Exploracin y muestreo de suelosExploration and soil samplingJos
Trujillo Hernndez, UNAM, Mxico D.F. Mxico
RESUMEN: El siguiente trabajo muestra las tcnicas ms comunes
utilizadas dentro de la exploracin y muestreo de suelos, as como
las precauciones que se deben de tener a la hora de realizar estos
trabajos. Es importante conocer hoy en da los tipos de sondeos que
existen as como los equipos que ayudan a realizarlos. De igual
forma se hace una breve descripcin de los tipos de conos ms
utilizados, como: el cono elctrico, el cono perdido; se mencionan
tambin los pozos a cielo abierto, la tcnica de penetracin estndar,
el tubo Shelby, el barril Denison y algunos otros temas de inters.
ABSTRACT: The following work shows the most common techniques used
in exploration and soil sampling and the precautions to take when
performing these jobs. It is important to know nowadays that there
are types of surveys as well as equipment to help achieve them.
Similarly, a brief description of the types of cones used as
electric cone, the cone lost, are also mentioned in open wells,
standard penetration technique, Shelby tube, and some barrel
Denison other topics of interest. 1 INTRODUCCIN 2 OBJETIVOS Y
ORGANIZACIN DE UNA
EXPLORACIN1.1 Antecedentes
Antes de comenzar la construccin de una obra, surge la necesidad
de contar con datos firmes, seguros y abundantes respecto al suelo
sobre el que se va a trabajar; por ello es importante estudiarlo
detalladamente, empleando las tcnicas y equipo necesarios para un
buen programa de exploracin que ayude, a tener un panorama claro
del suelo. Son muchos los autores que han dedicado un espacio de su
trayectoria como investigadores al tema de le exploracin de los
suelos, entre ellos podemos encontrar a Karl Terzaghi, Hvorslev, el
profesor A. Casagrande, entre muchos otros que han aportado valiosa
informacin, adems de su experiencia laboral dentro de este
ramo.1.2
2.1
Objetivos de una exploracin
La exploracin geotcnica es una obligacin ineludible que tenemos
los ingenieros, arquitectos, diseadores o constructores, para
investigar las caractersticas del subsuelo de un sitio y en
especfico evaluar su comportamiento mecnico; obligacin que con
frecuencia se juzga como prdida de tiempo o que tiene un costo
excesivo e incluso improductivo. La exploracin geotcnica de un
sitio consiste en realizar sondeos, recuperar muestras y ejecutar
pruebas de campo con la finalidad de: (1)Conocer la estratigrafa
del sitio. (2) Obtener los parmetros mecnicos del suelo y, (3)
Determinar los niveles piezomtricos.2.2
Objetivo
Presentar las distintas metodologas que existen para la
exploracin y muestreo de los suelos, as como la descripcin de
algunos de los equipos ms utilizados para realizar dicha
actividad.1.3 Alcance
Organizacin de la exploracin
Este documento comprende desde una descripcin los distintos
tipos de sondeo que existen, mtodos penetracin como la penetracin
estndar, as como mencin de los diferentes conos que existen, hasta
conservacin y transporte de muestras.
de de la la
Para definir la exploracin se debe empezar por conocer con
detalle las caractersticas de la obra que se propone realizar,
saber las cargas que transmitir, las tolerancias para las
deformaciones admisibles. A continuacin viene el reconocimiento
geolgico geotcnico seguido de un diagnostico preliminar,
posteriormente se ejecutan sondeos exploratorios para conocer el
tipo de suelo con el que se va a trabajar, es decir si se trata de
un suelo blando o duro. Enseguida se realiza el perfil
estratigrfico del suelo en el sitio y por ultimo sondeos de
muestreo realizando sondeos selectivos si as se desea, adems de
pruebas de campo.
