
Suelo seco en horno a 100 ± 5°C.
Grava, arena, limo, arcilla,
turba.
Peso unitario y
densidad
Extraiga una muestra de tubo y mida sus
dimensiones y peso.
Suelos donde se puede obtener
muestra inalterada como limo,
arcilla y turba.
Límites de
Atterberg: LL, LP, IP,
LC, IL
LL: Humedad asociada con la falla de un
espécimen a 25 golpes en la copa de Casagrande.
LP: Humedad asociada con el desmoronamiento
de cilindros de suelo de 3.2 mm.
Arcillas, limos, turba; arenas
limosas y arcillosas para
determinar si son SM o SC.
Tamizado mecánico
Pase el material seco al aire a través de una serie
de mallas de abertura descendente conocida y
aplique vibración para separar las partículas en
diámetros equivalentes específicos.
Lavado sobre tamiz
Propiedades del suelo
aplicables
e0, γ
γtot, γdry, ρtot, ρdry, σvo
Limitaciones / Observaciones
Ensayo índice simple para todos los
materiales.
No es apropiado para materiales granulares
limpios donde no es posible obtener
muestra inalterada.
Prueba índice de gran utilidad.
Clasificación del suelo.
No son apropiados en suelos granulares.
Recomendados para todos los materiales
plásticos.
Grava, arena y limo.
Clasificación del suelo.
No es apropiado para arcillas.
Es muy útil en materiales granulares
limpios o sucios.
Se lavan las partículas con agua a través de un
tamiz U.S. No.200.
Arena, limo y arcilla.
Clasificación del suelo.
Requerido para establecer el contenido de
finos en materiales granulares sucios.
Hidrómetro
Se permite la sedimentación de partículas y se
mide el cambio del peso específico de la solución
en el tiempo.
Arena fina, limo y arcilla.
Clasificación del suelo.
Ayuda a estimar la cantidad relativa de
limo y arcilla.
Peso específico
El volumen de una masa conocida de suelo se
compara con el volumen conocido de agua en un
picnómetro calibrado.
Arena, limo, arcilla y turba.
Se emplea en el cálculo de e0.
Particularmente útil en casos donde se
encuentran minerales inusuales en el
suelo.
Contenido de
materia orgánica
Luego de obtener la humedad a 110°C, la
muestra es quemada en un horno a 440°C para
medir el contenido de ceniza.
Todos los tipos de suelos en los
cuales se sospeche que la
materia orgánica será un
problema.
No está relacionado con ningún
parámetro específico de
comportamiento. Se puede
presentar alta compresibilidad.
Recomendado en todos los suelos
sospechosos de contener materiales
orgánicos.
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Ensayos de
comportamiento
Procedimiento
Tipos de suelo aplicables
Propiedades del suelo
Limitaciones / Observaciones
Edométrico 1D
Se aplican cargas crecientes a una muestra de suelo confinada
por un anillo rígido. Se registran los valores de deformación
en el tiempo. Los incrementos de carga duplican el valor
anterior y se aplican en intervalos de 24 horas.
Principalmente arcillas y limos.
Podrían ensayarse suelos
granulares, aunque no es común.
σ‘p, RSC, Cc, Ccε, Cr,
Crε, Cα, Cαε, cv, k
Recomendado para suelos de grano fino. Los
resultados son indicadores útiles para otros
parámetros críticos.
Edómetro con tasa
de deformación
constante
Las cargas se aplican de forma tal que el Δu está entre 3% y
30% del esfuerzo vertical aplicado durante el ensayo.
Arcillas y limos. No es aplicable en
suelos granulares drenantes.
σ‘p, Cc, Ccε, Cr, Crε,
cv, k
Requiere equipo especial para el ensayo, pero
reduce el tiempo del mismo significativamente.
Compresión no
confinada (UC)
Se pone una muestra en un aparato de carga y se cizalla bajo
compresión axial sin confinamiento.
Arcillas y limos. No se puede
realizar en suelos granulares o
materiales fisurados o varvados.
Su UC
Proporciona una medida rápida y aproximada de
la resistencia al corte sin drenaje. Los efectos de
la alteración, la velocidad del ensayo y la
migración de humedad afectan los resultados.
