IV. EXPLORACIÓN

IDENTIFICACIÓN Y COMPORTAMIENTO MECÁNICO. La finalidad básica de la exploración es la del conocimiento de cualquier material usado en Ingeniería civil y más específicamente la de conocer su comportamiento mecánico. Para ello existen procedimientos específicos que se complementan con otros más sencillos, dirigidos a obtener datos ‘trazadores’ de dicho comportamiento, como es el caso de las propiedades índices de suelos y rocas, que además se usan para procedimientos normalizados de identificación de esos materiales (Figura 4.1)

FIGURA 4.1. RESULTADOS DE PRUEBAS DE IDENTIFICACIÓN DE SUELOS: GRANULOMETRÍA Y LÍMITES DE CONSISTENCIA

APLICACIONES DE LOS MATERIALES GEOTÉCNICOS. Aquí debe tenerse presente el alcance del término usado que se empleó en el párrafo anterior. Los materiales de la corteza terrestre, suelos y rocas, pueden usarse principalmente como material de apoyo o como material de construcción, aunque también pueden requerirse datos acerca de su papel como material causante de solicitaciones o como recipiente de agua. Dependiendo del uso, o usos, que se les vaya a dar a esos materiales es que son requeridas unas u otras de sus propiedades y a su vez unos u otros métodos para su exploración.

DETALLAMIENTO DE LA EXPLORACIÓN. Igualmente ha de tenerse presente que, dependiendo de la finalidad perseguida, deberán definirse las respuestas a preguntas tales como: A) Cuántas exploraciones (sondeos) hacer, B) De qué tipo deben hacerse (herramientas a utilizar), C) A qué profundidades hacerlas y D) En qué sitios específicos se deben realizar. Cada una de estas cuestiones ha de ser sujeto de una cuidadosa definición, para obtener la mayor calidad y cantidad de información posible de las exploraciones y tomar en cuanta las recomendaciones e inclusive la normatividad que al respecto pueda existir en las dependencias gubernamentales encargadas de la atención de cada uno de los tipos de obra mencionados. Por ejemplo, para el caso de carreteras, la profundidad y espaciamiento de los sondeos es muy diferente de las que se tienen en el caso de una presa o de un túnel, y lo mismo puede decirse para el caso de edificaciones urbanas. No es ocioso agregar además, que esta tarea se ve restringida por las limitaciones en los recursos que usualmente se asignan a estos trabajos.

PARTICULARIDADES DE MATERIALES GEOTÉCNICOS. Finalmente, también debe resaltarse que esta etapa es fundamental en el caso de materiales geotécnicos pues, a diferencia de otros materiales como el concreto o el acero, cuyas propiedades mecánicas están normalizadas, porque son productos artificiales, los materiales geotécnicos muchas veces tienen que usarse en su estado natural y por ello tienen propiedades asociadas a cada sitio en particular las cuales, en general, no pueden extrapolarse a otros sitios.

NORMALIZACIÓN DE EXPLORACIONES. Los métodos de exploración y muestreo usados en nuestro país, están normalizados. Sobre todo la American Society for Testing and Materials (ASTM) y algunos organismos nacionales, permiten que los procedimientos que se mencionarán enseguida, se practiquen conforme a métodos debidamente puntualizados en cada una de sus etapas.

IV.A. MÉTODOS DIRECTOS

Se entienden como tales a los que permiten la obtención de muestras físicas de suelos o rocas, que se usan fundamentalmente para identificar a los materiales y para valorar su comportamiento mecánico. En otros casos se usan para hacer mediciones in situ de dicho comportamiento.

Las muestras físicas pueden ser Alteradas o Inalteradas, dependiendo de su finalidad. En el primer caso, se usan para identificar a los materiales y para obtener las llamadas Propiedades Índices que en algunos casos, según lo expuesto antes, funcionan también como trazadores y permiten hacer pronósticos del comportamiento mecánico. En el segundo caso, se usan para medir directamente ese comportamiento tratando de reproducir, en la medida de lo posible, las condiciones que guarda el material en campo, determinando las definidas como Propiedades Mecánicas.

4.1 POZOS A CIELO ABIERTO, LUMBRERAS Y TÚNELES

Pueden usarse en suelos y rocas, sobre todo para obtener muestras de estratos superficiales. Los pozos a cielo abierto (PCA) se practican en suelos, para obtener muestras alteradas e inalteradas. Son excavaciones que en planta miden aproximadamente 1.0 por 1.2 m, o el espacio necesario para que el laboratorista descienda a su interior y tome las muestras requeridas. Por su parte, la profundidad se determina tanto en función de la magnitud de las cargas que se pretendan aplicar, como de la naturaleza de los materiales que se haya previsto encontrar, previsión construida con base precisamente en las técnicas mencionadas en el capítulo anterior. Así por ejemplo, en la denominada Zona III del subsuelo del Distrito Federal, está reglamentado que se deben hacer exploraciones profundas (del orden de 30 m o más) aún en el caso de edificios ligeros (de sólo dos niveles, por ejemplo).

Para el caso de las muestras alteradas se requiere de pico y pala y algún recipiente para almacenar la muestra, usualmente una bolsa de tela resistente. La definición de los materiales a muestrear quedará a cargo del ingeniero responsable del trabajo.

Por su parte, las muestras inalteradas consisten en cubos de aproximadamente 30 cm de arista, que deben ser labrados cuidadosamente por el laboratorista, cuando el material encontrado así lo posibilite. Previo a su transporte, la muestra debe protegerse con manta de cielo y cera, con lo cual además queda lista para su almacenaje en el laboratorio.

FIGURA 4.2. MUESTRA CÚBICA INALTERADA

Una variante de esta forma de exploración también aplicable en suelos, lo son las Trincheras o Tajos, cuyas dimensiones en planta definen una figura claramente rectangular. Mediante esta variante es posible hacer un seguimiento más cercano de estratos u otras condiciones que merezcan particular atención.

En cuanto a las Lumbreras y los Túneles, son de aplicación usual en rocas, sobre todo para hacer mediciones in situ. En el primer caso son esencialmente verticales y en el segundo lo son horizontales. En párrafos posteriores se describirán algunos componentes de los procedimientos de prueba para efectuar estas mediciones.

