Cap 1 - Óscar

Ingeniería Geotécnica Profesor Oscar Echeverri Ramírez

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Capítulo 1. Exploración del suelo y de roca. Generalidades Definición: conjunto de investigaciones de campo y laboratorio necesarias para tener un adecuado conocimiento de las propiedades físicas y mecánicas de los suelos que conforman un lugar determinado. Factores que influyen: a. Tipo de formación de suelo

Formación homogénea: distribución de estratos regular, claramente definida. Reducir número de perforaciones o sitios de exploración. Incrementar ensayos de laboratorio.

Formación heterogénea: perfil errático, irregular Incrementar número de perforaciones y ensayos de campo (determinar suelos blandos y duros). Ensayos de laboratorio sobre suelos más representativos.

b. Tipo de proyecto

Proyectos “pequeños”: edificios de tre pisos, casas, bodegas livianas, pavimentos, etc. Requieren en general pocas exploraciones no muy profundas y ensayos de laboratorio sobre los suelos más representativos.

Proyectos “grandes”: edificios entre 4 y 20 pisos, plantas industriales, etc. Incrementar el número y profundidad de las perforaciones y los ensayos de laboratorio.


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Proyectos “especiales”: edificios de más de 20 pisos, tanques, silos de almacenamiento, etc. Gran número de perforaciones muy profundas y gran cantidad de ensayos de laboratorio.

Actividades previas a las investigaciones de campo y laboratorio. Recolección de información disponible.

a. Estudios de suelos de construcciones existentes. b. Estudios geológicos: mapas, tipos de formaciones

superficiales, fallas, alteraciones, procesos erosivos, tipos de roca.

c. Registros de actividad sísmica.

Inspección directa del lugar y las áreas adyacentes. Topografía, forma del drenaje, erosión, tipo de vegetación, uso de la tierra, taludes de carreteras, márgenes de los ríos, afloramiento rocoso, filtraciones, nacimientos de agua, morfología, funcionamiento de las estructuras vecinas. Reconocimientos aéreos. Cubren mayor área en menor tiempo y permiten obtener información (pares fotográficos) de áreas de difícil acceso. Fotointerpretación. I. Investigaciones de campo Objetivos de una investigación de campo:

Reconocimiento del perfil estratigráfico: composición, espesor y sucesión de los distintos estratos de suelo o roca

.


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Evaluación de las propiedades mecánicas del subsuelo mediante ensayos en el sitio.

Determinación de la profundidad del nivel freático.

Toma de muestras de suelo para ensayos de laboratorio. a. Toma de muestras de suelo. a.1. Inalterada: se conserva la estructura original del suelo. a.1.1. Muestras de cajón

Generalmente se toman cerca de la superficie o en el fondo de excavaciones.

Utilidad: muestras para clasificación (límites de consistencia y granulometría), humedad natural, densidad, resistencia al corte (compresión simple, corte directo, triaxial), consolidación, permeabilidad.


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a.1.2. Muestras en tubo shelby.

Toma de muestras tanto superficiales como profundas.

Para considerar la muestra tomada en tubo como inalterada se

debe cumplir que Ar 20% (relación de áreas menor o igual al 20% ).

El shelby es un tubo de aluminio o acero con bordes afilados. Se usan tubos con diámetro de 2”-5” y longitudes de 20 a 60 cm.


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Una vez se saca el tubo deben parafinarse sus extremos o guardarse en bolsa plástica para evitar la pérdida de humedad.

Existen varios tipos de muestreadores de pared delgada (de pistón, rotatorio, etc.).

Utilidad de las muestras: clasificación, humedad natural, densidad, resistencia al corte, permeabilidad, consolidación.

a.2. Alteradas o remoldeadas: no se conserva la estructura original del suelo.


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Toma de muestras tanto superficiales como profundas.

La forma más simple es tomar la muestra y guardarla en una bolsa plástica. Este procedimiento se utiliza para tomar muestras superficiales.

Las muestras profundas se toman usualmente con el “muestreador normal o estándar” (cuchara o tubo partido). Este muestreador es un tubo de acero, partido longitudinalmente, de 2” de diámetro externo y 45 cm. de longitud. Ver figura siguiente.