Corte triaxial no
consolidado – no
drenado (UU)
No se le permite al espécimen consolidar bajo el esfuerzo de
confinamiento y se lo carga con rapidez para prevenir el
drenaje del agua.
Arcillas y limos.
Compresión
isótropamente
consolidada –
drenada (CIDC)
Se permite al espécimen consolidar bajo el esfuerzo de
confinamiento, y luego se lo cizalla a una velocidad lenta para
prevenir el incremento en las presiones de poros.
Símbolos:
σ‘p:
Esfuerzo de preconsolidación.
RSC:
Relación de sobreconsolidación.
Cc :
Índice de compresión.
Ccε:
Índice de compresión modificado.
Cr:
Índice de recompresión.
Crε:
Índice de recompresión modificado.
Cα:
Índice de compresión secundaria.
Cαε:
Índice de compresión secundaria modificado.
Arenas, limos y arcillas.
Su UU
φ‘, c’, E
La muestra debe estar cercana a la saturación.
Los efectos de la alteración y la velocidad del
ensayo afectan la resistencia medida.
Se puede realizar en un espécimen de arcilla,
pero tomará mucho tiempo. Es el mejor triaxial
para obtener propiedades de deformación.
cv:
Coeficiente de consolidación vertical.
k:
Conductividad hidráulica.
SU, UC: Resistencia al corte sin drenaje en compresión no confinada.
SU, UU:
Resistencia al corte sin drenaje no consolidada – no drenada.
SU, CIUC:
Resistencia al corte sin drenaje consolidada isótropamente – no drenada.
φ‘:
Ángulo de fricción pico en esfuerzos efectivos.
φr‘:
Ángulo de fricción residual en esfuerzos efectivos.
c‘:
Intercepto de cohesión en esfuerzos efectivos.
E:
Módulo de Young.
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Ensayos de
comportamiento
Procedimiento
Tipos de suelo aplicables
Propiedades del
suelo
Limitaciones / Observaciones
Compresión
isótropamente
consolidada – no
drenada (CIUC)
Se permite al espécimen consolidar bajo el
esfuerzo de confinamiento con el drenaje
abierto. Luego se cizalla con el drenaje cerrado
pero midiendo las presiones de poro.
Arenas, limos, arcillas y turbas.
φ´, c’, Su CIUC, E
Recomendado para la medición de presión de poros
durante el ensayo. Ensayo útil para estimar los
parámetros de resistencia en esfuerzos efectivos. No
debe aplicarse para medir propiedades de deformación.
Corte directo
El espécimen es cizallado en un plano forzado de
falla a una velocidad constante, la cual es función
de la conductividad hidráulica de la muestra.
Materiales de lleno
compactados, arenas, limos y
arcillas.
φ‘, φ’r
Requiere asumir las condiciones de drenaje. Prueba de
resistencia relativamente fácil.
Permeámetro de
pared flexible
El espécimen se reviste con una membrana, se
consolidad, se satura con contrapresión y se
mide el flujo en el tiempo para un gradiente
específico.
Materiales con permeabilidad
relativamente baja (k ≤ 1 x 10-5
cm/s). Arcillas y limos.
Permeámetro de
pared rígida
El espécimen se pone en una celda de paredes
rígidas, se aplica confinamiento vertical y se mide
el flujo en el tiempo bajo condiciones de carga
hidráulica constante o decreciente.
Materiales con permeabilidad
relativamente alta. Arenas,
gravas y limos.
k
Recomendado para materiales de grano fino. Se
requiere saturación con contrapresión y presión de
confinamiento. La permeabilidad del sistema debe ser al
menos un orden de magnitud superior a la del
espécimen. Se requiere tiempo para que los flujos de
entrada y salida se estabilicen.
k
Se requiere controlar el gradiente. No se debe emplear
en suelos de grano fino. Se debe monitorear la posible
filtración lateral.
“GEOTECHNICAL ENGINEERING CIRCULAR No. 5. Evaluation of Soil and Rock Properties” (FHWA-IF-02-034).