4.2 SONDEOS DE PRUEBA Y MUESTREO PROFUNDO.

Cuando se desea obtener muestras de materiales localizados a profundidades significativas, entonces la solución a base de pozos puede ya no ser practicable y requerirse de equipo y herramientas especiales. Dependiendo de la forma en que esas herramientas sean capaces de atravesar, y de obtener muestras de los materiales atravesados, se generan las siguientes alternativas.

A.HERRAMIENTAS HELICOIDALES

Se pueden usar en suelos, siempre que no sean muy resistentes, en cuyo caso, las muestras del material atravesado se retienen en el ‘paso’ del tornillo

de gran tamaño en que consisten estas herramientas. Desde luego, el tipo de muestras así obtenidas son alteradas y se pueden recuperar sólo cuando los materiales tienen alguna cohesión. Conforme se va incrementando la profundidad, se requiere del uso de extensiones tubulares. Cuando los materiales atravesados son muy resistentes, estos muestreadores helicoidales se complementan con herramientas barrenadoras que funcionan por rotación, mediante las cuales se logra el avance en la punta del sondeo.

Debe agregarse que existen también herramientas manuales de este tipo, para el caso de exploraciones superficiales.

FIGURA 4.3. HERRAMIENTA DE AVANCE HELICOIDAL.

B.HERRAMIENTAS DE LAVADO

Cuando el tipo de material lo permite, el avance en la punta del sondeo se puede lograr inyectando agua a presión. Se reporta que se usa cada vez con menor frecuencia en países desarrollados. Claramente, las muestras obtenidas son alteradas y se recuperan suspendidas en el agua inyectada, la cual se recupera ordenadamente a la salida de la perforación. C.HERRAMIENTAS ROTATORIAS

Como el nombre lo describe, estas herramientas logran atravesar materiales, inclusive de gran dureza, gracias a su movimiento rotatorio guiado por barrenos o brocas, que se colocan en la punta del dispositivo y que desgastan a los materiales encontrados, permitiendo así el avance de las herramientas.

Ya se mencionó que pueden usarse en forma combinada con muestreadores helicoidales, pero también pueden usarse de manera independiente o como auxiliares de otras herramientas, aprovechando su capacidad de desgaste sobre materiales de gran dureza. Además del avance que se logra mediante los barrenos, éstos deben acompañarse del empleo de agua que se inyecta a presión, sobre todo para enfriar la broca. En ocasiones al agua se le agrega bentonita, material que le proporciona gran densidad a la mezcla resultante, la cual permite que las paredes de la excavación permanezcan estables.

Si se desea la extracción de muestras, deben introducirse tubos muestreadores, conectados a la tubería y a las brocas que posibilitan el avance en la perforación. Si es suficiente con la obtención de muestras alteradas, entonces basta con el uso de un barril sencillo, pero si se desea obtener muestras inalteradas, entonces debe emplearse un barril doble giratorio, en cuyo caso se debe complementar el tubo conectado a la herramienta de avance por rotación, con otro tubo, concéntrico y de menor diámetro, en cuyo interior se aloja la muestra; este sistema de doble tubo funciona de manera tal que, mientras el tubo exterior de mayor diámetro gira junto con la herramienta de avance, el tubo interior no gira y sólo se usa como contenedor de la muestra, la cual se recupera así con una alteración supuestamente mínima.

D.HERRAMIENTAS DE PERCUSIÓN

En la práctica de la ingeniería civil mexicana es muy frecuente el uso de herramientas de este tipo, en particular su variante conocida como Prueba de Penetración Estándar. Como el nombre lo indica, estas herramientas consiguen avanzar mediante la aplicación de golpes, en un proceso debidamente normalizado que permite la recuperación de muestras.

Como puede entenderse, este procedimiento es aplicable sólo en casos en los que se pretenda muestrear suelos. Cuando se localizan rocas, fragmentos de roca o suelos muy resistentes, será necesario combinar el uso de estas herramientas con las de avance rotatorio.

Por lo mencionado en el primer párrafo de este apartado, es conveniente detenerse a presentar algunos detalles de esta forma de explorar. También se dijo que el procedimiento está normalizado y por tanto, definido hasta en sus mínimos detalles, aunque aquí sólo se hará una descripción de sus aspectos más generales.

El muestreador consiste en un tubo de 50 cm de longitud, identificado como penetrómetro o también como muestreador de Media Caña o de Tubo Partido, porque está dividido longitudinalmente en dos mitades. Cuando se va a utilizar, se ajustan las dos partes y se sujetan con un cople, que además se usa para conectar este tubo a la barra de perforación. Conviene agregar que los diámetros interior y exterior más frecuentes del penetrómetro son de 35 mm y 50 mm, respectivamente. Antes de empezar la prueba, se coloca en su interior una bolsa de plástico en la cual quedará alojada la muestra.

FIGURA 4.4. HERRAMIENTA DE PENETRACIÓN ESTÁNDAR.

Para iniciar la prueba, se coloca el muestreador en posición vertical sobre la superficie del terreno, sujetado y dirigido por la barra de perforación. Los golpes que harán penetrar el tubo dentro del terreno, son aplicados mediante un martillo en forma de cilindro hueco, el cual se introduce en la barra de perforación, que hace las veces de guía del martillo. Se coloca también un tope en dicha barra, con lo cual se fija una altura de caída constante para el cilindro. A continuación se eleva el martillo hasta llegar al tope y se le deja caer libremente sobre el muestreador, aplicándole así el primer Golpe. Conforme a lo expuesto, cada golpe aplicado tiene siempre la misma intensidad, porque el peso del martillo es constante, igual que su altura de caída.

Posteriormente se realiza esta misma operación cuantas veces sea necesario para lograr que el muestreador avance una distancia de 0.5 m y se registra el número de golpes, N, que se haya requerido para ello. Enseguida, se retira la muestra alojada dentro del penetrómetro desatornillando el cople y separando las dos mitades del tubo; se le hace una identificación de campo y se le almacena cuidadosamente, registrando su profundidad.

Esta operación, que se repite para cada medio metro, prosigue hasta llegar a la profundidad previamente asignada al sondeo o en su caso, hasta llegar a algún material también definido de antemano.

