EXPLORACIN, MUESTREO Y PRUEBAS DE LABORATORIO. OBJETIVOS Y ETAPAS DE LA EXPLORACIN El programa de exploracin geotcnica deber proporcionar informacin sobre las condiciones de presin de agua del subsuelo y las propiedades mecnicas de los suelos (resistencia, compresibilidad y permeabilidad), a fin de facilitar el diseo racional y de la seleccin del mtodo constructivo adecuado para su ejecucin (Figura, 29.0 Objetivos de la exploracin). Para garantizar los objetivos de la exploracin, los trabajos de campo los supervisar un ingeniero especialista en suelos y su realizacin estar a cargo de una brigada; entrenados para los trabajos de perforacin, muestreo y ejecucin de pruebas de campo.

CONOCER LA ESTRATIGRAFA DEL SITIO CONOCER LAS CONDICIONES DE PRESIN DEL AGUA DEL SUBSUELO OBJETIVOS DEL PROGRAMA DEEXPLORACIN GEOTCNICA

HUNDIMIENTOS REGIONALES DETERMINAR LAS PROPIEDADESMECNICAS DE LOS SUELOS

Figura, 29.0 Objetivos de la exploracin

El incremento en el tamao de la estructura ha despertado en los ingenieros constructores la inquietud de hacer ms tcnica y econmica la actividad relacionada con trabajos del suelo; por lo tanto para las etapas de exploracin es fundamental la experiencia del ingeniero especialista en mecnica de suelos y hacerse acompaar de un ingeniero gelogo que pueden identificar conjuntamente las caractersticas de cada suelo y como se comportara la estructura en si en ese tipo de suelo, tambin debe visitar las estructuras construidas en la zona e indagar sobre su comportamiento y por ultimo obtener informacin adicional que permita programar la investigacin detallada. Las etapas de exploracin para el programa de exploracin geotcnica del sitio donde se construir una estructura constan de tres etapas: la primera de investigacin preliminar, deber permitir la definicin tentativa de los problemas geotcnicos del sitio; la segunda, la recopilacin de la informacin disponibles lo que servir para fundamentar la tercera etapa, de investigacin de detalle, que incluye la realizacin de sondeos y pruebas de campo; la tercera ensayes de laboratorio para cumplir con dos objetivos esenciales: clasificar cuidadosamente los suelos encontrados y obtener sus parmetros de resistencia y deformabilidad para el diseo, para alcanzar estos propsitos, se realizan las pruebas ndice y mecnicas. (Figura, 30.0 Etapas del programa de exploracin geotcnica).

1. INVESTIGACIN 1. INVESTIGACIN PRELIMINAR PRELIMINAR

RECOPILACIN DE LA INFORMACIN DISPONIBLE DEL SITIO

INTERPRETACIN DE FOTOGRAFAS AREAS DE LA ZONA RECORRIDO DE CAMPO

INTERPRETACIN GEOLGICA DEL SITIOLEVANTAMIENTO GEOLGICO

RECONOCIMIENTO DE DISCONTINUIDADES IDENTIFICACIN DE FENMENOS GEODINMICOS

EXPLORACIN GEOFSICA

MTODO GEOSSMICO DE REFRACCIN MTODO DE RESISTIVIDAD ELCTRICA

2. INVESTIGACINGEOTCNICA DE DETALLE

PRUEBAS DE PENETRACIN EXPLORACIN,MUESTREO Y PRUEBAS DE CAMPO

MUESTREO DE SUELOS Y ROCAS PRUEBAS DE RESISTENCIA Y DEFORMABILIDAD PRUEBAS DE PERMEABILIDAD

INDICADORES DEL NAF INSTRUMENTACIN DECAMPO

PIEZMETROS BANCOS DE NIVEL PUNTOS DE REFERENCIA

GRANULOMETRA PROPIEDADES NDICE CONTENIDO DE AGUA LMITES DE CONSISTENCIA DENSIDAD DE SLIDOS COMPRESIN TRIAXIAL RESISTENCIA ALAL RESISTENCIA ESFUERZO CORTANTE ESFUERZO COMPRESIN NO CONFINADA CORTE DIRECTO TORCMETRO

