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Ensayo de penetración estándar (SPT)
El ensayo SPT o ensayo de penetración estándar se realiza en suelos o en rocas muy alteradas y meteorizadas en el interior de los sondeos durante la perforación. Es el ensayo más usado y extendido de los que se realiza en el interior de un sondeo, por tal razón el ensayo SPT incluye diversas correlaciones con parámetros mecánicos del suelo en conjunto con datos y parámetros de laboratorio. Consiste en definir (contar) el número de golpes que son necesarios para hincar (conseguir la penetración) un toma muestras partido en 30 centímetros del terreno. Ensayo de penetración estándar (SPT) Tipo de ensayo Ensayo in situ, en el interior del sondeo Se aplica en En suelos y rocas muy meteorizadas. Equipo – Maza: 63.5 Kg (140 libras)
- Muestreador tubo partido.
- Varillaje. -Equipo de perforación.
- Cabezal de golpeo. Procedimiento Número de golpes (N) para hincar el toma muestras en tramos de 15 cm Correlaciones – Parámetros geotécnicos.
- Compacidad.
- Ángulo de rozamiento interno.
- Densidad relativa.
Procedimiento del ensayo SPT y equipo
Consiste en definir el número de golpes (N) necesarios para conseguir que el toma muestras penetre 30 cm el terreno a ser analizado. El toma muestras se sitúa en la parte inferior del varillaje, que a su vez es hincado mediante el uso de una maza (peso-martillo) de 63.5 kilogramos (140 libras), que golpea el extremo superior del varillaje a manera de caída libre desde una altura de 76 centímetros (30 pulgadas). El toma muestras suele tener 2 pulgadas de diámetro exterior y 1 3/8 pulgadas de diámetro interior y ángulo de punta a 60°.
Pasos para realizar el ensayo SPT
- Se limpia cuidadosamente la perforación hasta llegar a la cota deseada para realizar el ensayo.
- Se retira la batería de perforación y se procede a instalar el toma muestras con dimensión estándar.
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- Se procede a marcar el extremo superior de la tubería de perforación en tres partes iguales de 15 cm, para observar el avance del muestreador a efecto del impacto del martillo (maza o peso).
- Se obtiene el valor (N) número de golpes necesarios para que el toma muestras penetre los segmentos 2 y 3 marcados, en total 30 cm, cabe recalcar que el primer segmento de 15 cm no se toma en cuenta (se desprecia). Es decir que N es igual al número de golpes necesarios para que el toma muestra penetre 30 cm del terreno.
- Se puede realizar el ensayo en cuatro tramos de 15 cm en donde el valor (N) sería igual a la suma de los golpes necesarios para hincar el toma muestras en 30 cm del terreno tomando en cuenta solamente los tramos 2 y 3, mientras que los tramos 1 y 4 se desprecian.
- Finalmente se saca el toma muestras y se procede guardar la muestra alterada para posteriores análisis de laboratorio. Si se llega a los 100 golpes y no existe avance del toma muestras en el terreno debido a que es muy duro, se considera rechazo y se detiene el ensayo SPT.
Factores que afectan los resultados del ensayo SPT
La forma como se realiza el golpeo, se recomienda que se lo haga con dispositivos automáticos para garantizar que se aplique intervalos de tiempo exactos, así como la misma energía de impacto, si se lo realiza de manera manual es casi seguro que exista alto porcentaje de error. Se debe tener en cuenta la calidad de la perforación previa (sondeo previo), las paredes deben ser estables y la limpieza es imprescindible. Longitud del varillaje y diámetro del sondeo: condicionan el peso del elemento a hincar y la fricción con las paredes del sondeo.