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-Utilidad de las muestras: clasificación y humedad natural si han sido empacadas adecuadamente.

b. Métodos de investigación de campo. b.1. Directos: el conocimiento de las propiedades del suelo se obtiene a partir de ensayos “in situ¨ y toma de muestras para ensayos de laboratorio. b.1.1. Apiques. Excavación: pico y pala o retroexcavadora.


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Dimensiones planta: 1,0 x 1,0 m o mayores Profundidad (h): depende del tipo de suelo y de la presencia del nivel freático.

En suelos gruesogranulares limpios: 0,5 m h 1,0 m

Suelos finogranulares (limos, arcillas): h 4,5 m. Si se requieren mayores profundidades es necesario reforzar las paredes del apique con entibados. La presencia del N.F hace necesario el bombeo y se aumentan los costos. El bombeo debe realizarse en forma lenta y continua para evitar derrumbes en la excavación (gradiente hidráulico). Bombeos prolongados producen fenómenos de consolidación y pueden acarrear problemas a construcciones vecinas. Utilidad:

Los apiques permiten conocer la sucesión de estratos y sus espesores.

Se pueden tomar muestras inalteradas y remoldeadas.

Profundidad del N.F. b.1.2. Perforaciones con taladro manual (cuchara, hoyadora o posteadora).

Posthole auger Small helical auger Dutch auger Gravel auger


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En suelos gruesos (gravas) en general no se puede avanzar.

En suelos finos (limos, arcillas): h 10 y 14 m. El agua subterránea (N.F) impide el avance ya que lava el suelo contenido en la cuchara. Utilidad:

Se pueden determinar los diferentes estratos, la profundidad del N.F

Se pueden tomar muestras alteradas para realizar ensayos de clasificación y humedad natural si el suelo se empaca debidamente.

b.1.3. Perforaciones con taladro mecánico.

Dimensiones: diámetro entre 1,5 y 5,5 pulgadas.

Profundidad: depende del tipo de equipo (100, 200, 300 m y más).

Forma de avance

MÉTODO CONSISTENCIA DEL SUELO

Presión Muy blanda

Percusión Blanda a media

Rotación Media a alta (rocas)

Los métodos de percusión y rotación son los más usados en nuestro medio. El avance puede hacerse en seco o inyectando agua (esta última condición es necesaria siempre que se trabaja a rotación).


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Perforaciones con inyección de agua. El agua afloja el suelo y lo arrastra a la superficie.

Sondeo con inyección.

Ref. Principios de ingeniería de cimentaciones, Braja.M Das.


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Utilidad:

Dureza del suelo: función de la velocidad de avance en la perforación.

Profundidad del nivel freático: una vez se haya establecido el flujo (12-24 horas después de terminada la perforación).

Profundidad de la roca.

Toma de muestras: - De suelo: muy alteradas (lavadas), poca información (color y textura a lo sumo).

-De roca: núcleos (la broca corta la roca y ésta se introduce en un tubo muestreador que va unido a ella). Muestras de núcleos.


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Broca: tiene en su extremo diamantes negros, carburo de tungsteno, materiales duros y resistentes.

Los núcleos sirven para

Determinar la composición mineralógica

Fisuras, alteraciones

Ensayos de compresión

Calidad de la roca RQD ( Rock Quality Designation)

10010,0

PERFORADATOTALLONGITUD

mROCADENÚCLEOSRQD

RQD 90%. Roca sana


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b.1.4. Ensayos de campo. b.1.4.1. Ensayos de penetración

Ensayo de penetración normal o estándar (S.P.T Standard Penetration Test. Norma ASTM 1586-84).

-Se perfora (percusión, rotación) hasta la profundidad del ensayo. -Se saca el varillaje de perforación y se coloca en su extremo el muestreador estándar (tubo partido). -Si se estaba inyectando agua se suspende. -Se hinca el muestreador 15 cm., golpeando con un martillo de 63,5 kg (140 lb.) de peso que se deja caer libremente desde una altura de 76 cm. (30 pulg.) y se anota el número de golpes necesarios. Se continúa el hincado 30 cm. más, en incrementos de 15 cm., anotando el número de golpes para cada incremento de 15 cm. -Se obtiene como resultado ¨ Resistencia a la penetración N ¨.