3. ENSAYES DELABORATORIO

PROPIEDADES PROPIEDADES MECNICASMECNICAS

CORTANTE

DEFORMABILIDAD

COMPRESIBILIDAD EXPANSIVIDAD

Figura, 30.0 Etapas del programa de exploracin geotcnica

INVESTIGACIN PRELIMINAR El objetivo de esta etapa es el de recopilar informacin geotcnica existente del sitio, para realizar una interpretacin preliminar de los problema que podran presentarse de caractersticas y requerimientos conocidos. Para realizar un plan de ataque y pensar que equipos y que personal se pueden utilizar. Para la recopilacin de informacin disponible se puede acudir a las instituciones mexicanas que publican y distribuyen informacin geotcnica que se enumeran a continuacin. Sociedad Mexicana de Mecnica de Suelos (SMMS) Instituto Nacional de Estadstica Geogrfica e Informtica (INEGI) Instituto de Ingeniera UNAM Instituto de Geologa UNAM Instituto de Geografa UNAM

La interpretacin de las fotografas areas permite identificar de manera preliminar las caractersticas geolgicas del sitio, tales como fallas y fracturas y los fenmenos geodinmicos relacionados con zonas de taludes inestables y zonas erosionables. Con respecto a los suelos se pueden identificar las caractersticas probables de los suelos superficiales, as como definir posibles bancos de prstamo. Esto de debe complementar con el recorrido de campo con el objetivo de corroborar la interpretacin fotogeolgica adems de identificar y clasificar los suelos superficiales. En este caso solo se recolija informacin ya que los siguientes pasos de la investigacin preliminar no es necesario efectuarlo. 3.6.3 INVESTIGACIN GEOTCNICA DE DETALLE El ingeniero especialista en geotecnia deber formular el programa de la investigacin de detalle. En el levantamiento geolgico excepcionalmente se realiza ya que usualmente la geologa de la regin donde se donde se construir ha sido estudiada anteriormente o se considera que el recorrido de campo proporciona la informacin geolgica necesaria. Ver figura, 31.0 objetivos del levantamiento geolgico.LITOLOGA 1. IDENTIFICACIN DE ESTRATIGRAFA ESTRUCTURAS FALLA 2. RECONOCIMIENTODE DISCONTINUIDADES

FRACTURAS Y JUNTAS ESTRATIFICACI CAVERNAS O CAVIDADES DE DISOLUCIN TALUDES INESTABLES EXTERNOS ZONAS DE ALTERACIN ZONAS DE EROSIN

3. IDENTIFICACINDE FENMENOS GEODINMICOS

FALLAS ACTIVAS INTERNOS VULCANISMO Y SISMICIDAD TECTNICA

La exploracin geofsica en los mtodos de exploracin se basan en la medicin de la variacin de la velocidad de propagacin de ondas ssmicas o de la resistividad elctrica (poco confiable) de los suelos, y mediante su interpretacin y correlaciones se deducen las caractersticas estratigrficas, posicin del nivel fretico y posibles tipos y propiedades de los suelos y rocas. Dentro de la investigacin geotcnica de detalle; abarca muchos cambos de investigacin; no realizaremos todos sus campos de acciones ya que la zona de inters en una zona urbana con estas caractersticas no se puede efectuara un levantamiento geolgico, ni una exploracin geotcnica solo utilizaremos exploracin, muestreo y pruebas de campo y algunos instrumentos de campo. En este aspecto el proyecto no es tan estricto y ya que este trabajo de tesis esta enfocado a la construccin de las lumbreras solo hablaremos de las pruebas de penetracin, pozos a cielo abierto, piezmetros y cierto nmero de pruebas de laboratorio que se utilizaron en el proceso constructivo de las lumbreras. A dems toda esta informacin se puede encontrar en los textos de Mecnica de Suelos. PRUEBAS DE PENETRACIN.- los penetrmetros son conos o tubos de acero que se hinca a presin (estticos) o con el impacto de una masa (dinmicos) y permiten definir indirectamente la estratigrafa del sitio y la variacin de la compacidad relativa y la resistencia al corte (drenada) de las arenas con la profundidad, as como a la resistencia al corte no drenada de las arcillas. Tabla, 6.0. Con el penetrmetro estndar se recuperan, muestras alteradas que permiten definir confiablemente la estratigrafa. Cabe aclarar que la resistencia al corte drenada de las arenas dependen de la permeabilidad de stas, as como de sus condiciones de frontera para el flujo de agua; aunque esto ciertamente es cuestionable cuando las arenas estn contaminadas con limos y se trata de ensayes de penetracin dinmica. En la exploracin de un sitio, los penetrmetros se emplean de acuerdo con tres criterios de aplicacin: Como instrumento de exploracin, para definir la estratigrafa y facilitar con ello la seleccin de los muestreadotes de suelos que debern emplearse Para disminuir el costo de realizacin de sondeos complementarios para cubrir un rea grande Como tcnica nica de exploracin, en proyectos de bajo costo que no pueden justificar sondeos de muestreo.