Una información de gran relevancia que se obtiene de este tipo de sondeo consiste en la gráfica que se puede construir mostrando la variación del valor de N, conocido como Resistencia a la Penetración Estándar, con respecto a la profundidad. La gran importancia que tiene lo anterior se debe a que se han podido construir gráficas o tablas, que relacionan este valor de N con las componentes de la resistencia al esfuerzo cortante de los materiales muestreados, lo que constituye un importante complemento, o incluso un sustituto, de los trabajos de laboratorio orientados a definir el comportamiento mecánico de esos materiales.

Debe agregarse que, además de las aplicaciones descritas, mediante esta prueba es posible la obtención de las muestras alteradas que se alojan en el tubo muestreador. Regularmente, esas muestras se usan para identificar los materiales conforme al procedimiento normalizado en el Sistema Unificado de Clasificación de Suelos (S.U.C.S.), que se aplica en prácticamente todo el mundo. La Figura 4.1 muestra resultados típicos de dicho procedimiento. Algunas herramientas complementarias de este equipo de sondeo son el

Cucharón raspador y el Muestreador de pistón, que se usan cuando se presentan casos especiales de suelos. Para finalizar este apartado, en la siguiente figura se muestra una forma típica de representar los resultados de este tipo de sondeo.

FIGURA 4.5. GRÁFICA DE VARIACIÓN DE N (RPE) CON RESPECTO A LA PROFUNDIDAD

E.HERRAMIENTAS DE PRESIÓN

Algunos materiales son suficientemente blandos para permitir la penetración de herramientas que avanzan al aplicarles una presión estática. En particular, cuando se pretende la obtención de muestras alteradas superficiales pueden emplearse Palas Posteadoras.

También para el caso de materiales blandos, pero si se desea obtener muestras inalteradas, incluso de materiales localizados a grandes profundidades, se puede emplear el Tubo Shelby, también conocido como Tubo de Pared Delgada.

Otra variante de esta forma de avance es la Prueba de Penetración de Cono, que no requiere de barrenar para medir resistencias del suelo atravesado. En este último aspecto resulta similar a la prueba de penetración estándar. Aparentemente se emplea con frecuencia en Europa, en donde también se han

desarrollado correlaciones de sus resultados, con los de mediciones específicas del comportamiento mecánico de materiales.

4.3 BARRENACIÓN DE PRUEBA DE GRAN DIÁMETRO.

Algunas de las herramientas Rotatorias pueden realizar sondeos con diámetros hasta de 30 cm de diámetro, aplicables cuando se decide la conveniencia de contar con muestras de ese tamaño.

4.4 UTILIZACIÓN DE RESULTADOS

Como ya se mencionó, los resultados perseguidos mediante los sondeos, son los de contar con muestras de los materiales para su identificación y/o para medir su comportamiento mecánico. En casos especiales se realizan para hacer mediciones In Situ (en el lugar) de aspectos específicos de interés para el diseño geotécnico. Tal es el caso de las mediciones que sistemáticamente deben hacerse del Nivel de Aguas Freáticas, definido en algún capítulo previo.

Otros sondeos pueden usarse para hacer mediciones In situ del comportamiento mecánico de los materiales encontrados. Enseguida se mencionan algunas de ellas.

PRUEBA DE LA VELETA. Es la más conocida y consiste en hincar en el material de interés, un dispositivo similar a una veleta, compuesto por dos placas que se intersectan en ángulo recto. Una vez colocado dentro del material, se le aplica un par de fuerzas, propiciando así el giro del aparato, lo cual ocurre justamente cuando se vence la resistencia al esfuerzo cortante del material, a lo largo del plano cilíndrico configurado por el giro de la veleta dentro del mismo.

FIGURA 4. 6. DISPOSITIVOS PARA LA PRUEBA DE LA VELETA.

PRESIÓMETRO. Es una prueba ya normalizada (ASTM) y permite medir la resistencia y la deformabilidad de un suelo. Para ello se inserta un muestreador con tres celdas dentro de una perforación previa. Las celdas superior e inferior se llaman celdas de guarda y la intermedia es la celda de medición. La prueba consiste en aplicar presión al muestreador, que puede expandirse mediante un gas o un líquido, hasta lograr que el suelo falle o hasta que se alcance la presión límite del aparato. Estas mediciones se realizan a diferentes profundidades, con lo que se puede construir una gráfica acerca de la manera en que esta presión varía con respecto a la profundidad.

DILATÓMETRO. En este caso se hinca en el suelo el dilatómetro, que consiste en una placa plana rectangular metálica, en cuyo centro tiene colocada una membrana de acero delgada plana, circular y expansible, en cuyo interior se inyecta gas nitrógeno, para expandirla de manera similar al presiómetro. Se toman lecturas de la presión aplicada para lograr que se tenga cierta expansión de la membrana, a profundidades separadas entre sí cada 20 o 30 cm y se registra la respuesta del material sujeto a dicha presión.

En el caso de rocas, también existen procedimientos específicos de medición de propiedades In situ, los cuales se describirán en el capítulo siguiente.

IV.B. MÉTODOS INDIRECTOS

Estos métodos permiten, sin necesidad de obtener muestras físicas de los materiales, aprovechar su respuesta a estímulos físicos externos de diversos tipos: Magnético, sísmico, gravitacional y eléctrico, para hacer mediciones de cada una de esas respuestas, las cuales posteriormente son correlacionadas con su comportamiento mecánico.

4.5 MÉTODOS MAGNÉTICOS

Los magnetómetros están diseñados para medir las variaciones en el campo magnético de la tierra. Es usual que estas variaciones sean causadas por la presencia de algún material magnéticamente susceptible, natural o artificial (típicamente magnetita o hierro en cada una de esas opciones). En ciertos casos estos datos pueden interpretarse cuantitativamente y transformarse en modelos geológicos restringidos, pero lo más frecuente es interpretarlos cualitativamente y usarlos sólo para verificar la presencia o ausencia de materiales magnéticamente susceptibles.