N = golpes para los últimos 30 cm. -Si el ensayo se realiza bajo el N.F debe procurarse mantenerlo (que no baje para evitar generar gradientes hidráulicos). Nota: El valor N campo debe corregirse para efectos de diseño. Entre los factores a considerar se deben tener en cuenta: la eficiencia del equipo, la profundidad de ensayo y el diámetro de la perforación. (Ver Foundation Analysis and Design , Joseph Bowles, 4ht edition, pp 138).


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Procedimientos que pueden alterar los resultados del STP:

Limpieza inadecuada del fondo de la perforación.

No asentar el muestreador sobre suelo intacto.

Realizar el ensayo dentro del revestimiento.

Alterar (variar) las condiciones del agua subterránea.


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Variación en el peso del martillo de golpeo.

No permitir la caída libre del martillo.

Variar la altura de golpeo.

Golpeo excéntrico.

Uso de muestreador averiado.

Uso de varillaje grueso.

Profundidad de perforación muy grande, h 15 m.

Uniones desajustadas.

Conteo incorrecto del número de golpes.

Perforaciones de gran diámetro 100 mm.

Supervisión inadecuada (golpear piedras o rocas).

Descripción inadecuada del suelo.

Uso de bombas de gran presión.

-Utilidad de los ensayos de penetración normal: Existen correlaciones entre N y propiedades de los suelos. En arenas: N y compacidad. (Densidad relativa).

N y (ángulo de fricción).

En arcillas y limos: N y consistencia.

N y c (cohesión). Observaciones:

Correlaciones empíricas (aproximadas).

Las correlaciones son más seguras en arenas.

No utilizables en gravas.

Ajustarlas de acuerdo con la experiencia.

Método más usado en el medio local.

Ensayo de penetración con cono. El cono se introduce en el suelo por presión (método estático, ASTM 3441-79) o por golpes (método dinámico).


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Penetrómetro de cono de fricción mecánico.



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Penetrómetro de cono de fricción eléctrico.


Pruebas con penetrómetro con mediciones de la fricción.



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-Método estático: el cono se empuja con la varilla a razón de 2

cm/s. La resistencia al cono qp es la fuerza necesaria para

que el cono avance dividida por el área de la base.

Existen correlaciones entre qp y N (muy aproximadas).

-Método dinámico: el cono se hinca a golpes igual que en el ensayo S.P.T. (Peso 7 kg, altura de caída 51 cm).

Existen correlaciones entre qd y N (aproximadas).

El cono no se puede recuperar. Observaciones:

No se recupera muestra.

Medida indirecta de la resistencia del suelo.

Útil para detectar suelos blandos.

Se requiere amplia experiencia.

Penetrómetro de bolsillo b.1.4.2. Ensayos de corte (cizalladura) “in situ”

Veleta para ensayos de esfuerzo cortante (ASTM 2573-72). Veleta de 4 aspas sujeta a una varilla, se hinca en el suelo y se hace girar, se mide el momento de giro o torsión. Se calcula la resistencia al esfuerzo cortante no drenado (S).

HD

TS

2

2

T: momento de giro necesario para hacer rotar la veleta.


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Geometría de la veleta de campo.


Observaciones: -Útil en arcillas blandas. -No se obtiene muestra.

Caja de corte directo y triaxial de campo. b.1.4.3. Ensayo de carga (ASTM 1194-72) Se aplica carga al suelo y se mide la deformación, se mantiene la carga hasta que la deformación se estabilice. Se aumenta la carga y se repite el proceso.


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-No necesariamente se lleva el suelo hasta la falla. -El ensayo puede realizarse superficialmente o en profundidad. -Permite conocer la capacidad de soporte admisible (qa) siempre y cuando el espesor del estrato del suelo sea como mínimo 1,5 veces el lado de la placa.

FSqa

: Carga de falla o 2-3 veces carga del diseño. FS: Factor de Seguridad = 2-3 b.1.4.4. Ensayos de permeabilidad

En Suelo Pozo de bombeo - Se perfora un pozo: r = 2-3 pulgadas y D =1,0 m. - Se abate el agua. - Se hacen lecturas: tiempo vs ascensión del nivel del agua en el

pozo. - Se evalúa la permeabilidad K.

