UNIVERSIDAD NACIONAL “JORGE BASADRE GROHMANN” FAC. DE INGENIERIA CIVIL, ARQUITECTURA Y GEOTECNIA INTRODUCCION Varios tipos de procedimientos de exploración geofísica permiten una rápida evaluación de las características del subsuelo. Estos permiten una rápida cobertura de grandes áreas y son menos caros que la exploración convencional por medio de barrenos. Sin embargo, en muchos casos, una interpretación definitiva de los resultados es difícil. Por esa razón, esos procedimientos deben usarse solo para trabajos preliminares. Aquí se presentan tres tipos de procedimientos de exploración geofísica: método por refracción sísmica, método por resistividad eléctrica, y método SPT. FIAG - ESIC GEOTECNIA PARA CIMENTACIONES
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UNIVERSIDAD NACIONAL “JORGE BASADRE GROHMANN”
FAC. DE INGENIERIA CIVIL, ARQUITECTURA Y GEOTECNIA
INTRODUCCION
Varios tipos de procedimientos de exploración geofísica permiten una
rápida evaluación de las características del subsuelo. Estos permiten una
rápida cobertura de grandes áreas y son menos caros que la exploración
convencional por medio de barrenos. Sin embargo, en muchos casos,
una interpretación definitiva de los resultados es difícil. Por esa razón,
esos procedimientos deben usarse solo para trabajos preliminares. Aquí
se presentan tres tipos de procedimientos de exploración geofísica:
método por refracción sísmica, método por resistividad eléctrica, y
método SPT.
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EXPLORACION GEOFISICA
SONDEOS POR REFRACCION SISMICA:
Los sondes por refracción sísmica son útiles para obtener información
preliminar acerca del espesor de los estratos de suelo y de la profundidad de la
roca o suelo firme en un sitio. Los métodos por refracción se conducen por
impactos sobre la superficie. El impacto se crea por un golpe de martillo o por
cargas explosivas. La primera llegada de ondas perturbadoras en varios puntos
es registrado por geófonos.
El impacto sobre la superficie del terreno crea dos tipos de onda de esfuerzos:
ondas P (u ondas planas) y ondas S (u ondas de corte). Las ondas P viajan mas
rápido que las ondas S; por c consiguiente, la primera llegada de ondas
perturbadoras estará relacionada con las velocidades de las ondas P en varios
estratos. La velocidad de las ondas P en un medio es:
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Funcionamiento del método.
La refracción más comúnmente utilizada corresponde a determinar las
primeras llegadas de las ondas de compresión (ondas P).
El método se ejecuta en base a lo que determina la normativa
internacional ASTM D 5777-95.
Se determinan los valores de velocidad de las ondas P y de las ondas S
en sedimentos y rocas.
Permite la detección de la profundidad del basamento y definición de su
relieve, dependiendo de variables como longitud del tendido, energía de
la fuente sísmica, frecuencia de los geófonos empleados, rigidez de los
suelos, entre otros aspectos.
Para la determinación de módulos geotécnicos (módulo de Young y
Coeficiente de Poisson) que permiten caracterizar y clasificar los suelos,
desde un punto de normativa de diseño.
Limitaciones.
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Para que exista refracción de las ondas, la velocidad de propagación de
estas debe ser estrictamente creciente con la profundidad. En el caso de
suelos con capas intermedias de menor velocidad el método no las
visualizará (capa ciega).
Requiere disponer de zonas con suficiente extensión, ya que la longitud
del tendido en superficie está directamente relacionada con la
profundidad de investigación que se alcance.
Dicha profundidad está condicionada por el tipo de fuente activa
empleada (entre otros factores como se mencionó anteriormente). Es
así, como mediante el uso de martillo se puede alcanzar una
profundidad del orden de 30-50 metros.
Consideraciones
La precisión del método requiere el uso de un levantamiento topográfico
de detalle.
Se considera que las ondas longitudinales se propagan a velocidades
constantes en cada estrato para cada tendido sísmico (spread), que es la
unidad básica de interpretación.