LA PRUEBA DE PENETRACIN ESTNDAR.- es el procedimiento directo que proporciona resultados ms confiables sobre el suelo explorado. Es tambin el de mayor uso en nuestro pas. Este mtodo tiene la ventaja de recuperar muestras alteradas representativas del suelo adems que, mediante correlaciones, permite conocer la resistencia al corte de este. El penetrmetro estndar es un tubo de pared gruesa dispuesto en media caa para facilitar la extraccin de la muestra, de forma y dimensiones especificadas (figura 00 a). La cabeza de este muestreador tiene una vlvula esfrica que durante el hincado se levanta permitiendo aliviar la presin

del fluido de perforacin y azolves que se acumulan en el interior del muestreador y al extraerlo, cae por peso propio impidiendo la expulsin de la muestra por efecto del fluido. El penetrmetro se enrosca al extremo de una columna de barras de perforacin y se hinca mediante energa proporcionada por un martinete de 63.5 kg. de peso que cae libremente desde una altura de 75 1 cm. e impacta sobre una pieza yunque integrada a la tubera de perforacin, contando el nmero de golpes dados para que el muestreador penetre 30 cm. Cada 60 cm. de avance se extrae el muestreador retirndose la fraccin de suelo del interior, lo que constituye una muestra. La prueba de penetracin estndar.- es el procedimiento directo que proporciona resultados ms confiables sobre el suelo explorado. Es tambin el de mayor uso en nuestro pas. Este mtodo tiene la ventaja de recuperar muestras alteradas representativas del suelo adems que, mediante correlaciones, permite conocer la resistencia al corte de este. El penetrmetro estndar es un tubo de pared gruesa dispuesto en media caa para facilitar la extraccin de la muestra, de forma y dimensiones especificadas (figura 32.0). La cabeza de este muestreador tiene una vlvula esfrica que durante el hincado se levanta permitiendo aliviar la presin del fluido de perforacin y azolves que se acumulan en el interior del muestreador y al extraerlo, cae por peso propio impidiendo la expulsin de la muestra por efecto del fluido. El penetrmetro se enrosca al extremo de una columna de barras de perforacin y se hinca mediante energa proporcionada por un martinete de 63.5kg de peso que cae libremente desde una altura de 75 1 cm. e impacta sobre una pieza yunque integrada a la tubera de perforacin, contando el nmero de golpes dados para que el muestreador penetre 30cm. Cada 60cm. de avance se extrae el muestreador retirndose la fraccin de suelo del interior, lo que constituye una muestra. Para considerar la falta de apoyo, los golpes dados para la introduccin de los primeros 15cm. no se toman en cuenta; los necesarios para que penetre los siguientes 30cm. definen la resistencia a la penetracin estndar. Por ltimo se introduce el penetrmetro en toda su longitud. Si no se logra introducir los 60cm. cuando se han dado 50 golpes, la prueba se suspende y por extrapolacin se deduce el nmero de golpes N. Cuando se opere en suelos arenosos puede proveerse al aparato de una trampa en forma de canastilla para la retencin de muestras. La resistencia a la penetracin estndar se plasma en un perfil dibujando el nmero de golpes dados para hincar los 30cm. intermedios a la profundidad media de realizacin de la prueba. En la tabla, 10.0 se presentan una recopilacin sobre los penetrmetros de uso ms difundido.

Aplicacin al suelo Penetrmetro Cono holands mecnico de 3.6 m (1.42 in) de dimetro y 60 de ngulo de ataque (CTP) ESTTICOS Cono holands elctrico de 3.6 cm (1.42 in)de dimetro y 60 de ngulo de ataque (CTP) Recomendable Arena y limo Aceptable Arcilla Inaceptable Grava Se obtiene La variacin de la resistencia de punta (qc) y de friccin (fs) que se generan durante su hincado de 20cm (8 in) La variacin continua de la resistencia de punta (qc) y de friccin (fs) con mayor precisin que el cono mecnico Operacin Se hinca a presin con velocidad de 1.2m/min (2cm/s) con la ayuda de un sistema de carga hidrulica Igual que el anterior. Se ha elaborado una norma tentativa para su operacin (ASTM-D-344175T, 1975). Es msque el cono mecnico. Comentarios Es una prueba precisa pero debe correlacionarse con pruebas de laboratorio. En arcillas conviene correlacionarla con pruebas de veletas. Igual que el anterior.