12

12

16 tt

hh

DS

rK


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D= profundidad del pozo r=radio del pozo S: factor de forma, tabulado ( Ver Seepage, drainage and flow nets, H. Cedergen, pp 67).

Método del tubo de extremos abiertos para la determinación de la permeabilidad. - Se perfora hasta la profundidad ensayo. - Se introduce el tubo que sirve de entibado. - Se agrega agua manteniendo una cabeza (altura) constante. - Se mide el volumen de agua necesaria para mantener cabeza

constante durante el tiempo t.

rH

QK

5.5

Permeabilidad hidráulica; prueba de extremo abierto.



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K= permeabilidad hidráulica.

Q=gasto constante de agua suministrada.

s

cm 3

r=radio interior del tubo cm

H= carga diferencial de agua cm

Nota: Si no existe NF, H es la altura de agua en el tubo. Ensayo de percolación o prueba de filtración (EPM)

Método de piscinas (a gran escala)

En macizos rocosos La permeabilidad es una de las propiedades de mayor variabilidad en el macizo rocoso pues depende de factores como el grado de alteración, la porosidad y el diaclasamiento. En macizos sanos la permeabilidad se sitúa entre 10-8 a10-10 cm/s, si la roca es porosa (arenisca por ejemplo) pueden alcanzar valores de 10-3 cm/s y si la roca está desclasada el valor puede llegar a 10-2 y 10-3 cm/s. Ensayo Lugeon Se realiza en el interior de perforaciones inyectando agua a presión constante de10 kp/cm² (100 ton/m²) y midiendo el caudal de infiltración durante un período de 10 minutos. Usualmente se ensayan tramos de 3 a 5 m, aislando mediante dos obturadores el tramo de ensayo (en este caso se conoce también como “packer test”) o con un solo obturador si se realiza en el fondo de una perforación (ensayo concebido originalmente por M. Lugeon). La presión se aplica gradualmente en intervalos sucesivos tanto de carga como de descarga de 1, 2, 5 y 10 kp/cm² manteniendo la presión para cada intervalo durante 10 minutos. La unidad de medida es el Lugeon que es igual a la absorción de un litro de agua por minuto por metro lineal de perforación a una presión de 10 kp/cm². La unidad Lugeon equivale a una permeabilidad de 10-5 cm/s.


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Ensayo Lugeon

Ref. Ingeniería Geológica. Luis I. González de V.

Relaciones presión-caudal en el ensayo Lugeon Ref. Ingeniería Geológica. Luis I. González de V.


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b.1.4.5. Ensayos de densidad

Cono – arena

Densímetro nuclear


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b.2. Métodos indirectos: las propiedades de los suelos se infieren por medio de correlaciones. b.2.1. Fotografías aéreas Revelan información sobre: morfología, drenaje, vegetación, erosión, deslizamientos, construcciones, etc. b.2.2. Exploración geosísmica o de refracción sísmica

- Se coloca una pequeña carga explosiva en el punto A. - Se colocan geófonos (sensores) en línea recta a diferentes

distancias, B, C, D. - Se detona la carga. - Se registra por medio de un sismógrafo el tiempo empleado

por la onda en llegar a cada geófono. - Se calcula espesor del estrato.

Sondeo por refracción sísmica. (a) y (b)



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cxvv

vvZ

12

121

2

1

El valor cx se obtiene de la gráfica, como muestra la figura (b).

Tipo de suelo y velocidad de onda sísmica (Introducción a la

mecánica de suelos y cimentaciones, G.B. Sowers & G.F. Sowers).

MATERIAL VELOCIDAD (m/s)

Arena suelta seca 150 - 450

Arcilla dura, parcialmente saturada 600 - 1.200

Agua, suelo suelto saturado 1.600

Suelo saturado 1.200 - 1.300

Roca sana 2.000 - 6.000

Observaciones -Mejores resultados en depósitos de estratigrafía horizontal donde existan marcadas diferencias entre velocidades. -Útil para conocer la profundidad de la roca. b.2.3. Exploración Geoeléctrica o resistividad eléctrica

-Se colocan 4 electrodos en línea recta separados a igual distancia (d). 1, 2, 3, 4.

-Se aplica una corriente (I) entre los electrodos exteriores. -Se mide potencial (V) en los electrodos interiores.

-Se calcula la resistencia del suelo () para la separación (d).