Es importante mencionar que hoy en da se han sustituido en
algunos lugares los sondeos exploratorio por ensayes complejos de
laboratorio y el empleo de la computadora para generar modelos del
suelo; situacin que es un tanto desconcertante ya que no se
obtendrn resultados que revelen verdaderamente el comportamiento
del suelo como los que se generan con los mtodos tradicionales.
a medida que penetraba en el suelo gracias a la presin ejercida
por dos personas; en suelos blandos se llegaba a penetrar hasta
unos 12 m de profundidad. La operacin del cono mecnico es confiable
por que las fallas de trabajo son poco frecuentes; pero, su
sensibilidad y precisin son significativamente menores que las del
cono elctrico y por ello ha cado en desuso.
3 PENETRMETROS
3.1 Conos dinmicos
Son tcnicas de exploracin antiguas y paradjicamente tambin son
modernas, por que los ingenios electrnicos han abierto espacios
para tcnicas que harn posibles nuevas opciones. La prueba con conos
dinmicos consiste simplemente en hincar el cono y contar el numero
de golpes requerido por cada 10 cm de penetracin en el suelo,
cuidando que la altura de cada sea constante; para evitar errores
se recomienda utilizar un contador mecnico. A continuacin se
describen los dos conos dinmicos ms conocidos como lo son el cono
perdido y el cono recuperable.3.1.1 Cono perdido
Figura 3.1 cono perdido y cono recuperable respectivamente.
(Santoyo, E. 2010).3.3 Cono elctrico
Es el ms simple y se hinca a percusin, consiste en una punta de
acero con ngulo de 60. (figura 3.1). Su dimetro B siempre debe ser
mayor que el dimetro b de las barras con las que se va a hincar,
esto reduce la friccin con el suelo que envuelve a las barras, el
perno que une al cono con las barras es liso, para que este se
desprenda fcilmente una vez que se alcanz la profundidad deseada.
Es importante destacar que la energa de impacto se transmite de la
barra al cono, a travs de la superficie de apoyo sealada en la
misma figura y que el perno solo sirve para guiar al cono.3.1.2
Cono recuperable
Fue inventado en Alemania durante la segunda guerra mundial, y
en 1948 lo desarrollaron en el Delft Soil Mechanics Laboratory: fue
el holands P. de Ruter quien realiz un vasto trabajo experimental y
para 1971 ya haba depurado la tcnica que dio a conocer en varios
artculos. Este cono, ha demostrado ser una excelente herramienta
para determinar con precisin las caractersticas estratigrficas de
un sitio y su variacin con la profundidad. Un esquema de dicho cono
se presenta en la figura 3.2. La velocidad con la que se hinca el
cono segn la recomendacin de la sociedad Internacional de Mecnica
de suelos es de 2+/- 0.5 cm/s; para la norma tentativa ASTMD 5778,
acepta que la velocidad de hincado puede ser de 1 a 2 cm/s 25%. Es
muy importante que, en la medida de lo posible, la velocidad de
penetracin se mantenga constante durante la prueba, ya que es
inevitable que el cono pierda velocidad de penetracin al atravesar
las capas duras y una vez fuera de ellas, se acelere.3.3.1 Ventajas
y desventajas
Es semejante al anterior, excepto que el perno que une a las
barras de perforacin de cuerda derecha tiene cuerda izquierda para
poder retirarlo y si resulta imposible se giran la barras para
dejarlo perdido (figura 3.1).3.2
Conos mecnicos
Ventajas (1)Proporciona informacin precisa de la estratigrafa y
de las resistencias de punta y friccin. (2)Las correlaciones para
su interpretacin son cada da ms confiables.
Inventado en 1932 por el ingeniero holands P. Barentsen,
consista en una punta de acero de 10 cm 2 de rea y un ngulo de 60,
hincado con un tubo simple acoplado a una celda hidrulica en la
superficie; con ayuda de un manmetro, mide la carga aplicada a la
punta cnica
(3)Es de gran utilidad en suelos blandos. (4)El entrenamiento
del operador es simple.
3.5 Otros tipos de conos
Figura 3.2. Identificacin de las partes de un cono elctrico
(Lunne et al; 1997) . Desventajas (a) (b) (c) (d) (e) Esta expuesto
a errores electrnicos del desplazamiento del cero y campo elctrico
ambiental. Fcilmente pierde la calibracin. La inhabilidad del
operador. No recupera muestras. No funciona en suelos duros o con
grava. Es costoso.