Arena y limo

Arcilla

Grava

Aplicacin al suelo Penetrmetro Penetrmetro estndar 5.1 cm (2in) de dimetro exterior y 3.6 cm (1.42 in) de dimetro interior (SPT) Recomendable Arena y arcilla dura Aceptable Arcilla media Inaceptable Arcilla Blanda Se obtiene Muestras alteradas de cualquier profundidad y el nmero de golpes necesario para hincarlo La variacin con la profundidad del numero de golpes necesario para hincarlo El nmero de golpes necesarios para hincarlo 10 cm (4in) Operacin Se hinca a percusin con el impacto de una masa de 64kg (141 ib) dejada caer de 75 cm (2.5 ft)de altura. Se cuenta el nmero de golpes para hincarlo 30 cm (1 ft) despus de haber penetrado 15 cm (0.5 ft) Semejante al penetrmetro estndar, y en ocasiones con martillos de 128 kg (282 lb) Se hinca a persecucin con una masa de 30, 60 90 kg (66, 132 198 lb) que la levanta automticamente un cilindro neumtico y la deja caer de 40 cm (1.31 ft) de altura Comentarios Es una prueba de poca presicion pero probablemente la ms utilizada por que se tienen numerosas correlaciones con las propiedades y comportamiento de los suelos Es una prueba burda, pero es la nica que hasta ahora proporciona informacin en suelos con alto contenido de gravas Es un sistema muy eficiente pero de uso poco extendido y por ello no se ha acumulado experiencia en su empleo

DINMICOS

Cono Simple hincaa percusin de 5. 1 cm (2in) de dimetro y 60 de ngulo de ataque Penetrmetro Sermes de 7 cm (2.7 in de dimetro y 90 de ngulo de ataque

Grava y arena

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Arcilla

Arena con poca grava

Arcilla dura

Arcilla blanda

Tabla, 10.0 Penetrmetros para la exploracin de suelos

En suelos friccionantes la prueba permite relacionar -a modo muy aproximado- el valor de la compacidad y el ngulo de friccin interna (figura, 33.0). Tambin se han elaborado grficas que relacionan la resistencia a la penetracin estndar con la presin vertical y la compacidad relativa (figura, 34.0). En una forma menos aproximada, en arcillas se estima el valor de la resistencia a la compresin simple, en funcin tambin de la resistencia a la penetracin estndar (tabla, 10.0).

Figura, 32.0 Penetracin estndar.

Figura, 34.0 Relacin entre la penetracin estndar la presin vertical y la compacidad relativa para arenas

Figura, 33.0 Correlacin entre el nmero de golpes y el ngulo de friccin interna en arenas

CONSISTENCIA MUY BLANDABLANDA

NO DE GOLPES, N 30Tabla, 11.0 Valor de resistencia a la compresin simple

< 0.25 0.25 0.50 0.50 1.00 1.00 2.00 2. 00 4. OO > 4.00

TUBO DE PARED DELGADA. Tambin conocido como tubo Shelby, se utiliza para el muestreo inalterado de suelos blandos a semiduros localizados arriba y abajo del nivel fretico; tiene de 7.5 a 10cm (3 a 4in) de dimetro y se hinca a presin. En la Figura, 35.0 se muestra este tubo de acero, con un extremo de ataque afilado. El tubo se une a la cabeza con tornillos Allen o mediante cuerda repujada. La cabeza tiene cuatro drenes laterales para la salida del fluido de perforacin y de los azolves durante el hincado. La vlvula de bola impide que la muestra se vea sujeta a presionas hidrodinmicas durante la extraccin del muestreador. En la Figura, 36.0 se ha dibujado la cabeza muestreadora del tipo deslizante que logra un sello ms contable que la de vlvula esfrica.

Figura, 35.0 Caractersticas del muestreador de pared delgada

Las condiciones geomtricas que debe satisfacer este muestreador pira recuperar muestras de buena calidad se definen con las relaciones de la Fig. 35.0 (Hvorslev, 1949). Estas relaciones conducen a las dimensiones de tubos muestreadores de la Fig. 35.0c, considerando que los dimetros ms usuales son de 7.5 y 10cm (3 y 4in) y las longitudes de 75 y 90cm (2.5 y 3ft) , respectivamente. El muestreador se hinca con un slo movimiento una longitud igual a la del tubo menos 15cm (6in), para dejar espacio a los azolves; la velocidad de hincado debe ser entre 15 y 30 cm/s (0.5 y 1 ft/s). Despus se deja en reposo 0.5mn, para permitir que la muestra se expanda y se adhiera al muestreador; a continuacin se gira para cortar la base y posteriormente se extrae a la superficie y se mide la longitud de muestra recuperada. Un criterio para juzgar en el campo la calidad del muestreo se indica en la Tabla, 12.0. En el laboratorio, la calidad de las muestras se define observando cortes longitudinales para identificar la alteracin que pudieran mostrar lentes delgados de algn material o bien, observando el proceso de secado lento de placas delgadas de suelo cortadas longitudinalmente (ASTM - D-1586 - 67). RECUPERACIN