I

Vd

2


29

Sondeo por resistividad eléctrica. (a) Método de Wenner; (b) Método empírico para la determinación de la resistividad y el espesor de cada estrato.


1 2 3 4


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Tipo de suelo y resistividad eléctrica (Introducción a la mecánica

de suelos y cimentaciones, G.B. Sowers & G.F. Sowers).

MATERIAL RESISTIVIDAD

(ohm/cm)

Arcilla o limo orgánico saturado 500 - 2.000

Arcilla o limo inorgánico saturado 1.000 - 5.000

Arcillas y limos duros parcialmente saturados, arenas y gravas saturadas 5.000 -15.000

Lutitas, arcillas y limos secos 10.000 - 50.000

Areniscas, arenas y gravas secas 20.000 - 100.000

Rocas cristalinas, sanas 100.000 - 1.000.000

Observaciones

-A mayor suelo grueso o roca.

-Debe existir una diferencia apreciable de para definir con propiedad la intersección. Los métodos anteriores (refracción sísmica y resistividad eléctrica) tienen la ventaja de cubrir amplias áreas en poco tiempo, sin embargo, deben complementarse con investigaciones directas para tener conclusiones definitivas.

II. Investigación de laboratorio

EN SUELO

a. Información general.

- Contenido natural de humedad (ASTM 2216-71): Muestra Inalterada (MI) o Muestra Remoldeada (MR), debidamente empacada.

- Ensayos de clasificación (MR, bolsa): granulometría ASTM 421-58 - 422-63 y límites de consistencia (líquido ASTM 423-66 y plástico ASTM 424-59).


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- Peso o gravedad específica (ASTM 854-58) (MR): útil en la identificación de suelos orgánicos, cenizas volcánicas, minerales pesados.

- Peso unitario (ASTM 2937-71) (MI): h (peso unitario

húmedo aparente) y d (peso unitario seco aparente).

b. Resistencia al corte.

- Corte directo (ASTM 3080-72) (MI o MR compactada): y c,

consolidado no drenado y no consolidado no drenado.

- Compresión simple (ASTM 2166-66) (MI o MR compactada):

- qu y c en arcillas.

- Triaxial (ASTM 2850-70) (MI o MR compactada): y c en

términos efectivos y totales.

- C.B.R (ASTM 1883-73) (MI o MR compactada): diseño de pavimentos.

c. Ensayos de compactación (ASTM 698-70 y 1557-70).

Proctor normal (estándar) o modificado (MR): humedad óptima y peso unitario seco máximo.

d. Compresibilidad (ASTM 2453-70).

Consolidación unidimensional (MI o MR): estimativo de asentamientos.

e. Permeabilidad (ASTM 2434-68).

Cabeza constante y variable (MI).

f. Otros.

Sales solubles, dosificación del suelo-cemento, durabilidad, pinhole, desgaste máquina de los Ángeles, solidez de agregados, etc.


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EN ROCAS

Los ensayos de laboratorio se realizan sobre pequeñas muestras de roca y no proporcionan directamente las propiedades del macizo aunque es posible a partir de sus resultados inferir las propiedades del él. Los valores obtenidos en los distintos ensayos están afectados por su representatividad (los resultados corresponden a puntos aislados dentro del macizo), la escala (pequeñas muestras comparadas con las dimensiones del macizo) y la velocidad de falla (pocos minutos en el laboratorio nada comparables a los largos períodos naturales).

a. Ensayo de compresión simple Permite estimar la resistencia a la compresión no confinada de la roca, el coeficiente de elasticidad o módulo de Young, E y el coeficiente de Poisson ν. Las probetas de ensayo deben ser cilíndricas con una relación Longitud/Diámetro entre 2,5 y 3,0. El diámetro de la probeta será al menos 10 veces mayor que el grano de mayor tamaño de la roca. Los resultados del ensayo están afectados por: - Preparación y tallado de la muestra, - Forma y volumen de la muestra, - Velocidad de aplicación de la carga, - Dirección de aplicación de la carga (importante en rocas con anisotropía).