Si la longitud del perfil supera la extensión de un spread, se debe
considerar un traslape de geófonos para no perder información de los
rayos.
El contraste de velocidad entre estratos y el espesor de éstos, debe ser
suficientemente alto para que queden representados con claridad en las
curvas camino-tiempo.
APLICACIÓN:
Los resultados de un sondeo por refracción en un sitio se dan en la siguiente
tabla. Determine las velocidades de ondas P y el espesor del material
encontrado.
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Velocidad: Los tiempos de primera llegada están graficadas contra la
distancia desde la fuente de perturbación. La grafica tiene tres segmentos
rectos. La velocidad en los tres estratos superiores puede calcularse como
sigue:
Pendiente del segmento 0a= 1v1
= tiempodistancia
=23×10−3
5.25
Pendiente del segmento ab= 1v2
=13.5×10−3
11
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Pendiente del segmento bc= 1v3
=3.5×10−3
14.75
Comparando las velocidades obtenidas aquí con las dadas en la tabla, se
observa que el tercer estrato es roca.
Espesor de los estratos: xc =10.5 m, por lo que
El valor de Ti2 es 65 x 10-3 segundos. Por consiguiente,
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El estrato de roca se encuentra a una profundidad
Z1 +Z2=3.94 +12.66= 16.60 m.
SONDEOS POR RESISTIVIDAD ELECTRICA:
Otro método geofísico para la exploración del subsuelo es sondeo por
resistividad eléctrica. Esta característica, ρ, de cualquier material que tenga
una longitud L y un área A de sección transversal se define como:
ρ=RAL
Donde R= resistencia eléctrica
La unidad de resistividad se expresa generalmente como ohm.centimetro u
ohm. metro. La resistividad de varios suelos depende principalmente del
contenido de agua y de la concentración de iones disueltos. Las arcillas
saturadas tienen una resistividad muy baja; en contraste, los suelos y rocas
secos la tienen alta. El rango de resistividad generalmente encontrada en
varios suelos y rocas se da en la siguiente tabla:
El procedimiento más común para medir el perfil de un suelo es el método
Wenner que usa cuatro electrodos hincados en el suelo igualmente espaciados
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a lo largo de una línea recta. Los dos electrodos exteriores se usan para enviar
una corriente eléctrica I (generalmente una corriente directa con electrodos de
potencial no polarizante) al terreno. La corriente eléctrica varía entre 50 y 100
miliamperios.
La caída de voltaje V, se mide entre los dos electrodos interiores. Si el perfil del
suelo es homogéneo, su resistividad eléctrica es:
ENSAYOS IN SITU
MÉTODO SPT:
Las pruebas de campo adquieren una gran importancia en los suelos muy
susceptibles a la perturbación y cuando las condiciones del terreno varían en
sentido horizontal y vertical. El método de prueba in situ más ampliamente
utilizado es el de penetración.
Principio del ensayo:
El ensayo S.P.T. (Standard Penetration Test) consiste básicamente en contar el
número de golpes (N) que se necesitan para introducir dentro un estrato de
suelo, un toma-muestras (cuchara partida) de 30 cm. De largo, a diferentes
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profundidades (generalmente con variación de metro en metro). El toma-
muestras es golpeado bajo energía constante, con una maza en caída libre de
140 lb. (33.5 Kg.) y una altura de caída de 30 plg. (76,2 cm.).
Este ensayo se realiza en depósitos de suelo arenoso y de arcilla blanda; no es
recomendable llevarlo a cabo en depósitos de grava, roca o arcilla consolidada,
debido a los daños que podría sufrir el equipo de perforación al introducirlo
dentro de dichos estratos.
Equipo necesario para realizar el ensayo:
Pesa de 140 lb. con una altura de caída de 30 plg.
Barras y brazos de perforación
Muestrador o tubo partido con las siguientes dimensiones:
- Largo: 50 cm.
- Diámetro exterior: 51 mm.
- Diámetro interior: 35 mm.
- Peso total: 70 N. (16 lb.).