4.6 MÉTODOS SÍSMICOS

Estos métodos están basados en la medición de las velocidades con las que viajan ondas acústicas generadas mediante la aplicación de impactos o mediante la explosión controlada de pequeñas cargas. Se han desarrollado varios procedimientos a partir de ese principio común, dentro de los que se destacan los siguientes:

REFRACCIÓN SÍSMICA. Comúnmente las pulsaciones acústicas se generan en fuentes con localización predeterminada (S) a lo largo del perfil de refracción sísmica. Los tiempos de viaje de la energía acústica que ha sido refractada críticamente en los horizontes de interés (L1) se registran en puntos de recepción predeterminados (R1, R2, etc.). La información del tiempo de viaje registrado, se usa para generar un perfil velocidad-estructura del subsuelo superficial a lo largo del perfil de refracción. Si se cuenta con restricciones externas, el perfil velocidad-estructura se puede transformar en un modelo geológico.

REFLEXIÓN SÍSMICA. Comúnmente las pulsaciones acústicas se generan en fuentes con localización predeterminada (S) a lo largo del perfil de reflexión sísmica. Los tiempos de viaje y las amplitudes de la energía acústica reflejada se registran en puntos de recepción predeterminados (R1, R2, etc.). La información del tiempo de viaje-amplitud registrada, se usa para generar un perfil de reflexión sísmica. Si se cuenta con restricciones externas, el perfil velocidad-estructura se puede transformar en un modelo geológico.

MASW. La energía de la onda superficial (Onda Rayleigh), generada por una fuente acústica cercana, se registra en puntos de recepción predeterminados (R1, R2, etc.). Una curva de dispersión (Velocidad de fase-frecuencia), generada a partir de los datos adquiridos en campo, se invierte y se usa para

generar un perfil de la velocidad de onda de cortante en una dimensión (generalmente atado al centro físico de la matriz receptora). Si se adquieren conjuntos adicionales de datos MASW en sitios adyacentes, se pueden generar modelos de velocidad de la onda de cortante en 2D o en 3D. Si se cuenta con restricciones externas, el perfil velocidad-estructura se puede transformar en un modelo geológico

REFRACCIÓN MICROTREMOR. La energía de la onda superficial (Onda Rayleigh), generada mediante una fuente acústica pasiva, se registra en puntos de recepción predeterminados (R1, R2, etc.). Una curva de dispersión (Velocidad de fase-frecuencia), generada a partir de los datos adquiridos en campo, se invierte y se usa para generar un perfil de la velocidad de onda de cortante en una dimensión (generalmente atado al centro físico de la matriz receptora). Si se adquieren conjuntos adicionales de datos ReMi en sitios adyacentes, se pueden generar modelos de velocidad de la onda de cortante en 2D o en 3D. Si se cuenta con restricciones externas, el perfil velocidad-estructura se puede transformar en un modelo geológico

TOMOGRAFÍA CROSS-HOLE. Comúnmente, se generan pulsaciones acústicas de alta frecuencia en fuentes con localización predeterminada (S) en un sondeo de origen (SB). La amplitud y el tiempo de llegada de arribos directos (y otros) de esas pulsaciones, se registran en puntos de recepción predeterminados en el sondeo de recepción (RB). Los datos registrados de tiempo de llegada-amplitud son analizados estadísticamente y usados para generar un modelo de velocidad-atenuación en secciones transversales, del área entre el sondeo de origen y el de recepción. Si se cuenta con restricciones externas, el perfil velocidad-estructura se puede transformar en un modelo geológico.

4.7 MÉTODOS GRAVIMÉTRICOS

Los gravímetros están diseñados para medir las variaciones en el campo gravitacional de la tierra y comúnmente se usan para generar modelos del subsuelo del tipo densidad vs. Profundidad, en 2D o en 3D. Como ejemplo de lo anterior se puede contrastar la diferencia en la percepción, usando uno de estos aparatos, del subsuelo donde se localiza una caverna y del subsuelo de Fort Knox.

4.8 MÉTODOS ELÉCTRICOS

GPR. Normalmente la energía de pulsación EM se genera en fuentes con localización predeterminada a lo largo de un perfil GPR. Usualmente, los tiempos de viaje y las amplitudes de la energía EM reflejada, se registran mediante un transmisor-receptor monostático. La información registrada tiempo de viaje-amplitud, normalmente es usada para generar un perfil GPR (Imagen 2D de tiempo-amplitud). Estos datos se pueden transformar en un modelo velocidad-profundidad en 2D. Si se cuenta con restricciones externas, se puede generar un modelo geológico.

RESISTIVIDAD ELÉCTRICA. Normalmente, la corriente eléctrica (I) es inducida entre pares de electrodos (C1, C2). La diferencia de potencial (ΔV) entre un par de electrodos (P1, P2) se mide con un voltímetro. Posteriormente, basándose en los valores de la corriente, la diferencia de potencial y el espaciamiento entre electrodos, se calcula la resistividad aparente. Si el espaciamiento entre electrodos se aumenta con respecto a un punto central, puede generarse un sondeo resistividad-profundidad. Si el arreglo se expande y se mueve a lo largo de la superficie, se pueden generar modelos de resistividad-profundidad en 2D y 3D. Si se cuenta con restricciones externas, los modelos de resistividad-profundidad se pueden transformar en modelos geológicos.

IP. Se adquieren dos tipos de datos IP: Dominio de frecuencia y dominio de tiempo. Los datos IP del dominio de frecuencia se generan comparando las resistividades aparentes determinadas para dos corrientes de entrada de frecuencia variable. Los datos de dominio de tiempo se generan midiendo la velocidad de disminución de la diferencia de potencial medida después de que cesa el flujo de corriente. El IP mide las propiedades capacitivas del suelo y se usa para estimar cuantitativa y cualitativamente la concentración y distribución de mineralización arcillosa metálica.

SP. Las herramientas SP se usan principalmente para medir: a) Diferencias naturales de potencial que se presentan por oxidación-reducción de cuerpos metálicos extendidos sobre el nivel de aguas freáticas, y b) El flujo de potencial asociado al flujo de agua subterránea. Los datos SP son interpretados normalmente de manera cualitativa, y son usados rutinariamente para localizar zonas de filtración en presas de tierra y diques.