Cálculos, resultados y correcciones
Con el valor de N se puede determinar, la resistencia a la compresión, el módulo de elasticidad, el coeficiente de balasto, el coeficiente de variación volumétrica y la capacidad portante del suelo. Hay que hacerle algunas correcciones, pero que hacen variar ligeramente el valor de (NF) (final) de campo. Al valor nuevo se le llama N corregido, estándar (Ns) o N Es así que: Ns, N60 = NF * CN * h1 * h2 *h3 * h4 * h N 60 se interpreta aquí como la energía que llega a la cabeza de golpeo cuando ERs = 60 % CN = Corrección por sobre-capa n1 = Factor de ajuste = ER / ERs ERs es aproximadamente = 60 % (USA) n2 = Factor de ajuste por longitud de las barras de perforación n3 = Factor de ajuste por el revestimiento del toma-muestras n4 = Factor de ajuste por el diámetro del toma-muestras N5 = Factor de ajuste por nivel freático
Corrección por sobrecapa (CN)
LUIS PÁEZ CI: Gráfica para la corrección de los valores N en arenas, por influencia de la sobrecarga (el valor de referencia de b sobrecargas es de 9,76ton/m2) Gráfica para realizar la comparación de las diferentes expresiones para estimar el facto CN Factor de corrección n2, por longitud de barras Factor de corrección n4, por diámetro de perforación. Para todos los diámetros se utiliza sistema Auger, donde el SPT se realiza por el interior de la barra de perforación.
Correlaciones ensayo SPT
El uso común de este ensayo ha dado como resultado una serie de correlaciones que definen varios parámetros geotécnicos: Correlación con la compacidad para suelos granulares
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Con la densidad relativa, teniendo en cuenta la influencia de la profundidad.
Int erpretación de datos SPT, teniendo en cuenta la profundidad (Thombum. 1963) Con el ángulo de rozamiento en suelos granulares, aplicable a partir de 2 m de profundidad. Estimación del valor del ángulo de rozamiento a partir del valor N en arenas (De Mello. 1971)
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ASTM D2573-08 Ensayo Veleta de Corte In Situ en Suelo Cohesivo
Alcance del Ensayo Veleta de Corte 1.1 Este método cubre el ensayo de la veleta in situ en suelos arcillosos y limosos saturados para la determinación de la resistencia al corte sin drenaje. El conocimiento de la naturaleza del suelo en el que se realizará cada prueba de paleta es necesario para evaluar la aplicabilidad e interpretación de la prueba. La prueba no es aplicable para suelos arenosos que pueden permitir el drenaje durante la prueba. 1.2 El método cubre los ensayos en suelos y los ensayos en pozos de perforación desde la superficie del suelo; no aborda los ensayos marinos donde se pueden requerir requisitos de prueba especiales o variaciones en el equipo. Se remite al usuario a la norma ASTM STP 1014 para obtener información adicional sobre las ensayos de corte de Veleta en el lugar. 1.3 Este método se usa a menudo junto con la perforación rotatoria fluida (D 5783) o barrenas de vástago hueco (D 6151). Algunos aparatos tienen la paleta retraída en una zapata protectora para el avance y las pruebas incrementales. Muestreo, como con tubos de pared delgada (D 1587) a menudo se combina con pruebas de paletas. Las exploraciones geotécnicas del subsuelo se informan de acuerdo con la práctica (D 5434). 1.4 La resistencia al corte sin drenaje y la sensibilidad de los suelos cohesivos también se pueden medir en Compresión no confinada D 2166y prueba de paleta de laboratorio (D 4648). 1.5 Los valores indicados en unidades SI deben considerarse como estándar. Las unidades inglesas (imperiales) se dan entre paréntesis. Significado y Uso del Ensayo Veleta de Corte Este método de prueba proporciona una indicación de la resistencia al corte sin drenaje in situ de suelos saturados de grano fino (arcillas y limos) u otros geo materiales saturados de grano fino, como relaves mineros y lodo orgánico. La prueba es aplicable a suelos con resistencias no drenadas de menos de 200 kPa [2 tsf]. Los suelos muy sensibles se pueden remodelar durante la inserción de paletas. El método de ensayo de veleta se usa ampliamente en una variedad de exploraciones geotécnicas para evaluar la resistencia a la carga rápida para el análisis de tensión total de arcillas y limos saturados de grano fino. Dado que los valores de resistencia al corte de la paleta son casi siempre más altos que las fuerzas de campo para los análisis, a menudo se verifican o comparan con otros métodos para medir la resistencia al corte sin drenaje. Las pruebas de penetrómetro de cono (método de prueba D5778 ) y las pruebas de compresión triaxial no consolidada y sin drenaje ( D2850 ) se realizan con mayor frecuencia para la comparación directa con los datos de resistencia al corte de la paleta. Compresión ilimitada (D2166/D2166M) También se pueden realizar pruebas, pero adolece de muchos posibles errores debido a perturbaciones, especialmente en arcillas fisuradas, y solo debe realizarse con experiencia. Para obtener más información sobre cómo se utilizan estas pruebas para la exploración de terrenos blandos. NOTA 2: La calidad del resultado producido por esta norma depende de la competencia del personal que lo realiza y de la idoneidad del equipo y las instalaciones utilizadas. Las agencias que cumplen con los criterios de la Práctica D3740 generalmente se consideran capaces de realizar pruebas competentes y objetivas. Se advierte a los usuarios de este estándar que el cumplimiento de la Práctica D3740 no garantiza en sí mismo resultados confiables. Los resultados confiables dependen
LUIS PÁEZ CI: de muchos factores; La práctica estándar D3740 proporciona un medio para evaluar algunos de esos factores.