Aunados a los conos ya mencionados existen otros que aunque son
menos utilizados es conveniente mencionarlos, como por ejemplo: el
piezocono, que tiene como aportacin interesante la medicin de la
presin de poro. Otro tipo de cono es el ssmico que en realidad es
un cono elctrico al cual se le ha incorporado un gefono y un
acelermetro que ayudan a medir la velocidad de onda en los suelos.
Por ltimo tenemos los conos para resistividad y conductividad que
ayudan a medir la densidad de las arenas saturadas y el grado de
contaminacin respectivamente.
(f)
4 PERFORACIN, HERRAMIENTAS, EQUIPO Y
3.4 Penetrmetro Panda
FLUIDOS.
Se trata de un penetrmetro dinmico porttil, capaz de penetrar en
los suelos blandos hasta unos 6 m de profundidad con una energa
variable, con mximo aproximado de 20 MPa,; por ello, a pesar de su
ligereza tiene la potencia de penetracin suficiente para realizar
pruebas interesantes. Su campo de aplicacin es la exploracin de los
suelos, as como en pruebas de control de compactacin de rellenos
trreos. Los golpes dados con el marro se registran con dos
sensores, uno de magnetismo para detectar la velocidad del paso del
pistn en el momento del impacto y el otro es un potencimetro que
determina la penetracin de la punta en cada impacto (figura 3.3).
Figura 3.3. Penetrmetro panda. (Santoyo, E; 2010).
4.1 Tcnicas de perforacin
El procedimiento de perforacin se debe de elegir teniendo
presente las condiciones del subsuelo, suelos blandos, suelos duros
hmedos y tobas y suelos secos y tobas blandas en los que el nivel
fretico puede ser profundo; se debe evaluar el empleo de agua o
lodo como fluidos de perforacin.4.1.1 Perforacin en suelos
blandos
En suelos blandos se puede causar remoldeo, por efecto la
perforacin, lo cual puede ocurrir sin que el operador de
perforadora se percate de que est daando al suelo previo a la toma
de una muestra; el fluido de perforacin a presin suele inducir
fisuras, como un intento para superar esta limitacin se recurre a
muestreadores de dimetro grande,
de cuya parte central se rescatan muestras de mejor calidad.
Algunas tcnicas de perforacin utilizadas en suelos blandos son: (1)
(2) Perforacin a rotacin y lavado. Se utiliza como fluido de
perforacin agua o lodo de bentonita, Perforacin con barrera
helicoidal. Se utiliza desde hace casi cinco dcadas y la broca se
conoce como cola de pescado. Perforacin con ademe helicoidal. Al
igual que la anterior con esta tcnica tambin se extrae suelo
durante el avance. Perforacin con cuchara de impacto. Se desarroll
para la perforacin de pozos profundos, para aguas y petroleros, se
llego a utilizar para realizar sondeos, pero pronto fue
abandonada.
(3)
(4)
Figura 4.1 Tipos de brocas (Santoyo, E; 2010).4.2.1 Broca de
aletas
La tcnica ms utilizada para perforar los suelos blandos, a pesar
de sus diferencias es la rotacin con agua o lodo a presin; el
argumento principal es su eficacia.4.1.2 Perforacin en suelos
duros
Se presentan las siguientes dos condiciones:
(1)
(2)
Abajo del nivel fretico. Se puede recurrir a la perforacin a
rotacin y lavado con broca escalonada tipo drag y con tricnica.