CALIDADExcelente Buena Mala Inaceptable

Rec = 100 Rec = 80 50 < Rec < 80Rec < 50

Tabla, 12.0 Calidad del muestreo, recuperacin de muestras Figura, 36.0 Operacin del muestreador de vlvula deslizante

La recuperacin se define de la siguiente forma:

Re c =donde: Rec = recuperacin L = longitud recuperada (cm, m) H = longitud muestreada (cm, m)

L (100) H

MUESTREO INALTERADO. Consiste en obtener especimenes de suelo que conservan el acomodo estructural de sus partculas slidas; sin embargo, es imposible evitar la relajacin de esfuerzos y sus consecuencias en el comportamiento mecnico, que pueden ser ligeras o importantes dependiendo del cuidado y la tcnica con que se obtengan. Las muestras inalteradas se utilizan en el laboratorio para identificar los suelos y determinar sus propiedades ndice y mecnicas. Las muestras inalteradas se obtienen mediante tcnicas manuales y con muestreadores adecuados segn el tipo de suelo. Se describen aqu los ms usuales. POZO A CIELO ABIERTO (PCA). Esta tcnica puede ejecutarse mediante excavacin manual o excavacin con mquina. El pozo a cielo abierto permite observar directamente las caractersticas estratigrficas del suelo y rescatar muestras inalteradas de los estratos principales. Este procedimiento de exploracin y muestreo es particularmente recomendable en suelos secos y duros. El pozo puede excavarse con seccin cuadrada o circular, la forma se elige de acuerdo con la tcnica de estabilizacin de las paredes de la excavacin. Si se utilizan tablones y marcos estructurales, la forma cuadrada es la ms adecuada; en la Figura, 37.0 se muestra cmo se adema un pozo. Por otra parte, la forma de pozo circular es la conveniente cuando se estabilizan sus paredes con tubo de lmina corrugada o con ferrocemento. Esta ltima solucin se ha venido empleando con mucha frecuencia por su sencillez y bajo costo; esencialmente consiste en colocar anillos de malla electrosoldada separados por lo menos 2cm de la pared de excavacin. La malla se fija con anclas cortas de varilla corrugada hincadas a percusin, y despus se aplica manualmente el mortero con un espesor mnimo de 4cm. Los anillos generalmente empleados son de l m de altura; si el terreno es estable, este valor puede incrementarse. Las muestras cbicas que se extraen de pozos a cielo abierto, zanjas y cortes consiste en labrar in situ cubos de suelo de 20 a 30cm de lado que se protegen con manta de cielo impermeabilizada. Para obtenerlas se empieza por eliminar el suelo alterado y despus con esptula se labran las paredes, que se cubren con polietileno delgado conforme se termina cada una; una vez terminados los lados se cubren con tela de manta de cielo que se impregna con una mezcla, lquida de parafina y brea; a continuacin se coloca la caja de proteccin y se corta la base del cubo, que despus se cubre con manta Figura 38.0 En suelos duros es admisible el empleo de cinceles delgados para conformar las muestras. Se identifican con una etiqueta colocada en la cara superior. Con esta tcnica se pueden obtener muestras de muy buena calidad, pero es un procedimiento lento, difcil de realizar abajo del nivel fretico y limitado a profundidades no mayores de 10m.

Figura, 37.0 Ademado para un pozo a cielo abierto

Figura, 38.0 Procedimiento de labrado de muestras cbicas de suelos blandos

REPORTE DE LABORATORIO (ESTUDIO DE MECNICA DE SUELOS)

SONDEO DE CONO ELCTRICOOBRA: Construccin del colector del drenaje para la terminal II del A ICM UBICACIN: Aeropuert o Internacional de la Ciudad de Mxico, Mxico, D.F. 2 SONDEO: SCE-1 L4 LUMBRE RA 4 rea del cono 10.36 cm