Procedimiento para realizar la medición de la resistencia al corte del suelo, la
metodología indicada corresponde al ensayo de Veleta de Corte Manual
- a) Chequear previamente que el suelo donde se realizarán los ensayos sea cohesivo.
- b) Identificar y registrar el número de serie del instrumento.
- c) Chequear que el aparato está limpio y seco, además que el puntero del marcador de deformación esté libre de movimiento.
- d) Revisar que las partes de la Veleta Manual se encuentren en buen estado, es decir, que no presenten ningún deterioro que impida su utilización.
- e) Introducir la veleta de forma perpendicular al suelo e incrustar la punta de la veleta al menos dos veces el largo de ella, 70 a 80 mm aproximadamente.
- f) Asegure que el marcador se encuentre en cero al inicio del procedimiento.
- g) Rotar el instrumento de manera uniforme y lenta, aproximadamente una revolución por minuto (1 R.P.M). No sobrepasar el valor máximo del dial para evitar dañar el instrumento.
- h) Registrar la máxima deflexión que indica el dial luego de la falla del suelo.
- i) Utilizar la calibración propia del instrumento para determinar la resistencia al suelo en kilopascales (kPa). Una vez realizado un ensayo, para poder volver a ensayar, se debe limpiar completamente la veleta, no debe quedar adherida ninguna porción de suelo ni menos agua.
Ensayo CPTU o piezocono.
Ensayos de penetración estática CPT/CPTU
¿Qué es un ensayo CPT/CPTU?
Los ensayos de penetración estática o ensayos CPT por las siglas Cone Penetration Test son un tipo de prueba que se realiza in situ, sobre el terreno mediante la penetración de una punta cónica de forma continua y constante que mide la resistencia por punta (qc) a la penetración y el rozamiento lateral (fs) de dicha punta. La punta cónica también puede disponer de un sensor que mida la presión intersticial (u). En este caso, el ensayo se denomina piezocono o prueba CPTU. En los últimos años, se están incluyendo otros sensores adicionales para controlar la temperatura, inclinación, conductividad, etc. Complementariamente con el ensayo CPTU también pueden realizarse ensayos de disipación , los cuales permiten determinar el coeficiente de consolidación horizontal y por tanto la permeabilidad horizontal a una profundidad dada. Son muy empleados en estudios de consolidación de suelos bandos.
LUIS PÁEZ CI: Igualmente, a menor valor de rozamiento lateral fs, mayor granulometría, mayor sensitividad y menor valor OCR. Por último, a mayor valor de u, la granulometría será más fina y viceversa, mayor resistencia a compresión simple, menor OCR y mayor sensitividad. Según lo anterior, pueden clasificarse los distintos tipos de suelos. A continuación, se presenta la clasificación de Robertson, una de las más empleadas mediante el uso del piezocono. Comportamiento de tipos de suelo. Robertson, 1990.