EM. Las herramientas EM son usadas para medir la respuesta de la tierra con respecto a la energía EM natural o antropogénica. Estas medidas se pueden realizar en el dominio de tiempo o de frecuencia. Algunas herramientas son usadas para localizar metales o servicios públicos; otras se usan para crear modelos del subsuelo de conductividad-profundidad. Si se cuenta con restricciones externas, los modelos conductividad-profundidad se pueden transformar en modelos geológicos.

4.9 GEOFÍSICA Y AGUA FREÁTICA

Dentro de las descripciones realizadas de cada uno de los métodos geofísicos, se pueden identificar aquellos que resultan particularmente útiles para identificar la posición de las aguas subterráneas, en particular las aguas freáticas, por la gran importancia de ese dato tanto para el diseño como para la construcción de obras civiles.

4.10 COSTO DE LA INVESTIGACIÓN SUPERFICIAL.

En términos generales, los datos disponibles muestran que, para los procedimientos más frecuentemente usados en la práctica de la ingeniería civil

mexicana, los precios de las exploraciones mediante métodos indirectos, son más bajos que los de las mismas pero realizadas con métodos directos.

Como una de las conclusiones de este capítulo debe anotarse la conveniencia de poder combinar ambos tipos de métodos de exploración: Los Directos y los Indirectos porque, como ha podido mostrarse, los alcances respectivos de cada uno de ambos grupos se complementan, de modo que, cuando el presupuesto del proyecto lo permita, será muy conveniente hacer esta combinación.

V. MINERALOGÍA Y PETROGRAFÍA

5.1. MINERALOGÍA FÍSICA, QUÍMICA Y ÓPTICA

Como este aspecto ya se abordó en el capítulo 2, aquí solamente se enfatizará en la necesidad de entender los conceptos básicos de esta rama de la Geología, por la utilidad que tiene en la comprensión de procedimientos usados para identificar los minerales constitutivos de las rocas y, consecuentemente, la identificación de las propias rocas.

5.2. CONSTITUCIÓN MINERAL Y TEXTURA DE ROCAS

Igual que el párrafo anterior, este aspecto fue abordado en el capítulo 2 y, tal como se adelantó en dicho párrafo, el contenido del presente tiene el objetivo básico de conocer los procedimientos usados para identificar rocas de manera preliminar, en cuyo caso reconocer las texturas de las rocas es de utilidad.

TEXTURAS COMUNES DE ROCAS SEDIMENTARIAS

Las diferencias en la naturaleza de sus partículas constituyentes y en cómo se ligan entre ellas, determinan la textura de una roca sedimentaria, dando lugar a las siguientes:

CLÁSTICA. (Del griego “roto”). Está compuesta de los fragmentos rotos de minerales pre-existentes y de partículas de roca o de conchas que se han cementado entre sí. Se pueden definir diferencias adicionales a partir del tamaño de las partículas y del redondeo de los fragmentos individuales.

ORGÁNICA. Se compone de la acumulación de residuos orgánicos (Conchas, restos de plantas, huesos, etc.), en la cual las partículas orgánicas individuales están tan bien preservadas que esos rasgos orgánicos dominan la textura de la roca.

CRISTALINA. Está compuesta de cristales precipitados por solución y por lo tanto fuertemente entreverados por interpenetración mutua durante su crecimiento. La roca debe entonces su coherencia a que sus cristales están así

de entreverados y no tanto a la presencia de algún cementante, como en las texturas clásticas y orgánicas.

TEXTURAS COMUNES DE ROCAS ÍGNEAS

Están determinadas por las diferencias en el grado de cristalinidad y en el tamaño de los cristales. Estos dos factores están controlados principalmente por la velocidad de enfriamiento de los cristales, aunque también influyen la composición química del magma y su contenido de materiales volátiles.

PIROCLÁSTICA (Del griego “roto por el fuego”). Está compuesta por slivers de vidrio volcánico, trozos de pómez frothy, fenocristales y fragmentos rotos de roca volcánica, todos ellos depositados juntos. Los slivers de vidrio y el pómez pueden estar grandemente alterados y transformados en arcilla. Las rocas piroclásticas son el producto de explosiones volcánicas o de flujos piroclásticos.

VÍTREA. Se compone casi completamente de vidrio volcánico masivo o streaky. Pequeños fenocristales de feldespato o de otros minerales pueden estar dispersos entre el vidrio. El vidrio puede estar frothy, relleno con pequeñas burbujas y formar una textura vítrea pumítica.

AFANÍTICA (Del griego “invisible”). Está compuesta principalmente por pequeños cristales (De menos de 0.5 mm de diámetro), con o sin residuos vítreos entre ellos. Los cristales son meramente specks, suficientemente grandes para verse, pero demasiado pequeños para identificarse sin ayuda del microscopio. Su presencia le da a la roca un lustre stony o dull, en contraste con el lustre vítreo de las rocas con textura también vítrea. La mayoría de los flujos de lava tienen textura afanítica, pero en algunos el flujo ocasiona el alineamiento de los pequeños granos minerales, dando una apariencia streaky o de bandeado por flujo.

GRANULAR. Se compone de cristales suficientemente grandes para verse e identificarse si ayuda de lentes o de microscopio. Para diferentes rocas, el tamaño promedio de los cristales puede variar de alrededor de 0.5 mm a más de 1 cm de diámetro, pero las rocas granulares comunes tales como el granito tienen granos que varían en tamaños de 3 a 5 mm.

TEXTURA MODIFICADA: PORFIRÍTICA. Está compuesta por dos tamaños de minerales totalmente diferentes, dando una apariencia spotted. Como la textura porfirítica es muy común en pequeños cuerpos intrusivos o en lavas, ha sido atribuida a un cambio en la velocidad de enfriamiento mientras el magma se cristaliza. El proceso inferido se explica así: Un gran cuerpo de magma subterráneo puede enfriarse a una temperatura a la cual uno o más minerales empiezan a cristalizarse. Como el enfriamiento es lento, los cristales de estos minerales alcanzan tamaños considerables. Pero si cuando el magma está medianamente cristalizado, se abre una fisura en el techo de la cámara, parte del magma con sus cristales suspendidos, puede emerger y formar un flujo de lava en la superficie. La porción todavía líquida del magma se enfría rápidamente en la superficie del terreno y rodea a los cristales grandes,

llamados fenocristales, con una masa de cristales afaníticos. Así, los fenocristales se forman bajo la superficie y la masa afanítica en la superficie. Una lava de este tipo tiene una textura afanítica porfirítica. El adjetivo porfirítica se usa para modificar la textura prevaleciente en la masa. Las rocas con textura granular porfirítica - grandes cristales en una masa granular de grano fino -, es común en cuerpos intrusivos. Y la textura vítrea porfirítica aparece en algunos flujos de lava y en los fragmentos de pómez de las rocas piroclásticas. Es muy raro que otras condiciones, diferentes a cambios en la velocidad de enfriamiento, puedan producir rocas porfiríticas.

