Ingeniería de suelos - Métodos de Exploración

Son los métodos que frecuentemente desarrolla el ingeniero de suelo para auscultar en forma directa en el sitio el subsuelo donde se pretende construir una obra civil o el estudio de su entorno. Los métodos para determinar las características de estratificación e ingeniería de los subsuelos son los siguientes: +

• Pozos de prueba (excavaciones a cielo abierto) 
• Perforaciones barrenadas manualmente 
• Perforaciones con barrenas mecánicas 
• Perforaciones por percusión con cables ligeros Perforaciones "lavadas" 
• Pruebas de "lavado" 
• Pruebas de penetración dinámica de cono 
• Pruebas de penetración estática de cono 
• Pruebas de corte con veleta 
• Pruebas de presión 
• Pruebas de soporte de la losa

Pozos de Prueba (calicatas) 

La excavación de pozos de prueba (calicatas) es el método más barato de exploración superficial. Los pozos se pueden excavar manualmente empleando mano de obra local, pero las pequeñas excavadoras mecánicas en un tractor son, si están disponibles localmente, económicas y rápidas. 

En caso de que sea necesario que los hombres trabajen en el fondo de los pozos para obtener muestras de suelo, por ejemplo, serán necesarios los soportes de los lados de los pozos con una profundidad mayor de 1.2 m, por el riesgo de colapso. 

Se debe tomar en cuenta también la posible presencia de gases venenosos o asfixiantes, por lo que se juzga necesario la provisión de aparatos de detección de gases. 

En suelos con soporte acuífero, especialmente las arenas, surgen dificultades para excavar debajo del manto acuífero, por lo cual los pozos de prueba pueden resultar mis costosos que las perforaciones, dadas las condiciones. Los pozos de prueba proporcionan una visión clara de la estratificación de los suelos y de la presencia de cristales o bolsas de material más débil. 

Facilitan la toma de muestras de suelo cortadas a mano, evitando la alteración. Son especialmente valiosos para investigar la naturaleza del material de relleno, ya que las capas de depósitos sueltos o material deteriorado se pueden reconocer enseguida. 

De hecho, los pozos de prueba o las zanjas son el único medio confiable para obtener información pertinente en terrenos con relleno o con depósitos naturales muy variados.

Ventajas y Desventajas de las Excavaciones a Cielo Abierto 

a) Ventajas Poder apreciar en forma directa el interior de las calicatas por un ingeniero especialista en mecánica de suelos es lo mejor que podría suceder; sin embargo no siempre es posible esto en virtud de la naturaleza misma del terreno sobre todo por la presencia de suelos demasiado inestables como rellenos sanitarios, desmontes muy sueltos, arenas extremadamente sueltas o el nivel freático muy superficial. 

De ser factible poder ingresar a una excavación a cielo abierto, las ventajas serían las siguientes: · Auscultación directa del terreno precisando el espesor de cada estrato.

• Identificación in situ del terreno siguiendo las Norma ASTM.
• Extracción de muestras alteradas para ensayos de clasificación.
• Extracción cuando sea posible de muestras inalteradas para la ejecución de ensayos especiales de laboratorio.
• Ejecución de ensayos de veleta de bolsillo, penetrómetro portátil y otros en cada estrato.
• Ejecución de ensayos de densidad natural al interior de cada calicata por medio del ensayo de cono de arena, siguiendo la norma ASTM D1556. · 
• Otros ensayos. 

b) Desventajas 

Las desventajas que pueden presentarse en algunos tipos de terrenos por explorar son las siguientes: · Topografía de la zona (pendientes muy empinadas).

• Nivel freático superficial.
• Terreno extremadamente deleznable (inclusive se dificulta la incorporación de ademe).
• Rellenos sanitarios con gases tóxicos.

2. Perforación con Barrena 

Las perforaciones barrenadas manual o mecánicamente son también un medio barato de exploración del subsuelo en tipos de suelo favorables, pero los suelos deben tener la cohesión suficiente para que las paredes de la excavación puedan permanecer sin soporte y no existir guijarros, pedregones o cualquier otra obstrucción que impida la rotación de la barrena. 

Si se hace cuidadosamente, la barrena es el menos molesto de los métodos de perforación. Las barrenas de vuelo de gusano (worm flight auger), en las cuales los cortes del suelo se llevan a la superficie mediante una hélice en movimiento continuo, se pueden usar para las obras de investigación del terreno si se las provee de un tubo central hueco en el cual se adapta el tubo de muestreo o e! medidor in situ. La perforación con barrena es el método más simple de efectuar sondeos de exploración. 