Correlaciones ensayos CPT/CPTU
Al igual que otros ensayos, los resultados obtenidos de los piezoconos, fundamentalmente la resistencia por punta del cono qc, pueden correlacionarse con otros parámetros geotécnicos como el ensayo SPT, resistencia al corte no drenada cu, densidad relativa D%, ángulo de rozamiento interno o módulo de elasticidad E. A continuación, se presentan las más habituales:
Correlaciones SPT con qc del CPT/CPTU
qc=n·N (Schermtmann, 1970)
LUIS PÁEZ CI: Donde qc es la resistencia por punta del cono, N el valor del ensayo SPT y n un parámetro dependiente del suelo que puede adoptar los siguientes valores: n=2 Limos, limos arenosos y mezclas de arena y limo ligeramente coherentes n=3-4 Arenas limpias, de finas a medias y arenas ligeramente limosas n=5-6 Arenas gruesas y arenas con poca grava n=8-10 Gravas arenosas y gravas
Correlaciones resistencia al corte sin drenaje cu con qc del CPT/CPTU
cu=qc/9 para terrenos arcillosos blandos cu=qc/15 para arcillas blandas a duras cu=qc/30 para arcillas duras fisuradas (Sanglerat, 1967) Correlaciones E con qc del CPT/CPTU Para suelos granulares Schmertmann (1978) propuso la relación: E=2,5qc
Refracción sísmica
El método geofísico de refracción sísmica utiliza energía sísmica que regresa a la superficie después de viajar a través del suelo a lo largo de trayectorias de rayos refractados. La primera llegada de energía sísmica a un detector desplazado desde una fuente sísmica siempre representa un rayo directo o un rayo refractado. Este hecho permite realizar estudios de refracción simples en los que la atención se concentra únicamente en la primera llegada (o inicio) de la energía sísmica, y se interpretan los gráficos de tiempo-distancia de estos primeros arribos para obtener información sobre la profundidad a Interfaces refractantes. Este enfoque simple no siempre brinda una imagen completa o precisa del subsuelo. En tales circunstancias, se pueden aplicar interpretaciones más complejas. La sísmica de refracción se usa normalmente para localizar interfaces refractantes (refractores) que separan capas de diferente velocidad sísmica, pero el método también es aplicable en los casos en que la velocidad varía suavemente en función de la profundidad o lateralmente. Los sismogramas de refracción sísmica también pueden contener eventos de reflexión como llegadas posteriores, aunque en general no se hace ningún intento especial para mejorar las llegadas reflejadas en los estudios de refracción.
LUIS PÁEZ CI: La exploración mediante métodos de refracción sísmica cubre una amplia gama de aplicaciones. Los estudios de refracción pueden proporcionar estimaciones de las constantes elásticas de los tipos de roca locales, que tienen importantes aplicaciones en la ingeniería civil: el uso de fuentes y geófonos especiales permite el registro por separado de las llegadas de ondas de corte, y la combinación de información de velocidad de las ondas P y S permite el cálculo del coeficiente de Poisson. Si se dispone de una estimación de la densidad, el módulo de volumen y el módulo de corte también pueden calcularse a partir de las velocidades de las ondas P y S. Estas estimaciones de las constantes elásticas, basadas en la propagación de las ondas sísmicas, se denominan dinámicas, en contraste con las estimaciones estáticas derivadas de los ensayos de carga de muestras de roca en el laboratorio. Las estimaciones dinámicas tienden a producir valores ligeramente más altos que los ensayos de carga.
Ingeniería y estudios ambientales.
En la escala local, los estudios de refracción sísmica se utilizan ampliamente en estudios de cimentación en sitios de construcción para obtener estimaciones de profundidad de la roca debajo de una cubierta de material superficial. Los métodos de refracción permiten mapear en detalle las geometrías irregulares del tope de las rocas y, por lo tanto, reduce la necesidad del uso de perforación y de sus altos costos asociados. La figura 1 muestra un perfil típico a través de sedimentos fluviales. 1: Gráfico T – x (tiempo- desplazamiento) de un perfil de refracción sísmica registrado sobre sedimentos fluviales del Holoceno que recubren rocas paleozoicas. La separación del geófono fue de 2 m y la separación del punto de disparo de 30 m. Los datos múltiples, superpuestos, invertidos permiten una interpretación continua del techo de las rocas.