TEXTURAS DE ROCAS METAMÓRFICAS

GNEISSICA. Gruesamente foliada, con espesores de foliaciones de más de 1 mm y hasta de varios cm de espesor. Puede incluir feldespatos alternados con minerales oscuros.

ESQUISTOSA. Finamente foliada, formando delgadas bandas paralelas. Los minerales se aprecian a simple vista, siendo principalmente de forma plana o de aguja, como mica, clorita y anfibola.

PIZARROSA (Slaty). Muy finamente foliada, produciendo planos casi rígidamente paralelos, debidos al casi perfecto paralelismo de cristales microscópicos de minerales aplanados, principalmente mica.

GRANOBLÁSTICA. No foliada o escasamente foliada, compuesta de granos de minerales mutuamente interpenetrados, cristalizados simultáneamente, con minerales mayormente equidimensionales como cuarzo, feldespato y piroxeno

HORNFÉLSICA. No foliada, con granos de minerales comúnmente microscópicos. Se rompe en pedazos muy angulosos con superficies de fractura curvas.

5.3. ROCA INTACTA Y MASAS DE ROCA

De conformidad con los planteamientos del más distinguido especialista mexicano en mecánica de rocas, se puede afirmar que una roca es un conjunto de minerales surcado por discontinuidades y que, por lo tanto, la propiedad fundamental de las masas de roca es su discontinuidad. Aparentemente esto hace innecesaria la práctica de obtención de muestras de roca, porque los aspectos más críticos de su comportamiento no están gobernados por el que tengan las masas sanas de roca, sino por el de sus discontinuidades. En este sentido, dicho experto enfatiza más bien en la necesidad de realizar pruebas en campo, que en la obtención de muestras de roca sana.

5.4. CLASIFICACIÓN DE ROCAS

De manera similar a lo expuesto en los párrafos 5.1 y 5.2, en este párrafo sólo se ratifica que en el capítulo 2 ya fue tratado lo relativo a la clasificación de las rocas en rocas ígneas, sedimentarias y metamórficas.

5.5. PROPIEDADES FÍSICAS Y MECÁNICAS DE ROCAS

ESTRUCTURA Y PROPIEDADES ÍNDICES DE LAS ROCAS.

POROSIDAD. Las rocas son materiales porosos. Las Rocas Sedimentarias y las Rocas Ígneas Extrusivas alcanzan porosidades de 20 %, mientras que las Rocas Ígneas Intrusivas de sólo 0.1%. La porosidad se debe a Inclusiones y Grietas y hay procedimientos especiales para medirla.

En Ingeniería se ha creado, para estimar de manera preliminar el comportamiento mecánico de una roca, el Índice de Calidad de la Roca RQD, el cual se define como un cociente. En el numerador se anota la longitud de tramos mayores de 10 cm y en el denominador la longitud total del sondeo. Para complementar esta información, se han creado tablas de valores de este índice para diferentes tipos de roca.

CONTENIDO DE AGUA (w). Tal como ocurre en el caso de los suelos, cuando el contenido de agua aumenta, disminuye la Resistencia a la Compresión Simple (RCS). A este respecto se puede mencionar el ejemplo de cómo, al aumentar el contenido de agua en tobas localizadas en el estado de Jalisco, su RCS disminuyó de 210 a 30 kg/cm2.

ALTERACIÓN Y ALTERABILIDAD. Como se ha mencionado, la alteración de rocas es ocasionada por los agentes del intemperismo, los que producen modificaciones en la estructura y la composición mineralógica. Se ha podido demostrar que a mayor alteración se tiene una menor Resistencia a la Compresión Simple.

También se ha demostrado que a mayor alteración de las rocas, se tienen incrementos en su porosidad. En cuanto a la alterabilidad, es claro que se refiere a la medida en la que una roca es susceptible a ser alterada.

SENSITIVIDAD. Esta propiedad se establece analizando la variación en la permeabilidad al agua, en función del estado de esfuerzos aplicado. El interés de medirla se encuentra en el hecho de haber encontrado correlaciones entre la sensitividad de las rocas y la intensidad de su fisuración.

RESISTENCIA Y DEFORMABILIDAD. Puede ser de utilidad hacer mediciones de esta propiedad sobre muestras de roca para el diseño de obras específicas pero, por lo expuesto en el párrafo 5.3, su validez es limitada. En todo caso, cuando se han medido, se ha encontrado que dependen de las siguientes variables:

Efecto de escala. Aún con la misma relación de esbeltez, la Resistencia y la Deformabilidad cambian con el tamaño del espécimen.

Efecto de la forma. También la forma del espécimen influye en los valores de estas propiedades

Anisotropía. El efecto sobre estas propiedades es muy notable en el caso de rocas metamórficas.

Efecto de las presiones de poro. Tal como ocurre en el caso de los suelos, en las rocas es aplicable el principio de esfuerzos efectivos.

CRITERIOS DE FALLA. Se han podido desarrollar métodos que establecen cómo valorar el comportamiento de rocas sometidas a pruebas de compresión triaxial. Se ha encontrado que tales criterios quedan en función del tipo de roca y de los valores del esfuerzo de confinamiento aplicados.

MASAS ROCOSAS.

El comportamiento mecánico e hidráulico de una masa de roca depende primordialmente de la configuración de sus discontinuidades. Estas se agrupan en familias de juntas, planos de estratificación, superficies de foliación y fallas. Por tanto, es básico clasificar y levantar esas superficies de discontinuidad.

CLASIFICACIÓN Y LEVANTAMIENTO DE DISCONTINUIDADES. Para llevar a cabo esta operación son esenciales los métodos topográficos, enriquecidos con las definiciones geológicas aplicables.