Trípode de carga
Flexómetro
Parafina sellante
Fundas de plástico
Tarjetas de identificación
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Trípode de carga Tubo de muestras
Procedimiento:
El método de Penetración Estándar es el más ampliamente usado para la
exploración de suelos.
En primer lugar se realiza un sondeo hasta la profundidad establecida, y
a continuación se lleva al fondo de dicha perforación una cuchara
normalizada que se hinca 15 cm. en la capa a reconocer, a fin de
eliminar la zona superficial parcialmente alterada.
Se hace entonces una señal sobre el varillaje y se cuenta el número de
golpes (N) necesarios para hincar de nuevo la cuchara, la profundidad de
un pie (30 cm.). Como se mencionó anteriormente, la masa que se
utiliza para la hinca pesa 140 lb. y su altura de caída es 30 plg., lo que
corresponde a un trabajo de 0.5 KJ por golpe, aproximadamente.
Entonces el parámetro medido será: N = N1 + N2, en donde N1
corresponde a el número de golpes necesarios para hundir el toma-
muestras 15 cm. Y N2 es en número de golpes que se necesita para
hundir los 15 cm. restantes del toma-muestras.
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Finalmente se abre la cuchara partida y se toma la muestra de su
interior, para realizar los ensayos correspondientes (Contenido de
Humedad, Granulometría, Límites de Consistencia, Peso Específico).
Este ensayo se debe realizar máximo hasta los 50 golpes, ya que,
después de este límite, introducir el equipo de perforación dentro del
estrato puede causar daños al mismo. Cuando tenemos este caso, se
dice que existe RECHAZO (roca o suelo muy bueno).
Cálculos:
El valor de N (número de golpes necesarios para hincar un toma-muestras de
30 cm. de longitud en un estrato de suelo, una profundidad que generalmente
varía de metro en metro) se determina, como se mencionó anteriormente,
sumando los valores de N1 + N2, entonces:
N = N1 + N2
Dónde:
N1: número de golpes necesarios para hincar el toma-muestras15 cm.
N2 : número de golpes necesarios para hincar el toma-muestras otros 15 cm.
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A partir del N del Ensayo S.P.T. se pueden determinar la Resistencia a la
Penetración y la Presión Admisible.
Resistencia a la penetración:
Rp=N∗4
Carga admisible:
σ adm=N10
Otro parámetro que se puede determinar a partir del N obtenido y de la
clasificación posterior del suelo, es el Grado de Compacidad en caso de suelos
arenosos y la Consistencia en caso de suelos arcillosos, esto mediante tablas
que relacionan los mencionados valores:
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APLICACIÓN DEL METODO SPT:
Con los siguientes datos obtenidos de un ensayo SPT, determinar:
El número de golpes N
La resistencia a la penetración
La presión admisible del suelo y el grado de compacidad.
Para obtener los valores buscados en el problema, sigo el siguiente
procedimiento
o Con los valores de N obtenidos del S.P.T. obtengo un diagrama
graficando dichos valores y uniendo los puntos que estos generan
con líneas.
o En el diagrama, podemos observar que existen dos partes diferentes
bien definidas. A partir de esta consideración digo que existen 2
estratos, cada uno con diferente Grado de Compacidad. El N
promedio para cada estrato es precisamente el promedio de los
diferentes valores de N obtenidos para cada profundidad.
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o Seguidamente determino el Grado de Compacidad de cada estrato
mediante la tabla que corresponde a la relación existente entre este
parámetro y el N del S.P.T.:
Para nuestro primer valor, N= 39, tenemos un Gc= 0.65; igualmente
para N=44, Gc= 0.74
o La resistencia a la penetración se puede calcular como se mencionó
anteriormente, con la siguiente expresión:
Rp=N∗4
Para el primer valor de N que corresponde a 39, Rp=156 kg/cm2. De
la misma forma calculo los valores de Rp para cada N.
o Finalmente obtenemos la Presión Admisible, que se puede calcular
mediante la expresión anteriormente mencionada:
σ adm=N10
Para N=39, la presión admisible σ adm=3.9kgcm 2
, calculándose los
demás valores de σ adm de manera similar.
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