LUIS PÁEZ CI: Aquí, el esquema de observación especificó un espaciamiento de geófonos de 2 m, y un espaciado de disparo de 30 m. Los datos se registraron con un sismógrafo de 48 canales, y los puntos de disparo se dispararon cuando los 48 geófonos avanzaron por el perfil. La fuente fue un martillo. La velocidad sísmica de la onda P está relacionada con las constantes elásticas y la densidad del material. Es posible derivar una relación empírica entre la velocidad sísmica y la «dureza» de la roca. En el uso de la ingeniería, un parámetro importante de la litología de roca es su resistencia a la excavación. Si la roca se puede eliminar mediante excavación mecánica, y se denomina «rompible», en lugar de requerir la fractura con explosivos. Se han derivado tablas empíricas que relacionan la «capacidad de desplazamiento» de las unidades de roca por parte de un equipo particular de movimiento de tierras con la velocidad sísmica de la onda P. la figura 2 muestra un ejemplo típico de una tabla de este tipo. Figura 2: Velocidad de la onda P en diferentes litologías El rango de velocidades consideradas como rippable varía para diferentes litologías basadas en promedios empíricos de factores relevantes como su grado típico de cementación y la frecuencia de unión. Los levantamientos de refracción de onda P invertidos simples son suficientes para proporcionar información crítica a las operaciones de construcción y canteras.
LUIS PÁEZ CI: La necesidad ocasional de una mejor información de la velocidad que se puede derivar del análisis de la velocidad de los datos de reflexión solo, junto con la relativa facilidad de los estudios de refracción en alta mar, otorga al método de refracción un papel secundario importante a los estudios de reflexión en la exploración de hidrocarburos en algunas zonas offshore. Los estudios de refracción sísmica se han utilizado ampliamente para la investigación regional de la constitución interna y el grosor de la corteza terrestre. La información derivada de dichos estudios es complementaria de la imagen sísmica directa de la estructura de la corteza derivada de los estudios de reflexión sísmica a gran escala. La interpretación de la refracción a gran escala normalmente se lleva a cabo mediante el modelado directo de los tiempos de viaje y las amplitudes de las fases refractadas y / o reflejadas registradas mediante técnicas de trazado de rayos. Se han realizado estudios a gran escala, utilizando explosivos como fuentes sísmicas, para estudiar la estructura de la corteza en la mayoría de las áreas continentales. Un ejemplo es el experimento que se llevó a cabo en Gran Bretaña en 1974 y produjo la sección de la corteza del norte de Gran Bretaña reproducida en la Fig. 4. Figura 4: Corte transversal de la corteza en el norte de Gran Bretaña basado en la interpretación de un experimento de refracción sísmica a gran escala. Los números se refieren a las velocidades en km s^-1. Dichos experimentos muestran que la corteza continental suele tener un grosor de 30 a 40 km y que a menudo tiene capas internas. Se caracteriza por importantes variaciones regionales en el grosor y la constitución que a menudo están directamente relacionadas con los cambios de la geología de la superficie. Por lo tanto, diferentes provincias orogénicas a menudo se caracterizan por secciones de corteza muy diferentes. Las velocidades de la corteza superior generalmente están en el rango de 5.8–6.3kmsˆ-1 que, por analogía con las mediciones de velocidad de las muestras de roca en el laboratorio, puede interpretarse como que representa principalmente material granítico o granodiorítico.
LUIS PÁEZ CI: Las velocidades de la corteza inferior están normalmente en el rango de 6.5–7.0kmsˆ-1 y pueden representar cualquiera de una variedad de tipos de rocas ígneas y metamórficas, incluidas el gabro, la anorthosita gabroica y la granulita básica. Este último tipo de roca se considera como el constituyente principal más probable de la corteza inferior sobre la base de estudios experimentales de velocidades sísmicas.
ENSAYO CROSS- HOLE.