MEDICIÓN DE LOS ESFUERZOS INTERNOS. En las masas rocosas, las reglas de la mecánica de suelos respecto al estado de esfuerzos inicial ya no son válidas, sobre todo por el efecto del tectonismo. Por tanto, se han desarrollado métodos para medir ese estado de esfuerzos:

MÉTODO DE RELAJACIÓN DE ESFUERZOS.

MÉTODO DEL GATO PLANO.

MÉTODO DE FRACTURACIÓN HIDRÁULICA.

DEFORMABILIDAD. Debido al efecto de escala, no es correcto usar pruebas de laboratorio para medir el comportamiento de las masas rocosas y se requieren pruebas IN SITU:

PRUEBAS ESTÁTICAS DE PLACA.

PRUEBAS ESTÁTICAS EN SONDEOS Y CÁMARAS DE PRESIÓN.

Un macizo rocoso es discontinuo, inelástico y heterogéneo, salvo casos muy especiales. Además, las rocas metamórficas o sedimentarias muestran un comportamiento anisotrópico. Por tanto, es difícil asignar un valor de E a una roca dada. Así, las pruebas mencionadas sólo proporcionan índices del comportamiento y el orden de magnitud de E de la masa en conjunto.

PRUEBAS DE RESISTENCIA IN SITU. Como ya se ha dicho, debe darse especial atención a medir las propiedades de los materiales débiles dentro de la masa rocosa. Pero cuando las discontinuidades no contienen relleno o están constituidas por un contacto entre dos formaciones, las pruebas de laboratorio no son aplicables y deben usarse pruebas IN SITU.

PERMEABILIDAD. En rocas la prueba empleada es la prueba Lugeon.

5.6. PROPIEDADES FÍSICAS Y MECÁNICAS DE SUELOS

5.6.1. PROPIEDADES ÍNDICES

Tienen como objetivo básico el de identificar a los suelos conforme al Sistema Unificado de Clasificación de Suelos. Para ello se realizan las pruebas de laboratorio de Granulometría y de Límites de Consistencia. Complementariamente se determinan las relaciones volumétricas y gravimétricas. La Figura 5.1. presenta resultados típicos de la primera de las pruebas mencionadas.

FIGURA 5.1. CURVA DE DISTRIBUCIÓN GRANULOMÉTRICA

5.6.2. PROPIEDADES MECÁNICAS

La información cuantitativa y cualitativa necesaria para un diseño geotécnico, se obtiene realizando sobre muestras inalteradas, pruebas de laboratorio orientadas a determinar tres propiedades básicas: (1) La resistencia al esfuerzo cortante, (2) La compresibilidad y (3) La permeabilidad de los materiales del sitio. Dan información suficiente de las componentes de su comportamiento mecánico, aplicables a casi cualquier problema geotécnico. Como ilustración del caso (1), la Figura 5.3 muestra la cámara de compresión triaxial y la figura 5.2 muestra los círculos de Mohr que se obtienen a partir de ella.

FIGURA 5.2. GRÁFICA DE LEY DE RESISTENCIA

FIGURA 5.3. CÁMARA DE COMPRESIÓN TRIAXIAL

FIGURA 5.4. ESQUEMA DE PRUEBA DE COMPRESIÓN TRIAXIAL

FIGURA 5.5. ESQUEMA DE PRUEBA DE CORTE DIRECTO

La finalidad última de estas pruebas es la de obtener dos valores que determinan la resistencia al esfuerzo cortante de los suelos: La cohesión, c, y el ángulo de fricción interna, φ

Para el caso de la consolidación, la figura 5.6 muestra un esquema de la condición básica de dicha prueba. Realizada sobre especímenes cilíndricos de 1” de espesor y de 4” de diámetro, rigurosamente confinado con el fin de evitar deformaciones laterales, consiste en aplicarle un esfuerzo axial, permitiendo el drenaje del agua que contiene, generándose el definido precisamente como proceso de consolidación para el cual existe un modelo matemático que se integra con los resultados de esta prueba de laboratorio, lográndose finalmente un esquema razonablemente preciso de la manera en que los suelos finos se deforman ante la aplicación de cargas.

FIGURA 5.6. ESQUEMA DE PRUEBA DE CONSOLIDACIÓN

La Figura 5.7 presenta los resultados de una prueba de este tipo, identificados como curvas de compresibilidad, las cuales son empleadas para el cálculo de las deformaciones, a su vez identificadas con el término de Asentamientos.

FIGURA 5.7. RESULTADOS DE PRUEBA DE CONSOLIDACIÓN: CURVAS DE COMPRESIBILIDAD.

Finalmente, la permeabilidad en suelos se mide usualmente de manera directa en el laboratorio mediante aparatos conocidos como permeámetros, de los cuales existen dos variantes: De carga constante y de carga variable. También se puede medir de manera indirecta usando los resultados de una prueba de consolidación o los de una prueba de granulometría. La finalidad de todos ellos es la de obtener el coeficiente de permeabilidad, k, que se expresa en cm/seg. En su caso, también pueden realizarse pruebas de campo para determinar este coeficiente, consistentes en pruebas de bombeo.

VI. GEOHIDROLOGÍA

6.1. CARACTERÍSTICAS DEL AGUA SUPERFICIAL Y SUBTERRÁNEA

En los párrafos 2.5 y 2.6 se presentaron aspectos generales acerca de estas características, por lo que ya no se agregarán más detalles aquí.

6.2. INFLUENCIA DE LA NATURALEZA DE LA ROCA

Conforme a lo expuesto en los párrafos 2.5 y 2.6, queda claro que hay uno de los aspectos de la naturaleza de la roca que influye de manera muy importante en sus relaciones con el agua, tanto superficial como subterránea: Su permeabilidad.

6.3. INFLUENCIA DE LA ESTRUCTURA GEOLÓGICA

Con base en los mismos párrafos ya mencionados y en los datos presentados en el 2.4, también puede identificarse de qué manera influye la presencia de las diferentes estructuras geológicas en las relaciones de las rocas con el agua: La presencia, por ejemplo, de fallas favorece un incremento de la permeabilidad de la masa rocosa.