Como fluido de perforacin se puede utilizar el agua o lodo
bentontico. Arriba del nivel fretico. La perforacin debe hacerse en
seco, sin recurrir al agua o lodo, las espumas qumicas son una
ayuda para perforar estos suelos. Brocas de perforacin
Consiste en dos placas de acero duro que forman una hlice corta;
la salida del agua o lodo a presin ndice en la superficie superior
de las aletas. Se desarroll para perforar los suelos de
consistencia media a blanda, es la ms adecuada para hacer
perforaciones en sondeos e instalacin de pozos de bombeo, porque
deja agujeros limpios y pocos alterados (figura 4.1).4.2.2 Broca
drag
4.2
Pieza slida que tiene tres planos radiales de corte, protegidos
con pastillas de carburo de tungsteno, que segn su geometra pueden
cortar el rea completa o slo la perimetral. Se utiliza en rocas
blandas a suelos blandos; se propone utilizar esta herramienta, en
suelos muy duros y tobas, empleando aire a presin como fluido de
perforacin (figura 4.1).4.2.3 Broca cola de pescado
Las brocas para la perforacin son mquinas de rotacin que se
eligen de acuerdo con la dureza de los materiales que se van a
cortar. Algunas de las ms comunes se aprecian en la figura 4.1 y se
describen a continuacin:
Consiste en dos placas triangulares ligeramente alabeadas, con
vrtice en la parte inferior. Esta broca no tiene salidas para
fluido de perforacin, por lo que, su uso se restringe a la llamada
perforacin de batido. Se puede utilizar en suelos de consistencia
media a blanda. Adecuada para perforaciones con las barras y ademes
helicoidales, tambin para perforaciones de batido que no requieren
de la extraccin de suelo y para perforar las capas duras que
impiden el hincado del cono elctrico (figura 4.1).4.2.4 Broca
tricnica
Consiste en tres conos con rodamientos para girar libremente,
esos conos tienen dientes de abrasin en un acomodo helicoidal, cuya
forma es esfrica para rocas duras, y de prismas agudos para las
rocas blandas. se puede
utilizar para perforar desde rocas duras a suelos duros;
inadecuada para suelos blandos (figura 4.1).4.3 Barras y ademes
Las dimensiones y pesos de las barras y ademes de perforacin
estn normados por la DCDMA (Diamond Core Drilling Association), las
usuales para la Geotecnia se tienen longitudes de 10 pies (3.05 m).
Las barras EW se utilizan para la penetracin del cono elctrico.4.4
Mquinas para la perforacin 4.4.1 Mquina perforadora rotatoria
de bentonita en las perforaciones petroleras; con ellos como
base se fabrican numerosos aditivos comerciales que por su
efectividad se pueden emplear como sustitutos de la bentonita; las
dos ventajas que se les reconoce son : que en un tiempo de 3 a 10
minutos de mezclado se logra una buena hidratacin y que se les
considera menos contaminantes que la bentonita; estas dos razones
les ha dado lugar en la exploracin geotcnica.
5 TIPOS DE SONDEOS.
Los tipos principales de sondeos que se conocen y ejecutan en la
mecnica de los suelos sirven para la obtencin de muestras alteradas
o inalteradas. A continuacin se presentan algunos tipos de sondeos
comunes en la rama de la geotecnia.5.1 Muestreo alterado 5.1.1
Muestreo manual
Las primeras mquinas rotatorias se disearon para la perforacin
de pozos de agua y pozos petroleros, despus surgieron mquinas de
menores dimensiones para la exploracin minera y por ltimo las
adecuadas para la exploracin geotcnica. Las perforadoras para la
exploracin geotcnica son mquinas de gran movilidad, estn montadas
en vehculos, remolques o tienen orugas; sus velocidades de rotacin
en general son menores de las 800 RPM y la longitud del vstago de
perforacin es de 1.5 a 3.0 m.4.4.2 Bombas para perforacin
Se pueden tomar muestras alteradas del suelo desde pozos o
zanjas accesibles, con ayuda de esptulas o cuchillos, teniendo
cuidado de eliminar la parte superficial intemperada y de ser
posible que mantengan el contenido de agua natural. Las muestras
colectadas se deben conservar en frascos o bolsas hermticas.5.1.2
Prueba de penetracin estndar
Deber ser capaz de operar con lodos bentonticos, las ms comunes
son las de cavidad progresiva descritas, sin embargo para sondeos
poco profundos (h