Este ensayo utiliza dos o más sondeos para medir la velocidad de las ondas sísmicas, Se realizan dos sondajes separados una distancia D generalmente menor de 8 metros, el primero con la fuente emisora de energía y el segundo con la fuente receptora situados a la misma profundidad, la perturbación es generada en un sondaje emisor, captando la señal que ha viajado horizontalmente en el otro sondaje. Se mide el tiempo de viaje entre los sondajes, y sabiendo previamente la distancia se determina la velocidad de onda de corte Vs como: El ensayo se debe repetir a diferentes profundidades para obtener los perfiles de velocidad, se recomienda utilizar más de dos sondeos para minimizar los errores resultados de las medidas de tiempo de disparo, los efectos del material superficial e intersondeos. Las ventajas del método son las siguientes: Permite obtener perfiles de velocidad a profundidades de 30 a 60 metros utilizando fuentes emisoras mecánicas; con fuentes tipo explosivo se pueden alcanzar mayores profundidades. La desventaja del método radica en que las velocidades de las ondas sísmicas son sensibles a la distancia emisor receptor, la velocidad puede enmascararse si se atraviesan capas de alta velocidad. En este caso es recomendable usar otros métodos como la sísmica de refracción.
LUIS PÁEZ CI: El aparato de compresión triaxial intenta copiar las tensiones originales ejercidas sobre el suelo. Para esto, se utiliza la presión hidrostática por medio del agua con que se rellena la cámara donde se encuentra la muestra. A esta presión se la denomina presión externa (σ 3 ). También se aplica una presión vertical (σ 1 ) por medio de un pistón ajustado de forma cuidadosa. Ambas presiones se las denomina presiones totales. Estas pruebas son realizadas en varias probetas aplicando distintas cargas. El valor que se obtiene de la diferencia de las dos presiones se la denomina tensión desviadora y corresponde al diámetro del círculo de Mohr. En un gráfico tensión tangencial versus tensión normal se ubican σ 1 y σ 3 de cada prueba en las abscisas y, a partir de esto, se pueden diagramar los respectivos círculos de Mohr. Estos van a tener una recta tangente en común conocida como recta de Coulomb o envolvente de Mohr que responde a la fórmula: τ= c +σtanφ Dónde: τ es la resistencia al esfuerzo cortante de un suelo, c es la cohesión del material, σ es la tensión normal al plano de rotura, φ es el ángulo de rozamiento interno. A su vez, al restarle la presión intersticial a las presiones totales obtenemos las presiones efectivas σ 1 ’ y σ 3 ’. Cuando utilizamos estos nuevos valores para realizar los cálculos se obtienen la cohesión efectiva ( c ’) y el ángulo de rozamiento efectivo (φ’). En el gráfico anterior puede verse la tensión tangencial (τ) versus tensión normal (σ) donde se aprecian varios círculos de Mohr generados por las diferentes presiones totales. También se puede identificar la recta tangencial en común que tienen estos círculos.
Metodología ensayo triaxial.
Instrumentos y materiales El principal aparato que es necesario para efectuar este ensayo es el equipo triaxial , el cual se compone de los siguientes elementos:
LUIS PÁEZ CI: Sistema de presión: sirve para que la presión que se aplica sea estable y permanente a la célula axial. Frasco de agua desaireada: este tipo de agua es no comprensible y sin aire disuelto. Prensa de ensayo: debe poder mantener constante la velocidad de deformación, tener un mecanismo que nos indique el desplazamiento de la probeta respecto al sistema de carga y un aparato que nos permita saber las presiones intersticiales de la probeta. Probeta de muestra durante ensayo triaxial. Fuente: “Danish triaxial shear test apparatus, in action” por TomasSab. Preparación de la muestra Probetas inalteradas : a los efectos de que los resultados obtenidos sean representativos, las muestras deben tener las siguientes características: Diámetro de 38 mm. Altura de 76 mm. Se deben poder sacar cuatro probetas. La muestra puede ser cúbica de 30 x 30 x 30 cm o un testigo de sondeo de 85 cm de diámetro. El proceso de tallado se debe realizar en una cámara con humedad relativa entre 90 y 95%. Se deben registrar diámetro, altura y peso del cilindro. Las muestras se enfundan en membranas de látex y se las sella con discos de PVC para evitar pérdidas de humedad.
Procedimiento ensayo triaxial
La máquina ensayo triaxia l es uno de los más confiables para determinar los parámetros de la resistencia al corte, pero también es uno de los más complejos, por lo que se resumirá el procedimiento para su realización.