Luis Ricardo Vásquez Varela
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Efecto de la alteración de las muestras
CD
Muestreo “perfecto”.
Perforación.
Muestreo en tubo.
Extrusión del tubo.
Cavitación y redistribución de la humedad
Tallado y montaje en la cámara triaxial.
Perforación
AP:
AB:
BC:
CD:
DE:
EF:
A
C
𝑞=
𝜎𝑣 − 𝜎ℎ
𝜎𝑣 − 𝑢 − 𝜎ℎ − 𝑢
=
2
2
0A
EF
NAF
AB
F
0
Tallado
D
B
P
𝜎′𝑣 + 𝜎′ℎ
𝑝′ =
2
BC
Shelby
E
https://www.geoengineer.org/news/
how-to-prepare-a-clay-undisturbedsample-for-triaxial-testing
Alteración de muestras durante el muestreo y tallado (Ladd & Lambe, 1963)
GEOTECHNICAL ENGINEERING CIRCULAR No. 5. Evaluation of Soil and Rock Properties” (FHWA-IF-02-034).
Luis Ricardo Vásquez Varela
Esta foto de John A. Kelley está bajo licencia CC BY
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Efecto de la alteración de las muestras
CD
Muestreo “perfecto”.
Perforación.
Muestreo en tubo.
Extrusión del tubo.
Cavitación y redistribución de la humedad
Tallado y montaje en la cámara triaxial.
Compresión isótropa en la cámara triaxial.
Compresión axial en la cámara triaxial (CU).
H
Perforación
AP:
AB:
BC:
CD:
DE:
EF:
FG:
GH:
A
C
𝑞=
𝜎𝑣 − 𝜎ℎ
𝜎𝑣 − 𝑢 − 𝜎ℎ − 𝑢
=
2
2
0A
EF
NAF
AB
F
0
Tallado
D
P
B
G
𝜎′𝑣 + 𝜎′ℎ
𝑝′ =
2
Alteración de muestras durante el muestreo y tallado (Ladd & Lambe, 1963)
GEOTECHNICAL ENGINEERING CIRCULAR No. 5. Evaluation of Soil and Rock Properties” (FHWA-IF-02-034).
Luis Ricardo Vásquez Varela
BC
Shelby
E
https://www.geoengineer.org/news/
how-to-prepare-a-clay-undisturbedsample-for-triaxial-testing
𝜎′ℎ = 𝐾0 . 𝜎′𝑣
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𝜎′𝑣0 = 𝜎′𝑝
Esfuerzo vertical efectivo máximo en el pasado
𝜎′𝑣 = 𝜎𝑣 − ∆u
Log (σ’v0)
σ’v0
Relación de vacíos, e
B
A
𝑅𝑆𝐶 =
Esfuerzo vertical efectivo presente o actual
𝜎′𝑣0 𝜎′𝑝
=
𝜎′𝑣
𝜎′𝑣
Sistema de designación de la calidad de la muestra (Lacasse et al., 1985)
εv es la deformación para llegar a σ’v0
C
En A:
En B:
En C:
Condición de campo
Ensayo UU
Ensayo CIU
Curvas de consolidación de laboratorio y campo
Rango de la RSC
Intervalo de
profundidad
(m)
Ensayo muy
bueno si εv < (%)
Ensayo aceptable
si εv < (%)
Ensayo muy
alterado si εv > (%)
1.0 – 1.2
0 – 10
10 – 50
3.0
2.0
3.0 – 5.0
2.0 – 4.0
5.0
4.0
1.2 – 1.5
0 – 10
10 – 50
2.0
1.0
2.0 – 4.0
1.0 – 3.0
4.0
3.0
1.5 – 2.0
0 – 10
10 – 50
1.5
1.0
1.5 – 3.5
1.0 – 2.5
3.5
2.5
2.0 – 3.0
0 – 10
10 – 50
1.0
0.75
1.0 – 3.0
0.75 – 2.0
3.0
2.0
3.0 – 8.0
0 – 10
10 – 50
0.5
0.5
0.5 – 1.0
0.5 – 2.0
1.0
2.0
Luis Ricardo Vásquez Varela
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Ensayos de laboratorio sobre muestras de roca
Procedimiento
Tipos de roca aplicables
Propiedades
aplicables de la
roca
Ensayo de resistencia
por carga puntual
Especímenes de roca en forma de núcleos, bloques cortados
o granos irregulares se rompen mediante la aplicación de
carga concentrada a través de un par de placas cónicas
esféricamente truncadas.