La figura muestra dos tipos de barrenas manuales: la barrena de agujeros para postes y la barrena helicoidal. Las manuales no deben usarse para excavaciones de más de 3 a 5 m (10-16 pies). 

Sin embargo, se usan para exploraciones de suelos en algunas carreteras y en estructuras pequeñas. Existen barrenas helicoidales eléctricas manuales (76.2 mm a 304.8 mm de diámetro) adecuadas para perforaciones más profundas. 

Las muestras de suelo obtenidas en tales perforaciones están sumamente alteradas. En algunos suelos no cohesivos o con baja cohesión, las paredes de los barrenos no son estables por sí mismas. En tales circunstancias, un tubo metálico se usa como ademe para impedir que el suelo se derrumbe.

Cuando se dispone de energía eléctrica, las barrenas de perforación continua son probablemente las más idóneas. La energía para efectuar el trabajo se suministra desde torres de perforación montadas en camión o en tractor. 

De esta manera se efectúan fácilmente barrenos de hasta 60-70 m (200-230 pies) de profundidad. Las barrenas de perforación continua existen en secciones de aproximadamente 1-2 m (3-6 pies) y son huecas o sólidas. Algunas de las barrenas sólidas comúnmente usadas tienen diámetros exteriores de 66.68 mm (25/8 pulg), 82.55 mm (31/4 pulg), 101.6 mm (4 pulg) y 114.3 mm (4 1/2 pulg). 

Las barrenas huecas comercialmente comunes tienen dimensiones de 63.5 mm de DI (diámetro interior) y 158.75 mm de DE (diámetro exterior) (2.5 x 6.25 pulg), 69.85 mm de DI y 177.8 DE (2.75 x 7 pulg), 76.2 mm de DI y 203.2 de DE (3 x 8 pulg) y 82.55 mm de DI y 228.6 de DE (3.25 x 9 pulg). 

La punta de la barrena se conecta a una cabeza cortadora. Durante la perforación sección tras sección de barrena puede agregarse para aumentar la profundidad de la excavación. La hélice de la barrena lleva el suelo suelto desde el fondo del agujero a la superficie. 

El perforista puede detectar cambios en el tipo de suelo si nota variaciones en la velocidad y sonido del taladro. Cuando se usan barrenas sólidas, éstas deben retirarse a intervalos regulares para obtener muestras del suelo y también para efectuar otras operaciones como la prueba de penetración estándar.

Las barrenas huecas tienen una clara ventaja sobre las sólidas ya que ellas no tienen que ser retiradas frecuentemente para efectuar muestreos u otras pruebas. Como muestra esquemáticamente la figura, el exterior de la barrena hueca actúa como ademe.

Un obturador o tapón removible está unido al fondo de la barrena por medio de un vástago central. Durante la perforación, el obturador puede ser extraído junto con la barrena y pueden entonces llevarse a cabo el muestreo y las pruebas de penetración estándar. 

Cuando se usan barrenas huecas en suelos arenosos debajo del nivel freático, la arena puede ser empujada varios pies en el tubo de la barrena por el exceso de la presión hidrostática inmediatamente después de la remoción del obturador. 

En tales condiciones no debe usarse el obturador. Más bien, el agua dentro del tubo hueco debe mantenerse a un nivel superior al del nivel freático. Las perforaciones con barrenas son eficientes en suelo que no requieran revestimiento para evitar el derrumbe de sus paredes, puesto que, tanto en el sistema manual como en el motorizado, el empleo de tuberías de revestimiento hace incómoda y dispendiosa la perforación. 

El derrumbe continuo de las paredes de la cavidad y el desprendimiento del suelo del barreno hacen que el método sea prácticamente inaplicable en los suelos no cohesivos bajo el nivel freático. Cuando la secuencia estratigráfica del suelo es tal que a un estrato firme sigue uno blando, es muy frecuente que se pierda la frontera entre ellos o aun la misma presencia del blando, inconveniente muy serio porque puede conducir a apreciaciones inseguras de las propiedades físicas del suelo. 

Una ventaja propia de las perforaciones con barrenas es la de proporcionar una cavidad seca hasta llegar al nivel freático, lo que permite definir la profundidad de dicho nivel con mucha precisión. Además, facilitan el reconocimiento visual de los cambios en la composición del suelo. 

3. Perforaciones por el método de lavado 

El sondeo de lavado es otro método de efectuar perforaciones. En éste, un ademe de aproximadamente 2-3 m (6-10 pies) de largo se hinca en el terreno. El suelo dentro del ademe se retira entonces por medio de un trépano cortante unido a un vástago perforador. 

El agua es inyectada a través del vástago perforador y sale a muy alta velocidad por los agujeros en el fondo del trépano (ver figura). El agua y las partículas desmenuzadas del suelo ascienden por el agujero taladrado y fluye en la parte superior del ademado a través de una conexión en T. 