Esquema de los ensayos de resistencia: a) Compresión simple, b)Triaxial, c) tracción

indirecta



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b. Ensayo de compresión triaxial

En el ensayo una probeta de roca (similar a las del ensayo de compresión simple) se introduce en un cilindro de acero y entre ella y la pared de la cámara se aplica presión hidráulica sobre las paredes de la muestra que previamente se ha recubierto con una membrana de caucho. Al comenzar el ensayo se aplican simultáneamente la presión vertical (carga axial dividida por el área de la sección transversal de la probeta) y la presión de confinamiento hasta alcanzar el valor de confinamiento previsto. Luego, se incrementa la carga axial hasta la rotura del espécimen. La falla de varias probetas (al menos tres) permite trazar la envolvente de falla del material y obtener los parámetros de resistencia: cohesión (c) y ángulo de fricción (φ). Los resultados están influenciados por la magnitud de la presión de confinamiento y la presencia de microfisuras preexistentes en la roca, como factores más importantes.

Esquema de una celda triaxial



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c. Ensayos de resistencia a la tracción

Tracción directa

Consiste en someter a tracción a un cilindro de roca mediante la sujeción de él por sus extremos y la aplicación de una fuerza de tracción uniaxial en la dirección longitudinal del espécimen de prueba, hasta alcanzar la falla. La fuerza fraccional se aplica en forma continua y uniforme entre (0,5 y 1,0 MPa/s). La resistencia a la tracción σt, se calcula dividendo la fuerza de tracción de rotura en el área de la sección transversal de la probeta.

Esquema de los ensayos de tracción


Tracción indirecta o ensayo brasilero

En este ensayo un disco o probeta de roca se dispone entre dos placas paralelas a través de las cuales se trasmite una fuerza compresiva hasta la rotura del espécimen. La fuerza de compresión se aplica en dirección perpendicular a la sección transversal de la muestra. Se asume que la falla se produce por tracción indirecta.


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La resistencia a la tracción t se puede evaluar mediante la

expresión:

Ld

Pt

2

Donde: P: carga de rotura D: diámetro de la muestra L. longitud de la muestra d. Ensayo de velocidad de onda sónica

Consiste en transmitir ondas elásticas longitudinales mediante compresión ultrasónica y medir el tiempo que demoran en atravesar la muestra. Por medio de un generador de la fuerza compresiva (produce ondas longitudinales por compresión ultrasónica) dispuesto en un extremo de la probeta de ensayo y un receptor en el otro extremo se mide el tiempo de la onda en recorrer la longitud del espécimen de prueba. La velocidad de las ondas longitudinales o de compresión Vp, es utilizado como índice para la clasificación de la roca, es indicativa de la calidad de la roca y se relaciona linealmente con la resistencia a la compresión simple. Para las rocas Vp varía entre 1000 y 6000 m/s. Si la roca está meteorizada se obtienen valores inferiores a 900 m/s; por ejemplo un granito sano puede alcanzar valores cercanos a 6000 m/s, en la medida que esté alterado la velocidad se reduce proporcionalmente al grado de meteorización midiéndose valores del orden de la mitad o un tercio, y si está descompuesto los valores llegan a tan sólo 700-800 m/s.


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Formas de presentar los resultados de las investigaciones de campo y laboratorio.

Tabla o cuadro resumen.


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Perfiles estratigráficos: representación gráfica de los registros de las perforaciones. Para determinar los diferentes estratos de analiza:

Humedad natural. Clasificación. Resistencia a la penetración. Nivel freático.

Perfil del suelo junto al número de penetraciones. Ref. Principios de ingeniería de cimentaciones, Braja.M Das.

En muchos casos pueden encontrarse suelos en una perforación y en otras no, si se requiere tener mayor precisión en el trazado deberá realizarse una perforación intermedia adicional. Tipos de investigaciones. A. Proyectos especiales 1. Prefactibilidad

Poco estudio de campo y laboratorio.

Interpretación fotografías aéreas.


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2. Factibilidad

Exploración en sitios especiales.

Investigación en fuentes de materiales. 3. Diseño - Investigación detallada de campo y laboratorio. 4. Construcción.

Asesoría. B. Desarrollos urbanos 1. Estudios geotécnicos preliminares.

Investigación superficial.

Interpretación fotográfica. 2. Estudio de suelos y cimentaciones.

Investigación en profundidad.

Ensayos de laboratorio. 3. Estabilidad de laderas.

Cap 1 - Óscar

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