Generalmente no es
apropiado para rocas con
resistencia a la compresión
uniaxial menor que 25 MPa.
Proporciona un
indicador de la
resistencia a la
compresión uniaxial
Se puede realizar en laboratorio o campo con equipo
portátil. En rocas blandas o débiles se deben ajustar
los resultados del ensayo para tener en cuenta la
marca de las placas.
Resistencia a la
compresión no
confinada de un núcleo
de roca intacta
Un espécimen cilíndrico de roca se pone en un aparato de
carga y se cizalla bajo compresión axial sin confinamiento
hasta obtener la carga pico de falla.
Núcleo de roca intacta.
Resistencia a la
compresión uniaxial.
Es el ensayo más rápido y simple para evaluar la
resistencia de la roca. Las fisuras u otras anomalías
causarán la falla prematura.
Ensayo de corte directo
en laboratorio
Un espécimen de roca se pone en la mitad inferior de la caja
de corte y se encapsula en una resina sintética o un
mortero. El espécimen se debe instalar de tal forma que la
línea de fuerza cortante pase en el plano de discontinuidad
que se quiere investigar. El espécimen se monta en la mitad
superior de la caja de corte y se aplican las fuerzas normal y
cortante.
Se emplea para establecer
las resistencias pico y
residual de la
discontinuidad.
Resistencias al corte
pico y residual.
Puede ser necesario hacer el ensayo de corte directo
in situ si el diseño está controlado por el potencial
deslizamiento a lo largo de una discontinuidad rellena
con material muy débil.
Módulo elástico de un
núcleo de roca intacta
El procedimiento es similar al de la resistencia a la
compresión no confinada de roca intacta. También se miden
deformaciones laterales.
Núcleo de roca intacta.
Módulo y relación de
Poisson.
Los valores de módulo (y relación de Poisson) varían
debido a la no linealidad de la curva esfuerzo –
deformación.
Lutita u otras rocas blandas
o débiles.
Indicador del
potencial de
degradación de la
roca.
Ensayo
Se ponen fragmentos de roca seca en un tambor hecho con
malla de alambre parcialmente sumergido en agua
Durabilidad por
destilada. El tambor se rota, se seca y se pesa la muestra.
desleimiento
Luego de dos ciclos de rotación y secado se registra la
pérdida de peso y la forma y tamaño de los fragmentos de
roca remanentes.
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Luis Ricardo Vásquez Varela
Limitaciones / Observaciones
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Dial de
desplazamiento
vertical.
Carga normal.
Palanca de control
Caja
superior.
Bomba
Gato
Yunque
Caja
inferior.
Carga de
corte
Placa con
rodamientos.
Dial de
desplazamiento
horizontal.
http://www.terrageo.it/wpcontent/uploads/2013/05/Point_load_test_grande.jpg
http://www.controlsgroup.com/backend/prodotti/img_upload/img_big/1309161130110_45_d0550_e_d_rev_2_16.09.2013_2.jpg
Muestras.
Peso
colgante
Equipo para el ensayo de corte directo
de roca en laboratorio
Ensayo de carga puntual en roca
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http://www.matest.com/Cms_Data/Import_Data_Image/Metaprodotto/_3411_Cell
a%20di%20hoek.jpg
https://www.controlsgroup.com/backend/prodotti/img_upload/img_big/1203191151120_3_uniaxial_test_detail_of_rock_sa
mple_fit_with_three_strain_gauges_82_p0392.jpg
Compresión uniaxial en roca
http://www.controlsgroup.com/backend/prodotti/img_upload/img_big/1203191139100_1_hoek_cells_for_t
riaxial_test.jpg
Ensayo triaxial en roca
http://www.controls-group.com/backend/prodotti/img_upload/img_big/120308182990_advantest_9.jpg
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