El agua de lavado se recoge en un recipien- Métodos de Exploración -18- te. El ademe puede extenderse con partes adicionales según avanza el barrenado; sin embargo, no se requiere si el barreno permanece abierto y no se derrumba.

La prueba de "lavado" es un método sencillo para determinar la profundidad de una interfase entre el suelo blando o suelto y una capa firme o compacta. Se trabaja hacia arriba y hacia abajo con tuberías de lavado que envían agua a alta presión en un pozo sin revestimiento. 

No hay posibilidad de identificación del suelo ya que el agua generalmente no regresa. Es difícil, en muchos casos imposible, obtener muestras "secas". Sin embargo, si se dispone de agua suficiente y el suelo no contiene grandes formaciones de guijarros o pedregones, este método constituye una forma rápida y barata de establecer el nivel de un estrato bien definido que puede ser reconocido "al tacto" por los tubos de lavado a medida que van de arriba a abajo. 

Las pruebas de "lavado" se deben correlacionar con perforaciones realizadas mediante métodos más exactos, y cuando las perforaciones están muy espaciadas, las pruebas de "lavado" deben verse como dalos complementarios. 

Son un método conveniente de rápida exploración subterránea en obras fluviales o marítimas; para investigar, por ejemplo, la profundidad en que se encuentran capas de arena o lodo sobre la roca en un proyecto de pilotaje o dragado. 

En la perforación "lavada" (ver figura) el suelo se desprende y se remueve de la perforación con una corriente de agua o taladrando el lodo en el borde inferior del tubo de lavado, el cual es movido de arriba a abajo o rotado manualmente dentro de la excavación. 

El agua o lodo llevan parte del suelo hasta el espacio anular entre el tubo de lavado y el revestimiento o ademe, y fluye hasta el nivel de la superficie, donde el material en suspensión se deja sedimentar en un tanque y el fluido es recirculado o desprovisto de los desechos según se requiera. 

Estas muestras de suelo sedimentado en el exterior se pueden usar para propósitos de identificación, pero el proceso es con frecuencia poco confiable ya que los cortes se mezclan a medida que fluyen por la perforación y en el tanque de asentamiento.

Sin embargo, se puede obtener una identificación fiel si se sacan muestras "secas" en tubos sin alteración (véase sección 1.4.2) o tubos de muestras slitspoon (véase sección 1.4.4). La perforación "lavada" tiene la ventaja de que la estructura o la densidad del suelo debajo del fondo de la excavación no se altera por el empuje de las herramientas de perforación, aunque este método no se puede usar en áreas extensas de grava o en suelos con pedregones. 

Es mas adecuado para arenas uniformes o arcillas. Se usa una gran variedad de herramientas para acomodar el final del tubo de lavado según los diferentes tipos de suelo. El uso de lodo en lugar de agua permite que la excavación permanezca descubierta.

Este procedimiento de perforación permite un rápido avance en prácticamente todo tipo de depósito de suelo, salvo en los estratos excepcionalmente duros o compactos, en donde el avance puede volverse muy lento. 

Para detectar los cambios de estrato y disponer la toma de muestras, el técnico perforador debe observar permanentemente el color y la apariencia de la mezcla de agua y suelo que llega a la superficie; un técnico con suficiente experiencia detecta (“siente”) los cambios de las características de los materiales, en las variaciones del comportamiento de la tubería de lavado cuando la barrena desintegra y remueve el suelo del fondo; y los relaciona con la apariencia y el color del agua de lavado. 

Cada vez que aparezca un cambio notorio, debe suspenderse el agua de lavado, extraerse la tubería y reemplazarse la barrena picadora por un tomamuestras. Vuelve a insertarse la tubería de lavado y se procede al muestreo cuyo detalle se describirá más adelante. 

Deben tomarse muestras representativas al menos cada 1.50 m, o en todos los cambios de las características del suelo. 

Es peligroso apartarse de esta forma de proceder, puesto que ello puede conducir a serios errores de interpretación relativos a las condiciones del subsuelo. La presencia de estratos de arcilla localizados entre estratos de arena podría pasar inadvertida, aun si se llevara a cabo conscientemente el muestreo. 

4. Perforaciones por percusión

El sondeo por percusión es un método alternativo de excavar un barreno, particularmente a través de roca y suelo duro. Un trépano pesado de perforación se sube y baja para cortar el suelo duro. Las partículas de suelo recortado son llevadas a la superficie por circulación de agua. 