En el caso de plegamientos, se tendrán dos casos distintos: Cuando se trate de un sinclinal, además del escurrimiento superficial, se favorecerá la acumulación creciente de agua en la parte más baja. Por el contrario, los anticlinales solamente propiciarán el escurrimiento y en casos específicos podrán definir las líneas que definen los límites de una cuenca, conocidas como parteaguas.

La presencia de fallas combinadas como las del Graben estarán definiendo una estructura similar a la de un sinclinal y las del Horst lo harán con la de un anticlinal.

6.4. MOVIMIENTO DEL AGUA SUBTERRÁNEA.

Cuando por razones naturales o artificiales se propicie la existencia de un gradiente en el espacio ocupado por agua subterránea, ocurrirá un flujo de la misma. Es muy importante reconocer en este punto que, cuando se cumplen ciertas condiciones, dicho movimiento de agua puede ser simulado mediante modelos matemáticos conocidos como Redes de Flujo. Esto le da gran relevancia a esta parte del curso, porque permite hacer una referencia concreta a los conocimientos adquiridos previamente por los estudiantes. Hasta el momento de publicación de alguna referencia básica de la geotecnia mexicana, se sabía que las Redes de Flujo se resuelven mediante la siguiente ecuación:

▼2 φ = 0

Esta es la ecuación de Laplace y su solución analítica, según esa referencia, sólo puede obtenerse en forma gráfica. Dicha solución consiste en dos familias de curvas: Una de esas familias se identifica como las Líneas de Corriente, las cuales representan las trayectorias seguidas por las partículas de agua viajando a través del suelo. La otra familia de curvas la constituyen las Líneas Equipotenciales que se intersectan ortogonalmente con las primeras y representan los lugares geométricos de los puntos para los cuales la energía potencial tiene el mismo valor.

Como se sabe, esta Ecuación de Laplace representa una ecuación diferencial parcial de segundo orden y su solución gráfica, dependiendo de las condiciones de frontera, puede ser usada para resolver diferentes casos de redes de flujo, para distintas aplicaciones de ingeniería civil, como son los casos de presas, tablestacados y excavaciones.

FIGURA 5.10. ESQUEMA DE RED DE FLUJO CON SUS FAMILIAS DE LÍNEAS DE CORRIENTE Y DE LÍNEAS EQUIPOTENCIALES.

Queda planteado como ejercicio, que se investigue la posibilidad de que ahora ya exista una solución de este problema no sólo analítica, sino una basada en algún método numérico, como es el caso del Método del Elemento Finito, tal como ha ocurrido en muchas otras ramas de la ingeniería civil y, mejor aún, que se identifique la posibilidad de que ya exista alguna aplicación del mismo para usarse en computadora.

6.5. PERMEABILIDAD

En los párrafos 5.5 y 5.6.2., se presentaron ya los aspectos generales acerca de cómo medir cuantitativamente la permeabilidad de suelos y rocas. Sobre todo en el primer caso, este aspecto adquiere importancia especial, porque el valor del coeficiente de permeabilidad es uno de los requeridos para aplicar las soluciones de las Redes de Flujo, mencionadas en el párrafo anterior.

6.6. IMPORTANCIA EN LA INGENIERÍA CIVIL

La presencia de las aguas superficiales y subterráneas tiene un impacto enorme en todas las aplicaciones de ingeniería civil. En algunos casos su presencia se busca como la solución vital que es y en otros se pretende más bien encontrar las formas más seguras de eliminarla, porque resulta perjudicial en el funcionamiento de todas las demás aplicaciones.

En el caso particular expuesto en los dos párrafos anteriores se tiene, además, el primer acercamiento a las aplicaciones de los conocimientos matemáticos adquiridos por los alumnos, lo que le da un especial valor, porque permite ilustrar cómo la aplicación correcta de esta herramienta les permite nada

menos que pronosticar el funcionamiento de una obra de ingeniería civil, desde luego con las limitaciones propias del modelo que se haya usado.

VII. ESTRUCTURAS GEOLÓGICAS

7.1. ESTRUCTURAS GEOLÓGICAS DE ROCAS ÍGNEAS

En el párrafo 2.4, al exponer los procesos tectónicos que explican la geomorfología, se hizo referencia a las interacciones entre el magma y las trece placas sobre las que se sustentan los continentes. Dentro de ellos se mencionó que son los causantes de la formación de las rocas ígneas, en sus diversas estructuras.

Aquí se remarca que esas estructuras pueden entenderse en función de la manera en que el magma se solidifica por enfriamiento, dando lugar a las rocas ígneas: Si ese enfriamiento ocurre debajo de la superficie terrestre, se forman estructuras de rocas ígneas intrusivas. Pero si ese enfriamiento ocurre sobre la superficie terrestre al ocurrir emisiones de magma, ya sea por escurrimientos suaves o por erupciones volcánicas entonces las estructuras son de rocas ígneas extrusivas.

7.2. ESTRUCTURAS SECUNDARIAS

Igualmente, en el párrafo 2.4 se hizo referencia a la manera en que esos movimientos tectónicos pueden dar lugar a deformaciones o inclusive a la ruptura de las masas rocosas, en este caso no sólo de las rocas ígneas sino de cualquier grupo de ellas, dando lugar a estructuras secundarias, incluyendo las discontinuidades.

7.3. DISCONTINUIDADES

Las discontinuidades de las masas rocosas, si solamente se traducen en deformaciones, particularmente de tipo ondulado, dan lugar a los conocidos como plegamientos o pliegues, y si esas discontinuidades son consecuencia de esfuerzos tan intensos que se traducen en una ruptura de las masas rocosas, entonces ocurre una Fractura de las mismas.

7.4. PLIEGUES

En el mismo párrafo 2.4 se mencionó que los pliegues o plegamientos de las masas rocosas pueden clasificarse en anticlinales o sinclinales.

7.5. FALLAS

Finalmente, las Fracturas de las masas rocosas se conocen como Fallas, si además de presentarse la ruptura, ocurre un desplazamiento relativo entre los bloques resultantes de dichas fracturas. Ya se mencionó también que la combinación de dos fallas dan lugar, dependiendo de la manera en que se

presenten los desplazamientos de los bloques, a estructuras específicas conocidas como Horst o Graben.