El sondeo por percusión puede requerir de un ademe. Las perforadoras por percusión con cables ligeros se pueden usar en cualquier tipo de terreno ya que las perforaciones se pueden alinear donde se requieran mediante tubos de acero y se usa una gran variedad de herramientas para diferentes tipos de suelo y roca. 

Una torre con cables de percusión requiere un torno de fricción para levantar o bajar las herramientas de perforación como lo muestra la figura 1,3. Estas máquinas pueden estar provistas de un motor hidráulico para operar un taladro rotatorio adecuado para la perforación en roca hasta un límite de penetración.

La perforación en suelos de alta cohesión se efectúa con barrenas, cortadores de arcilla (un tubo de acero con el borde abierto y una cuchilla en el extremo) o "conchas" (un tubo de acero con borde abierto con una válvula que aletea y una cuchilla en su extremo inferior). 

Las arenas y gravas se remueven de la excavación con la concha. En el caso de perforaciones en rocas o pedregones, se usan cinceles de varios tipos para romper la roca, y los fragmentos se sacan con la concha. En rocas duras, el progreso es lento, por lo que es preferible emplear el taladro rotatorio como se describe más adelante en este capítulo. 

El uso de agua vertida en el agujero puede ser inevitable cuando se perfora en suelos granulares por encima del manto acuífero. Sin embargo, su uso debe ser limitado siempre, y las ocasiones en que se agregue agua se deben anotar en los registros de perforación. 

Se acostumbra mantener prácticamente seca la perforación; sólo se usa una pequeña cantidad de agua que forma un barro con el material molido por el barreno. Cuando la acumulación de este barro interfiere con la perforación, se extrae el barreno de la cavidad y se limpia con una cubeta saca lodos 

La perforación por percusión es uno de los procedimientos más antiguos para avanzar perforaciones profundas en la mayoría de suelos, rocas, y es notablemente superior a otros procedimientos para penetrar depósitos de grava gruesa, formaciones que contienen grandes cantos y rocas muy fisuradas o con cavernas. 

Es relativamente lenta en arcillas y en lutitas pegajosas, y es prácticamente imposible de usar en arena fina suelta. La utilización exclusiva del procedimiento de percusión no es conveniente como método general de exploración, por las dificultades para detectar la presencia de estratos delgados y pequeños cambios en las características del suelo; además, los barrenos pueden alterar el suelo objeto del muestreo. 

La utilización de pequeñas cargas explosivas para romper o aflojar obstrucciones ocasionales o formaciones duras puede considerarse como una variante de este procedimiento.

5. Perforación Rotatoria

La perforación rotatoria es un procedimiento en el cual trépanos rotatorios de perforación unidos al fondo de las varillas perforadoras cortan y muelen el suelo y profundizan el barreno. Existen varios tipos de trépanos perforadores. La perforación rotatoria se usa en arena, arcilla y roca (a menos que ésta esté muy fisurada). 

El agua o lodo de perforación se inyecta a presión hacia abajo por las barras de perforación hasta los trépanos y el flujo de retorno lleva los recortes a la superficie. Con este procedimiento se logran fácilmente barrenos con diámetros de entre 50.8 a 203.2 mm (2-8 pulg). 

El lodo de perforación es una mezcla de agua y bentonita. Generalmente se usa cuando resulta probable que el suelo encontrado se desmorone. Cuando se requieren muestras de suelo, la barra perforadora se eleva y el trépano se reemplaza por un tubo muestreador. 

El procedimiento de perforación por rotación es el de mayor aceptación para perforaciones de variada finalidad en roca y materiales duros, y en una extensa gama de profundidades y diámetros. Permite obtener muestras continuas, y la velocidad de avance es mayor que la obtenida con cualquier otro método. 

Sin embargo, su empleo no es aconsejable o se vuelve lento en depósitos que contengan gravas de gran tamaño, fragmentos de roca y cantos en matriz de mala cementación; o en rocas muy fisuradas o cavernosas. En algunos de estos casos problemáticos se recurre a operaciones de cementado de la cavidad, para fijar elementos sueltos, y posterior perforación. 

Este procedimiento suministra información muy útil para definir, en cada caso particular, el método de excavación más conveniente. Por ejemplo, ayuda a establecer los límites entre materiales que pueden ser excavados con equipos y métodos corrientes y aquellos que requieren el uso de explosivos. 

Igualmente, permite definir con seguridad la profundidad del manto base de roca, así como los niveles de perfil de meteorización. Los equipos y herramientas de este procedimiento son más robustos y técnicamente perfeccionados y por consiguiente más costosos que los utilizados en la perforación por lavado. 

Además, la técnica de perforación se hace más compleja y especializada, razón por la cual, aun en los diámetros corrientes, el precio del metro lineal de perforación es dos a cinco veces el correspondiente al del método del lavado.